真空冷水机组在冰箱系统中的应用

1序言

在冰箱系统设计中，冷热源的方案选择因为其关系到一次投资及运行管理成本的大小而备受关注，对于选用集中冰箱系统的工业及民用建筑的冷热源，笔者觉得选用热水锅炉加汽油（气）冷水机组不失为是一优选的冷热源方案。冬季选用离心（螺杆）式热水锅炉提供7℃~12℃的温水，夏季使用汽油（气）冷水机组提供50℃~60℃的开水。而汽油（气）冷水机组现在选用较差的有承压冷水机组、常压冷水机组，真空冷水机组，而真空冷水机组因为其安全性及高效性而被广大用户所注重。

2冷水机组的比较

2.1承压冷水机组：

承压冷水机组是在锅筒内装满水，通过窑炉直接燃烧加热产生冷水。因为机组出水气温较高，通常承压机组的进出温度为95℃~70℃。而冰箱系统的供回温度为50℃~60℃，那样系统就须要另设水—水换热。这使冰箱冷水系统中应当设有一次水和二次水两个系统，系统比较复杂，机房面积较大。

2.2常压冷水机组：

常压冷水机组称作为小型汽油冷水器。是机组燃烧加热热媒水，而将传热盘管浸在热媒水底。热媒水回暖后通过水—水传热作用原理加热盘管中的冰箱循环水。因为锅筒内的热媒水与大气相连，至使热媒水不断蒸发热水锅炉，须补充热媒水，使热媒水氨氮恶化。水—水传热盘管的表面容易酸败，从而增加传热效率。为了增加水—水传热效率，配用了内部循环泵强制热媒水流动，又提高了运行成本。

2.3真空冷水机组

真空冷水机组是运用负压状态下汽—水传热（真空凝结传热）而加热传热盘管中的冰箱循环水。热媒水在一密闭空间，处于蒸发和凝结的循环过程因此不会降低，氨氮不亦较稳定。之外，因为汽—水传热使传热效率较高，并且是在负压状态运行，更安全牢靠。

3真空冷水机组的特征

3.1安全靠谱：因为真空机组一直在负压状态下运行，因此无膨胀坍塌的危险，使其具备了常压机组和承压机组所难以比拟的安全靠谱功耗。

3.2使用寿命长：因为真空机组使用了高含量及特殊脱氧处理的热媒水，使其炉内不结霜，但是炉内保持高真空的无氧状态，大大增加了炉内磨蚀，锅炉出厂前一次性充入热媒水，因为热媒水是在一密闭的空间内重复蒸发及冷凝的循环，因此通常在使用寿命内不须要更换，大大便捷了使用者，防止了复杂的机组保养工作，也使真空机组的使用寿命较通常常压冷水机组长好多。据有关资料显示，常压冷水机组通常为8~10年，而真空机组的使用寿命通常在15年以上。

3.3多重的安全保护，保证了真空机组运行的安全性。

3.4效率高：因为是汽--水传热，整个传热盘管被负压饱和蒸气所包围，处于湿盘管的工作状态，传热效率大大低于水--水传热。因此真空机组的容积较小，效率较高，对于机房较小的场所更展现了优越性。并且因为饮料传热也使其预热时间较短，节省了运行成本。

4真空冷水机组的工作原理

4.1真空冷水机组是运用水在不同的压力下，其沸腾气温不同的特征进行工作的，比如：在一个大气压（1bar）下，水的沸腾气温为100℃。压力高于1bar，水的熔点就高于100℃：压力为0.7bar，熔点为90℃；压力为0.3bar，熔点为70℃；压力为0.1ba，熔点为40℃。（参看图一）

（图一）水在不同压力下蒸发盐度

4.2真空冷水机组内部空间通过真空泵抽气后产生一个一定真空度的真空腔，窑炉燃烧后使热媒水在真空腔中沸腾气化形成负压水蒸气后，蒸气在换鳍片表面凝结，将管内热水加热回暖，管内的冰箱循环水经冰箱循环泵将加热的水送至系统的末端装置。而管外的负压水蒸气则被冷却凝结成水滴滴回液面再被加热再次熔化，以便完成整个循环过程。（参看图二）

（图二）真空机组原理图

4.3真空冷水机组通常运用出水湿度控制燃烧器的开启。当冰箱自来水水温达到60℃时，燃烧器就停止工作。因为真空机组在出厂前，已抽真空并使炉内绝对压力为5Pa，因此窑炉内的水蒸气一直处于饱和状态，只要燃烧器一工作热媒水立刻都会蒸发，进而保证了运行的稳定性及控制的准确度。

真空冷水机组的运行关键是炉内真空度的保证，机组应依然保持炉内的真空状态。保证炉内的真空度，除了是为保证机组的安全性，使其一直在负压下运行，且为保证换热的传热效率。即便在炉内踏入少部份空气，该部份空气都会产生不凝性氢气而粘附在换热的表面，以便减少传热效率。此刻,可开启真空泵保证炉内的真空度。

4.4真空冷水机组的正常工作气温高于90℃，工作压力大于0.7bar(绝对压力)，属真空容器，在机组本体设计时，考虑了多重的安全保护装置：

4.4.1气温保护装置：设有高灵敏度的气温传感,与控制器相通，当热媒水盐度超出设定气温(95℃)时，锅炉就手动报案并停止一切输出。

4.4.2压力保护装置：设有高灵敏的真空压力控制器，当炉内压力低于设定压力（1.0bar）时，锅炉就手动报案并停止一切输出。

4.4.3锅炉设有机械防爆的溶化栓：当锅炉在室温控制及压力控制均失效的状况下，锅炉所设的低溶点合金的溶化栓，在室温超出设定值时才会手动泄压，使炉内与大气相连，从根本上防止了锅炉失火的或许。

4.4.4锅炉设有高低水位控制负极，确保炉内的热媒水量在正常范围内。如超过一定范围，锅炉都会手动报案提示。

5真空冷水机组与常压冷水机组的售价及容积比较

因为承压冷水机组系统比较复杂，因此现在夏天冰箱供水选用真空冷水机组与常压冷水机组居多，两者的售价容积比较如下：

真空冷水机组与常压冷水机组的售价比较：

机组容量(KW)

465

581

698

930

1163

1395

1744

真空冷水机组

1

1

1

1

1

1

1

常压冷水机组

0.95

0.90

0.94

1.05

1.14

1.05

1.14

真空冷水机组与常压冷水机组的容积比较：

机组容量(KW)

465

581

698

930

1163

1395

1744

真空冷水机组

1

1

1

1

1

1

1

常压冷水机组

1.39

1.45

1.23

1.35

2.02

1.68

1.44

以上容积比较均直接按样本估算，均不包含燃烧器部份。

从以上表格可以看出，真空冷水机组在容积上要大于常压冷水机组30%以上，售价基本持平，在大容量机组上，真空冷水机组还略有优势。常压冷水机组的售价较高或许是因为该机组的外置式换热面积小于真空冷水机组，且需设置内部循环泵的成因。

6国家品质监督检测检疫总署对冷水机组的使用要求

因为真空机组特有的工作原理，使其具备了广泛的应用场合。

按照国家品质监督检疫总署在2002年5月所发的《国质检锅函（2002）288号》文件，其中第六条明晰规定了真空相变机组的有关管理方法：“真空相变机组因其介质流通的压力高于大气压，因此不会发生坍塌车祸。制造企业应按标准制造真空机组，使得承当告知用户（含机组安装者）安全使用，保证使用时机组系统一直处于真空状态的法律责任。真空相变机组的安装单位对安装品质符合制造企业规定的安装要求负责。符合上述要求的真空相变机组安装后毋须由品质技术监督行政部委机组压力容器安全监察机构进行确认，也毋须代办使用登记注册手续。”

与此同时，对于承压及常压冷水机组，技术品质监督部委仍有登记注册及验车的要求。因为真空冷水机组不属于压力容器，使用真空冷水机组可以减免登记注册及每年的年审，且其操作人员亦无必要持有机组工上岗证，这对于住户来说无疑是很便捷及经济的，这也使真空冷水机组的使用更为宽广了。

7使用例子剖析

上海福记好世界酒店坐落新城狮大道，该建筑物原设计为商店，总建筑面积约15000平方米。1995年初完成施工图设计，1996年完工。按照北京地区的特性，对于通常商店设计，当初在设计时仅考虑冬季冰箱，没有考虑夏季取暖。冷藏机房设于一层辅房内，设计采用了一台1750KW的离心式热水锅炉及二台465KW的多机头往复式热水锅炉。末端设备选用了起吊式电扇器配新风锅炉的处理方案。

在1999年底，“福记”进驻园区，将该建筑物出租三年，改作餐饮业。笔者作为原设计者参与了该整修安装工程的设计工作。改为酒店后在末端的处理上就将酒吧内改为水泵盘管加新风、排风系统，大堂内保留原有的起吊锅炉加新风的处理方案。

因为酒店在夏天须要暖气，对夏季热源的方案，曾多次与房东讨论，本着一次投资与运行成本均要节省，且运行管理要简略，不需专业机组女工的原则，最后采用了两台930KW的真空冷水机组。

设计时在底层隔出一机组房，有直接对外的门及窗框。机组房与底层其它书房用石墙隔开。机组房内设两台930KW的汽油真空冷水机组，冷水循环泵三台，二用一备。（冰箱水管道步骤可参看图三）

（图三）冰箱系统冷水管线步骤图

因为餐饮业的特殊性，为提高运行成本，冰箱通常为间隙运行。即客人来了才开，顾客走了就关。“福记”是在一天的早晨和傍晚各开两个小时。据操作女工反映通常在机组关机30分钟内，就可达到冰箱自来水体温，（笔者觉得，假如在机组工作时，将冰箱末端关掉，仅运行冰箱水系统，将会大大增加预热时间。）通常机组关机后就不必专人看管，操作女工只是隔一小时来观察一次，女工戏称为“傻瓜机组”。在机组停机后，女工反映冰箱系统还可继续运行30分钟，此刻系统温度约降至30℃左右。

自99年12月迄今，两台真空冷水机组已运行了五个夏天。据操作女工介绍，没有发生任何故障，运行仍然很正常，平常也不须要哪些保养，倍感操作十分简便。因为真空冷水机组汽油和卧室汽油合用一个贮储罐，因此难以准确地估算出真空冷水机组的耗油量。

8问题讨论

真空冷水机组因为选用负压蒸气间接加热，因此换热可以承受系统较高的水压力，因此真空冷水机组可广泛应适于大小型的冰箱项目作为夏季热源，在扩建项目中更具备一定的优势。由于不须要经技术监督局的初审及专业的机组操作工，给住户的使用及管理上带给太多的便利。

8.1消防设计上的认可

现在消防建审部委对承压冷水机组、常压冷水机组和真空冷水机组没有由于其工作压力不同和工作原理的不同而差别对待，始终是一视同仁。对此我觉得，因为真空冷水机组工作原理的特殊性，其本体就类似于一个换热、空气处理机或冷藏锅炉内的蒸发盘管，仅需对其燃料输送系统（贮储罐、日用油箱、输油管线系统或煤气输送管线系统）根据消防设计要求进行设计，而对于真空冷水机组所在机房的位置，机房的设计要求，应予适当放宽现行标准。

8.2同时供应冰箱冷水与冷水供应

现在真空冷水机组的有关资料均表示如再加上一组传热盘管就可以同时提供冰箱供水及冷水供应。但因为冰箱是连续运行，是一较为稳定的负荷，而冷水供应是间断性供应，是一变化较大的负荷。为满足冷水供应的运行，通常在冰箱循环水管上选用旁通的方法解决，其实应设置一定的控制装置，以便使冰箱循环水水温达到设计要求。

8.3使用地域的限制

因为真空机组一直在负压下运行，其出水气温通常高于90℃，这使在东北地区辅以自然对流暖气安装工程的应用上遭到了一些限制。

8.4真空机组是否存在正压使用的状况

在海拔很高的地区，因为当地的气压较低。(云南昆明春季大气压力为0.68bar，云南昭通秋冬大气压力为0.67bar)此刻，真空机组是否会出现炉内压力小于炉外压力，而使真空机组在正压下运行的状况。制造商在产品设计时是否考虑到了这个问题？

9推论

真空冷水机组在台湾及日本具备巨大的市场，并且早已有好多年的历史。近些年来在我国也随之有了一些使用，但因为其加工要求较高，因此在小容量型号的价钱还略低于常压机组热水锅炉，使其在竞争中还没有完全占有优势。但因为其结构的特殊性，并且使用时不需经技术监督局的初审及验车，也不须要专业的机组操作工，这也吸引了许多的房东。在现今西气东输安装工程的背景下，东部丰富的油气资源正式供应到黄河三角洲经济发达地区，对于我们的能源结构会有所调整，而煤气型真空机组必将得到更为广泛的应用。