一種換熱器污垢特性監(jiān)測方法與實驗研究

文孝強 苗慶龍 孫靈芳

(東北電力大學(xué)，a. 教務(wù)處；b.自動化工程學(xué)院)

一種換熱器污垢特性監(jiān)測方法與實驗研究

文孝強**a苗慶龍b孫靈芳b

(東北電力大學(xué)，a. 教務(wù)處；b.自動化工程學(xué)院)

針對長期以來換熱器污垢無法準(zhǔn)確監(jiān)測的問題，基于能量守恒定律提出了一種換熱器污垢特性監(jiān)測方法，嘗試建立了單位工質(zhì)元吸熱量模型，并搭建了相應(yīng)的污垢監(jiān)測實驗平臺，通過若干類型換熱器污垢實驗，驗證了該方法。實驗結(jié)果表明：單位工質(zhì)元吸熱量能較好地反映換熱器管內(nèi)污垢的生長趨勢，可以用于換熱器污垢特性的監(jiān)測，且較以往方法具有測點較少、測點容易安裝及數(shù)據(jù)容易獲取等特點，該方法還可以解決換熱器局部、區(qū)域性污垢無法準(zhǔn)確監(jiān)測的問題。

換熱器 污垢特性 能量守恒 監(jiān)測 工質(zhì)元吸熱量

目前，循環(huán)冷卻水占整個工業(yè)用水的80%左右[1]，而冷卻水在循環(huán)過程中，因溫度和流速的變化而在換熱器壁面上逐漸形成污垢，直接后果是增大了傳熱和流動阻力。眾所周知，在相同傳熱量的前提下，污垢熱阻會增大傳熱溫差、降低所傳遞熱能的利用率、增加設(shè)備能耗；流體流動阻力(流阻)的增大則直接增大了泵送能耗。因此，快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測冷卻水污垢的增長趨勢，就自然成為節(jié)能減排的主攻目標(biāo)之一。

國外對于污垢的監(jiān)測方法和技術(shù)方面，Kern-Seanton較早就提出了污垢沉積率和剝蝕率的具體表達式，這就是后來一直被科研工作者廣泛采用的Kern-Seanton模型。然而即使是該模型也只提供了污垢特性數(shù)學(xué)描述的框架，離揭示污垢形成機理還有距離。之后，Afgan N H和Carvalho M G基于換熱效率理論，提出了對象-屬性-值結(jié)構(gòu)污垢評估知識庫專家系統(tǒng)，為換熱器冗余面積設(shè)計、去垢效果和換熱器安全評估提供參考[2]。Sylvain L和Steohane L基于耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了污垢熱阻監(jiān)測模型[3]。Prieto M M等基于非全連前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種用來預(yù)測海水冷卻冷凝器污垢性能的方法[4]。Khan M S等實驗研究建立了套管式逆流換熱器CaCO3無量綱回歸污垢熱阻模型[5，6]，此外還分析了管表面溫度、雷諾數(shù)、管內(nèi)徑、CaCO3濃度和管子粗糙度對誘導(dǎo)期的影響。Zubair S M等從新視角出發(fā)，引入概率方法來分析污垢增長模型規(guī)律[7～9]。Bridger Scientific依據(jù)美國 Rohrhack 公司 1979 年發(fā)表的專利開發(fā)出了 DATS 系列在線污垢測試系統(tǒng) DATSTM[10]。Nalco 化學(xué)品公司的Wetegrove R L采用光學(xué)方法對污垢進行了監(jiān)測[11]。韓國電力公司發(fā)明了一種監(jiān)測污垢熱阻和管道清潔度的裝置[12]。Nalco 公司發(fā)明了一種污垢監(jiān)測系統(tǒng)，能夠區(qū)分微生物污垢與化學(xué)污垢[13]。

在國內(nèi)，楊善讓等研制了換熱器污垢在線自動監(jiān)測裝置，實驗結(jié)果表明，該裝置具有很高的實用性[14]。由于一定的假設(shè)和傳熱學(xué)經(jīng)驗公式的引入，難免產(chǎn)生監(jiān)測誤差。徐志明和文孝強在污垢的形成機理和預(yù)測模型方面也做了較多工作[15，16]。吳雙應(yīng)和李友容從熱力學(xué)第二定律出發(fā)，提出了“單位熱量的熵增率”，該指標(biāo)能夠全面、綜合地反映污垢對換熱傳熱性能的影響[17]。程偉良和李艷秋基于質(zhì)量傳遞理論建立了污垢監(jiān)測模型，用以計算流體流動生成的總污垢量[18]。侯迪波等基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了周期性結(jié)垢模型，預(yù)測間歇換熱設(shè)備的周期性結(jié)垢現(xiàn)象[19]。周本省等基于所測定和記錄的實驗數(shù)據(jù)研發(fā)了污垢熱阻在線監(jiān)測系統(tǒng)[20～23]。中國科學(xué)院金屬研究所研制了工業(yè)冷卻水腐蝕、熱阻在線監(jiān)測系統(tǒng)[24，25]。文獻[26]介紹了一種用傳熱端差Δt描述凝汽器冷卻水側(cè)換熱面污垢程度的方法。嚴曉宇等利用電熱式污垢監(jiān)測原理開發(fā)了一種污垢在線監(jiān)測實驗裝置[27]。張瑩等提出清潔度的定義，將冷凝器汽側(cè)空氣量、水管壁的污垢程度及冷凝器管束布置系數(shù)等因素對凝汽器總體傳熱系數(shù)的影響分離開來，以準(zhǔn)確診斷凝汽器的污垢程度[28]。邢曉凱等綜合考慮各種因素，建立了恒壁溫條件下計算污垢熱阻的改進模型[29]。北京化工大學(xué)提出了一種直觀式腐蝕污垢監(jiān)測儀，用于冷卻水系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測和冷卻水化學(xué)處理中藥劑的篩選、防垢除垢及傳熱基礎(chǔ)研究等[30]。在此，筆者基于能量守恒定律，提出單位工質(zhì)元吸熱量模型，并搭建了相應(yīng)的實驗平臺，實驗研究了若干換熱器管內(nèi)污垢的沉積規(guī)律。

1 實驗方案設(shè)計

筆者所搭建的實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)

為了加快換熱器管內(nèi)污垢的形成與沉積，實驗工質(zhì)采用的循環(huán)水是通過在清潔的自來水中添加CaCl2和Na2CO3藥品配制而成的，配置硬度為800mg/L的硬水以模擬析晶污垢。

實驗過程中，分別采用了3種類型的實驗管：光管、弧線管和縮放管。其中，光管選用內(nèi)徑d2=22mm，壁厚δ=1.5mm的不銹鋼材料，弧線管和縮放管結(jié)構(gòu)如圖2所示。實驗管材料和幾何參數(shù)見表1。

a. 弧線管

b. 縮放管

實驗管材料幾何尺寸L1/mmL2/mmL3/mmd1/mmd2/mmδ/mmα/(°)β/(°)r/mm縮放管不銹鋼561425201.52710-弧線管不銹鋼178--221.5--5

實驗過程：實驗分成兩個階段，第一個階段為建立水浴溫度階段，即通過溫度可控電加熱管對水槽水浴進行加熱，直至達到預(yù)設(shè)溫度；第二階段為污垢實驗階段，在此階段，下位水箱的人工硬水經(jīng)由變頻泵送至上位水箱，再經(jīng)手動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水的流速，并將該硬水送至實驗管段，在實驗管內(nèi)，該硬水通過管壁吸熱，溫度升高；接著，該實驗硬水被送至空冷裝置和下位水箱進行充分冷卻，如此往復(fù)。

數(shù)據(jù)的測量：實驗管出、入口溫度和水浴溫度由Pt100熱電阻來測量，其測溫范圍為-200～650℃，等級為A級，允許誤差±(0.15+0.002×|t|)℃，流量信號由超聲波流量計來測量，等級為1.0級，即其允許相對誤差為±1.0%。所有測量信號經(jīng)893數(shù)據(jù)采集器送入計算機進行相應(yīng)的處理。

2 基于能量守恒的污垢特性表征參數(shù)

實驗管工作原理如圖3所示。周圍水浴溫度為T，實驗管的入、出口溫度分別為Ti、To，管內(nèi)工質(zhì)流速為V，現(xiàn)將整個實驗管內(nèi)工質(zhì)沿實驗管徑向平均劃分成若干工質(zhì)元，則每一工質(zhì)元寬度為Δl，其質(zhì)量Δm為：

Δm=ρΔl(πD2/4)

(1)

圖3 實驗管工作原理

假設(shè)整個實驗管段溫度沿工質(zhì)流動方向均勻分布，每一工質(zhì)元內(nèi)各點的溫度是相等的，則單位時間內(nèi)該工質(zhì)元流動距離L1為：

L1=VΔt

(2)

對應(yīng)于該時刻的溫度T″為：

(3)

從起始位置P1到P2過程中，該工質(zhì)元所吸收的熱量ΔQ為：

ΔQ=cΔmΔT=cΔm(T″-T′)

(4)

式中c——水的比熱，J/(kg·℃)；

T′——工質(zhì)元P1點所對應(yīng)的溫度，℃。

將式(1)～(3)代入式(4)，即可得到該工質(zhì)元在單位時間的吸熱量。

隨著換熱器內(nèi)污垢的不斷生長，換熱效果將會不斷變差，可以預(yù)見：在水域溫度恒定的前提下，該工質(zhì)元在單位時間內(nèi)的吸熱量是隨著時間的推移而不斷變化的，該吸熱量的變化如同污垢熱阻一樣，也能反映出換熱器內(nèi)結(jié)垢狀況，從而可以作為換熱器污垢特性表征參數(shù)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1光管

首先選取光管進行污垢實驗。該光管長度為2.22m，直徑為22mm。在實驗過程中，實驗工質(zhì)的流速是可變的。水浴溫度控制在50℃。實驗選取沿實驗管軸向固定時間點工質(zhì)元作為研究對象，監(jiān)測其吸熱量的變化情況。圖4為該實驗管在不同清洗周期工質(zhì)元的吸熱量變化曲線。為了檢驗實驗結(jié)果，將本實驗所測得的實驗數(shù)據(jù)連同測得的壁溫等數(shù)據(jù)代入文獻[31]中的污垢模型中，得到污垢熱阻曲線如圖5所示。圖4、5中AB段流速為0.62m/s，BC段流速為0.40m/s，CD段流速為0.58m/s，DE段流速為0.44m/s，EF段流速為0.21m/s，F(xiàn)G段流速為0.34m/s，GH段流速為0.74m/s。

圖4 光管工質(zhì)元吸熱量隨時間的變化曲線

圖5 光管污垢熱阻隨時間的變化曲線

對比圖4、5不難看出：當(dāng)流速降低時(如AB到BC段，CD到DE段，DE到EF段)，污垢熱阻呈上升(增加)趨勢；與此同時，單位工質(zhì)元的吸熱量變化趨勢則恰好相反；同樣，當(dāng)流速升高時，污垢熱阻呈下降(減小)趨勢，而單位工質(zhì)元的吸熱量呈上升(增加)趨勢。分析其原因可知：對于污垢熱阻來說，流速的增加會增加對管壁的軸向沖刷作用，使得管內(nèi)沉積的污垢被剝離，污垢熱阻減?。粚τ趩挝还べ|(zhì)元吸熱量來說，則恰好相反，由于污垢熱阻的減小，其吸熱量會相應(yīng)的增加。當(dāng)流速減小時，其物理過程正好相反。

將上述實驗測得的污垢熱阻、工質(zhì)元吸熱量進行歸一化后置于同一坐標(biāo)系，結(jié)果如圖6所示。不難看出，不同流速下，管內(nèi)污垢熱阻的變化趨勢與工質(zhì)元吸熱量變化曲線近似呈相似對稱。

圖6 光管污垢熱阻、吸熱量對比曲線

3.2弧線管、縮放管

將實驗管更換為弧線管、縮放管繼續(xù)實驗。實驗中，弧線管、縮放管管長分別為2.22、2.20m。在計算工質(zhì)元面積時，采用了等效直徑，即用體積相同、長度相同但管徑不同的圓柱體分別等效弧線管體和縮放管體。所得實驗結(jié)果與污垢熱阻值曲線如圖7、8所示。

由圖7、8不難看出，與光管類似，污垢熱阻的變化趨勢與工質(zhì)元吸熱量變化曲線近似呈相似對稱。

3.3分析與討論

通過以上各實驗管污垢實驗可知，無論工質(zhì)流速是可變的還是恒定的，工質(zhì)元吸熱量變化趨勢均與污垢熱阻的變化趨勢相反，但同樣都可以較好地描述換熱器內(nèi)污垢隨時間的變化情況，故而通過換熱器內(nèi)單位工質(zhì)元吸熱量的監(jiān)測便可以實時反映換熱器內(nèi)的結(jié)垢狀況，進而為換熱器的清洗、優(yōu)化換熱器清洗周期提供理論依據(jù)。此外，該實驗過程中，僅需要實時測量換熱器出、入口溫度，這在實際現(xiàn)場是容易實現(xiàn)的，和眾多國內(nèi)外動輒幾十萬多則上百萬元的污垢監(jiān)測設(shè)備相比，本實驗裝置無疑降低了污垢監(jiān)測成本。

圖7 弧線管污垢實驗曲線對比

圖8 縮放管污垢實驗曲線對比

實驗過程中，若可以對固定點溫度進行實時測量，則可以替代公式(4)中的T″，這樣一來，該公式適用于監(jiān)測換熱器任意點污垢變化情況，從而解決了換熱器局部、區(qū)域性污垢無法準(zhǔn)確監(jiān)測的問題。另外，該實驗過程主要是定性監(jiān)測換熱器污垢的變化情況，接下來擬要解決的問題是如何利用該參數(shù)對換熱器污垢特性進行量化，包括給出量化的方法、標(biāo)準(zhǔn)等。

4 結(jié)束語

不同類型的實驗管實驗結(jié)果表明，工質(zhì)元吸熱量同污垢熱阻值一樣能夠描述換熱器管內(nèi)的結(jié)垢狀況，從而可以作為監(jiān)測污垢特性的指標(biāo)。監(jiān)測工質(zhì)元吸熱量時測點較少、容易安裝及監(jiān)測成本低等，有利于工程實際應(yīng)用。此外，該方法還可以解決換熱器局部、區(qū)域性污垢無法準(zhǔn)確監(jiān)測的問題。

[1] 楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設(shè)備的污垢與對策[M].北京：科學(xué)出版社，2004：8．

[2] Afgan N H，Carvalho M G.Knowledge-base Expert System for Fouling Assessment of Industrial Heat Exchangers[J]. Applied Thermal Engineering，1996，16(3)：203～208.

[3] Sylvain L，Stephane L.Online Fouling Detection Electrical Circulation Heaters Using Neural Networks[J]. Heat and Mass Transfer，2003，46(13)：2445～2457.

[4] Prieto M M，Montames E，Menendez O.Power Plant Condenser Performance Forecasting Using a Non-fully Connected Artificial Neural Network[J].Energy，2001，26(1)：65～79.

[5] Khan M S，Zubair S M，Budair M O，et al.Fouling Resistance Model for Prediction of CaCO3Scaling in AI-SI 316 Tubes[J].Heat and Mass Transfer，1996，32(1/2)：73～79.

[6] Budair M O，Khan M S，Zubair S M，et al.CaCO3Scaling in AI-SI316 Stainless Steel Tubes-Effect of Thermal and Hydraulic Parameters on the Induction Time and Growth Rate[J].Heat and Mass Transfer，1998，34(2/3)：163～170.

[7] Zubair S M，Sheikh A K，Shaik M N.A Probabilistic Approach to the Maintenance of Heat-Transfer Equipment Subject to Fouling[J].Energy，1992，17(8)：769～776.

[8] Zubair S M，Sheikh A K，Budair M O，et al. A Maintenance Strategy for Heat-Transfer Subject to Fouling a Probalistic Approach[J].ASME J Heat Transfer，1997，119(3)：575～580.

[9] Bott T R，Melo L F，Panchal C B，et al.Understanding Heat Exchanger Fouling and Its Mitigation[C].Proceedings of an International Conference on Understanding Heat Exchanger Fouling and Its.New York：Begell House，1999：393～400.

[10] Bridger Scientific.DATS Fouling Monitor System[EB/OL].http://www.bridgersci.com/products.Htm，2005-12-12.

[11] Wetegrove R L.System and Method to Monitor for Fouling[P].US：6023070，2000-02-08.

[12] Banholzer R.Process for Preparing Pure Enantiomers of Tropic Acidesters[P].US：5952505，1999-09-04.

[13] Robertson L R.Method for Monitoring Fouling in Commercial Waters[P].US：5281537，1994-01-25.

[14] 楊善讓，徐志明，王建國，等.污垢熱阻動態(tài)模擬自動監(jiān)測裝置及其應(yīng)用[J].工程熱物理學(xué)報，2001，22(z1)：149～152.

[15] 徐志明，文孝強.基于最小二乘支持向量回歸機的光管污垢特性預(yù)測[J].化工學(xué)報，2009，60(7)：161～162.

[16] 徐志明，文孝強.板式換熱器冷卻水污垢熱阻預(yù)測的偏最小二乘回歸法[J].化工學(xué)報，2011，62(6)：1531～1536.

[17] 吳雙應(yīng)，李友容.一項評價污垢對換熱器傳熱性能影響的指標(biāo)[J].化工機械，2001，28(3)：144～146.

[18] 程偉良，李艷秋.管內(nèi)污垢監(jiān)測模型研究[J].工程熱物理學(xué)報，2004，25(3)：508～510.

[19] 侯迪波，楊麗明，周澤魁.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的周期性結(jié)垢預(yù)測方法研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2004， 38(3)：307～311.

[20] 周本省.工業(yè)水處理技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997：37～39.

[21] 周本省.循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的結(jié)垢問題[J].化學(xué)清洗，1999，15(3)：36～ 42.

[22] 周本省，楊文忠.冷卻水系統(tǒng)中腐蝕和水質(zhì)的現(xiàn)場監(jiān)測[J].化學(xué)清洗，1997，13(2)：25～ 26.

[23] 周本省，楊文忠.冷卻水系統(tǒng)中腐蝕沉積物和微生物的現(xiàn)場監(jiān)測[J].腐蝕與防護，1996，17(2)：31～ 34.

[24] 鄭立群，杜鵑，左晉，等.循環(huán)水腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].小氮肥，1998，26(6)：16～ 17.

[25] 鄭立群，王子旭，左晉，等.工業(yè)冷卻水腐蝕、結(jié)垢實時監(jiān)測技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2002，22(6)：47～ 48.

[26] 楊善讓.汽輪機凝汽設(shè)備及運行管理[M].北京：水利水電出版社，1993.

[27] 嚴曉宇，萬平玉，張詩陽，等.冷卻水系統(tǒng)中的污垢熱阻及金屬腐蝕速度的在線監(jiān)測[J].化工機械，2000，27(1)： 12～ 15.

[28] 張瑩，王耀南，文益民.基于清潔度的冷凝器污垢監(jiān)測方法研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，38(4)：36～40.

[29] 邢曉凱，馬重芳，陳永昌，等.一種用于污垢監(jiān)測的溫差熱阻新方法[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，28(5)：70～73.

[30] 北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院.直觀式腐蝕污垢監(jiān)測儀制造技術(shù)[J].乙醛醋酸化工，2014，(6)：50.

[31] 張仲彬.換熱表面污垢特性的研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2009.

AFoulingMonitoringMethodforHeatExchangersandExperimentalResearchonIt

WEN Xiao-qianga, MIAO Qing-longb, SUN Ling-fangb

(a.Dean’sOffice;b.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Considering the fact that heat exchanger fouling can’t be monitored accurately and basing on the law of conservation of energy, a fouling monitoring method for heat exchangers was proposed and the unit refrigerant element heat absorption model was set up, including the corresponding fouling-monitoring platform. Experiments on the fouling verify this method and the results show that, the refrigerant element heat absorption can reflect fouling’s growth trend in the heat exchanger and it can be used to monitor fouling characteristics; as compared to other means, this method asks for few measuring points and obtains the measurement data easily, in addition, it can monitor any local or regional fouling accurately.

heat exchanger, fouling characteristic, conservation of energy, monitoring, heat absorption of refrigerant element

*國家自然科學(xué)基金項目(51476025)，東北電力大學(xué)“十二五”科研提升工程資助計劃項目，吉林市科技發(fā)展計劃項目(201464061)。

**文孝強，男，1979年9月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)03-0296-06

2015-04-17，

2016-05-16)