污水源热泵系统中换热器污垢热阻的实验研究

摘要：以换热器中常见的污泥类颗粒污垢为研究对象,通过工程实例进行热阻实验,监测此类污垢在换热管内的生长情况,并建立热阻预测模型。对得到的实验数据进行分析,拟合出了适用于工程实际的污水换热器污垢曲线,对工程设计及污水源热泵系统的控制、运行都有指导意义。

1简介

随着能源消耗和环境保护问题日益严峻,开发利用各类低位可再生能源作为热泵冷热源为建筑物供暖制冷具有重要的节能与环保意义[1-2]。可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能和地热能等等,相对这些冷热源,城市污水具有独特优势,是一种理想的低位冷热源。笔者所在课题组从2002年开始研究污水源热泵技术以来,在解决污水 的阻塞问题方面取得了多项发明专利,并且在多个工程中应用了原生污水源热泵技术,运行情况良好。但在实践的过程中发现,污水对换热器的污染问题逐渐成为原生污水源热泵系统能否成功应用的关键。

2污垢生长机理概述

按照污垢物质的成分,将壳管式换热器常见污垢分为水垢、污泥、腐蚀产物和生物沉积物4种类型。它们的基 本特性、形成原因和危害各不相同。水垢通常是指附着 于换热器换热管内表面上的一层不溶性盐类,它们具有质地坚硬、厚实、结晶紧密的特点,通常又被人们称之为 硬垢。污泥是指流体中的尘埃颗粒、泥沙、杂草、碎料片 等,它们中的有些物质往往是亲水性的,因此很容易在换 热管内形成体积庞大、湿而软的片状物,污泥不但自身对换热效果产生影响,而且极易与各种无机盐类沉淀和微生物结合在一起,形成一些混合污垢。腐蚀产物专指换热面材料参与化学反应而产生的腐蚀物,腐蚀产物不仅 本身污染换热面,降低传热效率,而且促使其他潜在的污垢组分附着于换热面而形成垢层。生物沉积物是指由细菌、藻类等微生物及其排泄物沉积于固体表面并生长、繁殖而形成的生物黏膜或有机物膜。经调查发现,在壳管 式换热器的常见污垢中,以上4种污垢所占的比例大约在 90%以上,且污泥和水垢所占的比例最大,危害最大,是今后除污防垢工作的重点。

3污垢积聚预测模型

最早的污垢模型是1924年由McCabe和Robinson针 对蒸发器水垢提出的[3]。但最重要的模型是1959年Ke和Seaton提出的微分形式污垢分析模型[4-5],这一模型为后来污垢研究奠定了理论基础。

在污垢的形成过程中,一方面污秽物质会沉积到换热 面上,增加热阻;但另一方面污垢组分被流体冲击而剥离 污垢热阻减小。Kern和Seaton根据这一推测,提出以下 常微分方程来描述这一过程。

式(3)表明,污垢热阻随时间的变化率是由沉积率和剥 蚀率决定的。虽然,目前针对颗粒污垢、析晶污垢、腐蚀污 垢、化学反应污垢、生物污垢、凝固污垢和食品污垢等,人们 都提出了对应的污垢热阻预测模型,但是各类污垢热阻预 测模型的基础仍然是式(3),只不过针对不同类型的污垢, 在不同的假设条件下,沉积率Φd和剥蚀率Φr的具体表达 式不同而已。

直到20世纪90年代,Zubair等人在分析污垢热阻随时间的变化规律时,引入概率分析方法,将污垢热阻随时间的变化规律归纳为线性、幂律、降幂和渐进四类增长形 式[6-9],它们的表达式形式分别为

这一污垢预测概率模型的提出,打破了原来不同种类 污垢之间的界限,具有普适性意义,能够直观、形象地描述 各类污垢的生长规律。

4污垢的监测方法

一般来讲,污垢监测方法分为热力学法和非热力学法,

;其中热力学法包括污垢热阻法和温差监测法;非热力学法 包括直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射性技术法、 时间推移电影法、液晶瞬态法、光学法、超声脉冲反射法和 钙离子浓度法等。20世纪90年代以来,随着关于污垢的 理论研究工作的深入和计算机应用技术的飞速发展,污垢 的监测方法、实验装置数据采集系统等方面均有了长足的 进步,各式各样的污垢检测方法和实验装置层出不穷,但目 前仍以污垢热阻法和压降测量法为主。

4.1污垢热阻法

污垢热阻法是最传统、最经典的污垢监测模型,其基本 定义见下式。

清洁和污染的换热面热阻分布如图1所示。

首先测量洁净状态下的总传热系数Kc,然后在相同工 况下,监测污染状态的总传热系数Kf,即可由式(8)和(12 计算得出对应工况下的污垢热阻。如果可以在线测得K 随时间变化的关系,就可以得到污垢热阻随时间的变化特 性。

4.2压降测量法

压降测量法是所有污垢监测方法中操作最为简便而又 行之有效的一种监测手段。只需测量换热管进、出口或换 热器进、出口的压差,就可以通过污染前后压降的变化来反映污垢的积聚情况。

换热管进、出口的压差包括沿程阻力和局部阻力。

如图2所示,在一般的壳管式换热器中,污垢使换热管 内径减小,粗糙度增加,分析式(13),(14)可得:1)由于管 内侧的表面粗糙度增加,使得沿程阻力系数加大,引起沿程 阻力增加;2)由于换热管内径减小而引起沿程阻力增加; 3)由于污物在管内进出口处的长期积聚,使得局部阻力系 数加大,引起局部阻力增加。

5换热器污垢监测的实验方法

如前所述,污垢热阻的求取公式为式(8),式中污染状 态下的总传热系数Kf可由设计工况下的传热方程求得。

由式(18)可以看出,只要测出流体的质量流量,冷热流 体进、出口温度,便可以计算出换热器内的传热系数,也就 可以得出换热器内的污垢热阻。根据以上监测原理结合实 验数据对实际工程中的换热器结构情况进行了监测。

6实验过程及实验分析

6.1实验过程

管内污垢生长特性实验的总体方案包括实验工况的确 定、系统的运行和数据采集两个方面。

1)实验工况的确定

本实验在实际工程中进行,

污水流量为110 m3/h。

2)系统运行和数据采集

系统全天间歇运行,实验数据的采集由测量仪器定期 自动记录。数据监测系统的采样周期为30 min,这样每30 min就可以计算出一个Kf,从而绘制出传热系数的变化曲 线。在实验后期由于污垢厚度已经趋于稳定,变化较缓慢, 所以将测量频率变为每2 min测量一次温度,以验证污垢 是否达到稳态。

6.2实验结果及分析

图3为换热器内污垢热阻随时间变化的曲线。实验运 行时间为2007年1月26日00:30~2月5日13:30,总计 253 h。在这段运行期间内热泵机组根据负荷的变化间歇 运行,现场观察发现,当1台热泵稳定运行时换热器内中介 水的进水温度为6℃左右,当2台热泵同时运行时换热器 内中介水的进水温度为3℃左右,所以过高的温度都是在 热泵停机或是刚开始运行还未达到稳定时记录下的温度, 都应该舍去。符合条件的温度记录都通过计算得出有效的 热阻值,然后绘出变化曲线。

从图3中可以看出:

1)测试一开始换热系数就开始波动并有下降趋势, 这说明换热器内污垢生长并没有诱导期,也就是说测试 一开始马上就有污垢形成。这与换热器内的水质为污水 有关,因为污水中含有较多的污杂物,有利于污垢的迅速 形成。

2)图中呈波浪形上升的实测污垢热阻值曲线大体形 状接近指数函数曲线,因此可以认为热阻增长趋势与 Zubair和Sheikh等人建立的渐进污垢积聚热阻预测 模型具有类似的特性方程式。

3)污垢热阻在250 h以后渐趋稳定,稳定值为 8×10-4m2·K/W,称之为稳定污垢热阻。对于颗粒污垢, 其稳定污垢热阻受温度(换热管管壁温度和流体温度)、颗 粒粒径、流体流速、颗粒物浓度、换热管表面粗糙度等多种 因素的影响。

综上所述,参照Zubair和Sheikh等人建立的渐进污垢 积聚热阻预测模型式(7)的结构形式,可以得到在北京悦都 酒店的实际工程中当污水流量为110 m3/h时,在换热器内产生的污垢的热阻预测模型式为

将式(19)与实测的污垢热阻值进行比较,由图3可以 看出,在前200 h内实测值与理论值基本吻合,在200 h以 后,实测值在一段时间内比理论值明显偏高,但在接下来的 一段时间内又开始持续偏低,但一直在预测值的上下波动, 这可能是由于Zubair和Sheikh等人建立的渐进污垢积聚 热阻预测模型是针对同一种类的污垢,而具体到某一种的 污垢,则会出现一定的偏差,需要加以修正。而且污垢的生 长本来就是非线性的,当污垢增长到平衡厚度时其表面的 附着力很小,并且底层的生物黏泥由于缺氧等原因也部分 开始脱落了,而在脱落的地方污垢的生长速度很快,所以就 出现了污垢热阻变化剧烈的情况。

7结论

7.1在实际工程状态下,测得换热器内的黏泥污垢热阻生长规律,实际换热器内污垢的生长状态与预测的污垢的生 长状态基本吻合,但仍需修正。

7.2污垢达到稳定状态时,污垢的热阻会呈现围绕平衡热阻较大的波动。

7.3本次实验的成功

证明了热阻法的可行性和有效性,虽然误差可能稍大,但在实际工程允许的范围内,并且实验的数据对以后的工程和具体的换热器计算具有较大的指导意义。

7.4工程中所使用的是未经处理的原生污水,污垢生长速度快,达到稳定的时间短,所以没有必要对换热器进行频繁的清洗,只要一个供暖期结束后进行清洗即可。

7.5本实验仅采用了污垢热阻法进行监测,在今后的研究工作中还应采用其他监测方法与此方法进行互相校验,例如之前介绍的污垢压降测量法,以得到可靠的数据,对实际工程进行更准确地指导。

参考文献：略