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      哈雷釬焊板式換熱器
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      水質參數與板式換熱器結垢的關聯情況

      點擊:1597 日期:[ 2014-04-26 21:35:48 ]
                           水質參數與板式換熱器結垢的關聯情況                          徐志明,郭進生,黃 興,張仲彬             (東北電力大學能源與動力工程學院,吉林省吉林市132012)     摘要:采用在線監測和手工分析相結合的方法,突出研究了天然循環冷卻水(松花江水)中鐵離子、細菌總數、pH值、溶解氧、濁度、電導率等水質參數與板式換熱器內冷卻水污垢熱阻的關系。結果表明:板式換熱器冷卻水污垢熱阻值比TEMA標準值小,且不存在誘導期; pH值和溶解氧影響鐵腐蝕速率和細菌總數的變化,而濁度和電導率的變化又受細菌總數的影響;它們在運行初始階段對結垢特性影響較大,而后進入平緩期?;旌衔酃搁g存在協同效應,減小溶解氧和細菌總數的含量可以起到抑制結垢的目的。     關鍵詞:水質參數;板式換熱器;污垢熱阻     中圖分類號:TK 124 文獻標志碼:A文章編號:0438-1157 (2011) 02-0344-04     引 言     冷卻水系統作為化工、冶金、電力、紡織等各種工業生產過程不可缺少的組成部分,其用水量占整個工業用水總量的90%[1]。冷卻水污垢組分復雜,通常包括工業上稱作的水垢、淤泥、黏膜和腐蝕產物等。據報道,即使只有0·25 mm厚的水垢也可以使傳熱系數下降31·2%[2]。     關于冷卻水污垢問題的研究報道很多。Cooper等[3]對生物型、沉積型和結晶型同時存在的冷卻水污垢的研究發現,在較低壁溫和較高流速下,其初始污垢率會降低; Novak[4]用取至Rhine河以及瑞士Oresund河等不同河水在不同流速和溫度下對板式換熱器的污垢性能進行研究發現,在大多數情況及各種不同流速下,其垢阻幾乎隨時間呈線性關系;王子云等[5]通過對換熱器內原生長江水的實驗發現,冷卻水污垢熱阻隨時間呈漸進性增長,且不存在誘導期; Men等[6]基于松花江水中微生物的數量與污垢的關聯性對微生物污垢預測模型進行了初步研究。     上述的研究大部分集中在冷卻水的某一具體參數與熱阻的關系上,本文把鐵離子、細菌總數、pH值、溶解氧、濁度、電導率等多個水質參數和冷卻水污垢熱阻結合在一起研究,找出了它們之間的依賴關系,深層次分析了熱阻值變化的原因;動態模擬冷卻水系統流動及換熱過程,熱阻除其漸進值,還有時變性。     1 實驗系統及原理     1·1 實驗系統     實驗系統如圖1所示,主要由冷卻系統、加熱系統、數據采集系統和板式換熱器4部分組成。冷卻系統對低溫介質(松花江水)進行冷卻,其中冷卻水泵將冷卻水從空冷水箱中吸出,流經散熱器(對低溫介質進行冷卻)以及空冷換熱扇(對冷卻水進行冷卻)流回空冷水箱來保證低溫介質進口溫度恒定;加熱系統采用溫控儀控制電加熱器啟停的方式來維持恒溫水箱里的高溫介質(蒸餾水)溫度恒定;數據采集系統主要由溫度計、壓差計、流量計以及Eastfar數據采集儀構成。實驗臺安裝了4個Pt100鉑電阻溫度計和2個壓差計,用于分別測量換熱器兩端溫度及壓差。通過流量計來測量管路的流量,各測量信號最終通過Eastfar數據采集儀,存儲到電腦上。換熱器的型號為BR0·015F,其板片具體參數見表1。                               實驗時低溫介質由水泵抽送流經電磁流量計和流量平衡閥,進入換熱器與高溫介質進行熱交換(溫度升高),然后再流回溶液水箱通過冷卻系統對其進行冷卻。與此同時,放熱后的高溫介質重新流回恒溫水箱通過加熱系統對其進行再加熱,如此循環往復。在冷水環路開設有旁通閥,以此來調節回路的流量。     1·2 實驗原理                   因此通過測量高、低溫介質的流量及進出口溫度,便可計算出污垢熱阻Rf值。     溫度計和流量計的最大誤差分別為±0·1%和±0·5%,綜合各種因素,按誤差傳布原理采用均方根的方法[7],計算的污垢熱阻最大誤差為±15%。數據的采集是從熱平衡率η≤5%開始的。     水質參數的測定方法(GB/T 6903—2005):鐵離子———磺基水楊酸分光光度法;細菌總數———平板菌落計數技術;濁度———濁度儀; pH值、溶解氧、電導率———5S水質分析儀。     1·3 實驗過程     在松花江上游段固定點取水。實驗過程中,高、低溫介質的進口溫度及流速保持不變。每一次實驗前,在溶液水箱內用加熱器把低溫介質從室溫加熱到所需的進口溫度,這對于獲取穩定狀態是必需的。因為數據記錄是從低溫介質進口溫度35℃開始的,若用高溫介質在換熱器內把其加熱到35℃,在這段時間里,換熱器表面開始產生污垢的可能性在實驗中得到驗證。     2 結果分析     從圖2知,冷卻水污垢熱阻值的數量級為10-5,比TEMA[8]標準值(10-4)小,是對國內板式換熱器污垢數據的補充。冷卻水污垢沒有誘導期,這與冷卻水中含有黏泥有關,冷卻水進入換熱器后,水中的致垢物質隨即污染管壁,形成污垢[5]。污垢熱阻值在運行初始階段(前40 h)迅速增長,然后進入平緩期,這主要是冷卻水水質參數和其剝蝕作用共同影響的結果。                  2·1 鐵離子、pH值、溶解氧對污垢熱阻的影響     從圖3可知,鐵的腐蝕速率在開始階段變化很大,而后逐漸平緩。這主要是因為:在含有溶解氧且氯離子存在的水溶液中,不銹鋼板式換熱器極易發生局部腐蝕(孔蝕、縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂)[9],其中游離的氯離子起著金屬離子運輸的作用。發生腐蝕的反應即為鋼鐵在水中的電化學腐蝕反應:                                         若水中溶解氧比較充足,則會進一步生成紅褐色的Fe(OH)3沉淀,沉積在換熱器表面。另外,Fe2+與磷酸根離子結合形成黏附性很強的磷酸亞鐵污垢,再者Fe2+是水中鐵細菌的營養源。     上述腐蝕反應的結果使pH值上升(圖4),而水中溶解氧下降;另外由于微生物的快速繁殖消耗水中的溶解氧,同時當冷卻水流過換熱設備時,由于溫度的升高,氧的溶解度下降,這都造成水中溶解氧下降(圖4)。但隨著pH值的上升和溶解氧的下降,其反應也趨于平緩。                   水中溶解的重酸鹽通過換熱設備時會受熱分解,使溶解在水中的CO2逸出,碳酸鹽沉積在換熱設備上,使熱阻增大, pH值進一步升高。而pH值的升高使溶液的過飽和度增大,成核速率和生長速率相應增大,污垢熱阻也相應增大[10-11]。     2·2 細菌總數、濁度、電導率對污垢熱阻的影響     冷卻水中含有的鹽類和其他雜質較多,溶解氧充足, pH值和溫度適宜,細菌、真菌和藻類等微生物能夠在此條件下生長繁殖。如圖3所示,在開始階段微生物迅速增長,后達到一極大值,但隨著水中溶解氧和有機物的減少,好氧性細菌開始死亡,改變水質,形成生物污垢,并與其他污垢形成協同作用[8]。主要表現如下。     無機鹽的存在,會增加細菌對壁面的吸引,有助于促進黏膜生長,反過來,生物黏膜也可影響無機鹽的析出[12]。另外,在微生物作用下,不銹鋼表面形成小瘤,在這些小瘤下面發生嚴重的點蝕[13]。     在運行初期,冷卻水中含有的沙粒、泥土、微生物黏泥、水垢等懸浮物沉降在換熱器表面上的速率與微生物增殖產生不溶性物質的速率接近相等,使濁度(圖5)在運行初期變化不大;然而板式換熱器板間流道只有幾毫米,隨著微生物的增多及沉降物的增大,冷卻水的剝蝕作用增強,最終使疏松的沉降物脫落,形成固體懸浮物,使濁度迅速增長。                   微生物的增長,使水中電導率上升(圖5),而電導率的上升又進一步促進了微生物的增長。     3·結 論     (1)本實驗得到的板式換熱器內冷卻水污垢熱阻值比TEMA推薦值(10-4)小,其數量級為10-5;實驗中沒有發現污垢誘導期的存在。     (2)污垢熱阻在運行初始階段(前40 h)上升特別快,然后趨于平緩,這主要是冷卻水水質參數和其剝蝕作用共同影響的結果;混合污垢之間存在著協同效應。     (3)鐵離子、細菌總數、pH值、溶解氧、濁度、電導率等水質參數之間相互影響,它們在運行初始階段對結垢特性影響較大,而后進入平緩期;減小溶解氧和細菌總數的含量可以有效地抑制結垢。     參考文獻:略
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