換熱管外壁的水膜在空氣中蒸發(fā)時碳酸鈣污垢生長特性的研究

許雋杰， 章立新， 趙 彥， 劉 津， 趙圣仙，高 明， 陳永保， 劉婧楠

（1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.上海安得利節(jié)能科技集團(tuán)股份有限公司，上海 201814）

蒸發(fā)冷卻（冷凝）器和閉式冷卻塔被廣泛用于冶金、石化、食品和能源等領(lǐng)域，用于排放工藝系統(tǒng)中的廢熱，其工作原理是工藝介質(zhì)所攜帶的廢熱通過換熱管管壁傳遞給管外壁上的噴淋水，噴淋水同時與管外流動的空氣進(jìn)行對流換熱和蒸發(fā)傳熱，最終熱量由空氣帶出設(shè)備，排放到大氣環(huán)境中。

由于噴淋水中存在鈣離子等成分，其在換熱管外壁吸熱和向空氣放熱的過程中，由于噴淋水蒸發(fā)，過飽和狀態(tài)的噴淋水中溶解的無機(jī)鹽在流動狀態(tài)下析出并附著在換熱管外壁上，外壁會逐漸積聚起固態(tài)或軟泥狀物質(zhì)，這種積聚過程稱為結(jié)垢［1］。此類無機(jī)鹽以碳酸鈣、硫酸鹽和硅酸鹽等為主，其中碳酸鈣極易在換熱管外壁上堆積，形成較厚的污垢層，污垢熱阻大幅增大［2-4］，使得傳熱系數(shù)減小，能耗增加，且換熱管的設(shè)計(jì)換熱面積也需大幅增加。研究發(fā)現(xiàn)，換熱設(shè)備表面污垢厚度每增加1 mm就會使換熱器效率降低10%～20%［5］。當(dāng)管壁污垢厚度達(dá)到2 mm時，冷卻器效率會比無垢時下降30%［6］。張吉禮等［7］研究發(fā)現(xiàn)，由于污垢的存在，許多設(shè)備的設(shè)計(jì)換熱面積比沒有污垢的情況下要大30%～40%，引起的經(jīng)濟(jì)損失占其國民生產(chǎn)總值（GNP）的0.28%～0.35%。因此，研究換熱管外壁水膜在空氣中蒸發(fā)時碳酸鈣污垢的生長特性顯得十分重要。

筆者搭建了一套模擬換熱管外壁水膜在空氣中蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了在不同噴淋水質(zhì)量濃度以及不同氣水流向下?lián)Q熱管外壁的結(jié)垢過程，從熱阻和污垢晶型兩方面分析了碳酸鈣污垢的生長特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

1.1 換熱管外壁噴淋結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由噴淋水系統(tǒng)和不同氣水流向的污垢熱阻測試模塊以及測試儀表組成。其中，噴淋水系統(tǒng)由水池、流量調(diào)節(jié)閥、水泵、電加熱棒、空氣冷卻器（簡稱空冷器）、小型增壓泵和補(bǔ)水罐等組成。水池的進(jìn)出口溫度由熱電偶進(jìn)行測量，采用電加熱棒和空冷器調(diào)節(jié)水池溫度。噴淋水體積流量通過流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，并由流量計(jì)進(jìn)行測量。進(jìn)入不同模塊的噴淋水體積流量由各自的閥門和流量計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)及測量。由于噴淋水會部分蒸發(fā)，因此采用補(bǔ)水罐補(bǔ)充噴淋水，使水池液位保持穩(wěn)定。根據(jù)旁路上的p H計(jì)和電導(dǎo)率儀控制補(bǔ)水中成垢物質(zhì)的質(zhì)量濃度，使噴淋水系統(tǒng)的水質(zhì)保持穩(wěn)定。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of experimental device

圖2為不同氣水流向的污垢熱阻測試模塊示意圖。圖3為換熱管結(jié)構(gòu)示意圖。換熱管為圓形光管，材質(zhì)為黃銅，內(nèi)部裝有電加熱棒，用電加熱棒模擬管內(nèi)介質(zhì)釋放的熱量，通過電加熱棒自帶的調(diào)功器控制加熱功率P，其最大加熱功率為100 W。為了較為精準(zhǔn)地測量出換熱管內(nèi)壁溫度，在其內(nèi)壁設(shè)置2個測溫截面，每個截面等間距放置3個熱電偶，熱電偶探頭緊貼銅管內(nèi)壁，測得截面1上的溫度分別為Tis11、Tis12和Tis13，截面2上的溫度分別為Tis21、Tis22和Tis23。6個測點(diǎn)之間的溫差均不超過2 K，取其平均值作為換熱管內(nèi)壁溫度Tis。上集水槽和下集水槽內(nèi)與換熱管測溫截面對應(yīng)位置也各布置2個熱電偶，分別測量噴淋水噴淋到換熱管前、后的溫度Twi1、Twi2和Two1、Two2，將4個溫度的平均值作為換熱管外壁水膜溫度Tw。

圖2 不同氣水流向的污垢熱阻測試模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of fouling resistance test module at different air water flow directions

圖3 換熱管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of heat exchange tube

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在實(shí)驗(yàn)狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，換熱管外壁通過污垢層與噴淋水之間的總換熱量即為換熱管內(nèi)的加熱功率P。

式中：K為換熱管與噴淋水間的傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；A為換熱面積（以外表面計(jì)），m2；Tos為換熱管外壁溫度，K。

換熱管外壁溫度］為：

式中：λ為換熱管的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；di為換熱管內(nèi)徑，m；do為換熱管外徑，m；L為換熱管換熱有效長度，m。

換熱管與噴淋水間的傳熱系數(shù)K為：

式中：K（t）為t時刻換熱管與噴淋水間的傳熱系數(shù)，W／（m2·K）。

因此，只需要控制電加熱棒的加熱功率一定，測出換熱管內(nèi)壁溫度Tis，噴淋水進(jìn)、出口水溫Twi和Two，即可計(jì)算出換熱管外壁溫度Tos以及換熱管與噴淋水間的傳熱系數(shù)K，進(jìn)而得到污垢熱阻Rf。

2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

為了模擬攜帶無機(jī)鹽雜質(zhì)的噴淋水并加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，使用物質(zhì)的量比為1∶2的無水氯化鈣和碳酸氫鈉配置噴淋水，其質(zhì)量濃度分別為500 mg／L、1 000 mg／L和1 500 mg／L，實(shí)驗(yàn)用化學(xué)藥品見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用化學(xué)藥品Tab.1 Chemicals for experiment

采用不同質(zhì)量濃度的噴淋水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)前洗凈所有管路和換熱管表面，保證無水垢存在，并在水池和補(bǔ)水罐中加入調(diào)配好的噴淋水。實(shí)驗(yàn)開始時先調(diào)節(jié)噴淋水溫度。其具體過程是關(guān)閉污垢熱阻測試模塊前的閥門，打開水泵，從水池中抽取噴淋水，抽取的噴淋水經(jīng)過旁路回到水池，打開水池中的電加熱棒和管路系統(tǒng)中的小型增壓泵及空冷器，通過調(diào)節(jié)水池中電加熱棒功率和空冷器的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使噴淋水溫度達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需初始水溫。然后，打開污垢熱阻測試模塊前的閥門，調(diào)節(jié)經(jīng)過各污垢熱阻測試模塊的噴淋水體積流量，使其達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值，此時噴淋系統(tǒng)將抽取的溶液同時均勻噴灑到3個污垢熱阻測試模塊上，再回到水池，完成一個循環(huán)。水循環(huán)穩(wěn)定后打開3個污垢熱阻測試模塊上的風(fēng)機(jī)，使外界空氣通過橫流、順流和逆流的方式與噴淋水進(jìn)行熱質(zhì)交換，同時將3個換熱管中的電加熱棒功率均調(diào)節(jié)為20 W，并適當(dāng)降低水池中電加熱功率。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)空冷器風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和水池中電加熱棒的加熱功率來保持噴淋水溫度基本穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過程中通過數(shù)據(jù)采集儀記錄數(shù)據(jù)。每組實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行24 h，每1 min記錄1次數(shù)據(jù)，并對噴淋水質(zhì)量濃度為500 mg／L下的換熱管外壁污垢進(jìn)行烘干剝離，進(jìn)而進(jìn)行電鏡形貌分析。

3 結(jié)果與分析

加熱功率為20 W時，在干球溫度為14.9～15.5℃、相對濕度為70%～86%范圍內(nèi)，換熱管內(nèi)壁溫度Tis為30～34℃。

3.1 噴淋水質(zhì)量濃度對碳酸鈣結(jié)垢的影響

圖4給出了不同噴淋水質(zhì)量濃度下?lián)Q熱管外壁污垢熱阻的變化。與噴淋水質(zhì)量濃度為500 mg／L和1 000 mg／L相比，噴淋水質(zhì)量濃度為1 500 mg／L時污垢熱阻明顯較大，可以達(dá)到8×10-4m2·K／W，而噴淋水質(zhì)量濃度為500 mg／L時污垢熱阻最小。噴淋水質(zhì)量濃度為1 000 mg／L和500 mg／L時污垢熱阻在480 min運(yùn)行時間內(nèi)相差很小，隨著運(yùn)行時間的延長，兩者差距有所增大，達(dá)到960 min后其差值趨于穩(wěn)定，約為1.5×10-4m2·K／W。噴淋水質(zhì)量濃度從500 mg／L增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L時，1 440 min后3種氣水流向下污垢熱阻平均值分別增大了52.5%和187.8%，其中橫流狀態(tài)下噴淋水質(zhì)量濃度為1 500 mg／L時的污垢熱阻較噴淋水質(zhì)量濃度為500 mg／L和1 000 mg／L時分別高出3.64倍和2.29倍，與其他氣水流向相比，污垢熱阻差值最大。此外，運(yùn)行時間達(dá)到60～960 min時在高噴淋水質(zhì)量濃度（1 500 mg／L）、橫流狀態(tài)下污垢熱阻增速十分迅速，之后趨于平穩(wěn)，而在低噴淋水質(zhì)量濃度（500 mg／L）、順流狀態(tài)下，污垢熱阻變化最為平緩。

圖4 不同噴淋水質(zhì)量濃度下污垢熱阻的變化Fig.4 Variation of fouling resistance under different spray water mass concentrations

從整體實(shí)驗(yàn)過程可以看出，噴淋水質(zhì)量濃度對污垢生長的影響很大，在不同氣水流向下噴淋水質(zhì)量濃度為1 500 mg／L時污垢生長均最快，且污垢熱阻波動性較強(qiáng)，這與楊傳芳等［10］提出的碳酸鈣結(jié)垢速率模型較為符合，即污垢熱阻總是波動上升，最終趨于平穩(wěn)，說明碳酸鈣污垢的生長伴隨著其脫落過程，噴淋水質(zhì)量濃度越大，污垢熱阻波動現(xiàn)象越明顯。

3.2 氣水流向?qū)μ妓徕}結(jié)垢的影響

圖5給出了不同氣水流向下污垢熱阻的變化。從圖5可以看出，1 440 min后在不同噴淋水質(zhì)量濃度下橫流狀態(tài)時污垢熱阻最大，逆流次之。當(dāng)噴淋水質(zhì)量濃度較?。?00 mg／L）時，不同氣水流向?qū)ξ酃笩嶙璧挠绊戄^大，1 440 min后橫流狀態(tài)下的污垢熱阻比逆流和順流狀態(tài)分別高出34.6%和133.3%；噴淋水質(zhì)量濃度增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L后，氣水流向?qū)ξ酃笩嶙璧挠绊憸p小，噴淋水質(zhì)量濃度成為最重要的影響因素。結(jié)合文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］可知，在橫流狀態(tài)下，氣水的流向相互垂直，水膜在換熱管外壁的停留時間大于逆流和順流狀態(tài)下，因此橫流狀態(tài)下水膜的穩(wěn)定性更好，污垢熱阻也最大。在逆流狀態(tài)下氣水流向相反，此時進(jìn)風(fēng)風(fēng)壓減緩了換熱管外壁的噴淋水流速，并且會使換熱管外壁上產(chǎn)生“干點(diǎn)”，破壞水膜在換熱管外壁的穩(wěn)定性，使得生長的污垢不易被沖刷。在順流狀態(tài)下氣水流向相同，進(jìn)風(fēng)風(fēng)壓反而會使換熱管外壁的噴淋水流速增加，污垢更易脫落，因此污垢熱阻最小。這一結(jié)論也與沈濤［13］的研究結(jié)果一致。綜上，較小的噴淋水質(zhì)量濃度對污垢生長的影響不能完全體現(xiàn)，此時氣水流向?qū)ξ酃傅纳L有一定影響；當(dāng)噴淋水質(zhì)量濃度較大時，氣水流向?qū)ξ酃干L的影響與噴淋水質(zhì)量濃度的作用相比較小，此時噴淋水質(zhì)量濃度對污垢生長的影響較大。

圖5 不同氣水流向下污垢熱阻的變化Fig.5 Variation of fouling resistance under different air water flow directions

3.3 污垢晶型

選取順流狀態(tài)下噴淋水質(zhì)量濃度為500 mg／L的實(shí)驗(yàn)工況，在運(yùn)行時間達(dá)到1 440 min的條件下將換熱管外壁烘干并剝離污垢，對污垢進(jìn)行電鏡形貌分析。圖6為順流狀態(tài)下污垢的微觀形貌。由圖6可知，污垢粒徑范圍為5～10μm，形狀多為方形六面體結(jié)構(gòu)，呈典型方解石特征，每個面均較平整且棱角分明，同時局部碳酸鈣顆粒通過晶面沉積堆疊，會形成整齊致密的垢層。但總體來看，換熱管外壁聚集的污垢并不完全致密，少量污垢成分聚集成團(tuán)，多數(shù)污垢呈零散狀態(tài)。因此，換熱管外壁污垢的生長是沉積和脫除的疊加過程。成團(tuán)聚集的污垢更容易吸引新的污垢成分，而零散污垢則易被水流沖刷而脫落，這與Hasson等［14-15］的研究結(jié)論相符。

圖6 順流狀態(tài)下污垢的微觀形貌Fig.6 Micromorphology of fouling under the down-flow mode

4 結(jié) 論

（1）噴淋水質(zhì)量濃度越大，換熱管外壁污垢生長得越快，且污垢熱阻波動性更強(qiáng)。噴淋水質(zhì)量濃度由500 mg／L增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L時，運(yùn)行時間達(dá)到1 440 min后3種氣水流向下污垢熱阻平均值分別增大了52.5%和187.8%。

（2）在不同噴淋水質(zhì)量濃度下橫流狀態(tài)時污垢熱阻最大，逆流次之。在低噴淋水質(zhì)量濃度時氣水流向?qū)ξ酃笩嶙璧挠绊戄^大；隨著噴淋水質(zhì)量濃度的增大，氣水流向?qū)ξ酃干L的影響逐漸減小。當(dāng)噴淋水質(zhì)量濃度較大時，氣水流向?qū)ξ酃干L的影響與噴淋水質(zhì)量濃度的作用相比較小。

（3）污垢粒徑范圍為5～10μm，污垢呈典型方解石特征。污垢在換熱管外壁的聚集并不完全致密，少量污垢成分聚集成團(tuán)，多數(shù)污垢呈零散狀態(tài)，其生長過程為沉積和脫除的疊加過程。