|
温度及流速对板式换热器内城镇二级出水结垢特性的影响 昝 成, 史 琳, 欧鸿飞 (清华大学热能工程系,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084) 摘 要:为了解城镇二级出水热能回用中结垢的影响因素,该文以板式换热器内二级出水为研究对象,在热泵工况下对污垢热阻及流动压降进行了现场全周期监测,并着重考查了温度和板间流速对污垢初始形成过程的影响。实验结果表明:污垢形成过程存在起始期、生长期和渐进期,起始期长度为3.5~8 d;温度对于混合污垢形成的影响呈单调性,春夏两季污垢生长旺盛;板间流速决定了“生长”和“剥离”两种作用在污垢形成过程中的竞争关系;该研究可为二级出水板式换热器的优化设计和运行提供指导。关键词:混合污垢;城镇二级出水;板式换热器;污垢热阻 中图分类号:TK 121文献标识码:A 文章编号:1000-0054(2009)02-0240-04 城镇污水热能利用是21世纪城市污水资源化技术体系的重要组成部分,而污垢问题是城镇污水热能回收利用中的关键问题。国内学者自2000年开始对城镇原生污水热能回用中的污垢问题开展实验研究[1]。由于城镇原生污水属于低品位冷热源,且容易在换热表面形成较严重的污垢,需要采用管壳式换热器等大通道换热设备,因而其传热系数较低,会导致原生污水热能回用效率偏低和换热设备设计余量过大,系统经济性不高。 城镇污水二级处理可以去除大部分的悬浮固体、BOD5及CODcr,使得采用换热效率高的板式换热器进行二级出水热能回用成为可能[2]。但是,城镇污水经二级处理后仍含有大量致垢成分,主要包括产黏泥异养菌及Cl-、SO2-4、硬度、碱度等,因此污垢问题仍是城镇二级出水热能回用过程中必须关注的关键问题之一。国外学者从上世纪80年代起开始对以海水等非洁净流体为换热介质的板式换热器的结垢特性及污垢对策进行研究[3-4],但是对热泵运行工况下板式换热器内城镇二级出水结垢特性系统的研究还未见报道。 本文利用自行搭建的板式换热器试验平台,对以实际城镇二级出水为换热介质的板式换热器结垢特性进行全周期监测。本文着重考查温度和板间流速对污垢初始形成过程的影响,为城镇二级出水热能的高效回用提供必要的基础数据和指导。 1·实验方案 为保证实验水源的真实性及稳定性,实验系统搭建在北京市某大型现代化污水处理厂内,提取厂内二级出水作为实验用水。长期水质检测结果显示,实验用水达到GB18918-2002中规定的一级B排放标准。 采用热泵技术,将实验板式换热器运行工况控制在设定值附近,连续监测并记录板式换热器内城镇二级出水侧污垢热阻及流动压降的时变数据;进而调节运行工况,实现多个温度水平或板间流速下污垢特性的实时监测。污垢生长全周期实验约为60d,污垢生长初期设为15d,实验中数据采集时间间隔设置为1min;最终将实验数据按一定时间间隔统计平均,获得污垢热阻及流动压降的时变规律。 2·实验流程 2.1 实验系统及测量 实验系统及其流程如图1所示。系统主要包括:再生水提取和过滤单元、实验板式换热器单元、热泵与模拟冷/热用户单元,以及数据自动采集单元。实验板式换热器分别为Alfa Laval公司的M10-MFL及GEA公司的NT100X CDL-10。 该实验系统采用热泵技术,令二级出水同时作为实验成垢介质及冷热源,可实现多工况下长期稳定监测。通过实时测量实验板式换热器二级出水侧进出口压差,可直接获得实验板式换热器二级出水侧流动压降的时变规律。通过实时测量实验板式换热器及负荷板式换热器两侧换热介质的温度和流量,可计算获得实验板式换热器总传热系数的时变规律,而污垢热阻的计算方法如式(1)所示: 实验原理、测量仪表精度及实验误差分析见文[5],板式换热器流动压降的测量误差为±0.6 kPa污垢热阻测量误差在10%以内,均满足实验要求。 2.2 实验工况 对于污垢特性的全周期实验在热泵工况#1下进行,板式换热器为M10-MFL;对于污垢初始形成过程的实验在热泵工况#2~#10下进行,板式换热器为NT100X CDL-10。实验时间从2006年10月到2008年1月止。实验工况如表1所示,其中进出水温度值均为该实验周期内的平均值。 3·实验结果与讨论 3.1 全周期污垢特性 在工况#1下,对城镇二级出水板式换热器的污垢热阻Rf及流动压降Δp进行了全周期监测,实验结果如图2和图3所示。 从图2可以看出污垢热阻的全周期时变规律,可按时间顺序将其分为起始期、生长期及渐进期3个区间。起始期污垢热阻变化速率极为缓慢,持续时间约为7d,其间污垢热阻值处于-0.05~0.15cm2·K·W-1;生长期内污垢热阻呈快速线性递增趋势,在35d时间内从0.15cm2·K·W-1增至4.75cm2·K·W-1;进入渐进期后,污垢热阻随时间在渐进值4.75 cm2·K·W-1上下波动,换热表面污垢的附着、生长和剥离已达到动态平衡状态。如图3所示,二级出水侧流动压降的时变规律呈S型,起始期、生长期及渐进期3个区间的时间节点与污垢热阻时变规律吻合较好;当污垢生长进入渐进期后,流动压降亦在渐进值52.5kPa上下波动。经42d连续运行,传热系数已下降为清洁状态的38%,流动压降上升为清洁状态的175%,可见结垢状况较为严重。 本实验中板式换热器内城镇二级出水全周期结垢特性与Characklis和Bott[6-7]提出的微生物在固体表面上的S型生长规律是一致的。污垢分析实验结果进一步揭示了以城镇二级出水为换热介质的板式换热器内污垢为以微生物污垢为主的混合污垢。关于污垢成分及形貌内容作者将另文叙述[8]。 3.2 温度的影响 在工况#2~#7下,维持板间流速基本不变,研究温度对于结垢特性的影响,实验结果如图4所示。实验结论: 1)温度对于结垢特性的影响呈单调性;工况#3、#4和#5的温度较高,污垢生长速率较大;工况#6和#7的温度较低,污垢生长速率较小; 2)污垢生长过程均存在明显的起始期,持续时间为3.5~8d; 3)温度对于污垢起始期的长短有影响,温度较高,起始期较短,反之,起始期较长。 上述实验结果显示,对于以城镇二级出水为换热介质的板式换热器, 30~40℃是污垢生长的最佳温度范围。 3.3 板间流速的影响 在工况#8、#6、#9和#10下,维持换热介质温度基本不变,研究流速对于结垢特性的影响,实验结果见图5。实验结论如下: 1)流速对于结垢特性的影响呈非单调性,存在极限流速值。本实验中极限流速值在0.48~0.66m/s之间;当实际流速小于极限流速时,实际流速的提升将促进污垢生长;反之,实际流速的提升将抑制污垢生长; 2)污垢生长过程均存在明显的起始期,起始期持续时间为3.5~8d; 3)流速对于污垢起始期的长短有影响,当实际流速小于极限流速时,流速的提升将使得起始期缩短;反之,流速的提升将使得起始期延长。 进一步对工况#8、#6、#9和#10下板式换热器二级出水侧Re及壁面剪切力进行分析。随着二级出水侧流速从0.35 m/s增加到0.85 m/s,其Re从2 001增至4 283,同时壁面剪切力从30 Pa增至136 Pa。本实验中,在流速较低时,流速的提升使得Re升高,增强了成垢表面附近的对流传质,进而提高了养分的传递速率,微生物繁殖加快,促进污垢的生长;在流速较高时,流速的进一步提升使得壁面剪切力增大,进而导致黏膜与成垢表面的脱离,抑制污垢的生长。 4·结 论 1)热泵运行工况下,板式换热器内城镇二级出水侧污垢热阻和流动压降的全周期时变规律均呈S型,存在起始期、生长期和渐进期3个阶段,在渐进期板式换热器传热系数已下降至清洁时的38%,流动压降已上升至清洁时的175%。 2)温度对于混合污垢形成的影响呈单调性,春夏季污垢生长速率较秋冬季大; 30~40℃是污垢生长的最佳温度范围。 3)流速对于混合污垢形成的影响呈非单调性,存在极限流速;流速变化对混合污垢形成的影响反映了“生长”和“剥离”两种作用在污垢形成过程中的竞争关系。 4)温度和流速对于板式换热器内城镇二级出水结垢过程的起始期长短均有影响,本实验中不同工况下污垢起始期长度为3.5~8d。 5)以城镇二级出水为换热介质的板式换热器结垢问题值得关注,应在污垢热阻起始期后及时采取对策清除污垢,以维持城镇二级出水热能回用系统的高效运行。 参考文献：略
|
