銅管換熱器內顆粒狀污垢生長特性試驗分析

張吉禮,錢劍峰,2,孔祥兵,馬良棟,劉志斌

（1.大連理工大學土木學院,遼寧大連 116024;2.哈爾濱商業大學土木與制冷工程學院,哈爾濱 150028;3.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院,哈爾濱 150090）

城市污水是一種蘊涵豐富低位熱能的可再生熱能資源[1-3],污水源熱泵空調則是以城市污水為建筑供熱源和排熱匯、解決建筑物冬季采暖、夏季空調和全年熱水供應的重要技術[4-6],也是城市污水資源化開發利用的新思路和有效途徑。

污水源熱泵空調在中國、日本等國以及北歐已經得到一定程度的應用[1-9]。從技術的角度,在有效地解決了城市污水在取水過程的污雜物堵塞問題后[7-10],污水源熱泵空調技術在實際應用中已經表現出明顯的節能減排效果。當前污水的有效換熱成為污水源熱泵空調系統高效運行的關鍵。在污水換熱技術上,中國則剛剛起步,許多問題亟待解決。首先,從污水換熱器結構設計的角度,目前在設計污水換熱器時只能進行估算,通常其黏度取清水的10倍以上[10]。其次,從污泥污垢對換熱性能的影響看,由于污水中小尺度污雜物濃度高,極易在換熱管表面形成粘性污泥層,大大降低污水的換熱性能[11]。因此,掌握污水的污泥污垢生長特性將是污水強化換熱的研究基礎。

通常污垢的形成可能是水垢、污泥、腐蝕產物和生物沉積物等污垢同時作用的結果[12-13]。由于污垢成因復雜,影響因素頗多,理論分析難度較大,故常采用實驗手段。常用的污垢實驗監測方法分為熱力學法和非熱力學法[14-15]。該文將采用熱力學法中的污垢熱阻法,主要針對銅管污水換熱器管側的顆粒狀污垢的生長規律進行研究。

1 試驗原理

當采用污垢熱阻法時,污垢熱阻的定義式[12-13]可寫為式（1）。

式中Rf為污染狀態污垢熱阻,（m2?K）/W;Kc、Kf為分別為污染狀態與潔凈狀態總傳熱系數,W/（m2?K）;R1c,R2c為潔凈狀態管外與管內對流換熱熱阻,（m2?K）/W;R2f為污染狀態管內對流換熱熱阻,（m2?K）/W,近似認為R2f=R2c;Rw為壁面的導熱熱阻,（m2?K）/W。

此時,通過對Kf的實時監測,就可知道污垢熱阻隨時間的變化。污染狀態總傳熱系數如式（4）。只要測出流體的質量流量,流體進、出口溫度和管壁進、出口溫度,便可以計算出管壁的污垢熱阻。

式中Cp為水的定壓比熱,k J/（kg?K）;M為水的質量流量,kg/s;F為換熱管內表面積,m2;Δtm為換熱管體與管壁的對數平均溫差,℃;ti、to為管內進 、出水溫 ,℃;t′w 為換熱管進 、出口壁溫,℃;t′f、t″f為管外進、出流體溫度,℃。

2 試驗系統

2.1 試驗臺水系統

管內污垢生長熱阻監測試驗臺如圖1所示。試驗臺水系統主要組成為：1）試驗段,試驗段是試驗臺的核心部分,分為入口穩定段、試驗測試段和出口段,圖中尺寸單位為mm。試驗段包括換熱管、絕緣層、加熱層和保溫層。2）冷卻段,在試驗水箱里面放置一段長度8 m,外徑12 mm的螺旋狀銅管作為試驗系統的冷卻段,把電加熱絲給水的熱量換出來,保證實驗系統達到熱平衡。冷卻水來自城市自來水,經過吸熱后排向地溝。3）攪拌裝置,為保證在實驗過程污水中的淤泥不沉淀,試驗污水密度保持均勻,需在水箱內設置攪拌器。實驗攪拌器為一小型潛水泵,流量3 500 L/h,揚程3.9m。

圖1 管內污垢生長熱阻監測試驗臺原理圖

2.2 試驗臺測控系統

試驗臺測控系統主要由測量系統、控制系統和數據監測系統組成。試驗測量值包括溫度、流量。其中溫度有換熱管進、出口管壁溫度,換熱管進、出口流體溫度,溫度測量裝置為銅-康銅熱電偶和熱電偶數據采集儀。流量測量采用轉子流量計。控制系統用溫控儀和可控硅組成,控制方式為PID控制,精度+1℃。數據監測系統用 C++Builder程序編制。

2.3 試驗用水源

試驗初期采用哈爾濱某污水處理廠的真實污水作循環水,總傳熱系數由圖2所示（污水流速1.0 m/s）。由圖可見,試驗前幾個小時,傳熱系數隨時間呈略下降的趨勢,而后一直增長,最后接近清水理論值4 500W/m2?K左右。這是由于這一定量的污水中含有的污垢量有限,隨著試驗的進行,污垢沉積在換熱管中,試驗后期水接近了清水的狀態,故傳熱系數逐漸增大。為此,試驗改用黃泥、自來水兌制相應濃度的污水作試驗用水源。

圖2 污水處理廠光滑銅管污水實驗

3 試驗臺誤差分析

3.1 熱平衡性驗證

為確定試驗測試段的保溫性能,在正式開始試驗之前,需要對試驗臺進行熱平衡驗證。方法如下：先啟動清水試驗系統,待試驗系統穩定后,測量電加熱絲電流;同時,數據采集系統記錄換熱管進出口水溫。進而,通過下式計算出熱平衡率。

式中：ηQ為試驗臺熱平衡率;Qs為電加熱絲的發熱功率,kW;Qw為水側的得熱量,kW。

3.2 可靠性驗證

污垢熱阻數量級一般在10-5m2?K/W 左右,為了保證試驗數據的可靠性,試驗前需對試驗系統清潔狀態下傳熱系數測量。方法如下：對光滑銅管進行3次清水試驗,試驗時間5 h,水流速0.9m/s。忽略光滑銅管的導熱熱阻,將試驗所得到的總傳熱系數與由清水管內紊流理論計算值進行比較,計算兩者相對誤差。驗證結果如圖3所示。可以看出：1）1 h后試驗系統達到穩定狀態,說明冷卻段冷卻效果滿足試驗要求。2）系統進入穩定后,總傳熱系數在4 500W/m2?K左右,與理論值之間的誤差在-5%～0。3）系統穩定后,3次試驗所得總傳熱系數非常相近,波動范圍在0～90W/m2?K。上述均表明試驗臺數據測量可靠性良好。

圖3 試驗臺可靠性驗證

3.3 誤差分析

試驗主要研究污垢生長特性,污垢熱阻是主要檢測值,且為間接測量值。間接測試的物理量須根據直接測試量,利用相關函數關系計算得到,測試結果的總誤差取決于各分項誤差。試驗數據處理作如下簡化：1）忽略污垢厚度對換熱面積的影響,即整個過程中換熱管的內表面積為常值;2）一段時間內的平均對流換熱系數的平均值作為試驗段的對流換熱系數。

數據監測系統的采樣周期為5 s,由測量數據,根據式（7）可得每5 s的總傳熱系數值Kfn（n=1,2,3…）。為了進一步提高試驗數據的精確度,盡可能地減小誤差,用來計算污垢熱阻的總傳熱系數值K nf（n=1,2,3…）取為15 min內所得傳熱系數值Kfn的平均值,即

進出口管壁溫度分別由對稱布置的2個熱電偶測量,管壁溫度取進出口管壁溫度的平均值。測量原件的有關誤差如表1。

表1 誤差分析統計表

換熱管污垢熱阻測量的相對誤差為

光滑銅管穩定后污垢熱阻的最大極限相對誤差范圍為14.6%～15.1%,處于實驗可接受范圍。1）

表2試驗污水粒徑分布

4 試驗結果

為考察顆粒狀污垢在管內的生長特性,試驗污水用清潔的自來水和粘性較大的黃土配制而成,污泥質量濃度4.26%,污水密度1 004 kg/m3。試驗前,用掃描電鏡法對試驗污水中顆粒的粒徑分布進行了鑒別,結果見表2。可見,試驗污水中顆粒物數量分布集中在粒徑為0～5.68μm之間,且大部分在3.37μm以下,同時顆粒物的質量分布也集中在粒徑為 0～5.68μm的粒子。試驗工況流速為0.6 m/s,流體-污垢界面溫度約40℃。

試驗運行時間為2008年4月29日20：50至2008年5月5日10：49,總計134 h。圖 4為光滑銅管內壁污垢熱阻隨時間變化曲線。

圖4 光滑銅管內污垢熱阻隨時間變化

由圖4可以看出：1）試驗污水與換熱面接觸初期,即實驗第21 h之前,污垢熱阻值接近0,可認為在這段時間內換熱管內并沒有污垢生成,該段時間即為污垢生長的誘導期;2）第21 h之后,污垢熱阻開始呈波浪型增大直到第95 h。第95 h到第134 h,污垢熱阻值基本保持穩定,穩定值為1.5×10-5m2?K/W,該值即為穩定污垢熱阻;3）第21 h之后的實測污垢熱阻值大體接近指數函數曲線。這一點剛好與Zubair等和Sheikh等提出的漸近型污垢積聚預測模型的理論分析相吻合[14-15]。因此,主要擬合第21 h之后的數據。擬合得到試驗光滑銅管內壁污垢生長熱阻預測模型式為

另外,由圖中可見,在第24.25 h,42.75 h,66 h,86.5 h,110.25 h處數據有劇烈的波動,這是由于換冰點前后暫時關閉、開啟數據采集軟件所致。圖4中實驗數據與擬合曲線之間有一定分散性,這是數據擬合時存在一定精度的緣故。

5 結論

針對某種人工配置污水,基于熱阻法實驗測試了銅管污水換熱器管內顆粒狀污垢生長規律,得出如下結論：

1）試驗臺熱平衡率小于5%,銅管總傳熱系數值與理論值誤差低于5%,試驗臺最大極限相對誤差約15%,因此試驗臺熱平衡性良、可靠性良好,試驗誤差合理。

2）試驗污水中的顆粒狀污垢生長誘導期為21h,穩定污垢熱阻為1.5×10-5m2?K/W,穩定開始時間為第95 h。

4）顆粒狀的污泥污垢的穩定污垢熱阻值數量級很小,占工程實際中污垢熱阻（0.001～0.002 m2?K/W）的比重較小,下一步需進行其他種類污垢（主要為生物類污垢）的實驗對其熱阻作深入研究,為城市污水熱泵系統的發展作有益參考。

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（編輯胡英奎）