北方地区核电站空调设备防冻探讨张磊

张磊

(中广核工程有限公司辽宁省116319)

摘要：这次研究主要是探讨北方地区核电站空调设备防冻，结合实际案例，按照静水结冰和流水结冰原理分析空调盘管冻结原因。对不同类型的热水盘管和冷水盘管提出针对性的防冻措施，希望能够对核电站空调设备防冻起到参考性价值。

关键词：北方地区；核电站；空调设备；防冻设计

随着我国社会经济的发展，也逐渐促进了核电等清洁能源的发展应用。当前，我国在运核电机组待到2500万kW，各地区遍布核电厂。我国北方地区和南方地区存在较大气候温差，因此各地区核电机组都需要适应当地气候环境。本文主要是分析北方地区核电站空调设备的防冻设计。

1、空调设备产生冰冻的原因

1.1盘管结冰机理

从本质上讲，盘管冻裂主要是由于气温较低导致管内流体结冰，不论是运行盘管还是不运行盘管都能够分为流水结冰和静水结冰。

第一，静水结冰与环境气候存在相关性，若裸管完全结冰则可以根据下式进行计算。

在该式当中，t表示完全结冰时间；r1表示管道内半径；ρi表示冰密度；L表示冰潜热；R表示管道热阻；Ri表示冰热阻；θr表示环境温度。

图1为0.015m管道直径下随着环境温度变化，结冰时间也产生变化；图2为环境温度在零下0.5℃时，随着管道内半径变化，结冰时间也相应变化。从图中可以看出，管道直径在0.015m时，温度环境为零下0.5℃，盘管在一小时内就会完全结冰。管道直径越大，会相应延长完全结冰时间。管道外环境温度越低，会相应缩短完全结冰时间。

流水结冰影响因素主要表现在管道内水流状态。在处于层流状态时，流速断面不均匀分布，靠近管壁的流速几乎为0，因此，管外环境温度在零下时就会导致管道内部发生结冰现象，所以需要对管内流动未在层流状态进行严格控制。

利用雷诺数能够对管内流动状态进行判断，如果雷诺数在2300以下时，管内流动状态为层流状态，此时流体温度为20℃。一般来说，新风机组热盘管管径规格为Φ15.88，因此，为了确保管内流动不处于层流状态，需要将管道内流速控制在每秒0.15米以上。

1.2冷水盘管冻结原因

在冬季环境温度低下时，需要使用冷空调设备，但其他空调冷水盘管未运行，因此产生冻结的原因主要表现在以下方面：其一，盘管未放空，盘管设计不合理，仍存在积水；其二，盘管设置问题，将热水盘管设置在冷水盘管下游。

1.3热水盘管冻结原因

导致热水盘管出现冻结现象的原因来源于多方面，主要表现在盘管设计，系统设计，盘关流量控制模式等方面。

第一，冷风侵入影响：在设计空调系统时，需要分析新风机组防冻问题，此时就需要将电动密闭阀设置在新风管上，然而该种设计方式没有注重阀门漏风情况，按照相关标准规定，密闭型风阀泄漏量需要小于0.5%，普通风阀泄漏量小于2%。按照实验分析可以看出，阀门两端压差处于40Pa时，0.5mm的条缝漏风量将超过10立方米，因此，冷风侵入会冻结未运行盘管。

第二，控制方式影响因素。在设计空调热水系统时主要采用末端三通变流量方式实现调节，在设计期间为分析防冻保护程序，所以在较小热负荷需求量情况下，通过盘管流量比较小，流速较低，导致管内流动属于层流状态，出现冻结现象。

第三，盘管换热面积影响因素。在选择空调系统设备类型时，盘管预留部分余量，设备厂家在明确设备数据表之后还预留余量，过多余量会加大盘管换热面积。

2、北方地区空调设备防冻措施

2.1热水盘管防冻处理

通过对热水盘管冻结影响因素的分析，在处理时可以利用盘管面积缩小方式，提升防冻干预力度，全面实现热水盘管防冻保护。

第一，控制热水盘管面积。在选择热水盘管时需要充分考虑安全系数，在计算盘管面积比时将其控制在10%以下，严禁采用层层加叠余量方式。对于设备生产商所给予的盘管需要校核管内流速和出水温度，不论处于哪种运行状态，都需要将管内流速控制在0.15%以下。

第二，使用保温密闭阀。由于北方地区气温较低，因此需要将保温密闭阀设置在新风管上，系统停止运行之后盘管内水停止循环的系统需要采取其他有效措施实现防冻，可以使用值班风机法和电热阀等实现。

第三，增加防冻控制。对于末端变流量系统来说，需要将防冻保护控制程序安装在新风机组热水盘管上，具体操作如下：在送风机处于停运状态下，并且新风温度在5℃以下，将热水三通阀最小开度控制为50%。如果新风温度在5℃以上，但是没有超过十摄氏度，咋热水三通阀最小开度为30%。当送风机处于运行状态时，新风温度不超过5℃，热水三通阀最小开度为50%。如果新风温度在5℃以上，按照原有调节方式对热水三通阀开度进行调节，全面确保室内温度。

2.2冷水盘管防冻措施

在北方环境气温低下区域，可以在热水盘管下游设置冷水盘管进行防冻保护。对于冬季不运行的系统来说则需要实施放空处理，在设计盘管时需要优化处理结构，便于防空。针对现有设备，在无法完全排空时可以利用压缩空气进行吹扫。

3、一体化迎风旁通加热盘管

末端变水流量系统利用防冻保护程序的增设，加大盘管内水流速可以确保防冻效果，然而，该种方式无法实现节能，会导致室内温度先住大于设计温度值。对于盘管内流速过低问题的处理措施来说，可以通过末端定水流量系统解决。然而，一般来说，为了满足房间设计温度要求需要使用变新风量，这样就导致无法达到新风设计要求。因此比较有效的处理方法是不仅能够定水流量还能够定风量，全面满足空气处理温度的要求。为了实现以上要求，可以使用一体化迎风旁通加热盘管，控制机构和迎风旁通阀。其中，在加热盘管的上游和下游设置迎风旁通阀，并且包裹加热盘管，建立一体化设备体系，连接迎风旁通阀和控制机构，利用控制信号输入方式能够有效控制迎风旁通阀的旁通功能段和加热功能段，并且自动进行关闭或者开启动作。下图为示意图。在定新风量和定水流量条件下，经旁通加热盘管和加热盘管的利用调节功能能够对被加热空气的温度值进行控制，使其满足设定之要求，进一步达到空气处理温度要求。

4、结束语

综上所述，在北方地区核电站空调设备当中防冻问题属于严重突出问题，不仅会对舒适性造成影响，还会威胁空调设备的安全可靠运行。针对冷水盘管来说，在进行防冻保护时主要是应用放空处理实现，并且将冷水盘管设置在加热盘管的下游。对于热水加热盘管的防冻保护处理措施来说，尤其是采用末端变水流量系统，在实施防冻保护措施时可以采用监测点设置和控制程序设计等方式，需要将盘管管内流速设置在每秒0.15米以上，并且将盘管热水出水温度控制在20℃以上。如果核电站条件允许，则可以使用一体化迎风旁通加热盘管，该类盘管能够直接处理冬季低温度环境当中热水盘管动力问题，避免过多维修设备，全面确保核电站设备运行的安全性和稳定性。

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