交叉縮放橢圓管顆粒污垢特性的實驗分析

徐志明，王景濤，王磊，張一龍，劉坐東，賈玉婷

（1 東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012；2 華北電力大學，北京 102206）

換熱器是工業(yè)生產和日常生活中的經常使用的設備之一，換熱器的污垢問題是至今也沒有解決好的工業(yè)難題。污垢是指在與流體相接觸的換熱表面上逐漸積聚起來的固態(tài)或軟泥狀物質[1]。Müller-Steinhagen[2]的調查結果顯示，發(fā)達國家每年由于換熱設備污垢造成的損失約占GDP的0.25%。顆粒污垢是換熱器設備上最為常見一種污垢類型，國內外研究者對其進行了一系列的研究。顧業(yè)梅等[3]進行了弧線管及其對應光管在濃度、流速不同時的顆粒污垢誘導期對比實驗，找出了不同程度上影響誘導期的因素。王建國等 研究了顆粒與析晶混合污垢在縮放管與對應光管中的結垢特性，得出了縮放管具有較好的阻垢性能和誘導期小于對應光管的結論。徐志明等[5]研究了板式換熱器顆粒污垢特性，分析了流速、濃度、顆粒粒徑、溫度對板式換熱器污垢特性的影響。

交叉縮放橢圓換熱管是根據對流換熱場協(xié)同理論開發(fā)的強化換熱元件，是一種利用管內截面交叉變化引起強烈的二次流和縱向渦流改變速度場和溫度場之間的協(xié)同關系來實現(xiàn)強化換熱的一種強化管[6]。孟繼安等[7]研究表明，交叉縮放橢圓管管內截面交叉變化誘導產生強烈的二次流和縱向渦流，當管內的流動在Re≥500時即可表現(xiàn)為湍流，使強化換熱效果顯著增加。陳冠益等[8]對交叉縮放橢圓管的傳熱和流動進行了數(shù)值模擬，得到了其結構對換熱和流動的影響。張仲彬等[9]采用對比實驗的方法對交叉縮放橢圓管與銅光管的傳熱和 CaCO3污垢特性進行了實驗研究，結果表明，交叉縮放橢圓管的換熱和抗垢性能均優(yōu)于在對應狀態(tài)下的銅光管。徐志明等[10]采用對比實驗方法對交叉縮放橢圓管與光管的污垢熱阻進行了分析，重點研究了松花江水水質參數(shù)對污垢產生的影響。但是，目前對于交叉縮放橢圓管顆粒污垢特性的研究還甚少。本實驗以顆粒粒徑為40 nm的氧化鎂顆粒配制純膠體溶液為研究對象，進一步探索顆粒污垢生成機理以及相關因素對交叉縮放橢圓管顆粒污垢特性的影響。

1 實驗系統(tǒng)簡介

1.1 實驗管的材料、幾何尺寸

本實驗所采用的是材質為紫銅長度為 2.23 m的交叉縮放橢圓換熱管，如圖1(a)所示。該管由多個軸線相互交叉的橢圓形管段組成。相鄰管段之間存在過渡段。尺寸為：A=28.5 mm，B=20.8 mm，C=10 mm，P=40 mm，基管尺寸為φ20×1.5 mm。其結構如圖1(b)所示。

1.2 實驗系統(tǒng)及裝置

實驗系統(tǒng)如圖2所示，由工質循環(huán)系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)和數(shù)據采集系統(tǒng)3部分組成。

圖1 交叉縮放橢圓管實物及結構尺寸圖

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

（1）工質循環(huán)系統(tǒng) 循環(huán)工質在重力的作用下由高位水箱流經實驗管路進入低位水箱，再經由循環(huán)水泵進入高位水箱，如此往復循環(huán)。高位水箱的上部有溢流管，用來保證高位水箱中的液面高度，確保實驗工質在重力的作用下以恒定的流速進入實驗管路。工質流速是用人工稱重法來測量的。循環(huán)工質在恒溫水浴槽中進行換熱，由3根3000 W的加熱棒來保證水浴溫度。

（2）冷卻系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng)負責將循環(huán)工質的熱量帶走，確保了循環(huán)工質以設定的溫度從高位水箱中進入實驗管路。按照循環(huán)冷卻水的流動方向，可以將冷卻水箱中的換熱稱為一次冷卻，將風冷散熱器的換熱稱為二次冷卻。

（3）數(shù)據采集系統(tǒng) 除了采集水浴溫度的兩個溫度傳感器外，其他的均為兩根實驗管路分別布置，每根實驗管路的出入口溫度為PT100型熱電阻采集，測量壁溫和水浴的溫度傳感器和為T型熱電偶。精度為±0.15 ℃。所有測量信號都經由經數(shù)據采集卡在工控計算機中進行儲存和處理，系統(tǒng)自動化程度較高，可以24 h在線監(jiān)控。

1.3 實驗原理

單位時間內工質流經實驗管段吸收的熱量Φ可表示為式（1）。

總傳熱系數(shù)表示為式（2）。

式中，cp為定壓比熱容，kJ/(kg·K)；tfo、tfi分別為強化管內工質的出口溫度和進口溫度，K；Δtm為對數(shù)平均溫差；d為管內徑，m；l為實驗管長，m；v為管內工質流速，m/s。

將式（1）代入式（2）中可得式（3）。

其中對數(shù)平均溫差Δtm見式（4）。

式中，tsy為水域溫度，K。

污垢熱阻的基本定義式可表達為式（5）。

式中，Rf為污垢熱阻，m2·K/W；k0、k分別為清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下強化管的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2 實驗結果與分析

2.1 顆粒粒徑的影響

在相同的工況，不同顆粒粒徑的情況下，對交叉縮放橢圓管進行兩組對比實驗，實驗工質分別為平均粒徑為40 nm的氧化鎂顆粒和平均粒徑為20 μm的氧化鎂顆粒配置的溶液。

顆粒粒徑對交叉縮放橢圓管顆粒污垢的影響如圖3所示。從圖3可以看出，兩組數(shù)據沒有明顯的誘導期，納米氧化鎂顆粒的污垢熱阻漸近值大約為6 ×10-4m2·K/W，微米氧化鎂顆粒的污垢熱阻約為0.5×10-4m2·K/W。納米顆粒的結垢速率遠大于微米顆粒，納米顆粒達到平衡的時間約為15 h，而微米顆粒污垢達到平衡的時間遠大于納米顆粒。

圖3 顆粒粒徑對交叉縮放橢圓管顆粒污垢的影響

納米顆粒污垢熱阻值遠大于微米顆粒污垢的原因從污垢形成過程中的輸運、附著和剝蝕3個方面來分析。

（1）從輸運過程分析 納米氧化鎂所配制的工質是膠體溶液，而微米氧化鎂所配制的是懸浮液，不具有膠體的特性。膠體粒子的布朗運動顯著，在工質流動的過程中會有更多的膠體粒子參與碰撞換熱器表面參與結垢；而對于懸浮液中大顆粒的微米氧化鎂，每一時刻會受到上百萬、千萬次的周圍液體分子從不同方向來的撞擊，大體上互相抵消，也就是說大粒子沒有布朗運動。所以膠體粒子相比大顆粒有更多機會與換熱面碰撞參與結垢。

（2）從附著過程分析 ①對于換熱面上的結垢過程，決定顆粒與表面相互作用的物理化學力主要是范德華力和雙電層斥力。在附著的最初階段，促使附著的范德華力是隨著粒子與表面的直接接觸界面的增加而逐步增大的，膠體粒子由于其自身質量小，所以受這些力的影響顯著；而微米顆粒雖然也受這些力的作用，但是其自身重力較大，所以在結垢的過程中重力因素起到決定性作用。這就是膠體粒子可以附著在換熱器表面的任何方向，而微米顆粒則主要附著于換熱面底部，而不會黏附在其他方向表面上的原因。②體系中膠體粒子和大顆粒粒子的表面能存在很大差異。膠體粒子的粒徑小，具有高分散性，具有很大的比表面積和高的表面能，所以膠體粒子有自己自動聚集或附著在換熱器表面以降低其體系表面能的趨勢[11]，即小顆粒比大顆粒更易附著在換熱器或者污垢表面，小顆粒的附著性強于大顆粒的。

（3）從剝蝕過程來分析 ①流體作用力會對粒子的剝蝕起作用。粒子受到流體的剪切應力，只有當附著力大于流體的剪切力時，粒子才可能保持其附著狀態(tài)，所以粒徑越小其所受到的流體剪切力就越小。膠體粒子的重力影響可以忽略[1]，而對于微米粒子，顆粒直徑大，受到重力作用明顯，大顆粒粒子受其影響易從換熱器頂部和側部剝蝕。相對于膠體顆粒，大顆粒更容易從換熱面或污垢表面剝蝕。②對于納米氧化鎂形成的膠體溶液，由于一些外界因素（如光照、電場、加熱等）會促使溶膠聚集，在這種條件下聚沉過程沉淀析出的粒子，堆積得比較緊密，不容易從換熱面剝蝕。

綜上所述，從污垢形成的3個階段來分析了納米顆粒污垢遠大于微米顆粒污垢的原因，由于膠體的特殊性質決定了納米粒子有更多的機會被輸運到換熱表面參與結垢，更容易附著在換熱表面，并且不易從換熱器表面剝蝕。由于誘導期的長短也是與上述過程有關的，污垢物質的粒子要在換熱表面沉積，必須通過輸運到達換熱面并附于其上，而附著于表面的顆粒中又有可能被剝蝕。對于納米顆粒沒有誘導期這一現(xiàn)象也可以由上述原因來解釋。

實驗管路出口處結垢情況如圖4所示，從圖4中可以非常明顯地看出兩種工況下的結垢情況。圖4(a)為納米顆粒結垢情況，有明顯的污垢沉積現(xiàn)象，圍繞管壁有很厚的一層污垢，并且管壁四周均有附著，呈黏稠狀并且密實；圖4(b)為微米顆粒結垢情況，基本上只依靠重力沉積在管壁的下部，用肉眼即可觀察到只有稀松的大顆粒沉積而管壁其他部位則不明顯。

借助掃描電子顯微鏡從微觀角度觀察納米顆粒污垢和微米顆粒污垢如圖5所示。可以看出，納米顆粒污垢堆積得比較緊密，膠體粒子緊密的連結成了一片，空隙較小，相對比較平整；而微米顆粒污垢則可以清晰地看出是由大顆粒堆積在一起，空隙較大，呈疏松多孔結構，沒有納米污垢結實。這也從微觀角度解釋了微米顆粒污垢的熱阻值遠小于納米顆粒污垢熱阻值的原因。

圖4 顆粒污垢實物圖

2.2 濃度的影響

在其他工況不變的情況下，對交叉縮放橢圓管分別進行3種不同濃度的對比實驗，3組實驗的濃度分別為100 mg/L、200 mg/L和300 mg/L。不同濃度下交叉縮放橢圓管的污垢特性曲線如圖6所示。由圖6可以看出，污垢熱阻的漸近值隨著濃度的增大而增大，同時結垢速率也明顯加快。這3組實驗達到漸近值的時間相差不大，均約為20 h。其主要原因是由于顆粒的初始濃度大，主流區(qū)與壁面處濃度梯度增大，產生的驅動力也會增大，這會有更多的顆粒被輸運到換熱表面上參與形成污垢。因此結垢速率加快，污垢熱阻的漸近值增大。當顆粒的附著量與剝蝕量相當?shù)臅r候，污垢熱阻的漸近值將不再發(fā)生明顯的變化。

圖5 顆粒污垢表面掃描電鏡圖

圖6 顆粒濃度對交叉縮放橢圓管顆粒污垢熱阻的影響

由圖6也可以看出，當顆粒濃度為100 mg/L時候污垢熱阻的漸近值大概為 1.8×10-4m2·K/W，200 mg/L時候為 3.5 ×10-4m2·K/W，400 mg/L為6 ×10-4m2·K/W。當濃度成倍數(shù)增加時，污垢熱阻的漸近值并不是成倍增加的，這是因為，顆粒間存在兩種不同狀態(tài)：一種是顆粒彼此之間發(fā)生團聚的行為，形成團聚體，使單個顆粒“長大”成為二次顆粒，這種顆粒間互相黏附，連接成聚集體的狀態(tài)稱為團聚；另一種情況是顆粒之間互相排斥，顆粒彼此之間互不相干，能在液體介質中自由運動，形成穩(wěn)定分散的懸浮液。大多數(shù)情況下，顆粒的分散與團聚往往在一個懸浮體系中同時存在 。顆粒在液相介質中范德華力、雙電層的斥力和總相互作用勢能決定了顆粒間的分散與團聚行為，隨著濃度的增大，溶液中就會有更多顆粒參與聚集成大顆粒，在此過程中，顆粒團聚出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象，并且堆積的比較密實。也就是說穩(wěn)定分散的懸浮液中的膠體粒子濃度不會隨著溶液濃度的增大而一直增大。而在團聚過程中析出的粒子由于粒徑較大，表面能相對小，很難在換熱器表面附著形成污垢。所以說污垢值的大小很大程度上取決于工質中分散的膠體粒子的濃度。

2.3 流速的影響

在其他工況不變的情況下，對交叉縮放橢圓管分別進行3種不同流速的對比實驗，3組實驗的流速分別為0.2 m/s、0.4 m/s和0.6 m/s。不同流速下交叉縮放橢圓管的污垢特性曲線如圖7所示。由圖中可以看出，3組實驗均沒有明顯的誘導期，結垢速率隨著流速的增加而減小，污垢熱阻達到漸近值的時間隨著速度的增大而減大，污垢熱阻的漸近值隨著流速的增加而明顯降低。

圖7 流速對交叉縮放橢圓管顆粒污垢熱阻的影響

流速在污垢的形成過程中起到很復雜的作用，在輸運、附著和剝蝕這3個階段，流速都有參與。較大的流速可以輸運更多的粒子到換熱器表面參與結垢，會增加膠體粒子間相互碰撞的概率，從這個角度來說大流速可以加快結垢，但是較大的流速也為顆粒之間的有效碰撞提供能量，會加快顆粒團聚出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。所以從實驗結果來看，結垢速率隨著流速的增加而減小說明在初始階段，顆粒的團聚現(xiàn)象明顯，只有少部分膠體粒子被輸運到了壁面上參與結垢。污垢熱阻達到漸近值的時間隨流速的加大而增大是因為高流速下附著和剝蝕這兩個階段達到平衡需要較長的時間；流速增大使壁面剪切力增大，顆粒受到的流體作用力也隨之增大，而流體的作用力和升力構成顆粒剝蝕力，剝蝕力的增加造成了顆粒污垢剝蝕率的增加，所以流速增大，熱阻的漸近值小[13]。當顆粒的剝蝕率與附著率相當時，污垢穩(wěn)定不再增長。

2.4 溫度的影響

在其他工況不變的前提下，通過改變入口溫度來研究溫度對交叉縮放橢圓管納米顆粒污垢的影響。3組實驗的入口溫度分別為25 ℃、30 ℃和35℃。不同入口溫度對納米顆粒污垢熱阻的影響如圖8所示。可以看出，3組實驗沒有明顯的誘導期，隨著循環(huán)工質入口溫度的升高，達到漸近值的時間是減少的。隨著入口溫度的升高，污垢熱阻值的漸近值也明顯減小。

污垢熱阻值隨著溫度的升高而降低這一現(xiàn)象可以解釋為：某些外界因素（如溫度）可能促使膠溶聚沉。粒子運動的速度與體系的溫度成正比而與粒子的化學組成無關，納米氧化鎂所配制的膠體溶液中膠體粒子的布朗運動顯著，而布朗運動有著雙重作用，一方面，超細顆粒的無序擴散運動使其在介質中離散分布；另一方面，無序擴散運動導致顆粒之間的碰撞。溫度越高布朗運動越明顯，膠體中納米粒子相互碰撞的機會增大，可以促使聚沉現(xiàn)象。也就造成了膠體溶液中分散的膠體粒子的濃度隨著溫度的升高而降低。而聚沉析出的大粒徑粒子是很難附著在換熱器表面形成污垢的。

對于溫度越高，達到漸近值時間減小這一現(xiàn)象還可以用布朗運動來解釋，受入口溫度升高的影響，膠體溶液中膠體粒子的運動加劇，即相互碰撞聚集和向壁面運動的可能性增大，所以結垢的速率略有加快，達到平衡所需要的時間減少。

圖8 溫度對交叉縮放橢圓管顆粒污垢熱阻的影響

3 結 論

（1）交叉縮放橢圓管顆粒污垢沒有明顯誘導期。

（2）顆粒粒徑對交叉縮放橢圓管污垢熱阻影響最為明顯，納米顆粒的污垢熱阻漸近值大約是微米顆粒污垢的12倍，顆粒粒徑越小，其污垢熱阻漸近值越大。

（3）濃度對顆粒污垢的形成起著重要的作用，隨著顆粒濃度的增加，結垢速率加快，污垢熱阻漸近值明顯增大，但是當濃度成倍數(shù)增加時，污垢熱阻的漸近值并不是成倍增加的。

（4）隨著流速的增加，結垢速率減小，污垢熱阻漸近值明顯減小，達到平衡所需的時間延長。

（5）工質入口溫度對顆粒污垢的影響比較明顯。隨著入口溫度的升高，結垢速率略有加快，污垢熱阻漸近值明顯減小。

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