基于污水換熱器污垢不同生長階段的除垢試驗研究

馬廣興， 潘晨曉， 徐 健

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點試驗室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

中國建筑能耗研究報告顯示，2017 年， 我國建筑能源消費量占全國能源消費總量的21.10%，其中， 北方城鎮(zhèn)供暖能耗超過全國建筑能耗的35%[1]，[2]。 將熱泵應(yīng)用于建筑暖通空調(diào)是一種有效的節(jié)能方式[3]～[5]。城市污水是一種比較理想的低品位冷熱源， 污水源熱泵將排放的污水和城市能源有機結(jié)合起來，實現(xiàn)了“變廢為寶”，對節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 但是， 污水的水質(zhì)差，污物含量大且種類多，容易造成污水換熱器表面污染并產(chǎn)生結(jié)垢， 從而導(dǎo)致污水換熱器具有傳熱系數(shù)降低、 流動阻力增大和阻塞污水換熱器等問題[6]。 因此，如何有效地防止污物阻塞和污染污水換熱器以及管路是研究污水換熱器的難點[7]，[8]。

我國學(xué)者已對污水換熱器的換熱性能和污垢生長特性進行了研究[9]，[10]，并得到了許多污水換熱器除垢、抑垢方法?，F(xiàn)有的除垢方法包括化學(xué)除垢法和物理除垢法[11]。其中，化學(xué)除垢法因其具有一定毒性、 污染環(huán)境和對管道有腐蝕性等缺點而沒有被廣泛使用； 物理除垢法主要有流態(tài)化除垢法[6]，[12]、內(nèi)置彈簧插入物除垢法[13]和膠球在線清洗法[14]等，其中，流態(tài)化除垢法因其使用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、除垢效果較好和清洗費用低而被廣泛應(yīng)用。

從污垢生長特性考察， 污垢生長過程包括誘導(dǎo)期、生長期和漸進期。 目前，未有文獻記錄在污垢生長不同時期對污水換熱器進行除垢， 會對除垢效果產(chǎn)生什么樣的影響。 為了進一步研究除垢效果，本文基于污垢的生長規(guī)律，在污垢生長的誘導(dǎo)期、 生長期和漸近期3 個階段分別進行了在線除垢試驗研究。 試驗結(jié)果為污水換熱器除垢效果的改善提供了依據(jù)和參考。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experiment system

在試驗系統(tǒng)中， 污水換熱器的試驗管段為DN20 鍍鋅鋼管，該管的長度為6 m，本試驗對污水換熱器外側(cè)和非換熱管道進行保溫絕熱， 污水換熱器管內(nèi)介質(zhì)為污水， 污水換熱器管外介質(zhì)為清水。試驗流體在恒溫水浴中加熱到設(shè)定溫度后，經(jīng)水泵加壓送入污水換熱器， 換熱后返回恒溫水浴。在試驗系統(tǒng)中，沙粒經(jīng)固液分離器在自身重力作用下，沉降到水平管道中，本試驗通過減小與固液分離器相連接處水平管道管徑的方法增大水流動壓，在高流速水流作用下，使沙粒流化進入換熱系統(tǒng)對污水換熱器進行除垢。除垢結(jié)束后，沙粒和污水混合液經(jīng)出水管進入固液分離器， 在固液分離器溢流口處安裝孔徑小于沙粒直徑的濾網(wǎng)，將污水與沙粒分離。

1.2 試驗方案

試驗系統(tǒng)24 h 持續(xù)運行。 首先，對試驗系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，以達到試驗工況；然后，分別在污垢生長的誘導(dǎo)期（系統(tǒng)開始運行時）、生長期（污垢熱阻值突然升高時） 和漸近期（污垢熱阻值穩(wěn)定時）3個階段加入體積分數(shù)為3%、直徑為2 mm 的沙粒進行除垢試驗。

試驗管段流體流速采用量筒和秒表進行測定，流體溫度通過恒溫水浴控制。 污水換熱管進、出口處均設(shè)溫度測點， 并采用Pt100 熱電阻測量污水換熱管和清水換熱管進、出口處流體溫度，由多通道溫度熱流測試儀對流體溫度進行在線監(jiān)測，溫度采樣時間間隔為10 min。本試驗利用污垢熱阻法計算出污水換熱器的污垢熱阻值， 將起始時的污垢熱阻值作為起點， 從而繪制出污垢熱阻值的變化曲線。

為了分析污水換熱器管內(nèi)污垢的主要成分，本試驗在污水換熱器管內(nèi)污垢熱阻值穩(wěn)定后，對污垢進行取樣， 并采用烘干灼燒失重、 能譜儀（EDS）及掃描電鏡（SEM）對污垢進行試驗和分析。

由于污水水質(zhì)對污垢生長有影響， 為了保證實驗水質(zhì)的真實性和穩(wěn)定性， 本試驗將取水的時間間隔定為1 d。經(jīng)檢測，1 d 內(nèi)實驗用水中微生物數(shù)量只有微量減少， 可視為污水水質(zhì)在1 d 內(nèi)未發(fā)生變化。

2 監(jiān)測方法

對污垢生長監(jiān)測的方法分為熱力學(xué)法和非熱力學(xué)法。其中，熱力學(xué)法包括污垢熱阻法和溫差監(jiān)測法；非熱力學(xué)法包括直接稱重法、厚度測量法和壓降測量法等[13]，[15]。 本試驗采用污垢熱阻法對污垢生長進行監(jiān)測。

污垢熱阻值Rf的計算式為

式中：Kf為污染狀態(tài)下污水換熱器總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；Kc為清潔狀態(tài)下污水換熱器總傳熱系數(shù)，W/（m2·K）。

污水換熱器傳熱系數(shù)K 的計算式為

式中：Q 為單位時間內(nèi)污水換熱器的換熱量，W；A為污水換熱管總的換熱面積，m2；Δtm為污水換熱器冷熱流體的對數(shù)平均溫差，℃。

Δtm的計算式為

式中：Cp為清水的定壓比熱，kJ/（kg·K）；m 為清水的質(zhì)量流量，kg/s。

將式（3），（4）代入式（2）得到K 的計算式為

3 試驗測試

3.1 試驗參數(shù)

微生物繁殖的最佳溫度為30～40 ℃[16]， 本試驗選取35 ℃作為試驗溫度。

由于試驗管段管徑、流量較小，不適宜采用超聲波流量計進行測量，因此，本試驗采用量筒和秒表測定流體流速。 經(jīng)測定，流體流速為1.07 m/s，試驗中保持流體流速不變。

試驗污水采用某高校家屬區(qū)內(nèi)的生活污水，水質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 水質(zhì)參數(shù)Table 1 The parameters of the water quality

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 污垢分析

通過烘干灼燒失重實驗測得污垢的含水量和有機物含量分別為28.83%和62.74%， 含水量和有機物含量占污垢總重量的91.58%。 由此可知，污垢的主要成分為有機物。表2 為污垢元素含量。

表2 污垢元素含量Table 2 The element content of the fouling

圖2 為污垢能譜圖。

圖2 污垢能譜圖Fig.2 The energy spectrum of the fouling

由表2 和圖2 可知，污垢中的元素主要為C，O 和N，此外，還有少量的Si，Al，Mg，Ca 和Fe 等。由此可知，污垢是由大量的有機物，以及少量的泥沙、腐蝕產(chǎn)物和水垢等無機物組成。

經(jīng)掃描電鏡掃描得到污垢微觀形貌圖見圖3。

圖3 經(jīng)掃描電鏡掃描得到的污垢微觀形貌圖Fig.3 The fouling's microscopic topography by scanning electron microscope

由圖3 可知，污垢間存在較大的孔隙，污垢垢層比較疏松，導(dǎo)致污垢的含水量較高。

由上述可知，污垢的導(dǎo)熱性較差，從而增大了污水換熱器的導(dǎo)熱熱阻，降低了污水換熱器的傳熱效率[16]。此外，污垢中存在的腐蝕產(chǎn)物會腐蝕污水換熱器管道，從而減小污水換熱器的使用壽命。因此，須要對污水換熱器進行除垢，確保污水換熱器能夠長時間、高效地運行。

3.2.2 結(jié)垢工況試驗分析

結(jié)垢工況下，污垢熱阻值隨時間的變化情況如圖4 所示。

圖4 結(jié)垢工況下，污垢熱阻值隨時間的變化情況Fig.4 The change of the fouling resistance with time in the fouling condition

由圖4 可知， 該曲線為污水換熱器污垢生長的1 個完整周期。 污水換熱器管內(nèi)污垢主要成分為含水量較高的有機物， 污垢垢層比較疏松。 初期，污垢剛與污水換熱器管道表面接觸時，污垢的附著力較小，在重力和流體的作用下，污垢很容易從污水換熱器管道表面剝離并被流體帶走， 污垢熱阻值在0 附近波動， 該時段為污垢生長的誘導(dǎo)期，持續(xù)時間約為11 h；經(jīng)過一定時間后，緊貼污水換熱器管道處逐漸形成無機垢， 無機垢的形成令該管道變得粗糙， 從而使有機垢附著力逐漸增大，只有相當(dāng)大的剪切力才可能將污垢剝離，污垢熱阻值迅速增大，且波動幅度較大，此時進入污垢生長的生長期；隨著污垢層不斷增厚，當(dāng)污垢間的附著力與污垢表面流體剪切力等大時， 污垢層將不再增厚， 在278 h 時， 污垢熱阻值變化逐漸平穩(wěn)，此時進入污垢生長的漸近期，污垢的沉積和剝離達到動態(tài)平衡，污垢熱阻值在0.74×10-3（m2·K）/W 附近變化。

由圖4 還可以看出，在結(jié)垢工況下，污垢熱阻值在擬合曲線附近強烈波動， 這是因為污垢在沉積的同時，也不斷地從換熱器管壁脫落，其沉積和脫落主要表現(xiàn)在3 個方面。

①隨著污水換熱器持續(xù)運行， 污水換熱器內(nèi)流體的各項參數(shù)不斷變化， 污垢中一部分微生物由于不適應(yīng)污水換熱器內(nèi)環(huán)境的不斷變化死亡脫落，使污垢垢層變薄，從而強化了換熱；污垢中另一部分微生物，由于變化后的環(huán)境適宜其生存，從而促使這些微生物不斷生長、繁殖，從而形成新的污垢，導(dǎo)致污垢熱阻值逐漸增大。

②污水換熱器內(nèi)，污垢不斷沉積，生物膜厚度不斷增大，導(dǎo)致污水換熱管管徑變小，流體流速增大，從而增大了流體的剪切力。當(dāng)流體的剪切力大于污垢附著力時，一些污垢被流體沖刷脫落，從而減小污垢熱阻值； 而流體流速增大又為微生物的生長繁殖提供了氧氣，且在污垢脫落的地方，污垢垢層變薄又使流體流速減小， 導(dǎo)致該處流體的剪切力小于污垢的附著力，促使新污垢附著，降低了換熱效率。

③在污水換熱器管道上的污垢層的附著是不均勻的，在容易附著的地方會大量堆積，使污垢深層的養(yǎng)分和氧氣濃度降低， 從而導(dǎo)致污垢垢層開始脫落， 而污垢脫落的地方又為新污垢的生長提供了生存空間。

3.2.3 除垢工況試驗分析

圖5 為除垢工況下， 污垢熱阻值隨時間的變化情況。

圖5 除垢工況下，污垢熱阻值隨時間的變化情況Fig.5 The change of the fouling resistance with time in the descaling condition

由圖5（a）可知，在污垢生長的誘導(dǎo)期加入沙粒進行除垢后， 污垢熱阻值在0 附近波動的時長約為28 h，比無沙粒時延長了17 h，且污垢生長速率較無沙粒時明顯減緩。 在276 h 左右污垢生長進 入漸近期，污垢熱阻漸近值為0.4×10-3（m2·K）/W，比無沙粒時降低了45.9%。

由圖5（b）可知，加入沙粒前12 h 左右為污垢生長的誘導(dǎo)期。 之后污垢熱阻值突然升高，此時，將沙粒加入污水換熱器中，污垢熱阻值明顯減小，且持續(xù)一段時間后，污垢熱阻值開始緩慢增長，在270 h 左右污垢熱阻值趨于平緩，污垢熱阻漸近值為0.42×10-3（m2·K）/W，比無沙粒時降低了43.2%。

結(jié)垢工況下， 將污垢熱阻穩(wěn)定后的阻值作為起點，由圖5（c）可知，在污垢生長穩(wěn)定后加入沙粒進行除垢時，沙粒的加入破壞了污垢垢層的穩(wěn)定，污垢熱阻值總體呈下降趨勢，在288 h 左右污垢生長再次趨于穩(wěn)定，污垢熱阻漸近值在0.6×10-3（m2·K）/W 附近波動， 較無沙粒時降低了18.9%。

在除垢過程中，由于沙粒的加入，使污垢的附著面的面積增大， 一部分污垢附著在沙粒上被帶走，從而減少了污水換熱器管道上的污垢附著量。此外， 沙粒對污水換熱器管道的碰撞和摩擦使污垢垢層產(chǎn)生裂紋和磨損，從而促使污垢脫落，并強化了換熱。在污垢垢層脫落的地方，由于污水換熱器管道管徑增大，流體流速減小，使流體的剪切力減小，導(dǎo)致污垢在該區(qū)域再次附著。 由此可知，污垢在污水換熱器管道上循環(huán)往復(fù)地生長、脫落，從而引起污垢熱阻測試值在擬合值附近波動強烈，沙粒不僅可以除掉表層疏松柔軟的污垢， 還可以清除部分緊貼污水換熱器管壁較為堅硬的無機垢。因此，除垢工況下污垢熱阻值小于結(jié)垢工況下污垢熱阻值。

由圖4，5 還可以看出： 除垢工況下試驗管段的污垢熱阻漸近值小于結(jié)垢工況， 起到了強化換熱的作用； 在污垢生長的漸近期的除垢效率明顯低于誘導(dǎo)期和生長期； 在污垢生長的誘導(dǎo)期和生長期除垢均可延緩形成污垢， 降低污垢的生長速率，且兩者的生長周期和除垢效果相當(dāng)，但是，在污垢生長的生長期除垢， 加入沙粒的時間相對較晚，除垢能耗低于誘導(dǎo)期。 因此，出于對能耗的考慮，無須在污水換熱器運行開始時，就對污水換熱器進行除垢，在污垢熱阻值突然增大時，再加入沙粒進行除垢也能達到較好的除垢效果。

4 結(jié)論

①本文利用烘干灼燒失重法、 能譜分析法和微觀結(jié)構(gòu)分析法對污垢進行分析，分析結(jié)果表明，污水換熱器內(nèi)污垢的主要成分為含水量較高的有機物。

②在結(jié)垢工況下， 污水換熱器的試驗結(jié)果表明， 污垢生長的誘導(dǎo)期約為11 h，278 h 后污垢生長進入漸近期，污垢熱阻漸近值為0.74×10-3（m2·K）/W。

③在除垢工況下， 污水換熱器的試驗結(jié)果表明：在污垢生長的誘導(dǎo)期進行除垢，276 h 左右，污水換熱器內(nèi)污垢生長進入漸近期， 污垢熱阻漸近值為0.4×10-3（m2·K）/W， 比無沙粒時降低了45.9%； 在污垢生長的生長期進行除垢，270 h 左右，污水換熱器內(nèi)污垢生長進入漸近期，污垢熱阻漸近值為0.42×10-3（m2·K）/W，比無沙粒時降低了43.2%；在污垢生長的漸近期除垢，288 h 左右，污垢生長再次趨于穩(wěn)定，污垢熱阻漸近值為0.6×10-3（m2·K）/W，比無沙粒時降低了18.9%。

④污垢生長的誘導(dǎo)期和生長期除垢均可降低污垢的生長速率且除垢效果較好， 在生長期進行除垢不僅可以有效抑制污垢生長， 還可以降低除垢能耗。