板式换热器颗粒污垢特性的实验研究

徐志明， 董 兵， 杜祥云， 王丙林

（东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林132012）

污垢是指在与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态物质，其存在给换热设备造成了巨大的经济损失［1］．徐志明等［2］从冗余面积、产品损失、运行维护3个方面分析了污垢对电厂凝汽器造成的损失，每年总损失达28．1亿元以上．张吉礼等［3］基于污垢热阻建立了光滑铜管管内污垢生长特性实验台，通过实验得出人工污水颗粒在污垢管内的生长特性，并建立了渐进污垢积聚预测模型．Yiantios等［4］从流体力学和物化条件两方面出发，通过实验方法分析了微米粒子在换热器表面的沉积过程，揭示了重力等物理化学间的相互影响．昝成等［5］以板式换热器内二级出水为研究对象，着重考察了温度和板间流速对污垢初始形成过程的影响．郭进生等［6］以松花江水为工质，研究了松花江水质参数与板式换热器内冷却水污垢热阻的关系，结果表明：各参数相互影响，在运行初始阶段对颗粒污垢热阻的影响较大．但是郭进生等人并没有考虑松花江水中的颗粒对污垢热阻的影响．Thono等［7］分析了板式换热器波纹角度对渐进污垢热阻的影响，结果表明：增大波纹角度，污垢热阻值减小；对于一个给定的波纹角度，渐进污垢热阻与工质流速的平方成反比，与质量浓度成正比，在设计阶段应考虑换热器的几何形状和流体速度，以使颗粒污垢得到减缓．付玉彬等［8］结合海水养殖，分析了固体颗粒对铜质板式换热器的腐蚀影响，结果表明：海水颗粒物含量低、流速小，对铜质板式换热器的腐蚀影响轻微，其研究偏重颗粒的冲刷腐蚀，并没有分析颗粒污垢对铜质板式换热器的影响．

板式换热器是目前各种换热器中综合换热效果最好的，具有诸多优点：传热系数大、对数平均温差大和热损失小等，但也有缺点，如板间通道狭窄易堵塞，特别是对颗粒物质，堵塞问题尤为严重［9］．颗粒污垢是换热设备最为常见的污垢类型，与析晶污垢、生物污垢和其他类型污垢相比，颗粒污垢有一些自己的结垢特性，笔者采用纳米颗粒溶液来模拟换热面颗粒污垢的生成，以进一步探索颗粒污垢生成机理以及相关因素对污垢生长的影响．

1 实验系统与原理

1．1 实验系统

冷却水动态污垢模拟系统实验装置见图1，主要设备包括数据采集器、板式换热器、高温与低温介质水箱、高温与低温介质循环泵、电磁流量计（用于低温介质）、涡轮流量计（用于高温介质）、压差变送器和Pt100热电偶等．实验中，低温介质是由纳米氧化镁颗粒配制而成的溶液，高温介质是除盐水，高、低温介质由各自的循环泵带动从高、低温水箱流出，流经流量计、控制阀门，随后两者在板式换热器内部板片的两侧进行逆流换热．高温水箱内部安装1支热电偶并设有3个功率为9 000W的加热器，对除盐水进行间歇加热，加热温度由温控仪控制．低温水箱内安装1支热电偶并放置1个用来冷却的散热器，散热器与外面的换热扇相连，内部冷却水的流动由空冷循环泵带动．在板式换热器冷、热介质进、出口分别安装4支热电偶和2对压差变送器．流量计、压差计和热电偶所测数据全都交由数据采集器输送给电脑终端．

图1 试验系统图Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup

采用吉林四平某厂生产的BR0．015F型板式换热器，具体参数见表1．

表1 板式换热器的尺寸参数Tab．1 Size parameters of the plate heat exchanger

1．2 实验原理

理论上板式换热器的换热量Φ应该等于高温介质的放热量Φ1，也等于低温介质的吸热量Φ2．考虑到实验过程中的散热损失，取Φ＝

总传热系数为

式中：A为换热面积，m2；Ψ 为温差修正系数；qm1、qm2分别为高温、低温工质质量流量，kg／s；cp为比定压热容，kJ／（kg·K）；t1′、t″1分别为高温工质进、出口温度，°C；t2′、t″2分别为低温工质进、出口温度，°C；Δtm为对数平均温差，K．

污垢热阻Rf为

式中：k0、k分别为清洁状态下和有污垢状态下板式换热器的总传热系数，W／（m2·K）．

2 实验结果与分析

2．1 颗粒质量浓度对颗粒污垢热阻的影响

在相同工况、不同质量浓度下，对板式换热器的纳米颗粒污垢热阻进行了3组对比实验．3组实验中颗粒质量浓度分别为100mg／L、200mg／L和400mg／L，其他工况参数相同：低温介质温度t＝35℃，工质流速v＝0．15m／s，颗粒直径D＝20nm．

图2给出了颗粒质量浓度对板式换热器颗粒污垢热阻的影响．从图2可以看出：结垢速率随着质量浓度的增大而加快，3组实验均在20h左右达到稳定，污垢热阻渐进值也随着质量浓度的增大而增大．文献［10］中指出结垢的快慢和污垢热阻的大小主要取决于颗粒的输运、沉积和剥蚀．颗粒质量浓度越大，溶液和换热器表面的质量浓度梯度就越大，会驱使更多的颗粒向表面输运，对应结垢速率加快，污垢热阻渐进值增大．从微观上分析：任何颗粒之间都存在相互作用力，即范德华引力，它是色散力、极性力和诱导偶合力之和，其大小与粒子间距离的六次方成反比［11］．相同体积溶液内颗粒质量浓度增大，颗粒间距离会缩小，则颗粒间的范德华引力增大，颗粒之间相互结合，使得沉淀量增加．

图2 质量浓度对板式换热器颗粒污垢热阻的影响Fig．2 Effect of mass concentration on particle fouling resistance in plate heat exchanger

由图2还可以看出：颗粒质量浓度由100mg／L增大到200mg／L时，污垢热阻增大为原来的288%．而颗粒质量浓度由200mg／L增大到400 mg／L时，质量浓度每增大100mg／L，污垢热阻只增大为原来的44%．由此可见，质量浓度增大时，污垢热阻也增大，但是增大幅度明显减小．因而可认为当质量浓度增大到一定值时，污垢热阻渐进值不再随着质量浓度的增大而增大，而是会维持在一定范围内．其理论依据是：质量浓度越大，颗粒之间的团聚效应［12］（胶体小颗粒之间发生碰撞相互结合成直径更大颗粒的过程）越明显，小颗粒容易团聚成更大的颗粒，受到的剪切力也随之增大．大颗粒受到的剥蚀力比小颗粒大很多，当颗粒粒径增大到一定值时，附着在换热器表面的颗粒受到的剪切力足够大，污垢热阻渐进值不会再随着质量浓度的增大而继续增大，而是稳定在某一范围内［13］．

2．2 颗粒粒径对颗粒污垢热阻的影响

在相同工况、不同颗粒粒径下，对板式换热器的颗粒污垢热阻进行了2组对比实验．实验中分别采用2种粒径的氧化镁颗粒：平均直径为20μm的微米氧化镁颗粒和平均直径为20nm的纳米氧化镁颗粒．

图3给出了颗粒粒径对板式换热器颗粒污垢热阻的影响．由图3可以看出：在相同运行参数和质量浓度下，2组实验均无诱导期，纳米颗粒的结垢速率大于微米颗粒，且纳米颗粒污垢热阻渐进值明显大于微米颗粒，几乎是微米颗粒的6倍．这是因为粒径越小，比表面积就越大，体系的自由能也就越高，而颗粒有自己聚集或附着在换热器表面以降低体系表面能的趋势［14］，即小颗粒比大颗粒更易附着在换热器或者污垢表面．另外，微米颗粒粒径大，受到的剥蚀作用较强，即大颗粒比小颗粒更易从换热器或污垢表面剥蚀．从宏观上看，相同工况和质量浓度下的纳米颗粒和微米颗粒在垢层厚度上存在差别．污垢实物图见图4，由图4可以看出，纳米颗粒的污垢明显较厚．借助扫描电子显微镜从微观角度观察纳米颗粒污垢和微米颗粒污垢，可以看出纳米颗粒污垢孔隙较发达，呈疏松多孔结构（见图5），该结构类似于活性炭，本身具有吸附能力，可以吸附更多的污垢颗粒，使污垢量增加，而微米颗粒污垢较为瓷实（见图6），不存在明显的疏松多孔结构．

图4 颗粒污垢实物图Fig．4 Physical photos of particle fouling

图5 纳米氧化镁颗粒污垢表面SEM图Fig．5 SEM photos of nano particle fouling

图6 微米氧化镁颗粒污垢表面SEM图Fig．6 SEM photo of micron particle fouling

2．3 流速对颗粒污垢热阻的影响

在相同工况、不同流速下，对板式换热器的颗粒污垢热阻进行了2组对比实验．图7给出了流速对板式换热器颗粒污垢热阻的影响．由图7可以看出，2组实验均无诱导期，当流速为0．2m／s时，板片结垢速率快，仅用5h就达到污垢热阻的渐进值，而流速为0．1m／s时结垢速率较慢，用时20h才能达到污垢热阻渐进值，高流速下污垢热阻渐进值明显小于低流速下．在污垢生成的3个过程（输运、附着和剥蚀）中，流速都有参与，因此要分析流速影响颗粒污垢生成的机理较为困难．在初始污垢形成的过程中，剪切力至关重要，高流速带来的大剪切力为颗粒之间的有效碰撞提供了能量，使得纳米颗粒向换热表面的输运和沉积加快，同时由于纳米颗粒直径小，受到的剪切力小，即附着率大于剥蚀率，结垢速率加快．在污垢进入稳定期后，高流速下污垢热阻渐进值小于低流速下，这是因为当颗粒附着在换热表面上生长到足够大时，剪切力的存在会使较大的颗粒聚集体发生机械破碎及骨架形变，从而影响颗粒的继续增长，这时的剥蚀率增大至接近附着率，污垢稳定，不再增加．

图7 流速对板式换热器颗粒污垢热阻的影响Fig．7 Effect of flow velocity on particle fouling resistance in plate heat exchanger

2．4 低温介质温度对颗粒污垢热阻的影响

图8 低温介质温度对板式换热器颗粒污垢热阻的影响Fig．8 Effect of medium temperature on particle fouling resistance in plate heat exchanger

在相同工况、不同低温介质温度下，对板式换热器的颗粒污垢热阻进行了2组对比实验．图8给出了低温介质温度对板式换热器颗粒污垢热阻的影响．由图8可以看出，2组实验均无诱导期，且均在20～25h达到污垢热阻渐进值．低温介质温度对结垢速率和污垢热阻的影响不太明显，结垢速率随着低温介质温度的升高略有增大，在污垢达到稳定后，污垢热阻随着低温介质温度的升高略有减小．这是因为颗粒的布朗运动与温度成正比，温度升高，布朗运动加剧．在刚开始结垢过程中，受温度升高的影响，颗粒的运动加剧，即相互碰撞聚集和向壁面运动的可能性增大，结垢速率加快．在污垢进入稳定期后，吸附是一个放热过程［15］，温度升高会使附着量略有减少，污垢热阻渐进值稍有减小．

3 结 论

（1）颗粒粒径对污垢热阻的影响最明显，纳米颗粒污垢热阻渐进值几乎是微米颗粒污垢热阻渐进值的6倍，颗粒粒径越小，污垢热阻值越大．

（2）颗粒质量浓度对污垢热阻的影响也较为显著，随着颗粒质量浓度的增大，结垢速率和污垢热阻渐进值均相应增大，当颗粒质量浓度继续增大时，污垢热阻渐进值会增大到一定值并基本保持不变．

（3）污垢热阻随着流速的增大而减小，增大流速可以减少颗粒污垢的生成，有助于换热．

（4）低温介质温度对颗粒污垢热阻的影响不大．随着低温介质温度的升高，结垢速率略有增大，污垢热阻渐进值减小．

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