缠绕式换热器
管壳式换热器设计
新闻动态
塑料换热器的污垢生长特性及其研究点击：2209 日期：[ 2014-04-26 21:35:40 ] |
| 塑料换热器的污垢生长特性及其研究 李成龙 王成端 蔡世涛 （西南科技大学绵阳621000） 【摘要】以铝塑管和聚四氟乙烯管为实验对象，研究了浸泡在生活污水中的塑料换热器的污垢生长特性。污垢在塑料换热器表面上的生长经历为三个阶段：不稳定阶段，过渡阶段和稳定波动阶段。污垢的生长存在明显的诱导期，诱导期包括了污垢生长的前两个阶段。诱导期的时间很短，很快达到污垢生长的稳定波动阶段。铝塑管的污垢生长较PTFE管更为严重，平均污垢热阻是PTFE管的2倍。 【关键词】塑料管；生活污水；污垢；污垢热阻 中图分类号TK11+4文献标识码B 文章编号：1671-6612（2010）04-027-04 0·引言 塑料换热器具有良好的物理化学特性和成熟的生产工艺，已经广泛的应用于化工工艺[1]、海水淡化[2]、地源热泵等系统的热交换设备中，解决了换热介质对金属换热器腐蚀问题，提高了系统运行的稳定性，取得了较好的经济收益。塑料换热器在污水源热泵系统的应用还处于可行性和试验性的研究阶段，但应用前景十分可观[3-7]。城市生活污水水质非常恶劣，生活污水中含有大量污杂物及溶解性化合物，是一种固液两相，固相多组份流体，并呈现非牛顿特性。生活污水中污物的含量高达1%以上，生活污水中大量的微小固体悬浮物、胶状絮凝物、微生物以及微生物的分泌物等，具有粘性高，附着力强和腐蚀性，极易在换热器表面形成厚重的污垢层[8]。污垢热阻是换热器换热性能的重要影响因素，污垢生长特性决定着换热器的换热特性。崔福义、李晓明等[9]研究了不锈钢和紫铜在不同换热温度下污垢的生长特性。李鑫、孙德兴等[10]研究了污垢在金属换热器表面上的生长特性，得出了污垢热阻随时间的变化规律。而塑料换热器与金属换热器有着本质上的区别，污垢在塑料换热器上是否生长，生长的曲线特性是怎么的，还需要进一步研究。 1·研究方法及实验系统 1.1研究方法 对换热器的污垢热阻的测量方法很多，本实验采用污垢热阻法[10]对换热管表面污垢进行实时测量。污垢热阻法计算原理： 从（5）可知，污染后的换热器的传热系数由洁净流体的流量M，换热器洁净侧表面积AC，洁净侧流体进出口温度和污水侧流体进出口温度决定。污垢热阻的计算公式中规避了污垢侧污水流量的测量，提高了实验数据的准确性和可靠性。 1.2实验系统设计 实验原理图见图1。系统采用两组污水换热管，一组是PTFE管，另一组是铝塑复合管，两组换热管同程式并联布置。换热管道长度都为50米，壁厚为0.8mm，管外径为16mm。两组污水换热管都采用浸泡式换热工艺，分别螺旋状浸泡在污水换热槽中。实验用污水来自西南科技学校内，校内生活污水是未经化粪池初级沉淀处理而直接排入校内污水处理厂的污水调节池中。为避免造成输送设备和管道堵塞，原生污水经粗格栅去除大尺寸污物后进入换热槽。 实验运行时间为2009年6月4日到2009年8月4日。系统运行时间从8:30-17:30，数据监测从9:00开始，每20分钟记录一次数据。系统开机前半小时为系统预热时间，保证机组运行处于稳定工况。 2·实验结果和分析 2.1污垢生长特性分析 根据换热管表面污垢生长现象和污垢热阻曲线变化特征，污垢在塑料换热器表面的生长过程可分为三个阶段：不稳定生长阶段，过渡阶段，稳定阶段。PTFE管与铝塑管污垢热阻变化曲线分别见图2和3。 2.1.1污垢不稳定生长阶段 此阶段为换热器浸泡在污水中的前4天左右，是污垢在换热管表面的生长阶段。污垢的生长受到塑料换热管材表面的粗糙度和表面张力角的影响。与金属换热器相比，塑料换热管的表面光滑度高，表面张力角小，污物在表面的附着作用弱，污垢生长缓慢。然而，污垢热阻不是从0点开始增长，塑料换热管在系统调试阶段就已受到生活污水中污物的影响，同时说明塑料换热器一浸泡在生活污水中就受到污物的附着。附着在换热器表面的悬浮物是污水中悬浮物自然沉降覆盖作用。随着系统的运行，污水在换热管表面低速扰流，塑料换热管表面的污物开始脱落，污垢热阻开始减低。塑料换热管表面的污物覆盖和脱离是动态的随机状态，换热表面斑块状呈现原管材材质。 随着换热管浸泡时间的延长，换热管外壁的污垢厚度附着量不断增加，但污垢还处于松软状态。污垢脱离频率高，污垢热阻波动幅度小。PTFE换热管表面污垢热阻振荡周期变化相似，而铝塑管污垢热阻呈振荡递增，铝塑管表面污物附着力明显高于PTFE换热管，这与管材特性一致。换热管表面的污垢热阻主要是污物附着作用产生蓬松的污垢所致。在蓬松污垢底层，换热管表面紧贴着一层薄薄的透明的粘状物，粘状物呈斑状分布，并不断扩大呈块状，并完全包裹换热管表面。 2.1.2污垢生长过渡阶段 经过几天的浸泡，不稳定阶段的洁净斑点消失，塑料换热管表面已经生成稳定的一层薄薄的粘状物，且完全包裹在换热管外面，且大面积絮状物附着在管外。这时，污垢的生长是污物在粘状物表面的生长过程。粘状物与污水中的絮状物的粘附作用比管道外壁与污染物的附着作用更为明显，换热管外壁污垢厚度呈增长趋势。污垢在换热管表面逐渐沉积，在换热管外壁上形成一层污垢致密层，铝塑管外壁污垢致密层较PTFE管的厚度大，压实性好，增长速度快。这个阶段两种不同塑料管道受污垢的影响有明显的差异，铝塑管表面污垢的沉积作用强，污垢厚度不断增加，污垢热阻也随之振荡上扬，而PTFE管的污垢沉积量增长幅度微小，污垢的生长反而有利于换热管的传热性能，污垢热阻呈下降趋势。 污垢生长的过渡阶段大约在系统运行的第5-6天，换热管污垢厚度逐渐增加，沉积物的附着量和脱离量降低，波动幅度较不稳定阶段明显较小。换热管表面的污垢生长过渡阶段是污垢快速沉积阶段。 2.1.3污垢生长稳定振动阶段 污垢生长的过渡时间很短，很快达到污垢生长曲线的极致点。在运行时间测点246左右进入污垢热阻的稳定波动阶段。PTFE换热管的污垢热阻曲线与铝塑管的污垢曲线波动相似。稳定阶段的污垢热阻曲线是一条近似于正弦函数的波动曲线。PTF换热管的污垢热阻变化曲线波动中心值约为2.3×10-3m2·℃/W，波幅在1.5×10-3m2·℃/W左右。铝塑管的污垢热阻变化曲线波动中心值约为4.0×10-3m2·℃/W，波幅在2.0×10-3m2·℃/W左右。 根据污垢的生长现象和污垢热阻曲线分析可知，换热器外表面的污垢由两层污物组成，一层为沉积作用形成的污垢致密层，沉积厚度达到稳定；另一层为悬浮物和絮状物的附着形成的污垢松软层。污垢表面的松软附着层热阻是致密层热阻的1-2倍。PTFE管的致密层平均污垢热阻为0.8×10-3m2·℃/W，附着层最大平均热阻约为1.5×10-3m2·℃/W；铝塑管致密层平均污垢热阻为2.0×10-3m2·℃/W，附着层平均热阻约为2.0×10-3m2·℃/W。换热管表面附着层污垢占总热阻50%-60%，铝塑管的污垢平均热阻是PTFE管的2倍。污垢生长较弱的PTFE换热管的附着层污垢热阻占总热阻的比例稍微偏大一些，但污垢总热阻小于铝塑管。塑料换热管的污垢由致密沉积层和松软附着层两部分组成，污垢的附着作用起主导作用。 2.2污垢生长的诱导期和自净特性 PTFE管和铝塑管的污垢变化曲线分别反映了污垢在PTFE管和铝塑管上的生长特性。从图2和图3可知，污垢在塑料换热器表面上的生长有明显的诱导期。诱导期的时间非常短，大约是塑料换热器浸泡换热的前6天，包括污垢生长的不稳定生长阶段和过渡阶段。 与金属换热器相比，塑料换热器克服了生活污水对金属换热器的化学反应和腐蚀作用，污垢的生长主要是单一的附着和沉积作用。塑料换热器污垢是以松软附着层为主导，两种形式的污垢共同作用影响换热器换热性能。因此，塑料换热器表面附着层污垢的生长、脱离的动态过程就是塑料换热器的自净过程。 3·结论 （1）塑料换热器一浸泡在生活污水中就受到污染，污垢在塑料换热器表面的生长过程经历了三个阶段：不稳定生长阶段，过渡阶段，稳定波动阶段。 （2）污垢生长有明显的诱导期，但诱导期时间很短，包含了不稳定生长阶段和过渡阶段。 （3）塑料换热器污垢热阻由致密沉积层污垢和松软附着层污垢组成，松软附着层污垢热阻占有主导位置。塑料换热器的自净作用也只是维持附着层动态平衡的过程。 （4）铝塑管的污垢生长较PTFE管更为严重，平均污垢热阻是PTFE管的2倍。 参考文献: [1]张炎明.氟塑料在化工防腐中的应用及发展[J].全面腐蚀控制,1997,(1):26-20. [2]王立国,王世昌,朱爱梅,等.塑料换热器在海水淡化中的应用[J].化工进展,2004,23(12):1359-1361. [3]陈志峰,闫泽生.塑料换热器在污水源热泵系统中的应用分析[J].哈尔滨商业大学学报,2006,22(3):55-57. [4]曲云霞,李梅,杨勇,等.污水源热泵系统污水水质与换热器材质的选择[J].可再生能源,2007,25(4):72-78. [5]宫晔,曲云霞,金振家.沉浸式污水源热泵系统夏季变工况性能试验研究[J].可再生资源,2008,26(2):100-106. [6]白莉,尹军,廖资生.基于铝塑管改进的城市污水热能供热系统[J].吉林大学学报,2006,36(2):269-273. [7]曲云霞,杨勇,李爱景.污水源热泵供热的工程应用及分析[J].可再生能源,2007,25(2):103-105. [8]杨善让,徐志明,孙灵芳.换热设备污垢与对策[M].北京:科学出版社,2004. [9]崔福义,李晓明,周红.污水换热器污垢热阻特性研究[J].煤气与热力,2005,25(6):25-28. [10]李鑫,孙德兴,张承虎,等.污水换热器内污垢生长特性实验研究[J].暖通空调,2008,38(2):5-8. |
| 上一篇：螺旋折流板的结构设计 | 下一篇：林德制氧机冷状态下的快速启动方法 |