李煜, 徐志明, 陳健美, 龔金科, 袁文華, 劉冠麟, 李玉強

(1.邵陽學(xué)院 機械與能源工程系， 湖南 邵陽，422004；2.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙，410082；3.湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 長沙，410205；4.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林，132012)

板式換熱器冷卻水污垢影響因素權(quán)重及結(jié)垢機理

李煜1, 2, 3, 徐志明4, 陳健美3, 龔金科2, 袁文華1, 劉冠麟3, 李玉強3

(1.邵陽學(xué)院 機械與能源工程系， 湖南 邵陽，422004；2.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙，410082；3.湖南涉外經(jīng)濟學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖南 長沙，410205；4.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林，132012)

通過更換BR0.015F型波紋板式換熱器的不同幾何參數(shù)的板片，改變冷、熱水的入口溫度與冷卻水流量等途徑，實驗監(jiān)測了其污垢熱阻并測定了水質(zhì)與運行狀況特征參數(shù)，以灰色關(guān)聯(lián)分析法計算了幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運行狀況等因素對結(jié)垢的影響權(quán)重。結(jié)果表明在這些特征參數(shù)中，對結(jié)垢影響最大的為流速，最小的為溶解氧。并從流動與傳熱傳質(zhì)角度簡要分析了該波紋板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)要素(波紋節(jié)高比、波紋傾角)影響結(jié)垢的機理：波紋節(jié)高比的增加導(dǎo)致冷卻水中結(jié)垢成分沉積且節(jié)點處剪切應(yīng)力減小弱化了污垢剝蝕，最終結(jié)垢；波紋傾角的增大，板間流動漸變?yōu)椤扒哿鳌?，故局部沉積增加，垢阻增加，而交叉成的流體漩渦會增強節(jié)點處剪切應(yīng)力、增大其后流速，故節(jié)點處的污垢剝蝕加強，垢阻減小。

板式換熱器；污垢；灰色關(guān)聯(lián)分析；權(quán)重；機理

作為一種由壓成波紋狀的金屬板片疊成的新型高效換熱器，板式換熱器現(xiàn)已在能源動力各相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。當今工業(yè)流程中，冷卻水系統(tǒng)已成為其不可或缺的部分，其用水量以超過90%的比重在整個工業(yè)用水量中明顯領(lǐng)先[3]。而統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：超過95%的板式換熱器因復(fù)雜的冷卻水成分而結(jié)垢，如水循環(huán)過程中沉積的淤泥、水垢、腐蝕物等，由此形成的污垢問題[4]會削弱換熱器的傳熱性能、增加其流阻與功耗乃至加速其腐蝕與損壞[5,6]。Novak等[7]以Rhine河水和Oresund海水為實驗材質(zhì)，通過研究不同溫度與流速下的板式換熱器污垢特性后發(fā)現(xiàn)其污垢熱阻的時變規(guī)律幾乎是線性的。史琳等[8]對板式換熱器城鎮(zhèn)二級出水開展了混合污垢特性實驗，其研究結(jié)果表明出水成分是結(jié)垢的重要因素。劉金平等[9]實驗結(jié)果表明凝汽器珠江冷卻水污垢主要為微生物污垢。Men等[10]建構(gòu)了基于松花江水中微生物含量的污垢預(yù)測模型。趙波等[11]建構(gòu)了考慮水質(zhì)的冷卻水污垢的支持向量機預(yù)測模型。徐志明等[12,13]實驗研究了松花江冷卻水水質(zhì)對板式換熱器結(jié)垢的影響并基于偏最小二乘回歸法，建構(gòu)了其污垢熱預(yù)測模型。張仲彬等[14-16,20]實驗研究了板式換熱器的松花江冷卻水污垢特性，用灰色關(guān)聯(lián)分析法計算了水質(zhì)與運行參數(shù)對其結(jié)垢的影響權(quán)重并探討了相應(yīng)的結(jié)垢機理。

綜上所述，以上研究均未綜合考慮板式換熱器換熱面的幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運行狀況等因素對其冷卻水污垢的影響權(quán)重，亦未探討板式換熱器幾何結(jié)構(gòu)對其結(jié)垢的作用機理。因此，筆者以松花江冷卻水為流動換熱工質(zhì)，對BR0.015F型波紋板式換熱器的污垢特性進行了實驗研究，采用灰色關(guān)聯(lián)分析這一有效的權(quán)重分析方法計算了幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運行狀況等因素對結(jié)垢的影響權(quán)重，并從流動與傳熱傳質(zhì)角度簡要分析了該波紋板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)要素(波紋節(jié)高比、波紋傾角)影響結(jié)垢的機理。

1 實驗系統(tǒng)及原理簡介

1.1 實驗系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由板式換熱器、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、空冷循環(huán)系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)和冷水循環(huán)系統(tǒng)等組成，其原理示意圖與實物圖分別如圖1、2所示。采用的換熱器為某廠家生產(chǎn)的BR0.015F型波紋板式換熱器，其中一種板片的各特征尺寸如表1所列。圖1為換熱器松花江冷卻水污垢動態(tài)監(jiān)測實驗系統(tǒng)，根據(jù)污垢熱阻法[4]，維持冷、熱兩端入口溫度及冷熱水流速基本不變，經(jīng)實時監(jiān)測流量及出入口溫度，算得污垢熱阻。

(1)不銹鋼-304板式換熱器；(2)冷卻水箱；(3)冷水循環(huán)泵；(4)流量旁通閥；(5)冷水電磁流量計；(6/19)流量平衡閥；(7/23)冷、熱水入口溫度測點；(10/20)冷、熱水出口溫度測點；(8/22)冷、熱水入口壓力測點；(9/21)冷、熱水出口壓力測點；(11)散熱器；(12)空冷循環(huán)泵；(13)空冷換熱扇；(14)空冷水箱；(15)恒溫?zé)崴洌?16)電加熱器；(17)熱水循環(huán)泵；(18)熱水渦輪流量計；(24)加熱水箱水溫測點

圖1 實驗系統(tǒng)原理示意圖

1.2 實驗原理

據(jù)文獻[4]可知，該板式換熱器的污垢熱阻為其傳熱熱阻于結(jié)垢與清潔狀態(tài)時之差：

(1)

依據(jù)熱量平衡原理可知，單位時間內(nèi)板式換熱器總的換熱量既與熱水放出的熱量相等；同時又與冷水吸收的熱量相等。即有：

(2)

然而，再好的換熱器也有熱量損失，熱量平衡均有相對誤差，令

(3)

在板式換熱器傳熱與污垢測試程序中設(shè)定唯有滿足這個條件時才開始采集數(shù)據(jù)，否則還得調(diào)試實驗系統(tǒng)。于是引入溫差修正系數(shù)ψ，由熱量的傳遞方程便可求得傳熱系數(shù)：

(4)

式中，k0和k分別為同工況的板式換熱器清潔、結(jié)垢狀態(tài)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。故只要監(jiān)測到冷、熱水的出入口溫度和對應(yīng)的質(zhì)量流量，根據(jù)式(1)便可間接測量得到實驗所需的污垢熱阻Rf。

1.3 結(jié)垢影響參數(shù)測定

從零時刻開始，每隔24h，從冷卻水箱中取1500mL松花江冷卻水樣，先用經(jīng)蒸餾水洗凈測量棒后的Orion5-Star水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定其中250mL水樣的溶解氧(單位mg/L)與電導(dǎo)率(單位μs/cm)；同時，用濁度分析儀現(xiàn)場測定另取的少許水樣的濁度(即：表征水中1μm以上顆粒狀物多少、水透明度大小的物理量；單位NTU)；再將剩余水樣裝入瓶中快速帶回實驗室放入電冰箱冷藏。待取好8次水樣后，在維持與前述現(xiàn)場水溫基本相同的條件下，在化學(xué)實驗室依次離線測定冷卻水中堿度以及鈣離子、氯離子含量。

以Pt100熱電阻、LDBE-15S-1電磁流量計來分別測定冷、熱水的入口溫度與流量，而通過流量與流速的關(guān)系可間接測得冷卻水的流速。執(zhí)行不同的工況時，更換不同波紋幾何參數(shù)(尺寸已知的波紋傾角、波紋節(jié)高比等)的板片或改變冷、熱水的入口溫度與冷卻水流量即可。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析簡介

權(quán)重的分析方法已有數(shù)種了，據(jù)相關(guān)文獻介紹，主要有：專家打分法、統(tǒng)計平均法、變異系數(shù)法、熵值定權(quán)法、模糊聚類分析法、層次分析法[17]以及由鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析法[18]等。這些方法各有其適用對象。由于本文分析的管幾何參數(shù)與其污垢熱阻之間存在的關(guān)系是隱含的，為揭示該種隱含的關(guān)系，故引入灰色關(guān)聯(lián)分析法來分析確定權(quán)重，其基本思路是：

假定有n個比較時間序列{X10(t)}，{X20(t)}，…，{Xn0(t)}(t=1,2,…,N)，N為數(shù)據(jù)個數(shù)，在專業(yè)術(shù)語里被稱作序列長度。另設(shè)參考時間序列{X00(t)}(t=1,2,…,N)。其執(zhí)行步驟詳述如下：

(1)變換原始數(shù)據(jù)，去除其量綱：原始數(shù)據(jù)之間因含有不同的量綱而不具可比性，故應(yīng)該對其進行去量綱變換以獲取有可比較的數(shù)據(jù)序列?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)變換方法有均值化、初值化和標準化變換等。文中選用第三種方法對原始數(shù)據(jù)各序列進行變換，即先算得各序列的均值和標準差，之后用各原始數(shù)據(jù)減掉其均值再除以標準差，經(jīng)過這些運算步驟得到的新數(shù)據(jù)序列即為標準化序列，其均值為0、量綱和方差均為1。

(2)各個比較時間序列與參考時間序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算：將數(shù)據(jù)標準化變換后的各個比較時間序列記為{Xi(t)}、參考時間序列為{X0(t)}，于是在t=k的時刻，可依據(jù)下式來計算得出各個比較序列{Xi(k)}與參考序列{X0(k)}兩者之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(5)

(3) 對參考序列與各個比較序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度進行求解：

(6)

式(6)中，參考序列與各個比較序列的灰色關(guān)聯(lián)度被記作γ0k。

(4)排列出灰色關(guān)聯(lián)序：有兩類灰色關(guān)聯(lián)序：即“偏序”和“有序”。通常情形下，只要各種因素存在一定的關(guān)系，其關(guān)聯(lián)度一經(jīng)計算得出，則總會是“有序”的；“偏序”一般不可能發(fā)生，除非沒有參考序列或某時刻的參考點。

(5) 排列出灰色關(guān)聯(lián)度矩陣：設(shè)有n個比較序列{X1}，{X2}，…，{Xn}(n≠1) 及m個參考序列{Y1}，{Y2}，…，{Ym}(m≠2)，則有各比較序列對參考序列的灰色關(guān)聯(lián)度，記作[γi1,γi2,…,γin]，將γij(i=1,2,3…,m;j=1,2,3,…,n)進行適當排列，便得出一個關(guān)聯(lián)度矩陣，將其作為建構(gòu)數(shù)學(xué)模型或決策的重要依據(jù)。

3 結(jié)果分析

選取表2中的某廠家生產(chǎn)的BR0.015F型人字形波紋板式換熱器的漸近污垢熱阻值(單位：×10-5m2·K·W-1)(Y)為參考序列因子，波紋傾角(X1)，波紋節(jié)高比(X2)，…，堿度(X9)，Ca2+含量(X10)這10個因子為比較序列因子，經(jīng)標準化變換后算得各個X對Y的灰色關(guān)聯(lián)度依次是：γ1=0.7313，γ2=0.7177，γ3=0.7526，γ4=0.9312，γ5=0.5565，γ6=0.6990，γ7=0.5666，γ8=0.6123，γ9=0.7512，γ10=0.7338；對應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣為[0.7313 0.7177 0.7526 0.9312 0.5565 0.6990 0.5666 0.6123 0.7512 0.7338]，故關(guān)聯(lián)序依次是X4>X3>X9>X10>X1>X2>X6>X8>X7>X5。依據(jù)文獻[14,15]所提的水質(zhì)與運行參數(shù)對板式換熱器影響權(quán)重的結(jié)論并結(jié)合文獻[19]中關(guān)于波紋幾何參數(shù)對板式換熱器換熱面綜合性能的結(jié)論，該計算結(jié)果是合理的。因此，在這些板式換熱器幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、工況參數(shù)中，影響最大的為流速(單位：m/s)，最小的為溶解氧(mg/L)，期間依次為冷水入口溫度(℃)、堿度(mmol/L)、Ca2+含量(mmol/L)、波紋節(jié)高比、波紋傾角(°)、電導(dǎo)率(μs/cm)、Cl-含量(mmol/L)、濁度(NTU)。

表2 板式換熱器冷卻水污垢熱阻與結(jié)垢影響因素數(shù)據(jù)

4 結(jié)垢機理分析

文獻[14-15]已較為透徹地分析了水質(zhì)與運行參數(shù)影響板式換熱器冷卻水污垢的機理，故文中對此不再贅述，而僅對波紋幾何參數(shù)影響結(jié)垢的機理作簡要分析。

板式換熱器的波紋法向節(jié)距和波紋高度(因二者常互相影響，故選擇一個適當?shù)牟y法向節(jié)距和波紋高度的比值即節(jié)高比比僅選擇波紋法向節(jié)距和波紋高度更有意義，文中因此以波紋節(jié)高比對結(jié)垢的影響來分析)是影響其結(jié)垢的重要參數(shù)。由文獻[19]可知，波紋節(jié)高比越大，其強化換熱的綜合性能越差，原因在于隨著波紋節(jié)高比的增加，該型板式換熱器的傳熱性能會隨之下降且流動阻力會隨之增加，而波紋流道中節(jié)點處的流速也會因而有所減小，這樣便會削弱換熱器強化換熱的綜合性能，這樣冷卻水中的結(jié)垢成分因熱阻的產(chǎn)生而沉積下來且其剝蝕過程也因節(jié)點處流速減小帶來的剪切應(yīng)力減小而被弱化了，最終污垢凈存速率隨之增加了，污垢因此而產(chǎn)生了。另外，波紋傾角亦明顯地影響板式換熱器結(jié)垢，原因在于隨著波紋傾角的增大，其換熱效果增強，但其流阻亦增大，當波紋傾角約為60°時，其板間流形由“十字交叉流”變成“曲折流”，即板式換熱器板片的邊緣已不是其流動折返點，而流體的流動在每個波紋節(jié)點處呈現(xiàn)連續(xù)并行小波紋的形狀?！扒哿鳌币l(fā)板片間局部流速下降，進而使得局部的污垢沉積量增加，因而污垢熱阻會增加。而板式換熱器中主流流體在波紋節(jié)點處受板片波紋流道流體流動的影響，于是主流流體與波紋流道流體會進行交叉，因此形成的漩渦會增強波紋節(jié)點處的切應(yīng)力；此外，較其它位置，板間節(jié)點處的流動間距小得多，故同條件下流速在流體過節(jié)點后會增大，上述兩現(xiàn)象均會強化板式換熱器節(jié)點處的污垢剝蝕過程，故污垢熱阻會減小。

5 結(jié)論

本文通過更換BR0.015F型波紋板式換熱器的不同幾何參數(shù)的板片以及改變冷、熱水的入口溫度與冷卻水流量等途徑，實驗監(jiān)測了其污垢熱阻并測定了水質(zhì)與運行狀況特征參數(shù)，以灰色關(guān)聯(lián)分析法計算了幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運行狀況等因素對結(jié)垢的影響權(quán)重，并從流動與傳熱傳質(zhì)角度簡要分析了該波紋板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)要素(波紋節(jié)高比、波紋傾角)影響結(jié)垢的機理，得到了如下結(jié)論：

(1)在這些板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運行狀況特征參數(shù)中，影響最大的為流速，最小的為溶解氧，期間依次為冷水入口溫度、堿度、Ca2+含量、波紋節(jié)高比、波紋傾角、電導(dǎo)率、Cl-含量、濁度。

(2)波紋節(jié)高比影響結(jié)垢的機理為：波紋節(jié)高比的增加會削弱換熱器強化換熱的綜合性能，產(chǎn)生的熱阻導(dǎo)致冷卻水中結(jié)垢成分沉積且節(jié)點處剪切應(yīng)力減小弱化了污垢剝蝕，最終污垢凈存速率增加，換熱器結(jié)垢。

(3)波紋傾角影響結(jié)垢的機理為：波紋傾角的增大會強化換熱、增加流阻，其為60°時，板間流動由“十字交叉流”變成“曲折流”，會增加局部的污垢沉積，故垢阻增加；而主流流體與波紋流道流體交叉形成的漩渦會增強波紋節(jié)點處的切應(yīng)力且節(jié)點處較小的流動間距使過節(jié)點后的流速增大，兩者強化了節(jié)點處的污垢剝蝕，故垢阻減小。

[1]朱冬生,錢頌文,馬小明,等. 換熱器技術(shù)及進展 [M]. 北京: 中國石化出版社,2008.

[2]余建祖. 換熱器原理與設(shè)計 [M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[3]徐志明,郭進生,黃興,等. 水質(zhì)參數(shù)與板式換熱器水質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián) [J]. 化工學(xué)報,2011,62(2): 344-347.

[4]楊善讓,徐志明,孫靈芳. 換熱設(shè)備的污垢與對策(第二版) [M]. 北京: 科學(xué)出版社,2004.

[5]張巍,李冠球,張政江,等. 基于普朗特類比的螺紋管內(nèi)污垢分析模型 [J]. 中國電機工程學(xué)報,2008,28(35): 66-70.

[6]徐志明,楊善讓,郭淑青,等. 電站鍋爐污垢費用估算 [J]. 中國電機工程學(xué)報,2004,24(2): 196-199.

[7]Novak L. Comparison of the Rhine River and the Oresund Sea water fouling and its removal by Chlorination [J]. ASME Journal of Heat Transfer,1982,104: 663-669.

[8]史琳,昝成,楊文言. 城鎮(zhèn)二級出水換熱表面混合污垢的成分及形貌 [J]. 清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,49(2): 236-239.

[9]劉金平,劉雪峰,杜艷國，等. 凝汽器冷卻水污垢熱阻的研究 [J]. 中國電機工程學(xué)報,2005,25(15): 100-105.

[10]Men H,Mu S W,Sun J P，et al. Predictive model of bio-fouling growth Based on electrochemical method[C]//Tan O K.7th East Asian Conference on Chemical Sensors. Singapore:EACCS’07,2007:1055-1058.

[11]趙波,楊善讓,劉范,等. 冷卻水污垢熱阻預(yù)測的支持向量機法動態(tài)模擬實驗研究 [J]. 中國電機工程學(xué)報,2010,30(11): 92-97.

[12]徐志明,黃興,郭進生,等. 冷卻水水質(zhì)參數(shù)對板式換熱器污垢特性的實驗研究 [J]. 工程熱物理學(xué)報,2011,32(4): 645-647.

[13]徐志明,文孝強,鄭嬌麗，等. 板式換熱器冷卻水污垢熱阻預(yù)測的偏最小二乘回歸法 [J]. 化工學(xué)報,2011,62(6): 1531-1536.

[14]張仲彬,李煜,杜祥云，等. 水質(zhì)對板式換熱器結(jié)垢的影響權(quán)重及其機制分析 [J]. 中國電機工程學(xué)報,2012,32(32): 69-74.

[15]徐志明，李煜，郭進生，等. 板式換熱器運行參數(shù)影響結(jié)垢的權(quán)重及機理分析 [J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報,2012,39(3): 78-82,101.

[16]張仲彬,王丙林,李煜，等. 換熱表面污垢熱阻影響因素的評價研究 [J]. 中國電機工程學(xué)報,34(2): 266-271.

[17]王靖,張金鎖. 綜合評價中確定權(quán)重向量的幾種方法比較 [J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,30(2): 52-57.

[18]蘇博,劉魯,楊方廷. 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 [J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐,2008,9: 99-104.

[19]李冠球. 板式換熱器傳熱傳質(zhì)實驗與理論研究 [D]. 杭州: 浙江大學(xué),2012.

[20]李煜，龔金科，陳健美，等.板式換熱器流動與傳熱特性的數(shù)值研究[J].邵陽學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016,13(2)：75-82.

Impact factor weights and mechanism of cooling water fouling in a plate heat exchanger

LI Yu1, 2, 3, XU Zhiming4, CHEN Jianmei3, GONG Jinke2, YUAN Wenhua1, LIU Guanlin3, LI Yuqiang3

(1. Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China; Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;3. Department of Mechanical Engineering,Hunan International Economics University,Changsha 410205,China;4. School of Energy and Power Engineering,Northeast Electric Power University,Jilin 132012,China)

The thermal resistance of fouling in a BR0.015F-type corrugated plate heat exchanger was monitored experimentally as well as feature parameters of water quality and operating conditions of the exchanger were measured via changing plates whose geometry were different,inlet temperature of cooling & hot water or/and mass flow rate. Then weights of impact factors including geometry,water quality and operating conditions on fouling were calculated based on gray relation analysis method. Result shows that the most important impact factor on fouling is flow velocity while the least is dissolved oxygen among them. After that,impact mechanisms of geometric features such as the ratio of normal corrugated pitch to height as corrugated inclination angle on fouling in the exchanger were analyzed simply from the viewpoint of heat & mass transfer. The mechanisms can be demonstrated that the increase of ratio of normal corrugated pitch to height will result in the deposition of fouling components while the removal of fouling weakened due to the decrease of shear stress on pitch points and finally producing fouling; besides,the flow type will gradually vary for “tortuous flow” when the corrugated angle increases,thus local deposition and thermal resistance of fouling will increase,while fluid vortex from the fluid crossing will increase the shear stress on pitch points as well as flow velocity after the points,thus the removal of fouling on the points will be enhanced as well as the thermal resistance of fouling will decrease.

plate heat exchanger; fouling; gray relation analysis; weight; mechanism

1672-7010(2016)04-0061-07

2016-04-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(51276056, 51176045, 91541121); 湖南省教育廳科研項目(13C492)

李煜(1984-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，在讀博士研究生，從事工程傳熱傳質(zhì)和燃燒學(xué)研究；E-mail: augustus168@163.com

徐志明(1959-)，男，吉林九臺人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事強化傳熱與換熱設(shè)備污垢研究；E-mail: xuzm@mail.nedu.edu.cn

TK124

A