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水质参数与板式换热器结垢的关联情况点击：1815 日期：[ 2014-04-26 21:35:48 ] |
| 水质参数与板式换热器结垢的关联情况 徐志明,郭进生,黄 兴,张仲彬 (东北电力大学能源与动力工程学院,吉林省吉林市132012) 摘要:采用在线监测和手工分析相结合的方法,突出研究了天然循环冷却水(松花江水)中铁离子、细菌总数、pH值、溶解氧、浊度、电导率等水质参数与板式换热器内冷却水污垢热阻的关系。结果表明:板式换热器冷却水污垢热阻值比TEMA标准值小,且不存在诱导期; pH值和溶解氧影响铁腐蚀速率和细菌总数的变化,而浊度和电导率的变化又受细菌总数的影响;它们在运行初始阶段对结垢特性影响较大,而后进入平缓期。混合污垢间存在协同效应,减小溶解氧和细菌总数的含量可以起到抑制结垢的目的。 关键词:水质参数;板式换热器;污垢热阻 中图分类号:TK 124 文献标志码:A文章编号:0438-1157 (2011) 02-0344-04 引 言 冷却水系统作为化工、冶金、电力、纺织等各种工业生产过程不可缺少的组成部分,其用水量占整个工业用水总量的90%[1]。冷却水污垢组分复杂,通常包括工业上称作的水垢、淤泥、黏膜和腐蚀产物等。据报道,即使只有0·25 mm厚的水垢也可以使传热系数下降31·2%[2]。 关于冷却水污垢问题的研究报道很多。Cooper等[3]对生物型、沉积型和结晶型同时存在的冷却水污垢的研究发现,在较低壁温和较高流速下,其初始污垢率会降低; Novak[4]用取至Rhine河以及瑞士Oresund河等不同河水在不同流速和温度下对板式换热器的污垢性能进行研究发现,在大多数情况及各种不同流速下,其垢阻几乎随时间呈线性关系;王子云等[5]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,且不存在诱导期; Men等[6]基于松花江水中微生物的数量与污垢的关联性对微生物污垢预测模型进行了初步研究。 上述的研究大部分集中在冷却水的某一具体参数与热阻的关系上,本文把铁离子、细菌总数、pH值、溶解氧、浊度、电导率等多个水质参数和冷却水污垢热阻结合在一起研究,找出了它们之间的依赖关系,深层次分析了热阻值变化的原因;动态模拟冷却水系统流动及换热过程,热阻除其渐进值,还有时变性。 1 实验系统及原理 1·1 实验系统 实验系统如图1所示,主要由冷却系统、加热系统、数据采集系统和板式换热器4部分组成。冷却系统对低温介质(松花江水)进行冷却,其中冷却水泵将冷却水从空冷水箱中吸出,流经散热器(对低温介质进行冷却)以及空冷换热扇(对冷却水进行冷却)流回空冷水箱来保证低温介质进口温度恒定;加热系统采用温控仪控制电加热器启停的方式来维持恒温水箱里的高温介质(蒸馏水)温度恒定;数据采集系统主要由温度计、压差计、流量计以及Eastfar数据采集仪构成。实验台安装了4个Pt100铂电阻温度计和2个压差计,用于分别测量换热器两端温度及压差。通过流量计来测量管路的流量,各测量信号最终通过Eastfar数据采集仪,存储到电脑上。换热器的型号为BR0·015F,其板片具体参数见表1。 实验时低温介质由水泵抽送流经电磁流量计和流量平衡阀,进入换热器与高温介质进行热交换(温度升高),然后再流回溶液水箱通过冷却系统对其进行冷却。与此同时,放热后的高温介质重新流回恒温水箱通过加热系统对其进行再加热,如此循环往复。在冷水环路开设有旁通阀,以此来调节回路的流量。 1·2 实验原理 因此通过测量高、低温介质的流量及进出口温度,便可计算出污垢热阻Rf值。 温度计和流量计的最大误差分别为±0·1%和±0·5%,综合各种因素,按误差传布原理采用均方根的方法[7],计算的污垢热阻最大误差为±15%。数据的采集是从热平衡率η≤5%开始的。 水质参数的测定方法(GB/T 6903—2005):铁离子———磺基水杨酸分光光度法;细菌总数———平板菌落计数技术;浊度———浊度仪; pH值、溶解氧、电导率———5S水质分析仪。 1·3 实验过程 在松花江上游段固定点取水。实验过程中,高、低温介质的进口温度及流速保持不变。每一次实验前,在溶液水箱内用加热器把低温介质从室温加热到所需的进口温度,这对于获取稳定状态是必需的。因为数据记录是从低温介质进口温度35℃开始的,若用高温介质在换热器内把其加热到35℃,在这段时间里,换热器表面开始产生污垢的可能性在实验中得到验证。 2 结果分析 从图2知,冷却水污垢热阻值的数量级为10-5,比TEMA[8]标准值(10-4)小,是对国内板式换热器污垢数据的补充。冷却水污垢没有诱导期,这与冷却水中含有黏泥有关,冷却水进入换热器后,水中的致垢物质随即污染管壁,形成污垢[5]。污垢热阻值在运行初始阶段(前40 h)迅速增长,然后进入平缓期,这主要是冷却水水质参数和其剥蚀作用共同影响的结果。 2·1 铁离子、pH值、溶解氧对污垢热阻的影响 从图3可知,铁的腐蚀速率在开始阶段变化很大,而后逐渐平缓。这主要是因为:在含有溶解氧且氯离子存在的水溶液中,不锈钢板式换热器极易发生局部腐蚀(孔蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂)[9],其中游离的氯离子起着金属离子运输的作用。发生腐蚀的反应即为钢铁在水中的电化学腐蚀反应: 若水中溶解氧比较充足,则会进一步生成红褐色的Fe(OH)3沉淀,沉积在换热器表面。另外,Fe2+与磷酸根离子结合形成黏附性很强的磷酸亚铁污垢,再者Fe2+是水中铁细菌的营养源。 上述腐蚀反应的结果使pH值上升(图4),而水中溶解氧下降;另外由于微生物的快速繁殖消耗水中的溶解氧,同时当冷却水流过换热设备时,由于温度的升高,氧的溶解度下降,这都造成水中溶解氧下降(图4)。但随着pH值的上升和溶解氧的下降,其反应也趋于平缓。 水中溶解的重酸盐通过换热设备时会受热分解,使溶解在水中的CO2逸出,碳酸盐沉积在换热设备上,使热阻增大, pH值进一步升高。而pH值的升高使溶液的过饱和度增大,成核速率和生长速率相应增大,污垢热阻也相应增大[10-11]。 2·2 细菌总数、浊度、电导率对污垢热阻的影响 冷却水中含有的盐类和其他杂质较多,溶解氧充足, pH值和温度适宜,细菌、真菌和藻类等微生物能够在此条件下生长繁殖。如图3所示,在开始阶段微生物迅速增长,后达到一极大值,但随着水中溶解氧和有机物的减少,好氧性细菌开始死亡,改变水质,形成生物污垢,并与其他污垢形成协同作用[8]。主要表现如下。 无机盐的存在,会增加细菌对壁面的吸引,有助于促进黏膜生长,反过来,生物黏膜也可影响无机盐的析出[12]。另外,在微生物作用下,不锈钢表面形成小瘤,在这些小瘤下面发生严重的点蚀[13]。 在运行初期,冷却水中含有的沙粒、泥土、微生物黏泥、水垢等悬浮物沉降在换热器表面上的速率与微生物增殖产生不溶性物质的速率接近相等,使浊度(图5)在运行初期变化不大;然而板式换热器板间流道只有几毫米,随着微生物的增多及沉降物的增大,冷却水的剥蚀作用增强,最终使疏松的沉降物脱落,形成固体悬浮物,使浊度迅速增长。 微生物的增长,使水中电导率上升(图5),而电导率的上升又进一步促进了微生物的增长。 3·结 论 (1)本实验得到的板式换热器内冷却水污垢热阻值比TEMA推荐值(10-4)小,其数量级为10-5;实验中没有发现污垢诱导期的存在。 (2)污垢热阻在运行初始阶段(前40 h)上升特别快,然后趋于平缓,这主要是冷却水水质参数和其剥蚀作用共同影响的结果;混合污垢之间存在着协同效应。 (3)铁离子、细菌总数、pH值、溶解氧、浊度、电导率等水质参数之间相互影响,它们在运行初始阶段对结垢特性影响较大,而后进入平缓期;减小溶解氧和细菌总数的含量可以有效地抑制结垢。 参考文献：略 |
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