哈雷釬焊板式換熱器
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                污水源熱泵系統中換熱器污垢熱阻的實驗研究

                點擊:1675 日期:[ 2014-04-26 21:14:23 ]
                                污水源熱泵系統中換熱器污垢熱阻的實驗研究                         哈爾濱工業大學 徐 瑩                 中國電子系統工程第二建設有限公司 李 鑫                       哈爾濱工業大學 伍悅濱 孫德興     摘要:以換熱器中常見的污泥類顆粒污垢為研究對象,通過工程實例進行熱阻實驗,監測此類污垢在換熱管內的生長情況,并建立熱阻預測模型。對得到的實驗數據進行分析,擬合出了適用于工程實際的污水換熱器污垢曲線,對工程設計及污水源熱泵系統的控制、運行都有指導意義。     關鍵詞:污水源熱泵 換熱器 污垢熱阻 預測模型     1·簡介     隨著能源消耗和環境保護問題日益嚴峻,開發利用各類低位可再生能源作為熱泵冷熱源為建筑物供暖制冷具有重要的節能與環保意義[1-2]??稍偕茉窗ㄌ柲?、風能、水能、生物質能和地熱能等等,相對這些冷熱源,城市污水具有獨特優勢,是一種理想的低位冷熱源。筆者所在課題組從2002年開始研究污水源熱泵技術以來,在解決污水的阻塞問題方面取得了多項發明專利,并且在多個工程中應用了原生污水源熱泵技術,運行情況良好。但在實踐的過程中發現,污水對換熱器的污染問題逐漸成為原生污水源熱泵系統能否成功應用的關鍵。     2·污垢生長機理概述     按照污垢物質的成分,將殼管式換熱器常見污垢分為水垢、污泥、腐蝕產物和生物沉積物4種類型。它們的基本特性、形成原因和危害各不相同。水垢通常是指附著于換熱器換熱管內表面上的一層不溶性鹽類,它們具有質地堅硬、厚實、結晶緊密的特點,通常又被人們稱之為硬垢。污泥是指流體中的塵埃顆粒、泥沙、雜草、碎料片等,它們中的有些物質往往是親水性的,因此很容易在換熱管內形成體積龐大、濕而軟的片狀物,污泥不但自身對換熱效果產生影響,而且極易與各種無機鹽類沉淀和微生物結合在一起,形成一些混合污垢。腐蝕產物專指換熱面材料參與化學反應而產生的腐蝕物,腐蝕產物不僅本身污染換熱面,降低傳熱效率,而且促使其他潛在的污垢組分附著于換熱面而形成垢層。生物沉積物是指由細菌、藻類等微生物及其排泄物沉積于固體表面并生長、繁殖而形成的生物黏膜或有機物膜。經調查發現,在殼管式換熱器的常見污垢中,以上4種污垢所占的比例大約在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點。     3·污垢積聚預測模型     最早的污垢模型是1924年由McCabe和Robinson針對蒸發器水垢提出的[3]。但最重要的模型是1959年Kern和Seaton提出的微分形式污垢分析模型[4-5],這一模型為后來污垢研究奠定了理論基礎。     在污垢的形成過程中,一方面污穢物質會沉積到換熱面上,增加熱阻;但另一方面污垢組分被流體沖擊而剝離,污垢熱阻減小。Kern和Seaton根據這一推測,提出以下常微分方程來描述這一過程。                   式(3)表明,污垢熱阻隨時間的變化率是由沉積率和剝蝕率決定的。雖然,目前針對顆粒污垢、析晶污垢、腐蝕污垢、化學反應污垢、生物污垢、凝固污垢和食品污垢等,人們都提出了對應的污垢熱阻預測模型,但是各類污垢熱阻預測模型的基礎仍然是式(3),只不過針對不同類型的污垢,在不同的假設條件下,沉積率Φd和剝蝕率Φr的具體表達式不同而已。     直到20世紀90年代,Zubair等人在分析污垢熱阻隨時間的變化規律時,引入概率分析方法,將污垢熱阻隨時間的變化規律歸納為線性、冪律、降冪和漸進四類增長形式[6-9],它們的表達式形式分別為:                    這一污垢預測概率模型的提出,打破了原來不同種類污垢之間的界限,具有普適性意義,能夠直觀、形象地描述各類污垢的生長規律。     4·污垢的監測方法     一般來講,污垢監測方法分為熱力學法和非熱力學法,其中熱力學法包括污垢熱阻法和溫差監測法;非熱力學法包括直接稱重法、厚度測量法、壓降測量法、放射性技術法、時間推移電影法、液晶瞬態法、光學法、超聲脈沖反射法和鈣離子濃度法等。20世紀90年代以來,隨著關于污垢的理論研究工作的深入和計算機應用技術的飛速發展,污垢的監測方法、實驗裝置數據采集系統等方面均有了長足的進步,各式各樣的污垢檢測方法和實驗裝置層出不窮,但目前仍以污垢熱阻法和壓降測量法為主。     4.1 污垢熱阻法     污垢熱阻法是最傳統、最經典的污垢監測模型,其基本定義見下式。                     式(9)~(11)中 R1f,R2f分別為污染狀態下壁面兩側的對流換熱熱阻,(m2·K)/W;R1c,R2c分別為潔凈狀態下壁面兩側的對流換熱熱阻,(m2·K)/W;Rf1,Rf2分別為污染狀態下壁面兩側的污垢熱阻,(m2·K)/W;Rw為壁面的導熱熱阻,(m2·K)/W。     清潔和污染的換熱面熱阻分布如圖1所示。                       首先測量潔凈狀態下的總傳熱系數Kc,然后在相同工況下,監測污染狀態的總傳熱系數Kf,即可由式(8)和(12)計算得出對應工況下的污垢熱阻。如果可以在線測得Kf隨時間變化的關系,就可以得到污垢熱阻隨時間的變化特性。     4.2 壓降測量法     壓降測量法是所有污垢監測方法中操作最為簡便而又行之有效的一種監測手段。只需測量換熱管進、出口或換熱器進、出口的壓差,就可以通過污染前后壓降的變化來反映污垢的積聚情況。     換熱管進、出口的壓差包括沿程阻力和局部阻力。                     如圖2所示,在一般的殼管式換熱器中,污垢使換熱管內徑減小,粗糙度增加,分析式(13),(14)可得:1)由于管內側的表面粗糙度增加,使得沿程阻力系數加大,引起沿程阻力增加;2)由于換熱管內徑減小而引起沿程阻力增加;3)由于污物在管內進出口處的長期積聚,使得局部阻力系數加大,引起局部阻力增加。                     5·換熱器污垢監測的實驗方法     如前所述,污垢熱阻的求取公式為式(8),式中污染狀態下的總傳熱系數Kf可由設計工況下的傳熱方程求得。                     方式決定的溫差修正系數;cp為水的比定壓熱容,kJ/(kg·K);m為中介水的質量流量,kg/s。將式(16)和式(17)代入式(15)中得                     由式(18)可以看出,只要測出流體的質量流量,冷熱流體進、出口溫度,便可以計算出換熱器內的傳熱系數,也就可以得出換熱器內的污垢熱阻。根據以上監測原理結合實驗數據對實際工程中的換熱器結構情況進行了監測。     6·實驗過程及實驗分析     6.1 實驗過程     管內污垢生長特性實驗的總體方案包括實驗工況的確定、系統的運行和數據采集兩個方面。     1)實驗工況的確定     本實驗在實際工程中進行,污水流量為110 m3/h。     2)系統運行和數據采集     系統全天間歇運行,實驗數據的采集由測量儀器定期自動記錄。數據監測系統的采樣周期為30 min,這樣每30min就可以計算出一個Kf,從而繪制出傳熱系數的變化曲線。在實驗后期由于污垢厚度已經趨于穩定,變化較緩慢,所以將測量頻率變為每2 min測量一次溫度,以驗證污垢是否達到穩態。     6.2 實驗結果及分析     圖3為換熱器內污垢熱阻隨時間變化的曲線。實驗運行時間為2007年1月26日00:30~2月5日13:30,總計253 h。在這段運行期間內熱泵機組根據負荷的變化間歇運行,現場觀察發現,當1臺熱泵穩定運行時換熱器內中介水的進水溫度為6℃左右,當2臺熱泵同時運行時換熱器內中介水的進水溫度為3℃左右,所以過高的溫度都是在熱泵停機或是剛開始運行還未達到穩定時記錄下的溫度,都應該舍去。符合條件的溫度記錄都通過計算得出有效的熱阻值,然后繪出變化曲線。                     從圖3中可以看出:     1)測試一開始換熱系數就開始波動并有下降趨勢,這說明換熱器內污垢生長并沒有誘導期,也就是說測試一開始馬上就有污垢形成。這與換熱器內的水質為污水有關,因為污水中含有較多的污雜物,有利于污垢的迅速形成。     2)圖中呈波浪形上升的實測污垢熱阻值曲線大體形狀接近指數函數曲線,因此可以認為熱阻增長趨勢與Zubair和Sheikh等人建立的漸進污垢積聚熱阻預測模型具有類似的特性方程式。     3)污垢熱阻在250 h以后漸趨穩定,穩定值為8×10-4m2·K/W,稱之為穩定污垢熱阻。對于顆粒污垢,其穩定污垢熱阻受溫度(換熱管管壁溫度和流體溫度)、顆粒粒徑、流體流速、顆粒物濃度、換熱管表面粗糙度等多種因素的影響。     綜上所述,參照Zubair和Sheikh等人建立的漸進污垢積聚熱阻預測模型式(7)的結構形式,可以得到在北京悅都酒店的實際工程中當污水流量為110 m3/h時,在換熱器內產生的污垢的熱阻預測模型式為:                     將式(19)與實測的污垢熱阻值進行比較,由圖3可以看出,在前200 h內實測值與理論值基本吻合,在200 h以后,實測值在一段時間內比理論值明顯偏高,但在接下來的一段時間內又開始持續偏低,但一直在預測值的上下波動,這可能是由于Zubair和Sheikh等人建立的漸進污垢積聚熱阻預測模型是針對同一種類的污垢,而具體到某一種的污垢,則會出現一定的偏差,需要加以修正。而且污垢的生長本來就是非線性的,當污垢增長到平衡厚度時其表面的附著力很小,并且底層的生物黏泥由于缺氧等原因也部分開始脫落了,而在脫落的地方污垢的生長速度很快,所以就出現了污垢熱阻變化劇烈的情況。     7·結論     7.1 在實際工程狀態下,測得換熱器內的黏泥污垢熱阻生長規律,實際換熱器內污垢的生長狀態與預測的污垢的生長狀態基本吻合,但仍需修正。     7.2 污垢達到穩定狀態時,污垢的熱阻會呈現圍繞平衡熱阻較大的波動。     7.3 本次實驗的成功證明了熱阻法的可行性和有效性,雖然誤差可能稍大,但在實際工程允許的范圍內,并且實驗的數據對以后的工程和具體的換熱器計算具有較大的指導意義。     7.4 工程中所使用的是未經處理的原生污水,污垢生長速度快,達到穩定的時間短,所以沒有必要對換熱器進行頻繁的清洗,只要一個供暖期結束后進行清洗即可。     7.5 本實驗僅采用了污垢熱阻法進行監測,在今后的研究工作中還應采用其他監測方法與此方法進行互相校驗,例如之前介紹的污垢壓降測量法,以得到可靠的數據,對實際工程進行更準確地指導。     參考文獻:略
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