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        板式換熱器顆粒污垢特性的實驗研究

        2013-09-21 11:01:18徐志明杜祥云王丙林
        動力工程學(xué)報 2013年7期
        關(guān)鍵詞:污垢熱阻板式

        徐志明, 董 兵, 杜祥云, 王丙林

        (東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(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)濟損失[1].徐志明等[2]從冗余面積、產(chǎn)品損失、運行維護3個方面分析了污垢對電廠凝汽器造成的損失,每年總損失達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)污垢生長特性實驗臺,通過實驗得出人工污水顆粒在污垢管內(nèi)的生長特性,并建立了漸進污垢積聚預(yù)測模型.Yiantios等[4]從流體力學(xué)和物化條件兩方面出發(fā),通過實驗方法分析了微米粒子在換熱器表面的沉積過程,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)二級出水為研究對象,著重考察了溫度和板間流速對污垢初始形成過程的影響.郭進生等[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,在運行初始階段對顆粒污垢熱阻的影響較大.但是郭進生等人并沒有考慮松花江水中的顆粒對污垢熱阻的影響.Thono等[7]分析了板式換熱器波紋角度對漸進污垢熱阻的影響,結(jié)果表明:增大波紋角度,污垢熱阻值減小;對于一個給定的波紋角度,漸進污垢熱阻與工質(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,并沒有分析顆粒污垢對銅質(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:傳熱系數(shù)大、對數(shù)平均溫差大和熱損失小等,但也有缺點,如板間通道狹窄易堵塞,特別是對顆粒物質(zhì),堵塞問題尤為嚴重[9].顆粒污垢是換熱設(shè)備最為常見的污垢類型,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模擬換熱面顆粒污垢的生成,以進一步探索顆粒污垢生成機理以及相關(guān)因素對污垢生長的影響.

        1 實驗系統(tǒng)與原理

        1.1 實驗系統(tǒng)

        冷卻水動態(tài)污垢模擬系統(tǒng)實驗裝置見圖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(用于低溫介質(zhì))、渦輪流量計(用于高溫介質(zhì))、壓差變送器和Pt100熱電偶等.實驗中,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)泵帶動從高、低溫水箱流出,流經(jīng)流量計、控制閥門,隨后兩者在板式換熱器內(nèi)部板片的兩側(cè)進行逆流換熱.高溫水箱內(nèi)部安裝1支熱電偶并設(shè)有3個功率為9 000W的加熱器,對除鹽水進行間歇加熱,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個用來冷卻的散熱器,散熱器與外面的換熱扇相連,內(nèi)部冷卻水的流動由空冷循環(huán)泵帶動.在板式換熱器冷、熱介質(zhì)進、出口分別安裝4支熱電偶和2對壓差變送器.流量計、壓差計和熱電偶所測數(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 實驗原理

        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.考慮到實驗過程中的散熱損失,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、出口溫度,°C;t2′、t″2分別為低溫工質(zhì)進、出口溫度,°C;Δtm為對數(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 實驗結(jié)果與分析

        2.1 顆粒質(zhì)量濃度對顆粒污垢熱阻的影響

        在相同工況、不同質(zhì)量濃度下,對板式換熱器的納米顆粒污垢熱阻進行了3組對比實驗.3組實驗中顆粒質(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組實驗均在20h左右達到穩(wěn)定,污垢熱阻漸進值也隨著質(zhì)量濃度的增大而增大.文獻[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、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,會驅(qū)使更多的顆粒向表面輸運,對應(yīng)結(jié)垢速率加快,污垢熱阻漸進值增大.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,污垢熱阻增大為原來的288%.而顆粒質(zhì)量濃度由200mg/L增大到400 mg/L時,質(zhì)量濃度每增大100mg/L,污垢熱阻只增大為原來的44%.由此可見,質(zhì)量濃度增大時,污垢熱阻也增大,但是增大幅度明顯減?。蚨烧J為當質(zhì)量濃度增大到一定值時,污垢熱阻漸進值不再隨著質(zhì)量濃度的增大而增大,而是會維持在一定范圍內(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程)越明顯,小顆粒容易團聚成更大的顆粒,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,當顆粒粒徑增大到一定值時,附著在換熱器表面的顆粒受到的剪切力足夠大,污垢熱阻漸進值不會再隨著質(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 顆粒粒徑對顆粒污垢熱阻的影響

        在相同工況、不同顆粒粒徑下,對板式換熱器的顆粒污垢熱阻進行了2組對比實驗.實驗中分別采用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:在相同運行參數(shù)和質(zhì)量濃度下,2組實驗均無誘導(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值明顯大于微米顆粒,幾乎是微米顆粒的6倍.這是因為粒徑越小,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[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,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.污垢實物圖見圖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,呈疏松多孔結(jié)構(gòu)(見圖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(見圖6),不存在明顯的疏松多孔結(jié)構(gòu).

        圖4 顆粒污垢實物圖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 流速對顆粒污垢熱阻的影響

        在相同工況、不同流速下,對板式換熱器的顆粒污垢熱阻進行了2組對比實驗.圖7給出了流速對板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響.由圖7可以看出,2組實驗均無誘導(dǎo)期,當流速為0.2m/s時,板片結(jié)垢速率快,僅用5h就達到污垢熱阻的漸進值,而流速為0.1m/s時結(jié)垢速率較慢,用時20h才能達到污垢熱阻漸進值,高流速下污垢熱阻漸進值明顯小于低流速下.在污垢生成的3個過程(輸運、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理較為困難.在初始污垢形成的過程中,剪切力至關(guān)重要,高流速帶來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和沉積加快,同時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.在污垢進入穩(wěn)定期后,高流速下污垢熱阻漸進值小于低流速下,這是因為當顆粒附著在換熱表面上生長到足夠大時,剪切力的存在會使較大的顆粒聚集體發(fā)生機械破碎及骨架形變,從而影響顆粒的繼續(xù)增長,這時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)溫度對顆粒污垢熱阻的影響

        圖8 低溫介質(zhì)溫度對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,對板式換熱器的顆粒污垢熱阻進行了2組對比實驗.圖8給出了低溫介質(zhì)溫度對板式換熱器顆粒污垢熱阻的影響.由圖8可以看出,2組實驗均無誘導(dǎo)期,且均在20~25h達到污垢熱阻漸進值.低溫介質(zhì)溫度對結(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,在污垢達到穩(wěn)定后,污垢熱阻隨著低溫介質(zhì)溫度的升高略有減?。@是因為顆粒的布朗運動與溫度成正比,溫度升高,布朗運動加?。趧傞_始結(jié)垢過程中,受溫度升高的影響,顆粒的運動加劇,即相互碰撞聚集和向壁面運動的可能性增大,結(jié)垢速率加快.在污垢進入穩(wěn)定期后,吸附是一個放熱過程[15],溫度升高會使附著量略有減少,污垢熱阻漸進值稍有減?。?/p>

        3 結(jié) 論

        (1)顆粒粒徑對污垢熱阻的影響最明顯,納米顆粒污垢熱阻漸進值幾乎是微米顆粒污垢熱阻漸進值的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值均相應(yīng)增大,當顆粒質(zhì)量濃度繼續(xù)增大時,污垢熱阻漸進值會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,污垢熱阻漸進值減小.

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