污水換熱器流態化在線防、除垢實驗

王勇，楊啟容，吳榮華，陳霄

（青島大學機電工程學院，山東 青島 266071）

污水換熱器流態化在線防、除垢實驗

王勇，楊啟容，吳榮華，陳霄

（青島大學機電工程學院，山東 青島 266071）

采用污水源熱泵供暖空調是節能減排的有效途徑，但換熱器結垢問題尚未得到有效解決。本文將固液流態化除垢技術應用到污水源熱泵換熱器的防、除垢中，并設計了一套污水換熱器流態化除垢系統。該系統以沙粒作為除垢顆粒，通過理論分析和實驗驗證相結合的方法，研究了固液流態化除垢的最佳流速、除垢能力、強化換熱效果及減少磨損的最佳工作參數。實驗結果表明；當換熱管內污水流速達到0.87m/s時，直徑2～3mm沙粒可流化，沙粒循環回收率達到 95%，實現了污水換熱器在線清洗；沙粒對壁面的碰撞力可有效去除換熱管壁的軟垢及鐵銹，除垢效果明顯；該除垢系統持續運行24h后，污水換熱器傳熱系數提高了25.6%；沙粒體積分數為4%，流速為揚動流速，是減少磨損和保證除垢效率的最佳工作參數。

污水；熱泵；換熱器；流態化；防垢

利用污水源熱泵技術采暖空調具有重大節能環保效益，但換熱器結垢問題尚未有效解決，如何防止污物對設備與管路的阻塞及污染是該項技術的難點[1-2]。污垢的存在不僅降低了熱泵系統運行效率，而且造成設備投資和運行費用增加[3-4]。要實現污水側取水換熱過程冷熱量的持續高效傳遞與轉換，必須克服由污物引起的結垢問題。

目前污水換熱器除垢方法主要以停機后的間歇清洗為主，存在高額的人力、物力投資或損傷換熱設備等不足之處。而流態化在線除垢技術有防垢、除垢和強化換熱多重功能，具有應用方便、無污染、投資小、可在線除垢的優勢[5-7]，但在污水換熱器除垢方面的應用較少，因此有必要對其進一步研究。本文以工業應用的污水換熱器為除垢對象，通過理論分析和實驗驗證相結合的方法，探討固液流態化除垢技術的最佳工作參數和除垢效果，實驗結果表明流態化在線除垢技術可有效解決污水源熱泵換熱器結垢問題。該除垢技術簡單可行，對環境無污染，在低溫冷熱源的利用中有廣闊的應用前景。

1 污垢形成機理

污垢的形成是小尺寸污垢沉積和脫落兩種作用相互平衡的結果，Kern等[8]提出的污垢形成模型見式（1）。

式中，Rf為凈結垢速率；φd為污垢沉積速率；φr為污垢剝蝕速率。式（1）中污垢沉積速率φd主要由污垢的類型決定，不受人為控制，可變性較小；而污垢剝蝕速率φr主要由污垢附著力、污垢硬度及流體的剝削力決定，可以通過改變流體剝削力的方法來增大污垢剝蝕速率。而改變流體對污垢的剝削力需要增加流速或者改變流體物性，流速的增加務必會帶來設備投資和運行費用的增加，況且即使增大流速，壁面仍附著一定厚度污垢。相比增大流速來除垢，流態化除垢技術優勢明顯，其在換熱器中加入固體顆粒，處于流態化顆粒的頻繁碰撞管壁，能凈化管壁，去除積垢，并擾動管壁處的邊界層，可以達到防、除垢強化傳熱的目的。

2 污水換熱器流態化除垢理論分析

對污水換熱器流態化除垢進行理論分析，以取材方便、經濟實惠的2～3mm沙粒作為除垢顆粒，研究能使沙粒呈流態化循環流動的最小流速及沙粒對壁面除垢能力。

2.1 流態化除垢的最佳流速

流速是流態化除垢重要運行參數，流速較小容易導致顆粒淤積，不能達到循環除垢的效果，流速較大則會造成耗電、水泵投資等費用增加。使沙粒揚起混入水中，呈不著底運動的流速為揚動流速，而沙粒受自身重力影響會有沉降速度，球體顆粒在水中的沉降速度 u可用愛倫沉速公式計算，見式（2）[9]。

式中，u為球體顆粒沉速，cm/s；g為重力加速度，980cm/s2；a為常數，取10；γs為沙粒密度，2.65g/cm3；γ為水的密度，1.0g/cm3；d為沙粒粒徑，cm；v為水的運動黏度系數，當 t=10℃時取0.0131cm2/s。

對于非球體沙粒，沙玉清[10]研究指出其沉降速度修正系數為K=0.75。將以上有關數據代入式（2），可得沙粒沉降速度u0，見式（3）。

沙玉清[10]研究揚動流速的實用簡式為式（4）。

式中，us為揚動流速，m/s；R為水力半徑，m；u0為沉降速度，m/s；將式（3）代入式（4）可得非球形沙粒的揚動流速為式（5）。

污水換熱器管徑為0.1m，滿管流其水力半徑R為 0.025m，沙粒平均直徑為 0.002m，計算得能實現沙粒循環流動的揚動流速為us0=0.85m/s。

2.2 沙粒在水平管內分布

隨著污水流速增大，管中沙粒會從靜止狀態轉變為沙浪形跳動、滾動和不連續的間歇性躍動前進，流速越大，躍動距離也越大。當流速達到臨界狀態揚動流速時，沙粒被揚起混入水中，同污水一起流動[9]。文獻[11-13]通過實驗及數值模擬研究表明，沙粒在管內的分布受流速、沙粒體積分數影響較大。流速偏低時，靠中間管子的顆粒可實現顆粒的正常流化，而靠近管壁的由于流速低、阻力大，顆粒難以流化，加之受密度差影響，顆粒分布不均勻。表現為沿豎直徑向方向呈梯度分布，管道底部濃度較高，頂部濃度較低。隨著流速的增大，顆粒分布不勻度減小。另一方面，顆粒加入量越大，顆粒分布不均勻度逐漸減小。

3 流態化除垢實驗

為驗證流態化除垢技術的最佳流速及除垢能力，確定其在污水換熱器除垢應用的可行性，設計搭建流態化除垢實驗系統，進行污水換熱器流態化防、除垢實驗研究。以工業應用的污水源熱泵系統為實驗平臺，該系統已運行一年未清洗，換熱管內附有污垢。

3.1 除垢系統結構及工作原理

實驗系統示意圖如圖1所示，實驗所用污水換熱器為暢通式污水換熱器，換熱面積75m2，換熱管徑0.1m，管長4m，四流道并聯；沉沙器尺寸高度1.8m，容量1m3；為實現沙粒順利循環，設置液體噴射器引射沉沙。工作原理為：開始除垢前，關閉閥門，沙粒從注沙口注入沉沙器。注沙完成后，開啟污水泵，運行穩定后，開啟閥門。沙粒與少量污水混合流體靠自身重力和噴射器的引射經污水進水管進入換熱器，在換熱器中除垢完畢后經污水出水管進入沉沙器，實現固液分離，沙粒落入噴射器繼續除垢循環，而污水及除掉的污垢則穿過濾沙網從沉沙器上出口排出，如此反復，達到在線循環防垢、除垢的效果。當不需要除垢時，關閉閥門，系統運行段時間后，便可實現沙粒在沉沙器內的回收，而不影響熱泵系統的正常運行。

3.2 結果與討論

3.2.1 流態化除垢最佳流速

為研究流態化除垢最佳流速，通過多臺污水泵并聯和開關閥門控制流量的方法，測試不同流速下沙粒回收循環情況。實驗結果如圖2所示，圖3及圖4為不同流速下換熱器內沙粒的沉積情況。從圖2中可以看出，污水流速達到0.87m/s時，回收率達到95%，回收沙粒135kg（注沙140kg），其流速與理論計算的揚動流速0.85m/s幾乎吻合，而繼續增大流速沙粒回收率提高微小，這是由于連接管道和換熱器的死角淤積了部分沙粒所致。圖3、圖4為污水流速分為0.45m/s和0.87m/s時相同地方換熱管道沙粒淤積情況，圖3中沙粒淤積嚴重，是由于流速達不到使沙粒與污水充分混合的揚動流速所致，而沙粒在流速0.87m/s時無沙粒淤積，可實現在線循環清洗。

圖1 固液流態化除垢系統示意圖

圖2 污水流速與沙粒回收率關系

圖3 換熱管道沙粒淤積U=0.45m/s

圖4 換熱管道沙粒淤積U=0.87m/s

3.2.2 傳熱系數的變化

在流速為0.87m/s下，不同沙粒體積分數下換熱器傳熱系數隨操作時間的變化如圖5所示。由圖5可以看出，無沙粒工況下換熱器的傳熱系數為915W/(m2?K)左右，而此換熱器剛投入使用時傳熱系數為1200 W/(m2?K)，說明換熱器結垢嚴重，是由于其運行一年未清洗所致。隨著沙粒的加入傳熱系數明顯增大，呈現出傳熱系數先增大后平緩的趨勢，并且隨著顆粒體積分數增大，除垢效率明顯增強，運行17h后，傳熱系數趨于平緩，但傳熱系數并未達到換熱器剛投入運行時的數值。打開換熱器后發現，其壁面仍附著有少量鐵銹及硬垢。但當加入沙粒體積分數占6%時，運行24h后，其傳熱系數提高了25.6%，已達到良好的強化換熱效果。

圖5 傳熱系數與操作時間的關系

3.2.3 流態化除垢的可行性

為進一步研究傳熱系數的提升與污垢的去除有關，對污水出水進行監測。圖6、圖7是在流速為0.87m/s時，加入沙粒之前與加入沙粒后從污水出水管隨機抽取的污水樣品，此污水源熱泵冷熱源為湖水。由圖6可見，加沙粒前污水出水管水質顏色呈白色透明狀，水質中有少量的污物，而圖7中加入沙粒除垢后的水質顏色呈黑色渾濁狀，且有大量的黑色絮狀物及黑色團體，可以認為其為換熱器管道所附著的軟垢，除垢前后水質對比表明此流態化除垢系統具有良好的除垢效果。

實驗中對除垢后的污水換熱器拆卸后還發現，加入沙粒對換熱管道壁面的作用巨大，如圖8、圖9所示。圖8為沙粒對污水換熱器導流腔壁面的沖擊留下的凹痕，明顯看出存在許多凹坑，為沙粒沖擊所致，并且黃色斑點為被沙粒沖刷掉的銹斑，可見流態化沙粒的頻繁碰撞足以導致污垢及銹斑破裂與脫落。對沉沙器內的沙粒取樣分析，發現沙粒中摻雜著鐵銹，如圖9所示。雖然缺乏具體的參數證明沙粒對換熱管的作用力大小，但如此明顯的痕跡足以說明沙粒對壁面的作用力能夠把污垢進行有效清除，所以說流態化除垢技術應用到污水換熱器的清洗中是可行的。

圖6 加沙粒前污水出水取樣

圖7 加沙粒后污水出水取樣

圖8 沙粒對壁面碰撞痕跡

圖9 沙粒除掉的鐵銹

3.3 優化設計

沙粒對換熱管壁碰撞除垢的同時會造成管壁的磨損，為此需對流速和沙粒量進一步實驗優化。毋庸置疑，流速越大，沙粒對壁面的磨損越嚴重，而流速過小則會導致沙粒淤積，因此，在保證沙粒能夠循環流動除垢的前提下，磨損最小的流速應是揚動流速0.87m/s。不同沙粒體積分數對壁面的磨損程度實驗結果如圖10所示。

圖10 沙粒體積分數對壁面磨損程度

由圖10可以看出，沙粒對壁面磨損程度隨沙粒體積分數的增加而增大，但由圖5可知過小的沙粒體積分數會影響到除垢效率，綜合考慮，可認為沙粒體積分數為 4%時，即可保證較高的除垢效率又可減小對壁面的磨損，為最佳沙粒量。

4 結 論

為有效解決污水換熱器結垢問題，將流態化在線除垢技術引入到污水換熱器的防除垢應用中，成功實現了污水換熱器在線除垢，達到了良好除垢效果，得出如下結論。

（1）以工業應用的污水源熱泵系統為實驗平臺，實驗研究表明流態化除垢技術對污水換熱器具有優良的在線防、除垢效果。本實驗以取材方便，經濟實惠的沙粒作為除垢顆粒，可有效去除換熱管內的污垢及鐵銹，同時沙粒的隨機頻繁碰撞可破壞邊界層，強化傳熱。

（2）實驗研究表明，將固液兩相流流速提升到0.87m/s時，成功實現了95%的直徑為2～3mm的沙粒在線循環清洗，與理論計算的0.85m/s揚動流速幾乎吻合。少量沙粒聚集在管道和換熱器死角，但不會出現沙粒在換熱管內的淤積。隨著沙粒體積分數的增大，其除垢效率越高，沙粒體積分數為6%時，運行24h后，傳熱系數提高了25.6%，管壁附著的難以清洗掉的部分硬垢及鐵銹影響了傳熱系數的繼續提升。

（3）污水換熱器流態化除垢實驗表明：處于流態化的沙粒對壁面作用力巨大，足以使部分鐵銹因沙粒碰撞而脫落。對除垢前后污水出水取樣進行對比發現，除垢后的污水樣品中含有較多污垢，進一步驗證了此除垢技術是行之有效的。

（4）為減少沙粒對管壁磨損，進行優化實驗，結果表明，污水流速為揚動流速且沙粒體積分數為4%時，既可減小沙粒對壁面的磨損，又可保證高效除垢效率。

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An experimental study on on-line fouling fluidized-removing of sewage heat exchanger

WANG Yong，YANG Qirong，WU Ronghua，CHEN Xiao
（Institute of Mechanic and Electronic Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong，China）

Using sewage source heat pump to heat and ventilate for building is an effective way of energy saving and emission reduction. However，fouling of heat exchanger remains an urgent and unresolved issue. In order to solve this problem，the solid-liquid fouling fluidized-removing technology was applied for fouling prevention and removing of sewage heat exchanger. A set of fouling removing system using sand as fouling removing particles was established in this paper. Combined theory analysis with experimental validation，the optimal flow rate，the heat transfer enhancement effect，the optimal technological parameters of anti-attrition and the fouling removing ability of fouling fluidized-removing were discussed. The experimental results showed that the sand grains with the diameter of 2—3mm could be fluidized if the flow rate of the sewage reached 0.87m/s.The recycling efficiency of the sand grains was almost 95%. The on-line cleaning was realized. The fouling fluidized-removing technology could effectively remove soft dirt and rust of sewage heat exchanger. The heat transfer coefficient increased by 25.6% after the fouling removing system continued to run 24 hours. In order to induce attrition and assure the fouling removing efficiency，the optimum parameters were set as follow：Volume fraction of sand was 4% and the flow rate was stirring-up velocity.

sewage；heat pump；heat exchanger；fluidization；fouling prevention

TK 09

A

1000-6613（2015）12-4398-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.12.044

2015-06-15；修改稿日期：2015-08-06。

國家科技支撐計劃（2014BAJ02B03）及山東省自然科學基金（ZR2015EM003）項目。

王勇（1990—），男，碩士研究生。聯系人：楊啟容，教授，碩士生導師。E-mail luyingyi125@163.com。