板式換熱器顆粒污垢特性的實(shí)驗(yàn)研究

徐志明， 董 兵， 杜祥云， 王丙林

（東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林132012）

污垢是指在與流體相接觸的固體表面上逐漸積聚起來的那層固態(tài)物質(zhì)，其存在給換熱設(shè)備造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］．徐志明等［2］從冗余面積、產(chǎn)品損失、運(yùn)行維護(hù)3個(gè)方面分析了污垢對(duì)電廠凝汽器造成的損失，每年總損失達(dá)28．1億元以上．張吉禮等［3］基于污垢熱阻建立了光滑銅管管內(nèi)污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)得出人工污水顆粒在污垢管內(nèi)的生長(zhǎng)特性，并建立了漸進(jìn)污垢積聚預(yù)測(cè)模型．Yiantios等［4］從流體力學(xué)和物化條件兩方面出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)方法分析了微米粒子在換熱器表面的沉積過程，揭示了重力等物理化學(xué)間的相互影響．昝成等［5］以板式換熱器內(nèi)二級(jí)出水為研究對(duì)象，著重考察了溫度和板間流速對(duì)污垢初始形成過程的影響．郭進(jìn)生等［6］以松花江水為工質(zhì)，研究了松花江水質(zhì)參數(shù)與板式換熱器內(nèi)冷卻水污垢熱阻的關(guān)系，結(jié)果表明：各參數(shù)相互影響，在運(yùn)行初始階段對(duì)顆粒污垢熱阻的影響較大．但是郭進(jìn)生等人并沒有考慮松花江水中的顆粒對(duì)污垢熱阻的影響．Thono等［7］分析了板式換熱器波紋角度對(duì)漸進(jìn)污垢熱阻的影響，結(jié)果表明：增大波紋角度，污垢熱阻值減小；對(duì)于一個(gè)給定的波紋角度，漸進(jìn)污垢熱阻與工質(zhì)流速的平方成反比，與質(zhì)量濃度成正比，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮換熱器的幾何形狀和流體速度，以使顆粒污垢得到減緩．付玉彬等［8］結(jié)合海水養(yǎng)殖，分析了固體顆粒對(duì)銅質(zhì)板式換熱器的腐蝕影響，結(jié)果表明：海水顆粒物含量低、流速小，對(duì)銅質(zhì)板式換熱器的腐蝕影響輕微，其研究偏重顆粒的沖刷腐蝕，并沒有分析顆粒污垢對(duì)銅質(zhì)板式換熱器的影響．

板式換熱器是目前各種換熱器中綜合換熱效果最好的，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：傳熱系數(shù)大、對(duì)數(shù)平均溫差大和熱損失小等，但也有缺點(diǎn)，如板間通道狹窄易堵塞，特別是對(duì)顆粒物質(zhì)，堵塞問題尤為嚴(yán)重［9］．顆粒污垢是換熱設(shè)備最為常見的污垢類型，與析晶污垢、生物污垢和其他類型污垢相比，顆粒污垢有一些自己的結(jié)垢特性，筆者采用納米顆粒溶液來模擬換熱面顆粒污垢的生成，以進(jìn)一步探索顆粒污垢生成機(jī)理以及相關(guān)因素對(duì)污垢生長(zhǎng)的影響．

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與原理

1．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

冷卻水動(dòng)態(tài)污垢模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，主要設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集器、板式換熱器、高溫與低溫介質(zhì)水箱、高溫與低溫介質(zhì)循環(huán)泵、電磁流量計(jì)（用于低溫介質(zhì)）、渦輪流量計(jì)（用于高溫介質(zhì)）、壓差變送器和Pt100熱電偶等．實(shí)驗(yàn)中，低溫介質(zhì)是由納米氧化鎂顆粒配制而成的溶液，高溫介質(zhì)是除鹽水，高、低溫介質(zhì)由各自的循環(huán)泵帶動(dòng)從高、低溫水箱流出，流經(jīng)流量計(jì)、控制閥門，隨后兩者在板式換熱器內(nèi)部板片的兩側(cè)進(jìn)行逆流換熱．高溫水箱內(nèi)部安裝1支熱電偶并設(shè)有3個(gè)功率為9 000W的加熱器，對(duì)除鹽水進(jìn)行間歇加熱，加熱溫度由溫控儀控制．低溫水箱內(nèi)安裝1支熱電偶并放置1個(gè)用來冷卻的散熱器，散熱器與外面的換熱扇相連，內(nèi)部冷卻水的流動(dòng)由空冷循環(huán)泵帶動(dòng)．在板式換熱器冷、熱介質(zhì)進(jìn)、出口分別安裝4支熱電偶和2對(duì)壓差變送器．流量計(jì)、壓差計(jì)和熱電偶所測(cè)數(shù)據(jù)全都交由數(shù)據(jù)采集器輸送給電腦終端．

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup

采用吉林四平某廠生產(chǎn)的BR0．015F型板式換熱器，具體參數(shù)見表1．

表1 板式換熱器的尺寸參數(shù)Tab．1 Size parameters of the plate heat exchanger

1．2 實(shí)驗(yàn)原理

理論上板式換熱器的換熱量Φ應(yīng)該等于高溫介質(zhì)的放熱量Φ1，也等于低溫介質(zhì)的吸熱量Φ2．考慮到實(shí)驗(yàn)過程中的散熱損失，取Φ＝

總傳熱系數(shù)為

式中：A為換熱面積，m2；Ψ 為溫差修正系數(shù)；qm1、qm2分別為高溫、低溫工質(zhì)質(zhì)量流量，kg／s；cp為比定壓熱容，kJ／（kg·K）；t1′、t″1分別為高溫工質(zhì)進(jìn)、出口溫度，°C；t2′、t″2分別為低溫工質(zhì)進(jìn)、出口溫度，°C；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，K．

污垢熱阻Rf為

式中：k0、k分別為清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下板式換熱器的總傳熱系數(shù)，W／（m2·K）．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 顆粒質(zhì)量濃度對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

在相同工況、不同質(zhì)量濃度下，對(duì)板式換熱器的納米顆粒污垢熱阻進(jìn)行了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．3組實(shí)驗(yàn)中顆粒質(zhì)量濃度分別為100mg／L、200mg／L和400mg／L，其他工況參數(shù)相同：低溫介質(zhì)溫度t＝35℃，工質(zhì)流速v＝0．15m／s，顆粒直徑D＝20nm．

圖2給出了顆粒質(zhì)量濃度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．從圖2可以看出：結(jié)垢速率隨著質(zhì)量濃度的增大而加快，3組實(shí)驗(yàn)均在20h左右達(dá)到穩(wěn)定，污垢熱阻漸進(jìn)值也隨著質(zhì)量濃度的增大而增大．文獻(xiàn)［10］中指出結(jié)垢的快慢和污垢熱阻的大小主要取決于顆粒的輸運(yùn)、沉積和剝蝕．顆粒質(zhì)量濃度越大，溶液和換熱器表面的質(zhì)量濃度梯度就越大，會(huì)驅(qū)使更多的顆粒向表面輸運(yùn)，對(duì)應(yīng)結(jié)垢速率加快，污垢熱阻漸進(jìn)值增大．從微觀上分析：任何顆粒之間都存在相互作用力，即范德華引力，它是色散力、極性力和誘導(dǎo)偶合力之和，其大小與粒子間距離的六次方成反比［11］．相同體積溶液內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度增大，顆粒間距離會(huì)縮小，則顆粒間的范德華引力增大，顆粒之間相互結(jié)合，使得沉淀量增加．

圖2 質(zhì)量濃度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響Fig．2 Effect of mass concentration on particle fouling resistance in plate heat exchanger

由圖2還可以看出：顆粒質(zhì)量濃度由100mg／L增大到200mg／L時(shí)，污垢熱阻增大為原來的288%．而顆粒質(zhì)量濃度由200mg／L增大到400 mg／L時(shí)，質(zhì)量濃度每增大100mg／L，污垢熱阻只增大為原來的44%．由此可見，質(zhì)量濃度增大時(shí)，污垢熱阻也增大，但是增大幅度明顯減?。蚨烧J(rèn)為當(dāng)質(zhì)量濃度增大到一定值時(shí)，污垢熱阻漸進(jìn)值不再隨著質(zhì)量濃度的增大而增大，而是會(huì)維持在一定范圍內(nèi)．其理論依據(jù)是：質(zhì)量濃度越大，顆粒之間的團(tuán)聚效應(yīng)［12］（膠體小顆粒之間發(fā)生碰撞相互結(jié)合成直徑更大顆粒的過程）越明顯，小顆粒容易團(tuán)聚成更大的顆粒，受到的剪切力也隨之增大．大顆粒受到的剝蝕力比小顆粒大很多，當(dāng)顆粒粒徑增大到一定值時(shí)，附著在換熱器表面的顆粒受到的剪切力足夠大，污垢熱阻漸進(jìn)值不會(huì)再隨著質(zhì)量濃度的增大而繼續(xù)增大，而是穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)［13］．

2．2 顆粒粒徑對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

在相同工況、不同顆粒粒徑下，對(duì)板式換熱器的顆粒污垢熱阻進(jìn)行了2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)中分別采用2種粒徑的氧化鎂顆粒：平均直徑為20μm的微米氧化鎂顆粒和平均直徑為20nm的納米氧化鎂顆粒．

圖3給出了顆粒粒徑對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．由圖3可以看出：在相同運(yùn)行參數(shù)和質(zhì)量濃度下，2組實(shí)驗(yàn)均無誘導(dǎo)期，納米顆粒的結(jié)垢速率大于微米顆粒，且納米顆粒污垢熱阻漸進(jìn)值明顯大于微米顆粒，幾乎是微米顆粒的6倍．這是因?yàn)榱皆叫?，比表面積就越大，體系的自由能也就越高，而顆粒有自己聚集或附著在換熱器表面以降低體系表面能的趨勢(shì)［14］，即小顆粒比大顆粒更易附著在換熱器或者污垢表面．另外，微米顆粒粒徑大，受到的剝蝕作用較強(qiáng)，即大顆粒比小顆粒更易從換熱器或污垢表面剝蝕．從宏觀上看，相同工況和質(zhì)量濃度下的納米顆粒和微米顆粒在垢層厚度上存在差別．污垢實(shí)物圖見圖4，由圖4可以看出，納米顆粒的污垢明顯較厚．借助掃描電子顯微鏡從微觀角度觀察納米顆粒污垢和微米顆粒污垢，可以看出納米顆粒污垢孔隙較發(fā)達(dá)，呈疏松多孔結(jié)構(gòu)（見圖5），該結(jié)構(gòu)類似于活性炭，本身具有吸附能力，可以吸附更多的污垢顆粒，使污垢量增加，而微米顆粒污垢較為瓷實(shí)（見圖6），不存在明顯的疏松多孔結(jié)構(gòu)．

圖4 顆粒污垢實(shí)物圖Fig．4 Physical photos of particle fouling

圖5 納米氧化鎂顆粒污垢表面SEM圖Fig．5 SEM photos of nano particle fouling

圖6 微米氧化鎂顆粒污垢表面SEM圖Fig．6 SEM photo of micron particle fouling

2．3 流速對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

在相同工況、不同流速下，對(duì)板式換熱器的顆粒污垢熱阻進(jìn)行了2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．圖7給出了流速對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．由圖7可以看出，2組實(shí)驗(yàn)均無誘導(dǎo)期，當(dāng)流速為0．2m／s時(shí)，板片結(jié)垢速率快，僅用5h就達(dá)到污垢熱阻的漸進(jìn)值，而流速為0．1m／s時(shí)結(jié)垢速率較慢，用時(shí)20h才能達(dá)到污垢熱阻漸進(jìn)值，高流速下污垢熱阻漸進(jìn)值明顯小于低流速下．在污垢生成的3個(gè)過程（輸運(yùn)、附著和剝蝕）中，流速都有參與，因此要分析流速影響顆粒污垢生成的機(jī)理較為困難．在初始污垢形成的過程中，剪切力至關(guān)重要，高流速帶來的大剪切力為顆粒之間的有效碰撞提供了能量，使得納米顆粒向換熱表面的輸運(yùn)和沉積加快，同時(shí)由于納米顆粒直徑小，受到的剪切力小，即附著率大于剝蝕率，結(jié)垢速率加快．在污垢進(jìn)入穩(wěn)定期后，高流速下污垢熱阻漸進(jìn)值小于低流速下，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒附著在換熱表面上生長(zhǎng)到足夠大時(shí)，剪切力的存在會(huì)使較大的顆粒聚集體發(fā)生機(jī)械破碎及骨架形變，從而影響顆粒的繼續(xù)增長(zhǎng)，這時(shí)的剝蝕率增大至接近附著率，污垢穩(wěn)定，不再增加．

圖7 流速對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響Fig．7 Effect of flow velocity on particle fouling resistance in plate heat exchanger

2．4 低溫介質(zhì)溫度對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

圖8 低溫介質(zhì)溫度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響Fig．8 Effect of medium temperature on particle fouling resistance in plate heat exchanger

在相同工況、不同低溫介質(zhì)溫度下，對(duì)板式換熱器的顆粒污垢熱阻進(jìn)行了2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．圖8給出了低溫介質(zhì)溫度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．由圖8可以看出，2組實(shí)驗(yàn)均無誘導(dǎo)期，且均在20～25h達(dá)到污垢熱阻漸進(jìn)值．低溫介質(zhì)溫度對(duì)結(jié)垢速率和污垢熱阻的影響不太明顯，結(jié)垢速率隨著低溫介質(zhì)溫度的升高略有增大，在污垢達(dá)到穩(wěn)定后，污垢熱阻隨著低溫介質(zhì)溫度的升高略有減?。@是因?yàn)轭w粒的布朗運(yùn)動(dòng)與溫度成正比，溫度升高，布朗運(yùn)動(dòng)加劇．在剛開始結(jié)垢過程中，受溫度升高的影響，顆粒的運(yùn)動(dòng)加劇，即相互碰撞聚集和向壁面運(yùn)動(dòng)的可能性增大，結(jié)垢速率加快．在污垢進(jìn)入穩(wěn)定期后，吸附是一個(gè)放熱過程［15］，溫度升高會(huì)使附著量略有減少，污垢熱阻漸進(jìn)值稍有減?。?/p>

3 結(jié) 論

（1）顆粒粒徑對(duì)污垢熱阻的影響最明顯，納米顆粒污垢熱阻漸進(jìn)值幾乎是微米顆粒污垢熱阻漸進(jìn)值的6倍，顆粒粒徑越小，污垢熱阻值越大．

（2）顆粒質(zhì)量濃度對(duì)污垢熱阻的影響也較為顯著，隨著顆粒質(zhì)量濃度的增大，結(jié)垢速率和污垢熱阻漸進(jìn)值均相應(yīng)增大，當(dāng)顆粒質(zhì)量濃度繼續(xù)增大時(shí)，污垢熱阻漸進(jìn)值會(huì)增大到一定值并基本保持不變．

（3）污垢熱阻隨著流速的增大而減小，增大流速可以減少顆粒污垢的生成，有助于換熱．

（4）低溫介質(zhì)溫度對(duì)顆粒污垢熱阻的影響不大．隨著低溫介質(zhì)溫度的升高，結(jié)垢速率略有增大，污垢熱阻漸進(jìn)值減?。?/p>

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