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水质参数对交叉缩放椭圆管污垢的影响点击：1996 日期：[ 2014-04-26 21:08:27 ] |
| 水质参数对交叉缩放椭圆管污垢的影响 徐志明，李兴灿，王园园，刘坐东，杜祥云，张仲彬 （东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012） 摘要：采用对比的实验方法对交叉缩放椭圆管与光管的污垢热阻进行了分析，并重点研究了冷却水（松花江水）水质参数对污垢产生的影响。实验结果表明：在低流速时，交叉缩放椭圆管的污垢热阻渐近值比光管低，且没有明显的诱导期；实验中冷却水水质参数的变化对污垢影响明显。并深度分析了水质参数随时间的变化及水质参数变化对强化换热表面污垢特性的影响，为换热器提高换热效率提供了参考。 关键词：交叉缩放椭圆管；污垢热阻；水质参数 中图分类号：TK 124文献标志码：A文章编号：1000–6613（2012）06–1362–06 冷却水用水量占工业用水量的90%左右[1]，在冷却水系统中，降低污垢热阻可以提高换热效果，从而减少冷却水用量，对节水的意义也是显见的。随着国家对节能、环保要求的提高，污垢作为在换热器中存在的普遍问题，亟待需要解决。早在20世纪30年代，Sieder[2]提出了污垢系数的概念。它通常以混合物的形态存在[3]。随着对污垢的深入了解，人们认识到影响污垢生成的因素有很多，并且因污垢而造成经济损失特别巨大[4]。交叉缩放椭圆管是根据场协同理论开发的一种新型强化传热管，它主要是利用管内截面交叉变化所引起的强烈的二次流和纵向涡流改变速度场与温度场之间的协同关系来实现换热的强化[5]。Crittenden等[6]认为化学反应污垢的形成机理和重要的工艺过程参数影响的认识还远未完成，需要进一步研究有效应对技术。Knudsen等[7]发现横向外肋片管碳酸钙污垢热阻小于光管。Frost和Rippe[8]发明了间歇性加氯以杀灭微生物的技术。王子云等[9]通过对换热器内原生长江水的实验，发现冷却水污垢热阻随时间呈渐进性增长。以前对冷却水的研究大多是集中在具体某一参数与污垢热阻的关系，本文作者把pH值、碱度、钙离子、氯离子、细菌总数、电导率、铁离子、溶解氧等多个水质参数和污垢热阻紧密结合在一起，找到它们之间的相互关系，并分析出水质参数变化对污垢热阻的影响，为实际工业应用提供理论参考。 1·实验系统 1.1实验装置 实验装置如图1所示，循环工质从高位水箱流向低位水箱，途中在试验管段与恒温水浴进行换热，经过空冷换热器后把工质冷却后再由水泵从低位水箱打到高位水箱，依次循环。管子的出口温度和入口温度分别由Pt100热电阻来测量，每根管的壁温分别由3个T形热电偶来测量，水浴温度是用两个Pt100热电阻测量，质量流量是通过人工称重法测量，所有测量信号都经由传输电缆通过数据采集卡送入计算机进行储存和处理。 1.2实验管的材料及几何尺寸 实验中交叉缩放椭圆管的结构和形状如图2和图3所示，其尺寸参数为：A=28.5 mm，B=20.8 mm，C=10 mm，P=40 mm，材质是紫铜，基管尺寸为φ25mm×1.5 mm。从图3中可以看出，交叉缩放椭圆管的管截面为椭圆形，且交错分布。光管基管尺寸同为φ25 mm×1.5 mm，材料是紫铜。 1.3实验原理 采用污垢热阻法[3]原理计算污垢热阻，见式（1）、式（2）。 式中，K0、K为结垢前后的传热系数，W/(m2·K)。 式中，A为换热器换热面积，m2；Δtm为对数平均温差，℃；qml为溶液质量流量，kg/s；cp为定压比热容，kJ/(kg·K)；t2’、t2’’为溶液进、出口温度，℃。通过测量溶液和热水的流量及进出口温度便可计算出污垢热阻Rf的值。 水质参数的测定方法符合GB/T 6903—2005标准，其中，pH值、电导率、溶解氧采用5S水质分析仪测定；碱度采用酸滴定法测定；钙离子采用络合滴定法测定；氯离子采用摩尔法测定；细菌总数采用平板菌落计数技术测定；铁离子采用磺基水杨酸分光光度法测定。 2·实验结果与分析 2.1交叉缩放椭圆管与光管的污垢特性比较 交叉缩放椭圆管和光管的污垢特性对比实验是在管内流动工质相同、流速相同、进口温度相同、水浴温度相同的条件下进行的。管内流动的工质是天然的松花江水，工质在管内的流速为0.2 m/s，在低流速下也易于研究水质参数的变化，管外的恒温水浴温度和管内的进口温度分别设定为50℃和30℃。实验所得的污垢热阻值与时间的曲线如图4所示。从图中可以看到，交叉缩放椭圆管的结垢速度比较慢，在运行180 h左右的时候才逐渐达到稳定，而光管的结垢速度较快，在70 h左右的时候就已经稳定，并且污垢热阻渐近值高于交叉缩放椭圆管，可以看出在运行一定时间后，交叉缩放椭圆管的换热要明显好于光管。从结构上看，交叉缩放椭圆管的管横截面为椭圆形，在压力的作用下会发生弹性变形，使管内污垢容易脱落。另外，由于其椭圆管道交错布置，管内受到二次流与纵向涡流的作用，因而在运行过程中污垢不易沉积到管壁，进而达到强化换热的目的。 从管内换热面结构上分析，交叉缩放椭圆管的壁面剪切力呈现周期性变化，因为污垢微粒的剥蚀率随剪切力的增大而增加[10]，也使得微粒很难附着在壁面上形成污垢，从而其结构优势也会反作用于水质参数的变化。 2.2 pH值、碱度对污垢热阻的影响 pH值和碱度是控制污垢热阻的两个重要指标，它们既是独立的，也是相关的。图5是冷却水pH值随时间的变化曲线，交叉缩放椭圆管和光管的pH值都有波动上升的趋势，光管的pH值上升趋势较之更大。在实验管段中冷却水流经管式换热器时，重碳酸盐受热分解而产生沉淀，溶解在冷却水中的CO2也会逸出，pH值升高，从而导致碳酸盐溶解度降低，污垢生成速度加快。此外，随着pH值的增大，污垢成核速率和生长速率相应增大，污垢增长速率和污垢热阻也随之相应增大[11-12]。实验说明了交叉缩放椭圆管内冷却水pH值的趋势走向较好，有利于降低溶液饱和度，从而降低污垢的生成速度。 图6是碱度随时间的变化曲线，图中显示光管的碱度要高于交叉缩放椭圆管，开始阶段两管碱度的增加速度较快，实验进行80 h左右，碱度的变化趋近稳定。碱度对污垢的形成有特别重要的影响，随着碱度的增大，冷却水中HCO3－和HCO32－的浓度变大，易于与水中的Ca2+、Mg2+形成污垢，使换热器表面的析晶污垢和颗粒污垢增多，降低换热效率。实验分析出交叉缩放椭圆管对污垢生成的抑制性较好，控制碱度的变化有利于降低污垢生成量。 2.3钙离子、氯离子对污垢热阻的影响 在天然水中最常见的金属离子是Ca2+，而Cl－是水中最常见的阴离子，又是引起水质腐蚀和结垢的催化剂[13]。图7是钙离子随时间的变化曲线，从图中可知，交叉缩放椭圆管和光管的Ca2+浓度都随着时间的增加而降低，光管开始时Ca2+浓度降低较快，交叉缩放椭圆管Ca2+浓度平缓下降。由于交叉缩放椭圆管的椭圆管道交错分布，壁面剪切力呈波纹状变化，使沉淀的污垢容易被剥离掉，重新变成离子形式进入冷却水，所以冷却水内Ca2+浓度才相对较高，降低进入循环系统冷却水的Ca2+浓度是降低污垢热阻的有效措施。 Cl－会使铜金属表面的Cu2O保护膜的保护性能降低，尤其是Cl－半径小，穿透性强，易穿过膜层，置换氧原子形成氯化物，见式（3）。 图8是氯离子含量随时间的变化曲线，两管冷却水的氯离子浓度均呈交叉下降，说明两管的Cu2O保护膜都受到一定程度的破坏，光管冷却水溶液中Cl－浓度下降更大一些，因此催生了更多的腐蚀垢，会影响换热面的正常换热。可知降低进入循环系统冷却水的Cl－浓度也是降低污垢热阻的有效措施，在延长换热器使用寿命的同时也提高了换热效率。 2.4细菌总数、电导率对污垢热阻的影响天然水中总夹杂有许多泥砂、腐殖质以及各种微生物和悬浮物等，细菌等微生物的增殖是生成污垢的一个重要因素，对生物垢的形成有不可替代的影响。电导率也是测量水中离子浓度的简便方法，当电导率高时说明水中的盐分高，黏附在管壁的沉淀相对较少，且细菌等微生物的增加也会使电导率增大。图9是细菌总数随时间的变化曲线，从图中可知，交叉缩放椭圆管冷却水中的微生物数量要多于光管，这也和溶解氧的浓度有重大联系（图12）。天然水中盐类含量较多，在溶解氧充足、适宜的pH值和温度下，细菌、真菌等微生物能够加速生长繁殖，如Fe2+是水中铁细菌的营养源，Fe2+含量过多会引起铁细菌的滋生。图10是电导率随时间的变化曲线，如图所示，交叉缩放椭圆管的电导率要明显高于光管，说明其管内流动工质的含盐量要更高，而沉淀成污垢的盐分相对较少，这又间接影响了pH值和碱度的变化。电导率升高，污垢沉积量就变少，污垢热阻就会变小，在细菌总数增加的同时又加速电导率的升高，促使交叉缩放椭圆管达到强化换热的效果，可见电导率的增加对于降低强化管的污垢热阻也有重要作用。 2.5铁离子、溶解氧对污垢热阻的影响 纯天然水中都含有一定量的可溶性的二价铁Fe2+，当被置于容器或密封不严时，即可使二价铁变为的不溶的三价铁Fe3+。冷却水的pH值影响着换热器表面的腐蚀速度，冷却水中溶解氧的存在对换热器的腐蚀也有很大影响。图11是冷却水中铁离子浓度随时间的变化曲线，随着时间的增加，两管冷却水的铁离子浓度慢慢降低，可以预见到两个管式换热器壁面已经产生铁锈。如果溶解氧比较充足，则Fe(OH)2会进一步氧化，生成黄色的铁锈Fe(OOH)；如果水中溶解氧不充足，则Fe(OH)2会进一步氧化为绿色的水合物四氧化三铁或黑色的无水四氧化三铁[14]。当这些铁的氧化物都逐渐沉积在换热面上时，会因腐蚀污垢的积聚使污垢热阻不断增加，可见降低天然水中的铁离子浓度对降低污垢热阻有重大意义。 图12是溶解氧随时间的变化曲线。随着实验的进行，溶解氧一直在降低，并最终因为微生物的大量死亡和铁离子浓度的降低而趋于稳定。实验中交叉缩放椭圆管的溶解氧浓度降低速度比光管低，说明交叉缩放椭圆管在溶解氧降低时，管内生成的铁锈的腐蚀垢的积聚要小于光管；同时因溶解氧的降低，微生物大量死亡会产生生物垢，交叉缩放椭圆管沉积到管壁的生物垢的量也要小于光管，可知溶解氧的稳定对于降低污垢热阻至关重要。铁离子与溶解氧对换热器的污垢热阻有重要影响，且彼此之间互相影响，找到合理的解决方案，对提高换热器的换热效率有重要意义。 3·结论 （1）在流速为0.2 m/s时，交叉缩放椭圆管的结垢速度比光管要慢，且污垢热阻渐近值比光管要低，换热要明显好于光管，实验中两个强化管在低流速下都没有明显的诱导期。 （2）交叉缩放椭圆管比光管的pH值波动上升的趋势小，其碱度的上升速度也要小于光管；冷却水中钙离子浓度都逐渐下降，光管的下降速度较快，氯离子浓度都有波动下降趋势；交叉缩放椭圆管的细菌总数和电导率都要高于光管；交叉缩放椭圆管冷却水中铁离子和溶解氧的变化趋势也较好，较光管能更好抑制污垢的生成。 （3）实验中交叉缩放椭圆管和光管的冷却水水质参数的变化对污垢影响明显且彼此互相关联，并深度分析了水质参数随时间的变化及水质参数变化对强化换热表面污垢特性的影响（表1）。 参考文献：略 |
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