一種換熱器污垢特性監測方法與實驗研究

文孝強 苗慶龍 孫靈芳

(東北電力大學，a. 教務處；b.自動化工程學院)

一種換熱器污垢特性監測方法與實驗研究

文孝強**a苗慶龍b孫靈芳b

(東北電力大學，a. 教務處；b.自動化工程學院)

針對長期以來換熱器污垢無法準確監測的問題，基于能量守恒定律提出了一種換熱器污垢特性監測方法，嘗試建立了單位工質元吸熱量模型，并搭建了相應的污垢監測實驗平臺，通過若干類型換熱器污垢實驗，驗證了該方法。實驗結果表明：單位工質元吸熱量能較好地反映換熱器管內污垢的生長趨勢，可以用于換熱器污垢特性的監測，且較以往方法具有測點較少、測點容易安裝及數據容易獲取等特點，該方法還可以解決換熱器局部、區域性污垢無法準確監測的問題。

換熱器 污垢特性 能量守恒 監測 工質元吸熱量

目前，循環冷卻水占整個工業用水的80%左右[1]，而冷卻水在循環過程中，因溫度和流速的變化而在換熱器壁面上逐漸形成污垢，直接后果是增大了傳熱和流動阻力。眾所周知，在相同傳熱量的前提下，污垢熱阻會增大傳熱溫差、降低所傳遞熱能的利用率、增加設備能耗；流體流動阻力(流阻)的增大則直接增大了泵送能耗。因此，快速、準確地監測冷卻水污垢的增長趨勢，就自然成為節能減排的主攻目標之一。

國外對于污垢的監測方法和技術方面，Kern-Seanton較早就提出了污垢沉積率和剝蝕率的具體表達式，這就是后來一直被科研工作者廣泛采用的Kern-Seanton模型。然而即使是該模型也只提供了污垢特性數學描述的框架，離揭示污垢形成機理還有距離。之后，Afgan N H和Carvalho M G基于換熱效率理論，提出了對象-屬性-值結構污垢評估知識庫專家系統，為換熱器冗余面積設計、去垢效果和換熱器安全評估提供參考[2]。Sylvain L和Steohane L基于耦合神經網絡提出了污垢熱阻監測模型[3]。Prieto M M等基于非全連前向神經網絡提出了一種用來預測海水冷卻冷凝器污垢性能的方法[4]。Khan M S等實驗研究建立了套管式逆流換熱器CaCO3無量綱回歸污垢熱阻模型[5，6]，此外還分析了管表面溫度、雷諾數、管內徑、CaCO3濃度和管子粗糙度對誘導期的影響。Zubair S M等從新視角出發，引入概率方法來分析污垢增長模型規律[7～9]。Bridger Scientific依據美國 Rohrhack 公司 1979 年發表的專利開發出了 DATS 系列在線污垢測試系統 DATSTM[10]。Nalco 化學品公司的Wetegrove R L采用光學方法對污垢進行了監測[11]。韓國電力公司發明了一種監測污垢熱阻和管道清潔度的裝置[12]。Nalco 公司發明了一種污垢監測系統，能夠區分微生物污垢與化學污垢[13]。

在國內，楊善讓等研制了換熱器污垢在線自動監測裝置，實驗結果表明，該裝置具有很高的實用性[14]。由于一定的假設和傳熱學經驗公式的引入，難免產生監測誤差。徐志明和文孝強在污垢的形成機理和預測模型方面也做了較多工作[15，16]。吳雙應和李友容從熱力學第二定律出發，提出了“單位熱量的熵增率”，該指標能夠全面、綜合地反映污垢對換熱傳熱性能的影響[17]。程偉良和李艷秋基于質量傳遞理論建立了污垢監測模型，用以計算流體流動生成的總污垢量[18]。侯迪波等基于模糊神經網絡提出了周期性結垢模型，預測間歇換熱設備的周期性結垢現象[19]。周本省等基于所測定和記錄的實驗數據研發了污垢熱阻在線監測系統[20～23]。中國科學院金屬研究所研制了工業冷卻水腐蝕、熱阻在線監測系統[24，25]。文獻[26]介紹了一種用傳熱端差Δt描述凝汽器冷卻水側換熱面污垢程度的方法。嚴曉宇等利用電熱式污垢監測原理開發了一種污垢在線監測實驗裝置[27]。張瑩等提出清潔度的定義，將冷凝器汽側空氣量、水管壁的污垢程度及冷凝器管束布置系數等因素對凝汽器總體傳熱系數的影響分離開來，以準確診斷凝汽器的污垢程度[28]。邢曉凱等綜合考慮各種因素，建立了恒壁溫條件下計算污垢熱阻的改進模型[29]。北京化工大學提出了一種直觀式腐蝕污垢監測儀，用于冷卻水系統的現場監測和冷卻水化學處理中藥劑的篩選、防垢除垢及傳熱基礎研究等[30]。在此，筆者基于能量守恒定律，提出單位工質元吸熱量模型，并搭建了相應的實驗平臺，實驗研究了若干換熱器管內污垢的沉積規律。

1 實驗方案設計

筆者所搭建的實驗系統如圖1所示。

圖1 實驗系統

為了加快換熱器管內污垢的形成與沉積，實驗工質采用的循環水是通過在清潔的自來水中添加CaCl2和Na2CO3藥品配制而成的，配置硬度為800mg/L的硬水以模擬析晶污垢。

實驗過程中，分別采用了3種類型的實驗管：光管、弧線管和縮放管。其中，光管選用內徑d2=22mm，壁厚δ=1.5mm的不銹鋼材料，弧線管和縮放管結構如圖2所示。實驗管材料和幾何參數見表1。

a. 弧線管

b. 縮放管

實驗管材料幾何尺寸L1/mmL2/mmL3/mmd1/mmd2/mmδ/mmα/(°)β/(°)r/mm縮放管不銹鋼561425201.52710-弧線管不銹鋼178--221.5--5

實驗過程：實驗分成兩個階段，第一個階段為建立水浴溫度階段，即通過溫度可控電加熱管對水槽水浴進行加熱，直至達到預設溫度；第二階段為污垢實驗階段，在此階段，下位水箱的人工硬水經由變頻泵送至上位水箱，再經手動調節閥調節水的流速，并將該硬水送至實驗管段，在實驗管內，該硬水通過管壁吸熱，溫度升高；接著，該實驗硬水被送至空冷裝置和下位水箱進行充分冷卻，如此往復。

數據的測量：實驗管出、入口溫度和水浴溫度由Pt100熱電阻來測量，其測溫范圍為-200～650℃，等級為A級，允許誤差±(0.15+0.002×|t|)℃，流量信號由超聲波流量計來測量，等級為1.0級，即其允許相對誤差為±1.0%。所有測量信號經893數據采集器送入計算機進行相應的處理。

2 基于能量守恒的污垢特性表征參數

實驗管工作原理如圖3所示。周圍水浴溫度為T，實驗管的入、出口溫度分別為Ti、To，管內工質流速為V，現將整個實驗管內工質沿實驗管徑向平均劃分成若干工質元，則每一工質元寬度為Δl，其質量Δm為：

Δm=ρΔl(πD2/4)

(1)

圖3 實驗管工作原理

假設整個實驗管段溫度沿工質流動方向均勻分布，每一工質元內各點的溫度是相等的，則單位時間內該工質元流動距離L1為：

L1=VΔt

(2)

對應于該時刻的溫度T″為：

(3)

從起始位置P1到P2過程中，該工質元所吸收的熱量ΔQ為：

ΔQ=cΔmΔT=cΔm(T″-T′)

(4)

式中c——水的比熱，J/(kg·℃)；

T′——工質元P1點所對應的溫度，℃。

將式(1)～(3)代入式(4)，即可得到該工質元在單位時間的吸熱量。

隨著換熱器內污垢的不斷生長，換熱效果將會不斷變差，可以預見：在水域溫度恒定的前提下，該工質元在單位時間內的吸熱量是隨著時間的推移而不斷變化的，該吸熱量的變化如同污垢熱阻一樣，也能反映出換熱器內結垢狀況，從而可以作為換熱器污垢特性表征參數。

3 實驗結果與分析

3.1光管

首先選取光管進行污垢實驗。該光管長度為2.22m，直徑為22mm。在實驗過程中，實驗工質的流速是可變的。水浴溫度控制在50℃。實驗選取沿實驗管軸向固定時間點工質元作為研究對象，監測其吸熱量的變化情況。圖4為該實驗管在不同清洗周期工質元的吸熱量變化曲線。為了檢驗實驗結果，將本實驗所測得的實驗數據連同測得的壁溫等數據代入文獻[31]中的污垢模型中，得到污垢熱阻曲線如圖5所示。圖4、5中AB段流速為0.62m/s，BC段流速為0.40m/s，CD段流速為0.58m/s，DE段流速為0.44m/s，EF段流速為0.21m/s，FG段流速為0.34m/s，GH段流速為0.74m/s。

圖4 光管工質元吸熱量隨時間的變化曲線

圖5 光管污垢熱阻隨時間的變化曲線

對比圖4、5不難看出：當流速降低時(如AB到BC段，CD到DE段，DE到EF段)，污垢熱阻呈上升(增加)趨勢；與此同時，單位工質元的吸熱量變化趨勢則恰好相反；同樣，當流速升高時，污垢熱阻呈下降(減小)趨勢，而單位工質元的吸熱量呈上升(增加)趨勢。分析其原因可知：對于污垢熱阻來說，流速的增加會增加對管壁的軸向沖刷作用，使得管內沉積的污垢被剝離，污垢熱阻減小；對于單位工質元吸熱量來說，則恰好相反，由于污垢熱阻的減小，其吸熱量會相應的增加。當流速減小時，其物理過程正好相反。

將上述實驗測得的污垢熱阻、工質元吸熱量進行歸一化后置于同一坐標系，結果如圖6所示。不難看出，不同流速下，管內污垢熱阻的變化趨勢與工質元吸熱量變化曲線近似呈相似對稱。

圖6 光管污垢熱阻、吸熱量對比曲線

3.2弧線管、縮放管

將實驗管更換為弧線管、縮放管繼續實驗。實驗中，弧線管、縮放管管長分別為2.22、2.20m。在計算工質元面積時，采用了等效直徑，即用體積相同、長度相同但管徑不同的圓柱體分別等效弧線管體和縮放管體。所得實驗結果與污垢熱阻值曲線如圖7、8所示。

由圖7、8不難看出，與光管類似，污垢熱阻的變化趨勢與工質元吸熱量變化曲線近似呈相似對稱。

3.3分析與討論

通過以上各實驗管污垢實驗可知，無論工質流速是可變的還是恒定的，工質元吸熱量變化趨勢均與污垢熱阻的變化趨勢相反，但同樣都可以較好地描述換熱器內污垢隨時間的變化情況，故而通過換熱器內單位工質元吸熱量的監測便可以實時反映換熱器內的結垢狀況，進而為換熱器的清洗、優化換熱器清洗周期提供理論依據。此外，該實驗過程中，僅需要實時測量換熱器出、入口溫度，這在實際現場是容易實現的，和眾多國內外動輒幾十萬多則上百萬元的污垢監測設備相比，本實驗裝置無疑降低了污垢監測成本。

圖7 弧線管污垢實驗曲線對比

圖8 縮放管污垢實驗曲線對比

實驗過程中，若可以對固定點溫度進行實時測量，則可以替代公式(4)中的T″，這樣一來，該公式適用于監測換熱器任意點污垢變化情況，從而解決了換熱器局部、區域性污垢無法準確監測的問題。另外，該實驗過程主要是定性監測換熱器污垢的變化情況，接下來擬要解決的問題是如何利用該參數對換熱器污垢特性進行量化，包括給出量化的方法、標準等。

4 結束語

不同類型的實驗管實驗結果表明，工質元吸熱量同污垢熱阻值一樣能夠描述換熱器管內的結垢狀況，從而可以作為監測污垢特性的指標。監測工質元吸熱量時測點較少、容易安裝及監測成本低等，有利于工程實際應用。此外，該方法還可以解決換熱器局部、區域性污垢無法準確監測的問題。

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AFoulingMonitoringMethodforHeatExchangersandExperimentalResearchonIt

WEN Xiao-qianga, MIAO Qing-longb, SUN Ling-fangb

(a.Dean’sOffice;b.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Considering the fact that heat exchanger fouling can’t be monitored accurately and basing on the law of conservation of energy, a fouling monitoring method for heat exchangers was proposed and the unit refrigerant element heat absorption model was set up, including the corresponding fouling-monitoring platform. Experiments on the fouling verify this method and the results show that, the refrigerant element heat absorption can reflect fouling’s growth trend in the heat exchanger and it can be used to monitor fouling characteristics; as compared to other means, this method asks for few measuring points and obtains the measurement data easily, in addition, it can monitor any local or regional fouling accurately.

heat exchanger, fouling characteristic, conservation of energy, monitoring, heat absorption of refrigerant element

*國家自然科學基金項目(51476025)，東北電力大學“十二五”科研提升工程資助計劃項目，吉林市科技發展計劃項目(201464061)。

**文孝強，男，1979年9月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)03-0296-06

2015-04-17，

2016-05-16)