馬小宇,林雪銀,馬洪亭

(1.鄭州航空港城市運(yùn)營(yíng)有限公司,鄭州450000;2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津300350)

吸收式制冷由于具有省電和可利用低品位能源等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)受到普遍重視和應(yīng)用[1-2]。溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)主要由發(fā)生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器和冷卻塔等組成,段倫俊[3]通過(guò)現(xiàn)有凝汽器膠球在線清洗裝置進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)空冷器在線清洗,改善了發(fā)電機(jī)工作環(huán)境,確保了發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期高效運(yùn)行,提升了發(fā)電效益。文興全等[4]將一種新型膠球在線清洗技術(shù)應(yīng)用到技術(shù)供水系統(tǒng)中,在總供水管處自動(dòng)投入自旋轉(zhuǎn)膠球,膠球均勻隨機(jī)投入各冷卻器銅管起到清洗銅管內(nèi)壁的作用。Beyrer等[5]為了解決換熱器運(yùn)行中的結(jié)垢問(wèn)題,提出湍流流動(dòng)與中等溫度相結(jié)合用于防止結(jié)垢。文獻(xiàn)[6-7]提出可以通過(guò)機(jī)械刮擦換熱管內(nèi)表面等方法避免污垢的形成。文獻(xiàn)[8-9]提出了一種綜合性的凝汽器污垢在線監(jiān)測(cè)方法和污垢對(duì)傳熱負(fù)效應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[10-11]重點(diǎn)研究了污垢對(duì)制冷劑冷凝器熱工和水力性能的影響。

由于管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)勢(shì),通常被用作溴化鋰制冷機(jī)組中的吸收器和冷凝器。然而,管殼式換熱器也存在著諸多缺點(diǎn),當(dāng)換熱管內(nèi)形成污垢后,會(huì)增大流體的流動(dòng)阻力和熱阻,影響換熱器傳熱性能和制冷機(jī)組的性能系數(shù)[12]。Awais等[13]研究了流速、溫度、濃度、材料表面和其他因素對(duì)減少結(jié)垢和顆粒沉積的影響。文獻(xiàn)[14-15]評(píng)估了結(jié)垢對(duì)熱交換器傳熱性能的影響。

傳統(tǒng)清洗管內(nèi)污垢的方法無(wú)法避免長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)換熱器傳熱性能帶來(lái)的不利影響[16-17]。而膠球在線清洗可在不停機(jī)的情況下,自動(dòng)清洗管殼式換熱器管內(nèi)的污垢,不僅節(jié)省了勞動(dòng)力成本,而且能延長(zhǎng)換熱器的使用壽命。由于膠球在線清洗系統(tǒng)可以及時(shí)清除附著在換熱管表面的污垢,使換熱管表面始終保持清潔和高效換熱狀態(tài),在制冷、化工、電力等行業(yè)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。鄭金山等[18]分別將管道式與端蓋式兩種膠球在線清洗裝置安裝在離心式冷水機(jī)組上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。運(yùn)行結(jié)果表明,該技術(shù)可顯著降低冷凝器的端溫差,提高電制冷冷水機(jī)組的能效比。上官國(guó)志[19]的研究表明,將膠球在線裝置用于發(fā)電廠凝汽器的循環(huán)冷卻水系統(tǒng),可降低凝汽器端溫差5.2℃左右。馬洪亭等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了膠球在線清洗系統(tǒng)用于電制冷冷水機(jī)組的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

文中旨在通過(guò)研究投球率、發(fā)球泵運(yùn)行時(shí)間及啟停比對(duì)燃?xì)怃寤囍比紮C(jī)組中吸收器和冷凝器污垢熱阻的影響規(guī)律,綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素,確定膠球在線清洗系統(tǒng)的最佳運(yùn)行模式和參數(shù),以提高吸收器和冷凝器的傳熱效率,并保證燃?xì)馕帐街评錂C(jī)組的高效運(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)是在既有溴化鋰吸收式直燃機(jī)組的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)搭建的。對(duì)于燃?xì)怃寤囄帐街比紮C(jī)組,來(lái)自冷卻的低溫冷卻水先進(jìn)入吸收器,然后再流過(guò)冷凝器,從冷凝器流出的較高溫度冷卻水,經(jīng)管道輸送到室外冷卻塔噴,在空氣和水分蒸發(fā)雙重冷卻作用下被降溫后再由循環(huán)水泵送回制冷機(jī)組。根據(jù)燃?xì)怃寤囄帐街评錂C(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),無(wú)法將冷凝器和吸收器分開(kāi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)工作時(shí),膠球在線清洗系統(tǒng)依次對(duì)吸收器和冷凝器的換熱管進(jìn)行清洗,為方便實(shí)驗(yàn),文中所測(cè)吸熱量為冷凝器和吸收器的總吸熱量。

圖1所示為實(shí)驗(yàn)?zāi)z球在線清洗系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)由發(fā)球器、發(fā)球管道、收球器、收球管道、膠球、PCL控制箱及閥門(mén)等組成。當(dāng)系統(tǒng)為清洗模式運(yùn)行時(shí),膠球泵將自動(dòng)開(kāi)啟,將膠球從發(fā)球器中送出。王強(qiáng)[21]測(cè)試了橡膠球在干凈銅管中的摩擦力,得出橡膠球順利通過(guò)熱交換管所需的壓力差約為20 kPa。由于發(fā)球泵的增壓作用,發(fā)球管道的壓力高于冷卻水管的壓力,膠球?qū)?huì)隨冷卻水一起進(jìn)入溴化鋰制冷機(jī)組的冷凝器和吸收器換熱銅管內(nèi),在管內(nèi)水流的帶動(dòng)下對(duì)管子內(nèi)壁進(jìn)行沖刷,由于膠球外徑比換熱管內(nèi)徑大1～2 mm,當(dāng)膠球從管內(nèi)穿過(guò)時(shí),在摩擦力的作用下將除去附著在管子內(nèi)壁的污垢。當(dāng)膠球從管內(nèi)流過(guò)時(shí),將會(huì)對(duì)靠近管壁的層流體流邊界層造成擾動(dòng),增強(qiáng)流體的湍流度,降低換熱熱阻,強(qiáng)化換熱效果。膠球流出冷凝器后進(jìn)入收球器中,經(jīng)收球管道和手球閥儲(chǔ)存在儲(chǔ)球罐,完成一次清洗。

圖1 膠球在線清洗系統(tǒng)示意圖圖Fig.1 Rubber ball online cleaning system

實(shí)驗(yàn)是在一臺(tái)型號(hào)為RCOG070的燃?xì)怃寤囍比紮C(jī)上完成的。該機(jī)組主要技術(shù)和性能參數(shù)如表1所示。

表1 溴化鋰吸收式直燃機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the direct-fired absorption LiBr refrigerating machine

根據(jù)燃?xì)怃寤囍比紮C(jī)的工作原理,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中膠球依次流過(guò)管殼式吸收器和冷凝器,表2和表3分別為冷凝器和吸收器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 管殼式冷凝器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Construction parameters of Shell and Tube Condenser

表3 管殼式吸收器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Construction parameters of Shell and Tube Absorber

實(shí)驗(yàn)時(shí)冷卻水和冷凍水的流量由型號(hào)為FDT-21的超聲波流量計(jì)測(cè)得,其精度為±1.0%;不同測(cè)點(diǎn)的壓力由量程為0～1.6 MPa,誤差為±0.1 MPa的壓力表測(cè)得。冷凍水和冷卻水溫度由PT100熱電阻測(cè)得,誤差為±0.2℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了解不同因素對(duì)膠球在線清洗效果的影響,通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別研究了不同膠球數(shù)量、清洗周期和發(fā)球泵啟停時(shí)間比等條件下的清洗效果。

1)通過(guò)連續(xù)測(cè)試53 d,研究了無(wú)膠球清洗條件下?lián)Q熱管內(nèi)部表面污垢熱阻生長(zhǎng)情況。

2)通過(guò)連續(xù)測(cè)試53 d,研究了無(wú)膠球清洗條件下燃?xì)怃寤嚈C(jī)組的COP變化情況。

3)在膠球運(yùn)行時(shí)間為40 s、啟停比為1∶2的條件下,連續(xù)測(cè)試400 h,研究投球率對(duì)管殼式換熱器傳熱特性的影響。通過(guò)改變投球率(膠球數(shù)占冷凝器換熱管數(shù)的百分比)為10%、20%和30%,記錄冷卻水和冷水的溫度、流量、壓力和燃?xì)庀牧康冗\(yùn)行數(shù)據(jù),分析不同投球率對(duì)換熱管內(nèi)表面污垢熱阻的影響關(guān)系,確定最佳投球率。

4)在投球率和啟停比相同的條件下,通過(guò)改變膠球運(yùn)行時(shí)間研究清洗運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)污垢熱阻的影響規(guī)律。文中在投球率為20%、啟停比為1∶2的條件下,發(fā)球泵運(yùn)行時(shí)間從20 s、間隔時(shí)間從40 s開(kāi)始,將運(yùn)行依次增加20 s、間隔時(shí)間依次增加40 s,分析3種實(shí)驗(yàn)工況下冷凝器和吸收器換熱管表面污垢熱阻的變化情況,確定出最佳運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),為膠球在線清洗系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

5)在保持投球率為20%和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為40 s不變的情況下,研究了啟停比對(duì)冷凝器和吸收器污垢熱阻的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別將啟停比設(shè)定為1∶1、1∶2和1∶3,通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定最佳的啟停比。

燃?xì)怃寤囄帐街评湎到y(tǒng)冷卻水在吸收器和冷凝器中的總吸熱量為

式中:mc為冷卻水流量,m3/s;tc,out為冷凝器出口冷卻水溫度,℃;tc,in為吸收器入口冷卻水溫度,℃;cp為冷卻水的定壓比熱,J/(kg·℃)。

換熱管表面的污垢熱阻可以由方程(2)計(jì)算:

式中:Twf為污垢底部與換熱管接觸面溫度,℃;ts為污垢表面溫度,℃;q為通過(guò)換熱管的熱流密度,J/(m2·s)。

由于污垢層厚度一般都很小且無(wú)法直接測(cè)量,文中不考慮垢層厚度對(duì)換熱管內(nèi)徑的影響。

由式(3)可知,影響換熱管熱流密度的主要因素是流過(guò)冷凝器和吸收器的冷卻水入口溫度和出口溫度,換熱管傳熱性能越好,進(jìn)出口溫差越大,熱流密度也越大。

根據(jù)文獻(xiàn)[22],污垢表面溫度Ts可由式(4)和 式(5)計(jì)算得到:

式中:h為冷卻流體與換熱管表面之間的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2?K);V為冷卻水管內(nèi)流速,m/s;ρ為冷卻水密度,kg/m3;當(dāng)管內(nèi)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)滿足104

式中:λ為流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

由于文中研究的燃?xì)怃寤囄帐街评錂C(jī)組為一體式結(jié)構(gòu),冷卻水順次流過(guò)吸收器和冷凝器,無(wú)法直接測(cè)得吸收器出口和冷凝器入口的水溫,在處理數(shù)據(jù)時(shí),將吸收器和冷凝器看作一個(gè)換熱器整體,所以由式(1)計(jì)算出的吸熱量為冷卻水的總吸熱量,由式(2)計(jì)算的污垢熱阻為吸收器和冷凝器換熱管表面的平均熱阻,由式(3)計(jì)算的熱流密度為吸收器和冷凝器換熱管表面的平均熱流密度,由式(4)和式(5)計(jì)算的污垢表面溫度為吸收器和冷凝器換熱管表面的平均表面溫度。

冷凍水在蒸發(fā)器中的放熱量為

式中:mch為流過(guò)蒸發(fā)器的冷凍水流量,m3/s;tch·out為蒸發(fā)器出口冷凍水溫度,℃;tch·in為蒸發(fā)器進(jìn)口冷凍水溫度,℃;發(fā)生器內(nèi)燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量由方程(8)求得:

式中:B為單位時(shí)間消耗的天然氣量,m3/s;H為天然氣低位發(fā)熱量,實(shí)測(cè)值為32.616 kJ/m3。

燃?xì)怃寤囍比紮C(jī)的制冷系數(shù)COP為

式中:Qch為蒸發(fā)器的制冷量,k W;Qgas為發(fā)生器中燃?xì)猱a(chǎn)熱量,k W。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)膠球在線清洗系統(tǒng)條件下的污垢熱阻的變化

為了研究無(wú)在線清洗條件下,燃?xì)怃寤囄帐街评錂C(jī)冷凝器和吸收器換熱管內(nèi)污垢熱阻的變化清洗,連續(xù)測(cè)試了53 d(1 272 h)換熱管內(nèi)表面的污垢熱阻變化情況,如圖2所示。為了統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn),開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前先采用機(jī)械和化學(xué)方法對(duì)換熱管內(nèi)壁進(jìn)行清洗,但由于部分污垢與管壁結(jié)合比較牢固,無(wú)法完全清洗干凈,可以看出,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)刻管子內(nèi)表面的污垢熱阻并不等于零。

圖2 無(wú)在線清洗條件下污垢隨時(shí)間的變化情況Fig.2 Variation of fouling with time without on-line cleaning

結(jié)果表明,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的前200 h內(nèi)污垢熱阻變化很小,基本保持在7.23×10-4m2·K/W左右,但在實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行到200 h后開(kāi)始快速增長(zhǎng),在900 h后污垢熱阻又趨于穩(wěn)定,之后基本保持不變。出現(xiàn)上述情況的主要原因是,在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段,管子內(nèi)壁形成的污垢很少,對(duì)管道的流通面積幾乎沒(méi)有影響,只是對(duì)管子內(nèi)壁的粗糙度有一定影響。根據(jù)圖2發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后的120 h內(nèi)污垢熱阻沒(méi)有明顯增加,該階段稱作“誘導(dǎo)期”,形成的少量污垢附著在比較光滑的換熱管內(nèi)表面。循環(huán)冷卻水流過(guò)管子時(shí)流態(tài)比較穩(wěn)定,對(duì)層流邊界層擾動(dòng)很小。隨著燃?xì)馕帐街评錂C(jī)的持續(xù)運(yùn)行,在管子內(nèi)壁會(huì)生成越來(lái)越多的污垢,使得換熱管內(nèi)表面的粗糙度逐漸增加,并影響到管子的流通面積,在流量不變的情況下流過(guò)管子的水流速度會(huì)有所增加,改善了換熱條件,提高了流換熱系數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在120～200 h期間,隨著生產(chǎn)的污垢增多,附著在管子內(nèi)表面的污垢厚度也逐漸增加,由于污垢熱阻對(duì)傳熱造成的負(fù)面影響大于對(duì)流換熱增強(qiáng)帶來(lái)的傳熱強(qiáng)化效果,使得該階段污垢熱阻呈略微上升趨勢(shì)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間超過(guò)200 h時(shí),污垢熱阻呈顯著增加趨勢(shì),該階段稱為污垢快速增長(zhǎng)階段,污垢快速生成并覆蓋在換熱管內(nèi)壁上。該階段污垢熱阻隨時(shí)間的變化關(guān)系可擬合為:Rf=0.000 6τ0.1559。隨著冷水機(jī)組的持續(xù)運(yùn)行,在吸收器和冷凝器的換熱管內(nèi)表面上形成越來(lái)越多的污垢,一方面會(huì)不斷增大污垢熱阻,影響傳熱效果;另一方面會(huì)造成冷卻水流通面積減小,增大流動(dòng)阻力,并造成水泵的能耗增加。

2.2 無(wú)膠球在線清洗系統(tǒng)條件下的COP測(cè)試

通過(guò)式(9)可計(jì)算出溴化鋰吸收式直燃機(jī)組COP。實(shí)驗(yàn)在沒(méi)有投入膠球在線清洗系統(tǒng)的前提下進(jìn)行了1 272 h實(shí)驗(yàn),將每天分為6個(gè)時(shí)間段,分別計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的COP,然后取平均值作為每天的COP值,圖3為沒(méi)有膠球在線清洗系統(tǒng)的情況下得到的COP隨時(shí)間的變化關(guān)系。

由圖3可知,沒(méi)有在線清洗系統(tǒng),制冷機(jī)組的COP隨運(yùn)行時(shí)間的持續(xù)增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),且COP與運(yùn)行時(shí)間之間的關(guān)系可以擬合為COP=-0.000 1τ+1.198 1。為了防止制冷機(jī)組連續(xù)運(yùn)行工況下,在換熱管表面上形成污垢影響換熱效果,保持燃?xì)怃寤囄帐街评錂C(jī)組始終處于高效運(yùn)行狀態(tài),將通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究投球率、運(yùn)行時(shí)間及啟停比對(duì)吸收器和冷凝器換熱管表面污垢熱阻的影響關(guān)系,確定在線清洗系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)。

2.3 投球率對(duì)污垢熱阻的影響

為了研究不同投球率下污垢熱阻隨時(shí)間的變化規(guī)律,在保持清洗系統(tǒng)發(fā)球器運(yùn)行時(shí)間為40 s、啟停比為1∶2不變的條件下,分別設(shè)定投球率為10%、20%、30%,并連續(xù)實(shí)驗(yàn)400 h,測(cè)定了實(shí)驗(yàn)期間污垢熱阻隨時(shí)間的變化關(guān)系,結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖3 無(wú)在線清洗條件下制冷機(jī)組COP隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of COP of refrigerating unit with time without on-line cleaning t

由于吸收器和冷凝器的換熱管數(shù)量不同,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中計(jì)算的投放率是以冷凝器的換熱管數(shù)量為基礎(chǔ)確定的投球率。

圖4 投球率為10%時(shí)污垢熱阻隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Variaton of scale thermal resistance with time under the condition of 10%input rate

圖5 投球率為20%時(shí)污垢熱阻隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 Variaton of scale thermal resistance with time under the condition of 20%input rate

圖6 投球率為30%時(shí)污垢熱阻隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.6 Variaton of scale thermal resistance with time under the condition of 30%input rate

從圖4～圖6中可以看出,當(dāng)投球率為10%時(shí),污垢熱阻波動(dòng)幅度較大且略有增加,從6.12×10-4m2·K/W增加到8.13×10-4m2·K/W,增長(zhǎng)幅度為32.8%,增長(zhǎng)趨勢(shì)滿足Rf=-4.26×10-8τ2+6.12×10-6τ+6.08×10-4;當(dāng)投球率為20%時(shí),污垢熱阻從5.59×10-4m2·K/W變化到6.75×10-4m2·K/W,增長(zhǎng)了20.8%,增長(zhǎng)趨勢(shì)滿足Rf=-0.98×10-7τ2+6.87×10-6τ+5.83×10-4;當(dāng)投球率30%時(shí),污垢熱阻從5.98×10-4m2·K/W增加到6.32×10-4m2·K/W,只增加了5.7%。

對(duì)比圖1和圖4～圖6可以看出:

1)無(wú)膠球在線清洗的條件下,污垢熱阻增長(zhǎng)的速度明顯快于有膠球在線清洗工況下污垢熱阻的增長(zhǎng)趨勢(shì)。其主要原因是:首先,由于膠球的直徑一般要比換熱管內(nèi)徑大1～2 mm,當(dāng)膠球從管內(nèi)通過(guò)時(shí),在膠球的摩擦作用下,將附著在管壁的污垢帶出,防止污垢在管子內(nèi)表面沉積,保持管壁清潔,從而保證了良好的傳熱效果。其次,沒(méi)有膠球在線清洗系統(tǒng)工況下,流體流過(guò)換熱管時(shí)會(huì)在管子內(nèi)表面形成薄薄的層流邊界層,該邊界層是傳熱的主要熱阻。有膠球清洗系統(tǒng)工況下,膠球不斷從管內(nèi)通過(guò)時(shí),由于膠球的擾動(dòng)作用,破壞了邊界層的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),從而改善了傳熱效果,降低熱阻。

2)對(duì)比圖4～圖6發(fā)現(xiàn),隨著投球率的提高,污垢熱阻的增長(zhǎng)趨勢(shì)越來(lái)越平緩。當(dāng)投球率為10%時(shí)的清洗效果不太明顯,當(dāng)投球率增加到20%和30%時(shí),清洗效果顯著改善,污垢熱阻變化越來(lái)越平緩,基本保持不變。其主要原因是,投球率越大,單位時(shí)間內(nèi)膠球通過(guò)每個(gè)換熱管的概率和次數(shù)越多,在管子內(nèi)壁形成污垢層的機(jī)會(huì)越小,對(duì)層流邊界層的擾動(dòng)越大,強(qiáng)化傳熱效果越好,因此,污垢熱阻就越小。

然而,當(dāng)投球率繼續(xù)增加時(shí),通過(guò)每個(gè)管子的膠球次數(shù)會(huì)越多,在管壁已經(jīng)比較干凈的條件下,投球率繼續(xù)提高對(duì)于污垢熱阻的影響已不太明顯,但膠球數(shù)量的增加會(huì)增大冷卻水的流動(dòng)阻力,從而增大發(fā)球泵的功耗。綜合考慮清洗效果和水泵能耗,選擇投球率為20%比較適宜。

2.4 發(fā)球泵運(yùn)行和關(guān)閉時(shí)間對(duì)污垢熱阻的影響

為了研究在線清洗系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間對(duì)污垢熱阻的影響,在保持啟停比為1∶2和投球率為20%不變的條件下,將發(fā)球泵的運(yùn)行時(shí)間依次延長(zhǎng),關(guān)閉時(shí)間依次增加,即發(fā)球泵運(yùn)行20 s、停40 s,運(yùn)行40 s、停80 s,運(yùn)行60 s、停120 s,圖7～圖9所示為3種運(yùn)行模式下連續(xù)測(cè)試400 h得到的污垢熱阻隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖7 運(yùn)行20 s、停40 s運(yùn)行模式下污垢熱阻隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of thermal resistance with time under works for 20 seconds and rest for 40 seconds

圖8 運(yùn)行40 s、停80 s運(yùn)行模式下污垢熱阻隨時(shí)間的變化Fig.8 Variation of thermal resistance with time under works for 40 seconds and rest for 80 seconds

圖9 運(yùn)行60 s、停80 s運(yùn)行模式下污垢熱阻隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of thermal resistance with time under works for 60 seconds and rest for 120 seconds

圖7～圖9表明,發(fā)球泵每個(gè)運(yùn)行周期的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間越短,污垢熱阻的平均值越小,測(cè)得的污垢熱阻值波動(dòng)越大。當(dāng)發(fā)球泵開(kāi)20 s、停40 s時(shí),測(cè)得的換熱管污垢熱阻從6.65×10-4m2·K/W變化到5.27×10-4m2·K/W,下降了20.75%,平均值為5.28×10-4m2·K/W;當(dāng)發(fā)球泵開(kāi)40 s、停80 s運(yùn)行時(shí),測(cè)得的污垢熱阻從5.86×10-4m2·K/W增加到6.91×10-4m2·K/W,升高了17.92%,平均值為6.48×10-4m2·K/W;當(dāng)發(fā)球泵開(kāi)60 s、停120 s運(yùn)行時(shí),污垢熱阻從6.25×10-4m2·K/W增加到6.92×10-4m2·K/W,平均值為6.59×10-4m2·K/W,增加了10.72%。出現(xiàn)上述情況的主要原因是,發(fā)球泵起停越頻繁,單位時(shí)間內(nèi)膠球通過(guò)換熱管的次數(shù)越多,清洗效果越好,發(fā)球泵開(kāi)20 s、停40 s時(shí),在初始污垢熱阻不為零的情況下,污垢熱阻呈逐漸下降的趨勢(shì)。但發(fā)球泵頻繁起停會(huì)對(duì)冷卻水流動(dòng)造成較大的擾動(dòng),使測(cè)得的水流量不穩(wěn)定,波動(dòng)較大,污垢熱阻波動(dòng)也較大;發(fā)球泵啟動(dòng)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng),清洗效果越差,由于管子表面污垢的沉積造成污垢熱阻呈逐漸增加趨勢(shì)。但起停時(shí)間越長(zhǎng),水流越穩(wěn)定,測(cè)試結(jié)果波動(dòng)也越小,測(cè)得的污垢熱阻值波動(dòng)范圍也越窄。

膠球在線清洗系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,由于膠球冷凝器和吸收器中會(huì)經(jīng)歷多個(gè)流程,在渦流的作用下可能會(huì)在拐角處打轉(zhuǎn)積聚,甚至由于撞擊而卡在拐角處無(wú)法收回,影響收球率。為此,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也分析了發(fā)球泵啟停時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)收球率的影響關(guān)系。通過(guò)記錄在線清洗系統(tǒng)工作400 h的開(kāi)始時(shí)發(fā)球數(shù)和結(jié)束時(shí)收球數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)球泵以運(yùn)行20、40、60 s,關(guān)閉40、80、120 s模式運(yùn)行時(shí),測(cè)得的收球率分別為81%、87%和91%,表明連續(xù)運(yùn)行時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng),收球率越高。

雖然發(fā)球泵的運(yùn)行間隔越短清洗效果越好,可以滯緩污垢在換熱管表面的沉積和污垢熱阻的增大。但考慮到發(fā)球泵啟停太頻繁會(huì)影響到泵的使用壽命,文中選定發(fā)球泵啟動(dòng)60 s、停120 s的運(yùn)行模式比較適宜。

2.5 啟停比對(duì)換熱效果的影響分析

為了研究發(fā)球泵的啟停比對(duì)污垢熱阻的影響,在投球率和發(fā)球泵開(kāi)啟時(shí)間相同的工況下,將啟停比分別設(shè)定為1∶1,1∶2和1∶3,進(jìn)行了400 h實(shí)驗(yàn),測(cè)定了污垢熱阻隨時(shí)間的變化關(guān)系,如圖10～圖12所示。

從圖10～圖12中可以看出,3種工況下污垢熱阻均呈現(xiàn)小幅上升的趨勢(shì)。啟停比為1∶1的工況下,污垢熱阻的變化趨勢(shì)為Rf=-7.61×10-8τ2+5.19×10-6τ+5.27×10-4。污垢熱阻從5.27×10-4m2·K/W增加到6.13×10-4m2·K/W,增加幅度為16.13%;在啟停比為1∶2的工況下,污垢熱阻的變化趨勢(shì)為Rf=-1.17×10-7τ2+7.70×10-6τ+5.53×10-4。污垢熱阻從5.53×10-4m2·K/W增加到7.58×10-4m2·K/W,增加幅度為22.97%;啟停比為1∶3的工況下,污垢熱阻的變化趨勢(shì)為Rf=-6.62×10-8τ2+6.50×10-6τ+5.32×10-4,從5.32×10-4m2·K/W增加到6.86×10-4m2·K/W,增加幅度28.96%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,3種啟停比工況下污垢熱阻隨實(shí)驗(yàn)過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但啟停比越大,增長(zhǎng)的趨勢(shì)越明顯。其主要原因是,隨著啟停比的增加,發(fā)球泵停止工作的時(shí)間越長(zhǎng),在相同時(shí)間內(nèi)膠球擦洗管子內(nèi)壁的次數(shù)越少,導(dǎo)致除垢效果越差,因此,污垢熱阻的增長(zhǎng)就越快。

圖10 啟停比為1∶1時(shí)污垢熱阻隨時(shí)間的變化Fig.10 Variation of fouling resistance with timeunder start-stop ratio of 1∶1

圖11 啟停比為1∶2時(shí)污垢熱阻隨時(shí)間的變化Fig.11 Variation of fouling resistance with timeunder start-stop ratio of 1∶2

圖12 啟停比為1∶3時(shí)污垢熱阻隨時(shí)間的變化Fig.12 Variation of fouling resistance with time under start-stop ratio of 1∶3

另外,由于膠球直徑大于管子內(nèi)徑1～2 mm,當(dāng)膠球從管內(nèi)通過(guò)時(shí),會(huì)受到擠壓而變形,且反復(fù)摩擦后也會(huì)有一定程度的磨損,導(dǎo)致膠球與換熱管內(nèi)壁的接觸面和接觸壓力都會(huì)變小,除垢效果變差,從而使得污垢熱阻逐漸增大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)啟停比為1∶1時(shí),污垢熱阻的增長(zhǎng)速度最慢,清洗效果最好,但發(fā)球泵的耗電量最多;當(dāng)啟停比增大到1∶2和1∶3時(shí),清洗效果會(huì)逐漸變差,污垢熱阻的增長(zhǎng)速度越來(lái)越快,但測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)離散度越來(lái)越小,發(fā)球泵的耗電量也越來(lái)越少。綜合考慮清洗效果和耗電量因素,建議啟停比選擇1∶2較為合適。

3 結(jié) 論

根據(jù)膠球在線清洗系統(tǒng)對(duì)管殼式換熱器污垢熱阻的影響研究,得出以下結(jié)論:

1)無(wú)膠球在線清洗系統(tǒng)條件下污垢熱阻的變化特性為:在0～200 h內(nèi),污垢熱阻無(wú)明顯變化,甚至呈略微下降趨勢(shì);在200～900 h內(nèi)污垢熱阻迅速增加,在900 h后逐漸趨于穩(wěn)定。

2)投球率越高,污垢熱阻增長(zhǎng)幅度越小。當(dāng)投球率從10%增加到20%和30%時(shí),污垢熱阻的增長(zhǎng)率從32.8%下降到20.75%和5.7%。

3)發(fā)球泵開(kāi)啟和關(guān)停時(shí)間對(duì)污垢熱阻有顯著影響。發(fā)球泵開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間越短,清洗效果越好。當(dāng)發(fā)球泵開(kāi)20 s、停40 s時(shí),污垢熱阻下降了20.8%;當(dāng)發(fā)球泵開(kāi)40 s、停80 s時(shí),污垢熱阻增加了17.9%;發(fā)球泵開(kāi)60 s、停120 s時(shí),污垢熱阻增加了10.7%。

4)發(fā)球泵啟停比越大,清洗效果越差,污垢熱阻增長(zhǎng)幅度越大。當(dāng)啟停比設(shè)定為1∶1、1∶2和1∶3時(shí),污垢熱阻分別增加了16.1%、23.0%和29.0%。

5)綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素,最佳運(yùn)行模式為:投球率20%、發(fā)球泵開(kāi)60 s、停120 s、啟停比為1∶2。