徐志明，李興燦，王園園，劉坐東，杜祥云，張仲彬

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

研究開發(fā)

水質(zhì)參數(shù)對(duì)交叉縮放橢圓管污垢的影響

徐志明，李興燦，王園園，劉坐東，杜祥云，張仲彬

（東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

采用對(duì)比的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)交叉縮放橢圓管與光管的污垢熱阻進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)研究了冷卻水（松花江水）水質(zhì)參數(shù)對(duì)污垢產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在低流速時(shí)，交叉縮放橢圓管的污垢熱阻漸近值比光管低，且沒有明顯的誘導(dǎo)期；實(shí)驗(yàn)中冷卻水水質(zhì)參數(shù)的變化對(duì)污垢影響明顯。并深度分析了水質(zhì)參數(shù)隨時(shí)間的變化及水質(zhì)參數(shù)變化對(duì)強(qiáng)化換熱表面污垢特性的影響，為換熱器提高換熱效率提供了參考。

交叉縮放橢圓管；污垢熱阻；水質(zhì)參數(shù)

冷卻水用水量占工業(yè)用水量的90%左右[1]，在冷卻水系統(tǒng)中，降低污垢熱阻可以提高換熱效果，從而減少冷卻水用量，對(duì)節(jié)水的意義也是顯見的。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能、環(huán)保要求的提高，污垢作為在換熱器中存在的普遍問(wèn)題，亟待需要解決。早在20世紀(jì)30年代，Sieder[2]提出了污垢系數(shù)的概念。它通常以混合物的形態(tài)存在[3]。隨著對(duì)污垢的深入了解，人們認(rèn)識(shí)到影響污垢生成的因素有很多，并且因污垢而造成經(jīng)濟(jì)損失特別巨大[4]。

交叉縮放橢圓管是根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論開發(fā)的一種新型強(qiáng)化傳熱管，它主要是利用管內(nèi)截面交叉變化所引起的強(qiáng)烈的二次流和縱向渦流改變速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)之間的協(xié)同關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱的強(qiáng)化[5]。 Crittenden等[6]認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)污垢的形成機(jī)理和重要的工藝過(guò)程參數(shù)影響的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)未完成，需要進(jìn)一步研究有效應(yīng)對(duì)技術(shù)。Knudsen等[7]發(fā)現(xiàn)橫向外肋片管碳酸鈣污垢熱阻小于光管。Frost和Rippe[8]發(fā)明了間歇性加氯以殺滅微生物的技術(shù)。王子云等[9]通過(guò)對(duì)換熱器內(nèi)原生長(zhǎng)江水的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)冷卻水污垢熱阻隨時(shí)間呈漸進(jìn)性增長(zhǎng)。以前對(duì)冷卻水的研究大多是集中在具體某一參數(shù)與污垢熱阻的關(guān)系，本文作者把pH值、堿度、鈣離子、氯離子、細(xì)菌總數(shù)、電導(dǎo)率、鐵離子、溶解氧等多個(gè)水質(zhì)參數(shù)和污垢熱阻緊密結(jié)合在一起，找到它們之間的相互關(guān)系，并分析出水質(zhì)參數(shù)變化對(duì)污垢熱阻的影響，為實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，循環(huán)工質(zhì)從高位水箱流向低位水箱，途中在試驗(yàn)管段與恒溫水浴進(jìn)行換熱，經(jīng)過(guò)空冷換熱器后把工質(zhì)冷卻后再由水泵從低位水箱打到高位水箱，依次循環(huán)。管子的出口溫度和入口溫度分別由Pt100熱電阻來(lái)測(cè)量，每根管的壁溫分別由3個(gè)T形熱電偶來(lái)測(cè)量，水浴溫度是用兩個(gè)Pt100熱電阻測(cè)量，質(zhì)量流量是通過(guò)人工稱重法測(cè)量，所有測(cè)量信號(hào)都經(jīng)由傳輸電纜通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2 實(shí)驗(yàn)管的材料及幾何尺寸

實(shí)驗(yàn)中交叉縮放橢圓管的結(jié)構(gòu)和形狀如圖2和圖3所示，其尺寸參數(shù)為：A=28.5 mm，B=20.8 mm，C=10 mm，P=40 mm，材質(zhì)是紫銅，基管尺寸為φ25 mm×1.5 mm。從圖3中可以看出，交叉縮放橢圓管的管截面為橢圓形，且交錯(cuò)分布。光管基管尺寸同為φ25 mm×1.5 mm，材料是紫銅。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

采用污垢熱阻法[3]原理計(jì)算污垢熱阻，見式（1）、式（2）。

式中，K0、K為結(jié)垢前后的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

圖2 結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 交叉縮放橢圓管圖

式中，A為換熱器換熱面積，m2；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，℃；qml為溶液質(zhì)量流量，kg/s；cp為定壓比熱容，kJ/(kg·K)；t2'、t2''為溶液進(jìn)、出口溫度，℃。通過(guò)測(cè)量溶液和熱水的流量及進(jìn)出口溫度便可計(jì)算出污垢熱阻Rf的值。

水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定方法符合GB/T 6903—2005標(biāo)準(zhǔn)，其中，pH值、電導(dǎo)率、溶解氧采用5S水質(zhì)分析儀測(cè)定；堿度采用酸滴定法測(cè)定；鈣離子采用絡(luò)合滴定法測(cè)定；氯離子采用摩爾法測(cè)定；細(xì)菌總數(shù)采用平板菌落計(jì)數(shù)技術(shù)測(cè)定；鐵離子采用磺基水楊酸分光光度法測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 交叉縮放橢圓管與光管的污垢特性比較

交叉縮放橢圓管和光管的污垢特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)是在管內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)相同、流速相同、進(jìn)口溫度相同、水浴溫度相同的條件下進(jìn)行的。管內(nèi)流動(dòng)的工質(zhì)是天然的松花江水，工質(zhì)在管內(nèi)的流速為0.2 m/s，在低流速下也易于研究水質(zhì)參數(shù)的變化，管外的恒溫水浴溫度和管內(nèi)的進(jìn)口溫度分別設(shè)定為50 ℃和30 ℃。

實(shí)驗(yàn)所得的污垢熱阻值與時(shí)間的曲線如圖4所示。從圖中可以看到，交叉縮放橢圓管的結(jié)垢速度比較慢，在運(yùn)行180 h左右的時(shí)候才逐漸達(dá)到穩(wěn)定，而光管的結(jié)垢速度較快，在70 h左右的時(shí)候就已經(jīng)穩(wěn)定，并且污垢熱阻漸近值高于交叉縮放橢圓管，可以看出在運(yùn)行一定時(shí)間后，交叉縮放橢圓管的換熱要明顯好于光管。從結(jié)構(gòu)上看，交叉縮放橢圓管的管橫截面為橢圓形，在壓力的作用下會(huì)發(fā)生彈性變形，使管內(nèi)污垢容易脫落。另外，由于其橢圓管道交錯(cuò)布置，管內(nèi)受到二次流與縱向渦流的作用，因而在運(yùn)行過(guò)程中污垢不易沉積到管壁，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。

從管內(nèi)換熱面結(jié)構(gòu)上分析，交叉縮放橢圓管的壁面剪切力呈現(xiàn)周期性變化，因?yàn)槲酃肝⒘５膭兾g率隨剪切力的增大而增加[10]，也使得微粒很難附著在壁面上形成污垢，從而其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)也會(huì)反作用于水質(zhì)參數(shù)的變化。

2.2 pH值、堿度對(duì)污垢熱阻的影響

pH值和堿度是控制污垢熱阻的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們既是獨(dú)立的，也是相關(guān)的。圖5是冷卻水pH值隨時(shí)間的變化曲線，交叉縮放橢圓管和光管的pH值都有波動(dòng)上升的趨勢(shì)，光管的pH值上升趨勢(shì)較之更大。在實(shí)驗(yàn)管段中冷卻水流經(jīng)管式換熱器時(shí)，重碳酸鹽受熱分解而產(chǎn)生沉淀，溶解在冷卻水中的CO2也會(huì)逸出，pH值升高，從而導(dǎo)致碳酸鹽溶解度降低，污垢生成速度加快。此外，隨著pH值的增大，污垢成核速率和生長(zhǎng)速率相應(yīng)增大，污垢增長(zhǎng)速率和污垢熱阻也隨之相應(yīng)增大[11-12]。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了交叉縮放橢圓管內(nèi)冷卻水pH值的趨勢(shì)走向較好，有利于降低溶液飽和度，從而降低污垢的生成速度。

圖5 pH值隨時(shí)間的變化

圖6是堿度隨時(shí)間的變化曲線，圖中顯示光管的堿度要高于交叉縮放橢圓管，開始階段兩管堿度的增加速度較快，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行80 h左右，堿度的變化趨近穩(wěn)定。堿度對(duì)污垢的形成有特別重要的影響，隨著堿度的增大，冷卻水中HCO3－和HCO32－的濃度變大，易于與水中的Ca2+、Mg2+形成污垢，使換熱器表面的析晶污垢和顆粒污垢增多，降低換熱效率。實(shí)驗(yàn)分析出交叉縮放橢圓管對(duì)污垢生成的抑制性較好，控制堿度的變化有利于降低污垢生成量。

圖6 堿度隨時(shí)間的變化

2.3 鈣離子、氯離子對(duì)污垢熱阻的影響

在天然水中最常見的金屬離子是Ca2+，而Cl－是水中最常見的陰離子，又是引起水質(zhì)腐蝕和結(jié)垢的催化劑[13]。圖7是鈣離子隨時(shí)間的變化曲線，從圖中可知，交叉縮放橢圓管和光管的Ca2+濃度都隨著時(shí)間的增加而降低，光管開始時(shí)Ca2+濃度降低較快，交叉縮放橢圓管Ca2+濃度平緩下降。由于交叉縮放橢圓管的橢圓管道交錯(cuò)分布，壁面剪切力呈波紋狀變化，使沉淀的污垢容易被剝離掉，重新變成離子形式進(jìn)入冷卻水，所以冷卻水內(nèi)Ca2+濃度才相對(duì)較高，降低進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)冷卻水的Ca2+濃度是降低污垢熱阻的有效措施。

圖 7 鈣離子隨時(shí)間的變化

Cl－會(huì)使銅金屬表面的Cu2O保護(hù)膜的保護(hù)性能降低，尤其是Cl－半徑小，穿透性強(qiáng)，易穿過(guò)膜層，置換氧原子形成氯化物，見式（3）。圖8是氯離子含量隨時(shí)間的變化曲線，兩管冷卻水的氯離子濃度均呈交叉下降，說(shuō)明兩管的Cu2O保護(hù)膜都受到一定程度的破壞，光管冷卻水溶液中Cl－

濃度下降更大一些，因此催生了更多的腐蝕垢，會(huì)影響換熱面的正常換熱。可知降低進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)冷卻水的Cl－濃度也是降低污垢熱阻的有效措施，在延長(zhǎng)換熱器使用壽命的同時(shí)也提高了換熱效率。

圖8 氯離子含量隨時(shí)間的變化

2.4 細(xì)菌總數(shù)、電導(dǎo)率對(duì)污垢熱阻的影響

天然水中總夾雜有許多泥砂、腐殖質(zhì)以及各種微生物和懸浮物等，細(xì)菌等微生物的增殖是生成污垢的一個(gè)重要因素，對(duì)生物垢的形成有不可替代的影響。電導(dǎo)率也是測(cè)量水中離子濃度的簡(jiǎn)便方法，當(dāng)電導(dǎo)率高時(shí)說(shuō)明水中的鹽分高，黏附在管壁的沉淀相對(duì)較少，且細(xì)菌等微生物的增加也會(huì)使電導(dǎo)率增大。

圖9是細(xì)菌總數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，從圖中可知，交叉縮放橢圓管冷卻水中的微生物數(shù)量要多于光管，這也和溶解氧的濃度有重大聯(lián)系（圖12）。天然水中鹽類含量較多，在溶解氧充足、適宜的pH值和溫度下，細(xì)菌、真菌等微生物能夠加速生長(zhǎng)繁殖，如Fe2+是水中鐵細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)源，F(xiàn)e2+含量過(guò)多會(huì)引起鐵細(xì)菌的滋生。圖10是電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線，如圖所示，交叉縮放橢圓管的電導(dǎo)率要明顯高于光管，說(shuō)明其管內(nèi)流動(dòng)工質(zhì)的含鹽量要更高，而沉淀成污垢的鹽分相對(duì)較少，這又間接影響了pH值和堿度的變化。電導(dǎo)率升高，污垢沉積量就變少，污垢熱阻就會(huì)變小，在細(xì)菌總數(shù)增加的同時(shí)又加速電導(dǎo)率的升高，促使交叉縮放橢圓管達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果，可見電導(dǎo)率的增加對(duì)于降低強(qiáng)化管的污垢熱阻也有重要作用。

圖9 細(xì)菌總數(shù)隨時(shí)間的變化

圖10 電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化

2.5 鐵離子、溶解氧對(duì)污垢熱阻的影響

純天然水中都含有一定量的可溶性的二價(jià)鐵Fe2+，當(dāng)被置于容器或密封不嚴(yán)時(shí)，即可使二價(jià)鐵變?yōu)榈牟蝗艿娜齼r(jià)鐵Fe3+。冷卻水的pH值影響著換熱器表面的腐蝕速度，冷卻水中溶解氧的存在對(duì)換熱器的腐蝕也有很大影響。圖11是冷卻水中鐵離子濃度隨時(shí)間的變化曲線，隨著時(shí)間的增加，兩管冷卻水的鐵離子濃度慢慢降低，可以預(yù)見到兩個(gè)管式換熱器壁面已經(jīng)產(chǎn)生鐵銹。如果溶解氧比較充足，則Fe(OH)2會(huì)進(jìn)一步氧化，生成黃色的鐵銹Fe(OOH)；如果水中溶解氧不充足，則Fe(OH)2會(huì)進(jìn)一步氧化為綠色的水合物四氧化三鐵或黑色的無(wú)水四氧化三鐵[14]。當(dāng)這些鐵的氧化物都逐漸沉積在換熱面上時(shí)，會(huì)因腐蝕污垢的積聚使污垢熱阻不斷增加，可見降低天然水中的鐵離子濃度對(duì)降低污垢熱阻有重大意義。

圖11 鐵離子濃度隨時(shí)間的變化

圖12是溶解氧隨時(shí)間的變化曲線。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，溶解氧一直在降低，并最終因?yàn)槲⑸锏拇罅克劳龊丸F離子濃度的降低而趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中交叉縮放橢圓管的溶解氧濃度降低速度比光管低，說(shuō)明交叉縮放橢圓管在溶解氧降低時(shí)，管內(nèi)生成的鐵銹的腐蝕垢的積聚要小于光管；同時(shí)因溶解氧的降低，微生物大量死亡會(huì)產(chǎn)生生物垢，交叉縮放橢圓管沉積到管壁的生物垢的量也要小于光管，可知溶解氧的穩(wěn)定對(duì)于降低污垢熱阻至關(guān)重要。鐵離子與溶解氧對(duì)換熱器的污垢熱阻有重要影響，且彼此之間互相影響，找到合理的解決方案，對(duì)提高換熱器的換熱效率有重要意義。

圖12 溶解氧隨時(shí)間的變化

3 結(jié) 論

（1）在流速為0.2 m/s時(shí)，交叉縮放橢圓管的結(jié)垢速度比光管要慢，且污垢熱阻漸近值比光管要低，換熱要明顯好于光管，實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)強(qiáng)化管在低流速下都沒有明顯的誘導(dǎo)期。

（2）交叉縮放橢圓管比光管的pH值波動(dòng)上升的趨勢(shì)小，其堿度的上升速度也要小于光管；冷卻水中鈣離子濃度都逐漸下降，光管的下降速度較快，氯離子濃度都有波動(dòng)下降趨勢(shì)；交叉縮放橢圓管的細(xì)菌總數(shù)和電導(dǎo)率都要高于光管；交叉縮放橢圓管冷卻水中鐵離子和溶解氧的變化趨勢(shì)也較好，較光管能更好抑制污垢的生成。

（3）實(shí)驗(yàn)中交叉縮放橢圓管和光管的冷卻水水質(zhì)參數(shù)的變化對(duì)污垢影響明顯且彼此互相關(guān)聯(lián)，并深度分析了水質(zhì)參數(shù)隨時(shí)間的變化及水質(zhì)參數(shù)變化對(duì)強(qiáng)化換熱表面污垢特性的影響（表1）。

表1 水質(zhì)參數(shù)影響因素表

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Study of water quality parameter effect on the fouling of an alternating elliptical axis tube

XU Zhiming，LI Xingcan，WANG Yuanyuan，LIU Zuodong，DU Xiangyun，ZHANG Zhongbin
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

In this paper，through contrastive experimental method，the fouling resistances of an alternating elliptical axis tube and a copper tube were analyzed and the influence of Songhua River water quality parameters was mainly investigated. The results show that the fouling resistance of cooling water is lower in the former tube than the latter one and it has no obvious induction period. The change of cooling water quality parameters has obvious effect on the fouling，The water quality parameters changed with the time and the relationship between heat transfer enhancement and water quality parameter were thoroughly analyed，which provides a reference for improving the heat transfer efficiency of heat transfer equipments.

alternating elliptical axis tube；fouling resistance；water quality parameter

TK 124

A

1000-6613（2012）06 -1362-06

2011-12-09；修改稿日期：2012-01-14。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51076025）。

及聯(lián)系人：徐志明（1959—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)能理論與技術(shù)、換熱設(shè)備的污垢與對(duì)策和強(qiáng)化換熱的研究。E-mail xuzm@mail.nedu.edu.cn。