徐志明， 董 兵， 杜祥云， 王丙林

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

污垢是指在與流體相接觸的固體表面上逐漸積聚起來(lái)的那層固態(tài)物質(zhì)，其存在給換熱設(shè)備造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］．徐志明等［2］從冗余面積、產(chǎn)品損失、運(yùn)行維護(hù)3個(gè)方面分析了污垢對(duì)電廠凝汽器造成的損失，每年總損失達(dá)28．1億元以上．張吉禮等［3］基于污垢熱阻建立了光滑銅管管內(nèi)污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出人工污水顆粒在污垢管內(nèi)的生長(zhǎng)特性，并建立了漸進(jìn)污垢積聚預(yù)測(cè)模型．Yiantios等［4］從流體力學(xué)和物化條件兩方面出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法分析了微米粒子在換熱器表面的沉積過(guò)程，揭示了重力等物理化學(xué)間的相互影響．昝成等［5］以板式換熱器內(nèi)二級(jí)出水為研究對(duì)象，著重考察了溫度和板間流速對(duì)污垢初始形成過(guò)程的影響．郭進(jìn)生等［6］以松花江水為工質(zhì)，研究了松花江水質(zhì)參數(shù)與板式換熱器內(nèi)冷卻水污垢熱阻的關(guān)系，結(jié)果表明：各參數(shù)相互影響，在運(yùn)行初始階段對(duì)顆粒污垢熱阻的影響較大．但是郭進(jìn)生等人并沒(méi)有考慮松花江水中的顆粒對(duì)污垢熱阻的影響．Thono等［7］分析了板式換熱器波紋角度對(duì)漸進(jìn)污垢熱阻的影響，結(jié)果表明：增大波紋角度，污垢熱阻值減小；對(duì)于一個(gè)給定的波紋角度，漸進(jìn)污垢熱阻與工質(zhì)流速的平方成反比，與質(zhì)量濃度成正比，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮換熱器的幾何形狀和流體速度，以使顆粒污垢得到減緩．付玉彬等［8］結(jié)合海水養(yǎng)殖，分析了固體顆粒對(duì)銅質(zhì)板式換熱器的腐蝕影響，結(jié)果表明：海水顆粒物含量低、流速小，對(duì)銅質(zhì)板式換熱器的腐蝕影響輕微，其研究偏重顆粒的沖刷腐蝕，并沒(méi)有分析顆粒污垢對(duì)銅質(zhì)板式換熱器的影響．

板式換熱器是目前各種換熱器中綜合換熱效果最好的，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：傳熱系數(shù)大、對(duì)數(shù)平均溫差大和熱損失小等，但也有缺點(diǎn)，如板間通道狹窄易堵塞，特別是對(duì)顆粒物質(zhì)，堵塞問(wèn)題尤為嚴(yán)重［9］．顆粒污垢是換熱設(shè)備最為常見(jiàn)的污垢類型，與析晶污垢、生物污垢和其他類型污垢相比，顆粒污垢有一些自己的結(jié)垢特性，筆者采用納米顆粒溶液來(lái)模擬換熱面顆粒污垢的生成，以進(jìn)一步探索顆粒污垢生成機(jī)理以及相關(guān)因素對(duì)污垢生長(zhǎng)的影響．

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與原理

1．1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

冷卻水動(dòng)態(tài)污垢模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，主要設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集器、板式換熱器、高溫與低溫介質(zhì)水箱、高溫與低溫介質(zhì)循環(huán)泵、電磁流量計(jì)（用于低溫介質(zhì)）、渦輪流量計(jì)（用于高溫介質(zhì)）、壓差變送器和Pt100熱電偶等．實(shí)驗(yàn)中，低溫介質(zhì)是由納米氧化鎂顆粒配制而成的溶液，高溫介質(zhì)是除鹽水，高、低溫介質(zhì)由各自的循環(huán)泵帶動(dòng)從高、低溫水箱流出，流經(jīng)流量計(jì)、控制閥門，隨后兩者在板式換熱器內(nèi)部板片的兩側(cè)進(jìn)行逆流換熱．高溫水箱內(nèi)部安裝1支熱電偶并設(shè)有3個(gè)功率為9 000W的加熱器，對(duì)除鹽水進(jìn)行間歇加熱，加熱溫度由溫控儀控制．低溫水箱內(nèi)安裝1支熱電偶并放置1個(gè)用來(lái)冷卻的散熱器，散熱器與外面的換熱扇相連，內(nèi)部冷卻水的流動(dòng)由空冷循環(huán)泵帶動(dòng)．在板式換熱器冷、熱介質(zhì)進(jìn)、出口分別安裝4支熱電偶和2對(duì)壓差變送器．流量計(jì)、壓差計(jì)和熱電偶所測(cè)數(shù)據(jù)全都交由數(shù)據(jù)采集器輸送給電腦終端．

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental setup

采用吉林四平某廠生產(chǎn)的BR0．015F型板式換熱器，具體參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 板式換熱器的尺寸參數(shù)Tab．1 Size parameters of the plate heat exchanger

1．2 實(shí)驗(yàn)原理

理論上板式換熱器的換熱量Φ應(yīng)該等于高溫介質(zhì)的放熱量Φ1，也等于低溫介質(zhì)的吸熱量Φ2．考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的散熱損失，取Φ＝

總傳熱系數(shù)為

式中：A為換熱面積，m2；Ψ 為溫差修正系數(shù)；qm1、qm2分別為高溫、低溫工質(zhì)質(zhì)量流量，kg／s；cp為比定壓熱容，kJ／（kg·K）；t1′、t″1分別為高溫工質(zhì)進(jìn)、出口溫度，°C；t2′、t″2分別為低溫工質(zhì)進(jìn)、出口溫度，°C；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，K．

污垢熱阻Rf為

式中：k0、k分別為清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下板式換熱器的總傳熱系數(shù)，W／（m2·K）．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 顆粒質(zhì)量濃度對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

在相同工況、不同質(zhì)量濃度下，對(duì)板式換熱器的納米顆粒污垢熱阻進(jìn)行了3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．3組實(shí)驗(yàn)中顆粒質(zhì)量濃度分別為100mg／L、200mg／L和400mg／L，其他工況參數(shù)相同：低溫介質(zhì)溫度t＝35℃，工質(zhì)流速v＝0．15m／s，顆粒直徑D＝20nm．

圖2給出了顆粒質(zhì)量濃度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．從圖2可以看出：結(jié)垢速率隨著質(zhì)量濃度的增大而加快，3組實(shí)驗(yàn)均在20h左右達(dá)到穩(wěn)定，污垢熱阻漸進(jìn)值也隨著質(zhì)量濃度的增大而增大．文獻(xiàn)［10］中指出結(jié)垢的快慢和污垢熱阻的大小主要取決于顆粒的輸運(yùn)、沉積和剝蝕．顆粒質(zhì)量濃度越大，溶液和換熱器表面的質(zhì)量濃度梯度就越大，會(huì)驅(qū)使更多的顆粒向表面輸運(yùn)，對(duì)應(yīng)結(jié)垢速率加快，污垢熱阻漸進(jìn)值增大．從微觀上分析：任何顆粒之間都存在相互作用力，即范德華引力，它是色散力、極性力和誘導(dǎo)偶合力之和，其大小與粒子間距離的六次方成反比［11］．相同體積溶液內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度增大，顆粒間距離會(huì)縮小，則顆粒間的范德華引力增大，顆粒之間相互結(jié)合，使得沉淀量增加．

圖2 質(zhì)量濃度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響Fig．2 Effect of mass concentration on particle fouling resistance in plate heat exchanger

由圖2還可以看出：顆粒質(zhì)量濃度由100mg／L增大到200mg／L時(shí)，污垢熱阻增大為原來(lái)的288%．而顆粒質(zhì)量濃度由200mg／L增大到400 mg／L時(shí)，質(zhì)量濃度每增大100mg／L，污垢熱阻只增大為原來(lái)的44%．由此可見(jiàn)，質(zhì)量濃度增大時(shí)，污垢熱阻也增大，但是增大幅度明顯減?。蚨烧J(rèn)為當(dāng)質(zhì)量濃度增大到一定值時(shí)，污垢熱阻漸進(jìn)值不再隨著質(zhì)量濃度的增大而增大，而是會(huì)維持在一定范圍內(nèi)．其理論依據(jù)是：質(zhì)量濃度越大，顆粒之間的團(tuán)聚效應(yīng)［12］（膠體小顆粒之間發(fā)生碰撞相互結(jié)合成直徑更大顆粒的過(guò)程）越明顯，小顆粒容易團(tuán)聚成更大的顆粒，受到的剪切力也隨之增大．大顆粒受到的剝蝕力比小顆粒大很多，當(dāng)顆粒粒徑增大到一定值時(shí)，附著在換熱器表面的顆粒受到的剪切力足夠大，污垢熱阻漸進(jìn)值不會(huì)再隨著質(zhì)量濃度的增大而繼續(xù)增大，而是穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)［13］．

2．2 顆粒粒徑對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

在相同工況、不同顆粒粒徑下，對(duì)板式換熱器的顆粒污垢熱阻進(jìn)行了2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)中分別采用2種粒徑的氧化鎂顆粒：平均直徑為20μm的微米氧化鎂顆粒和平均直徑為20nm的納米氧化鎂顆粒．

圖3給出了顆粒粒徑對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．由圖3可以看出：在相同運(yùn)行參數(shù)和質(zhì)量濃度下，2組實(shí)驗(yàn)均無(wú)誘導(dǎo)期，納米顆粒的結(jié)垢速率大于微米顆粒，且納米顆粒污垢熱阻漸進(jìn)值明顯大于微米顆粒，幾乎是微米顆粒的6倍．這是因?yàn)榱皆叫?，比表面積就越大，體系的自由能也就越高，而顆粒有自己聚集或附著在換熱器表面以降低體系表面能的趨勢(shì)［14］，即小顆粒比大顆粒更易附著在換熱器或者污垢表面．另外，微米顆粒粒徑大，受到的剝蝕作用較強(qiáng)，即大顆粒比小顆粒更易從換熱器或污垢表面剝蝕．從宏觀上看，相同工況和質(zhì)量濃度下的納米顆粒和微米顆粒在垢層厚度上存在差別．污垢實(shí)物圖見(jiàn)圖4，由圖4可以看出，納米顆粒的污垢明顯較厚．借助掃描電子顯微鏡從微觀角度觀察納米顆粒污垢和微米顆粒污垢，可以看出納米顆粒污垢孔隙較發(fā)達(dá)，呈疏松多孔結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5），該結(jié)構(gòu)類似于活性炭，本身具有吸附能力，可以吸附更多的污垢顆粒，使污垢量增加，而微米顆粒污垢較為瓷實(shí)（見(jiàn)圖6），不存在明顯的疏松多孔結(jié)構(gòu)．

圖4 顆粒污垢實(shí)物圖Fig．4 Physical photos of particle fouling

圖5 納米氧化鎂顆粒污垢表面SEM圖Fig．5 SEM photos of nano particle fouling

圖6 微米氧化鎂顆粒污垢表面SEM圖Fig．6 SEM photo of micron particle fouling

2．3 流速對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

在相同工況、不同流速下，對(duì)板式換熱器的顆粒污垢熱阻進(jìn)行了2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．圖7給出了流速對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．由圖7可以看出，2組實(shí)驗(yàn)均無(wú)誘導(dǎo)期，當(dāng)流速為0．2m／s時(shí)，板片結(jié)垢速率快，僅用5h就達(dá)到污垢熱阻的漸進(jìn)值，而流速為0．1m／s時(shí)結(jié)垢速率較慢，用時(shí)20h才能達(dá)到污垢熱阻漸進(jìn)值，高流速下污垢熱阻漸進(jìn)值明顯小于低流速下．在污垢生成的3個(gè)過(guò)程（輸運(yùn)、附著和剝蝕）中，流速都有參與，因此要分析流速影響顆粒污垢生成的機(jī)理較為困難．在初始污垢形成的過(guò)程中，剪切力至關(guān)重要，高流速帶來(lái)的大剪切力為顆粒之間的有效碰撞提供了能量，使得納米顆粒向換熱表面的輸運(yùn)和沉積加快，同時(shí)由于納米顆粒直徑小，受到的剪切力小，即附著率大于剝蝕率，結(jié)垢速率加快．在污垢進(jìn)入穩(wěn)定期后，高流速下污垢熱阻漸進(jìn)值小于低流速下，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒附著在換熱表面上生長(zhǎng)到足夠大時(shí)，剪切力的存在會(huì)使較大的顆粒聚集體發(fā)生機(jī)械破碎及骨架形變，從而影響顆粒的繼續(xù)增長(zhǎng)，這時(shí)的剝蝕率增大至接近附著率，污垢穩(wěn)定，不再增加．

圖7 流速對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響Fig．7 Effect of flow velocity on particle fouling resistance in plate heat exchanger

2．4 低溫介質(zhì)溫度對(duì)顆粒污垢熱阻的影響

圖8 低溫介質(zhì)溫度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響Fig．8 Effect of medium temperature on particle fouling resistance in plate heat exchanger

在相同工況、不同低溫介質(zhì)溫度下，對(duì)板式換熱器的顆粒污垢熱阻進(jìn)行了2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)．圖8給出了低溫介質(zhì)溫度對(duì)板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響．由圖8可以看出，2組實(shí)驗(yàn)均無(wú)誘導(dǎo)期，且均在20～25h達(dá)到污垢熱阻漸進(jìn)值．低溫介質(zhì)溫度對(duì)結(jié)垢速率和污垢熱阻的影響不太明顯，結(jié)垢速率隨著低溫介質(zhì)溫度的升高略有增大，在污垢達(dá)到穩(wěn)定后，污垢熱阻隨著低溫介質(zhì)溫度的升高略有減小．這是因?yàn)轭w粒的布朗運(yùn)動(dòng)與溫度成正比，溫度升高，布朗運(yùn)動(dòng)加?。趧傞_(kāi)始結(jié)垢過(guò)程中，受溫度升高的影響，顆粒的運(yùn)動(dòng)加劇，即相互碰撞聚集和向壁面運(yùn)動(dòng)的可能性增大，結(jié)垢速率加快．在污垢進(jìn)入穩(wěn)定期后，吸附是一個(gè)放熱過(guò)程［15］，溫度升高會(huì)使附著量略有減少，污垢熱阻漸進(jìn)值稍有減?。?/p>

3 結(jié) 論

（1）顆粒粒徑對(duì)污垢熱阻的影響最明顯，納米顆粒污垢熱阻漸進(jìn)值幾乎是微米顆粒污垢熱阻漸進(jìn)值的6倍，顆粒粒徑越小，污垢熱阻值越大．

（2）顆粒質(zhì)量濃度對(duì)污垢熱阻的影響也較為顯著，隨著顆粒質(zhì)量濃度的增大，結(jié)垢速率和污垢熱阻漸進(jìn)值均相應(yīng)增大，當(dāng)顆粒質(zhì)量濃度繼續(xù)增大時(shí)，污垢熱阻漸進(jìn)值會(huì)增大到一定值并基本保持不變．

（3）污垢熱阻隨著流速的增大而減小，增大流速可以減少顆粒污垢的生成，有助于換熱．

（4）低溫介質(zhì)溫度對(duì)顆粒污垢熱阻的影響不大．隨著低溫介質(zhì)溫度的升高，結(jié)垢速率略有增大，污垢熱阻漸進(jìn)值減小．

［1］楊善讓，徐志明，孫靈芳，等．換熱設(shè)備污垢與對(duì)策［M］．北京：科學(xué)出版社，2004：1－2．

［2］徐志明，楊善讓，郭淑青，等．電站凝汽器污垢費(fèi)用估算［J］．動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2005，25（1）：102－106．XU Zhiming，YANG Shanrang，GUO Shuqing，et al．Estimation of expenditure in power station incurred by condenser fouling［J］．Journal of Chinese Society of Power Engineering，2005，25（1）：102－106．

［3］張吉禮，錢劍鋒，孔祥兵，等．銅管換熱器內(nèi)顆粒狀污垢生長(zhǎng)特性實(shí)驗(yàn)分析［J］．土木工程建筑學(xué)報(bào)，2010，32（5）：60－64．ZHANG Jili，QIAN Jianfeng，KONG Xiangbin，et al．Characteristics of granular fouling growth of sewage in copper pipe heat exchanger［J］．Journal of Civil，Architectural ＆Environmental Engineering，2010，32（5）：60－64．

［4］YIANTIOS S G，KARABELAS A J．Deposition of micron－sized particles on flat surface：effects of hydrodynamic and physicochemical conditions on particle attachment efficiency［J］．Chemical Engineering Science，2003，58（6）：3105－3113．

［5］昝成，史琳，歐鴻飛．溫度及流速對(duì)板式換熱器內(nèi)城鎮(zhèn)二級(jí)出水結(jié)垢特性的影響［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，49（2）：240－243．ZEN Cheng，SHI Lin，OU Hongfei．Effects of temperature and velocity on fouling by municipal secondary effluent in plate exchangers［J］．Journal of Qinghua University，2009，49（2）：240－243．

［6］徐志明，郭進(jìn)生，黃興，等．水質(zhì)參數(shù)與板式換熱器結(jié)垢的關(guān)聯(lián)［J］．化工學(xué)報(bào)，2011，62（2）：344－347．XU Zhiming，GUO Jinsheng，HUANG Xing，et al．Relationship between water quality parameters and fouling in plate heat exchangers［J］．CIESC Journal，2011，62（2）：344－347．

［7］THONO B，GRANDGEORGE S，JALLUT C．Effect of geometry and flow conditions on particulate fouling in plate heat exchangers［J］．Heat Transfer Engineering，1999，20（3）：12－24．

［8］付玉彬，李建海，宰學(xué)榮．養(yǎng)殖海水固體顆粒物含量分布及其對(duì)銅質(zhì)板式換熱器腐蝕影響分析［J］．材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2010，20（1）：45－50．FU Yubin，LI Jianhai，ZAI Xuerong．Solid particulate content and distribution in marine aquaculture water and influence on corrosion of copper plate heat exchanger［J］．Development and Application of Materials，2010，20（1）：45－50．

［9］邵擁軍，逯凱霄，張文林．板式換熱器的特點(diǎn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．廣州化工，2012，40（6）：120－122．SHAO Yongjun，LU Kaixiao，ZHANG Wenlin．The charactistics and optimization design of the plate heat exchangers［J］．Guangzhou Chemical Industry，2012，40（6）：120－122．

［10］徐志明，張忠彬，孫靈芳，等．析晶與顆?；旌衔酃傅膶?shí)驗(yàn)研究［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2005，26（5）：853－855．XU Zhiming，ZHANG Zhongbin，SUN Lingfang，et al．Charcteristics of crystallization and particulate［J］．Journal of Engineering Thermophysics，2005，26（5）：853－855．

［11］陳宗淇，戴閩光．膠體化學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，1984：269－273．

［12］袁文俊，周勇敏．納米顆粒團(tuán)聚的原因及解決措施［J］．材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（12）：59－61．YUAN Wenjun，ZHOU Yongmin．Reasons for aggregation of nanopaticles and solutions［J］．Materials Review，2008，22（12）：59－61．

［13］李冠球．板式換熱器傳熱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)與理論研究［D］．浙江：浙江大學(xué)，2012：99－101．

［14］周祖康，顧惕人，馬季銘．膠體化學(xué)基礎(chǔ)［M］．北京：北京大學(xué)出版社，1987：265－284．

［15］溫詩(shī)鑄，黃平．界面科學(xué)與技術(shù)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2011：88－89．