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从一个真实案例看疏水阀选型对空调系统的影响

作者:广州同方瑞风节能科技股份有限公司 浏览: 发表时间:2020-12-02 16:25:37

在制药厂、卷烟厂等很多工艺性空调系统中,目前还普遍存在以蒸汽作为空调热源的情况,通常用于夏季再热和冬季加热过程。在蒸汽加热系统中,疏水阀一般安装于空调机组蒸汽加热盘管的凝结水出口附近的凝结水管道上,承担着汽水分离的作用。正常工作情况下,疏水阀前的蒸汽盘管中应充满蒸汽,产生的凝结水则经过疏水阀排至阀后管道中。如果疏水阀疏水不畅通,不能很好实现汽水分离功能,必然导致凝结水在蒸汽盘管中集结影响加热功能。


疏水阀有很多不同类型,分别适用于不同的应用场景。由于疏水阀属于工程配件,一般不含在空调机组供货范围,因此对疏水阀相关知识和常见故障加以了解,对空调设备制造商特别是客服人员十分必要本文结合一个真实案例,通过对几种疏水阀的实际观察和对比测试,来分析疏水阀选型对空调系统的影响,以及帮助用户和相关售后服务人员取得更多的判断、维修经验。


一、问题与现象

某制药厂客户对空调机组进行了拆旧换新的改造,空调系统在调试阶段其温湿度、洁净度等指标均达到预期要求。但在正式运行后,客户来电反馈该系统出现温度偏低,湿度偏高的情况,无法达到设定状态。


该空调系统中的组合式空调机组由我司提供,其功能段组合如下图,机组内设有一级冷水盘管、二级冷水盘管及蒸汽加热盘管。



提供现场调取空调机组控制系统界面图,得知该空调系统运行状况如下:



如图示,该系统设定温湿度设计值为DB22℃/RH63%,实际室内温度为19.1℃,比设定值低近3℃,室内相对湿度77.9%,比设定值高出近15%。且此时两级冷水阀开度及蒸汽电动阀开度全部为100%,也就是说设备出力已达极限,相对湿度依然超标。  


二、故障原因分析

从上面的机组运行状态分析,室内设定状态DB22℃/RH63%对应的空气含湿量为10.37g/kg,但实际室内工况DB19.1℃/RH77.9%对应的空气含湿量为10.73g/kg,而此时两级冷水阀及蒸汽加热阀开度同时达到了100%,这说明该空调系统的除湿能力和再热能力都显不足。所有需要对冷热源系统及相关部件分别进行检查。


1 检查发现一级(新风预冷)冷水盘管的进出水温度分别为8.7℃/15℃,温差6.3℃>5℃,说明冷冻水水温偏高、冷冻水流量不足。


 2 检查二级(混风再冷)冷水盘管的进出水温度分别为7.9℃/15.5℃,温差7.6℃>5℃,说明冷冻水水温偏高、冷冻水流量也明显不足。


⏩ 检查蒸汽加热盘管,蒸汽电动调节阀处于打开状态,蒸汽压力是0.2MPa,用手摸蒸汽盘管的凝结水排水管比常温略高但不烫手。在蒸汽电动阀打开、机组运行状态下进入空调机组内,用手触摸蒸汽加热盘管翅片,发现靠近蒸汽汇管侧约200mm宽度的垂直区域内翅片有些烫,且该区域明显上面温度高、下面温度低,盘管其他区域则是凉的。


上述现象说明蒸汽加热盘管内发生了积水现象,蒸汽无法正常进入盘管导致加热功能无法正常发挥。


 4 检查蒸汽盘管疏水系统,发现所示该空调机组蒸汽盘管凝结水排水出口处,按顺序依次接有破真空阀、疏水阀、手阀,其后排水管直接排向地漏,没有背压。如下图所示:



检查所装的疏水阀是自由浮球式疏水阀,如图所示,该阀特点是需要手动打开顶部螺栓进行排气后,疏水阀才能进入正常工作状态,该阀没有自动排气功能,冷启动时容易产生气堵导致不能正常排水。


经现场调查,系统调试时曾经对疏水阀进行手动放气操作,因此蒸汽盘管的加热功能在调试过程能够正常发挥,没有暴露以上问题。但在后续运行时,由于蒸汽系统间歇工作必然在管道中进入空气,如果在运行前不能手动排除,则必然会造成疏水器不能正常工作。



现场经过手动排气操作后,疏水阀便能正常排出凝结水,蒸汽盘管的加热功能随之恢复。这也验证了疏水阀本身没有故障,只是存在疏水阀选型不当问题


在同时对冷冻水系统进行水力平衡,适当加大冷冻水力量之后,上述空调系统的运行恢复正常:室内温湿度设定值为DB22℃/RH55%情况下,实际测量值为DB22。2℃/RH55.3%,此时二级冷水盘管电动调节阀的开度为66%,蒸汽再热盘管电动调节阀开度为46%,且工况比较稳定,如下图所示:



三、整改措施

由于上述空调系统中的蒸汽盘管属于间歇工作,工作期间则需要连续供汽,因此疏水阀靠每次手动放气显然不够可靠。因此我们建议用户对疏水阀进行整改。


根据当时现场条件,现场人员首先拆除了原理安装的自由浮球式疏水阀,安装了一个具有自动排气功能的倒吊桶式疏水阀,并在疏水阀前后加了一个水平的旁通和手阀,如下图所示:



经此整改后连续观察了两三天,室内温湿度控制都很正常而且稳定。但在连续运行十多天后,客户反馈又出现疏水阀排水不畅,室内湿度超标的老问题了。客服人员到现场后发现,疏水阀后的排水管确实没有水排出来,打开疏水阀侧的手动旁通阀后,则有大量气体和冷凝水从排水管处排出来,说明该疏水阀的自动排气功能也出现了问题。经向疏水阀专业生产厂家阿姆斯壮咨询,进一步了解到倒吊桶式疏水阀仍然不适合用在本案这样的场合,原因是倒吊桶式疏水阀的排气口太小了,不能保证及时把空气排出,时间一长也会产生气堵导致排不出水来。


阿姆斯壮技术人员向我们推荐了另外一种型式的疏水阀—杠杆浮球式疏水阀,该种疏水阀内装双金属片空气自动排放阀,可有效防止空气气堵和蒸汽汽锁。



在将倒吊桶式疏水阀改为杠杆浮球式疏水阀后,疏水阀问题得到彻底解决,此后经多次回访客户,再没有发生过类似问题。


四、小结

通过上述分析,我们知道疏水阀的正确选型,对于保障蒸汽加热设备正常工作至关重要。这就要求空调工程设计、施工及客服从业人员,必须要掌握一定的关于疏水阀工作原理及选型方面的知识,才能保障在工程实践中正确选择、正确安装和维护疏水阀。


后附蒸汽加热盘管正确的供汽系统和疏水系统的安装示意图,供相关人员参考。






【小贴士】蒸汽疏水阀及其选型

疏水阀要能“识别”蒸汽和凝结水,才能起到阻汽排水作用。疏水阀“识别” 蒸汽和凝结水通常基于三种不同方法:密度差法、温度差法和相变法,并由此产生三种不同类型的疏水阀:机械型、热静力型和热动力型。


(一)机械型也称浮子型

机械型也称浮子型就是利用凝结水与蒸汽的密度差,通过凝结水液位变化,使浮子升降带动阀瓣开启或关闭,达到阻汽排水目的。机械型疏水阀的过冷度小,不受工作压力和温度变化的影响,有水即排,加热设备里不存水,能使加热设备达到最佳换热效率。机械型疏水阀有自由浮球式、自由半浮球式、杠杆浮球式、倒吊桶式等。


1 自由浮球式蒸汽疏水阀结构简单,只有一个高精密度研磨浮球为活动部件,工作时浮球漂在液面上。凝结水少时,浮球随液位下降,在疏水阀前后的压差下,浮球漂向阀座,封住阀孔。浮球整个球面都可为密封面,没有集中磨损,使用寿命很长。


其排气有手动排气(如上面案例中采用的)和自动排气两种,其中手动排气更为可靠,自动排气型自由浮球疏水阀容易发生“汽锁”现象,导致疏水阀不能正常工作。所谓“汽锁”,是有蒸汽进入疏水阀阀体时,会使阀体迅速升温,自动排空气装置的感温液体膨胀,导致自动排空气装置关闭,此时就不能自动排掉进入阀体的蒸汽,冷凝水也不能畅通进入阀体和排走。



2 自由半浮球疏水阀:只有一个半浮球式的球桶为活动部件,开口朝下,球桶即是启闭件,又是密封件。当装置刚启动时,管道内的空气和低温凝结水经过发射管进入疏水阀内,阀内的双金属片排空元件把球桶弹开,阀门开启,空气和低温凝结水排出。当蒸汽进入球桶内,球桶产生向上浮力,同时阀内的温度升高,双金属片排空元件收缩,球桶漂向阀口,阀门关闭。当球桶内的蒸汽变成凝结水,球桶失去浮力往下沉,阀门开启,凝结水排出。当蒸汽再进入球桶之内,阀门再关闭,间断和连续工作。



3 杠杆浮球式疏水阀:基本特点与自由浮球式相同,内部结构是浮球连接杠杆带动阀心,随凝结水的液位升降进行开关阀门。杠杆浮球式疏水阀利用双阀座增加凝结水排量,可达到体积小排量大,最大疏水量达100吨/小时,是大型加热设备最理想的疏水阀。其工作原理如上图所示。



如图所示:

(1)是其在启动阶段,热静力排空装置(TV)可排出空气,否则空气积聚在疏水阀内会引起气锁


(2)是冷凝水到达疏水阀后,浮球升起,阀门打开,热的冷凝水使排气阀关闭。冷凝水以饱和温度排出;


(3)是当所有的冷凝水被排出后,蒸汽进入疏水阀,此时浮球下降,阀门关闭,排气阀打开。阀芯总是低于水位的,以防直接蒸汽泄漏。


杠杆浮球式疏水阀在冷凝水产生后,能够根据压力和负载的变化迅速排出冷凝水,相对于其它类型的同口径疏水阀,其排水能力大很多,因此特别适合用于换热量大、换热要求高、设备不允许积水的各种换热设备以及承担自动温度控制功能的换热设备。同时该疏水阀的凝结水出口总是浸没在冷凝水中,具有真正意义上的排水阻汽功能。


倒吊桶式疏水阀:其工作过程如下图所示:



(1)冷凝水到达疏水阀并在内部形成水封。倒吊桶自身的重量使阀门打开,冷凝水便沿着倒吊桶排出;


(2)蒸汽进入吊桶内,产生浮力使吊桶升起,阀门关闭;


(3)倒吊桶内部的蒸汽不断冷却并从排气孔中溢出,同时冷凝水进入倒吊桶,阀门再次打开,整个工作循环不断;


(4)倒吊桶内的排气孔不断将空气排出至疏水阀顶部,由于排气孔很小,排气比较缓慢,因此常会需要安装单独的排气阀。


倒吊桶中的空气如不排除就会阻碍疏水阀的正常工作,而倒吊桶疏水阀的排气孔比较小,排气非常缓慢,所以对于大量空气存在的场合就需要单独的热静力排空气阀,否则会造成设备积水,影响传热效率。


(二)热静力型疏水阀

这类疏水阀是利用蒸汽和凝结水的温差引起感温元件的变形或膨胀带动阀芯启闭阀门。热静力型疏水阀有膜盒式、波纹管式、双金属片式。图示为膜盒式蒸汽疏水阀,其主要动作元件是金属膜盒,内充一种气化温度比水的饱和温度低的液体。装置刚起动时,管道出现低温冷凝水,膜盒内的液体处于冷凝状态。阀门处于开启位置。当冷凝水温度渐渐升高,膜盒内充液开始蒸发,膜盒内压力上升,膜片带动阀芯向关闭方向移动,在冷凝水达到饱和温度之前,疏水阀完全关闭,膜盒随蒸汽温度变化控制阀门开关,起到阻汽排水作用。


膜盒式疏水阀


热静力型疏水阀的过冷度比较大,一般过冷度为15度到40度,它能利用凝结水中的一部分显热,阀前始终存有高温凝结水,无蒸汽泄漏,节能效果显著。其缺点在于它不能用于要求立即排放冷凝水的加热设备,为了避免换热设备的积水,热静力疏水阀前必须安装1-2米的冷却管。热静力型疏水阀对于蒸汽管道、伴热管线、小型加热设备、采暖设备以及温度要求不高的小型加热设备,是最理想的疏水阀选择 。


(三)热动力型疏水阀

热动力式疏水阀是一种非常结实且工作方式简单的疏水阀。如图所示,这种疏水阀靠闪蒸蒸汽经过疏水阀时产生的动力作用工作。


在启动阶段,由于压力的作用,碟片被顶起,冷凝水和空气越过内侧阀座经碟片下部从外围出口的三个小孔排出。热动力式疏水阀内有一个活动阀片,既是敏感件又是动作执行件。根据蒸汽和凝结水通过时的流速和体积变化的不同热力学原理,使阀片上下产生不同压差,驱动阀片开关阀门。热动力型疏水阀有热动力式(圆盘式)、脉冲式、孔板式。


热动力式疏水阀的特点是结构简单、耐水击,有噪音,阀片工作频繁,使用寿命短;由于其工作动力来源于蒸汽,所以蒸汽浪费比较大;由于其要求进入疏水阀的压力不低于一定的值,同时疏水阀的背压一般不能高于进口压力的50%(斯派莎克热动力疏水阀出口背压最高可以达到80%),否则疏水阀将不能正常工作;另外热动力疏水阀为间歇式排放。


因此,热动力式疏水阀一般不能用于对加热效率要求高且承担温度控制功能的换热设备。热动力疏水阀一般用于定压系统的冷凝水排放,如应用于蒸汽主管道、拌热管线、压烫机等的疏水。




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