氣液兩相流對板式換熱器污垢特性的影響研究

畢慶生 任 萍 李鄧超

(1.長春工程學院能源與動力工程學院 吉林省建筑能源供應及室內環境控制工程研究中心；2.吉林省電力科學研究院有限公司)

氣液兩相流對板式換熱器污垢特性的影響研究

畢慶生1任 萍2李鄧超1

(1.長春工程學院能源與動力工程學院 吉林省建筑能源供應及室內環境控制工程研究中心；2.吉林省電力科學研究院有限公司)

通過對比實驗研究了氣液兩相流對板式換熱器污垢特性的影響。結果表明：板式換熱器污垢熱阻值隨著含氣量的增大而減小，含氣量越多，擾動越強，其污垢熱阻值越小。同時發現相同含氣率條件下氣泡尺寸越小，抑垢效果越好。

板式換熱器 氣液兩相流 氣泡尺寸 污垢特性

隨著當代工業的迅速發展，在動力、石油、核能、冶金、制冷、化工及航天等領域都存在換熱設備結垢的問題，換熱表面結垢會降低設備的換熱效率，加速設備的老化，嚴重時還會影響正常的安全運行，因此也越來越受到人們的重視。

板式換熱器因具有結構緊密、換熱效率高、占用空間小及便于安裝清洗等諸多優點，而被廣泛應用于工程領域。國內外學者對板式換熱器內的兩相流動傳熱和阻力做了大量的研究[1～5]，發現板式換熱器內兩相流動相對于單相流換熱性能增強，但對壓力變化會有很大的影響。也有學者提出氣液兩相流在板式換熱器中流動時，兩相流的相對速度、氣相的體積分數等物性參數具有很大的隨機性，其流動換熱情況更為復雜[6，7]。

針對污垢方面的研究得出水質參數(如氧含量、生物菌、酸堿度及濃度等)的變化對板式換熱器的污垢特性的影響規律，發現流體內各參數能夠產生相互的協同作用，對污垢的生長有很大的影響[8～10]。顧業梅等研究發現在相同的工況下換熱表面越光滑，CaCO3析晶污垢的沉積量越少，而換熱表面越粗糙則沉積量越多[11]。Grandgeorge S等研究發現，小濃度的污垢誘導期較大濃度的污垢誘導期長[12]。昝成等通過建立污垢熱阻的數值模型來分析顆粒污垢粒徑尺寸對污垢沉積量的影響，提出了不同顆粒粒徑尺寸對污垢影響的界限參考值[13]。Qaisrani T M和Samhaber W M以板式換熱器內二級出水為研究對象，著重考察了溫度和板間流速對污垢初始過程的影響[14]。Pacek A W和Nienow A研究發現氣泡反沖和氣體鼓泡能夠相互產生協同作用來抑制污垢的形成，并能提高膜的清洗效率[15]。

筆者通過實驗的方法研究了氣液兩相流對板式換熱器污垢特性的影響，分析了兩相流對污垢特性的影響規律和原因，為抑垢研究提供一定參考。

1 實驗系統與原理

1.1 實驗系統

實驗系統如圖1所示，主要由加熱系統、冷卻系統、供氣系統、數據采集系統(圖中未畫出)和待測板式換熱器5部分組成。

圖1 實驗系統

實驗系統的循環系統分為冷水側和熱水側。冷水側由壓縮機壓縮的空氣經平衡閥、壓力表和空氣轉子流量計到混合器與低溫介質循環泵輸送的水組成冷卻工質進入板式換熱器吸熱，然后流入冷卻水箱，在冷卻水箱中由變頻風冷系統調整溫度，使溫度維持在一定范圍；而熱水側熱水由電加熱器加熱經高溫介質水泵、渦輪流量計進入換熱器放熱后重新流回恒溫介質水箱再加熱，如此循環往復。

實驗使用的待測板式換熱器是吉林四平生產的BR 0.015F型板式換熱器。在實驗使用的氣液兩相流裝置內部粘合一塊塑料孔板，上面均勻分布直徑相同的小孔，既保證氣相能夠較為均勻地分布在液相中，又使氣泡尺寸一致。圖2為孔板的示意圖，通過改變孔徑來改變氣泡尺寸，本實驗應用了3個不同孔徑d(0.5、1.0、1.5mm)的孔板。

圖2 孔板示意圖

1.2 實驗原理

理論上換熱器的換熱量Φ等于熱側放熱量Φ1，也等于冷側吸熱量Φ2，但考慮到換熱器的散熱損失，Φ1、Φ2并不相等，因此，定義熱平衡相對誤差η為：

η=|Φ1-Φ2|/Φ1×100%

(1)

若η≤5%，則認為實驗數據合理。

潔凈狀態下的總傳熱系數k、對數平均溫差Δtm和污垢熱阻Rf分別為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中A——換熱面積，m2；

k0——換熱器結垢后的總傳熱系數，W/(m2·K)；

Δtmax、Δtmin——換熱器端部溫差的最大值和最小值。

1.3 氣泡尺寸的測量

如圖3所示，氣液兩相流流經細管時，通過測量氣體在管內的延伸長度L來計算氣泡直徑d氣[15]：

d氣=(1.5L·d管)1/3

(6)

式中d管——毛細管內徑。

圖3 氣泡直徑測量方法示意圖

研究發現，采用不同進氣孔徑的孔板，可得到不同尺寸大小的氣泡。通過改變氣液混合比，當流動穩定后進行分別測量，每組連續采集200個數據點，研究發現相同進氣孔徑的板片導出兩相流中的L基本在很小范圍內波動，所以采用概率統計的方法，最終求取平均值得出不同孔板孔徑對應的不同氣泡尺寸(表1)。

表1 不同孔徑板片對應對得到的不同直徑的氣泡

2 實驗結果分析

2.1 兩相流下不同含氣率對污垢特性的影響

針對板式換熱器在兩相流動中不同含氣率對顆粒和析晶污垢沉積影響的作用，顆粒污垢采用人工添加濃度為400mg/L的氧化鎂，析晶污垢采用3g/L的硫酸鈣溶液，通過進行3組不同含氣率的對比實驗，分別在氣體流量QG為0.00(即單相流動)、0.10、0.30m3/h的情況下進行比較。

如圖4、5所示，通過對比單相流動和氣液兩相流動得到的污垢熱阻漸進值發現，氣液兩相流具有明顯的抑垢效果；而通過兩組不同含氣量的實驗對比發現，氣相流量大時具有較好的抑垢效果。而且隨著氣相流量的增大，污垢熱阻漸進值能夠很快達到一個穩定值。這是由于污垢的沉積主要是由剝蝕率和沉積率相互作用而產生的，在污垢增長期，由于沉積率大于剝蝕率，而造成污垢沉積量的增加，隨著時間的增加，剝蝕率逐漸增加，并最終達到與沉積率保持一個相對平衡的狀態，即污垢的沉積量達到一個在相對較小范圍內的動態平衡。而污垢的沉積率主要體現在換熱面對污垢吸附力的大小上，剝蝕率主要體現在流經污垢表面的流體對污垢剪切力的大小上。在氣液兩相流動中，由于氣體的擾動作用增大了兩相流體對污垢表面的剪切力，進而對污垢的沉積起到了一定的抑制作用，并且縮短了沉積率與剝蝕率達到相對平衡的時間，而在不同含氣量的對比曲線中得出，由于氣相流量的增大，進一步增大了流體對污垢的剪切力作用，相對于小的含氣量，具有更好的抑制污垢增長的作用。

圖4 不同含氣率下的顆粒污垢特性

圖5 不同含氣率下的飽和析晶污垢特性

2.2 不同氣泡尺寸對污垢特性的影響

本組實驗主要研究不同氣泡尺寸對板式換熱器的顆粒和析晶污垢特性的影響，實驗所用的污垢物質為人工添加濃度400mg/L的氧化鎂和人工配置濃度為3g/L的過飽和硫酸鈣溶液，以此來進行實驗對比。

如圖6、7所示，從實驗數據可以看出，隨著兩相流中氣相氣泡尺寸的減小，污垢的沉積量也逐漸減小，具有更好的抑垢效果。對于以上現象，在相同含氣率的情況下，由于大尺寸的氣泡在數量上沒有小尺寸氣泡多，影響到在板片的換熱表面上與污垢的顆粒碰撞次數，小尺寸氣泡在數量上占有優勢，有更多的機會與顆粒污垢進行碰撞，而從另一方面講小尺寸的氣泡在流動中相對于大尺寸氣泡具有更強的擾動作用，增強了換熱表面的湍流強度，增大了對換熱表面顆粒無垢的剝蝕力，使得污垢更加不容易附著在換熱表面上，進一步解釋了上述實驗結果。

圖6 不同氣泡尺寸下的顆粒污垢特性

圖7 不同氣泡尺寸下的飽和析晶污垢特性

2.3 相同含氣率下的不同顆粒尺寸污垢特性

為了研究氣液兩相流對不同顆粒粒徑污垢特性的影響，本實驗選用了平均顆粒粒徑分別為40nm和20μm的氧化鎂顆粒配置的溶液，氧化鎂溶液濃度均為400mg/L，且其他工況均相同，進行了兩組對比實驗。由于顆粒粒徑相差很大，得到的實驗效果非常明顯。由于納米氧化鎂粒徑很小，所配置出來的溶液屬于膠體溶液。

如圖8所示，實驗結果顯示兩相流中氣體對大尺寸的顆粒污垢具有更好的抑垢效果。對于以上結果的分析可從污垢生長過程中的輸運、附著和剝蝕3個方面來進行研究。首先膠體溶液的溶質直徑一般在1～100nm之間，它決定了膠體粒子具有巨大的表面積，吸附力很強。在污垢生長的輸運過程中，由于納米氧化鎂所配制的溶液是膠體溶液，而微米氧化鎂所配制溶液的是懸浮液。在相同濃度的情況下，納米氧化鎂相對于微米氧化鎂具有更大的顆粒濃度，從粒子布朗運動來分析，納米氧化鎂顆粒具有更為劇烈的布朗運動，即有更多的納米粒子來與換熱表面進行碰撞，而微米氧化鎂相對于納米氧化鎂的布朗運動則相對于緩和。

圖8 相同含氣率下的不同顆粒尺寸污垢特性

從污垢附著過程來分析：對于微粒而言，任何微粒之間都存在范德華引力，范德華引力是色散力、極性力和誘導偶合力相互作用之和。而范德華引力的大小與粒子和換熱表面的接觸面積大小有關，當接觸面積增大，范德華引力也隨之增大。因而納米粒子更容易受較大的影響，而且膠體粒子本身具有很強的吸附力的特性，且由于納米粒子具有高分散性，相對于微米粒子具有更大的比表面積，因而使得納米氧化鎂粒子相對于微米氧化鎂粒子更容易吸附在換熱表面上。

從污垢的剝蝕過程來分析：附著在換熱表面上的粒子會受到氣液兩相流流體的剪切力作用，當附著力大于流體對微粒的剪切力時，微粒就會沉積在換熱表面形成污垢，而當附著力小于剪切力時，顆粒就會在剪切力的作用下，隨流體流走。而納米微粒相對于微米顆粒體積小很多，在氣體的擾動下，微米氧化鎂粒子更易于受到擾動而增大所受到的剪切力作用，而由于膠體溶液的自身特性所受的影響相對較小，受到的剪切力的作用也小得多，因而在氣液兩相流中，大尺寸的顆粒污垢更易受到影響而脫離換熱表面。

從以上分析得出，從污垢生成的3個階段來看，納米氧化鎂配置的膠體溶液相對于微米氧化鎂配置的懸濁液來說，由于自身的特殊性導致了有更多機會被輸運到換熱表面且易附著在換熱表面形成污垢，且受到的氣體擾動作用較小，不容易被兩相流體從換熱表面上剝蝕掉。

2.4 單相流和兩相流對不飽和析晶污垢特性影響

本組對比實驗主要研究板式換熱器中不飽和析晶污垢的污垢熱阻特性，所選用的溶質為人工配置的硫酸鈣，通過一定比例的硫酸鈉和氯化鈣進行化學反應，得到濃度為2.0g/L的不飽和硫酸鈣溶液(本實驗中的硫酸鈣溶液在板式換熱器的平均溫度約為40℃，其溶液在40℃時，溶解度為2.56g/L)。通過單向流和氣液兩相流來研究氣相對不飽和硫酸鈣溶液的污垢特性影響。其中氣液兩相流中，氣體的流量為0.10m3/h。實驗結果如圖9所示，從以上實驗結果可以看出，氣液兩相流動的污垢熱阻值明顯小于單向流動的污垢熱阻值，進而說明氣液兩相流動具有一定的抑垢作用。對于不飽和硫酸鈣溶液，其溶質硫酸鈣大多都以鈣離子和硫酸根離子的形式存在，當溶液流經換熱表面會由于濃度的不均勻形成硫酸鈣析出，并沉積在換熱表面上，從而形成析晶污垢，而由于氣體的通入，增強了流體的擾動性，破壞了換熱表面的邊界層，加強了對析晶體的碰撞頻率，增大了對析晶體的剝蝕力，從而減少了析晶體沉積在換熱表面的機會。進而解釋了兩相流動的抑垢原因。

圖9 單相流和兩相流下的不飽和析晶污垢特性

3 結論

3.1 在其他工況一定時，污垢的沉積量隨著含氣量的增大逐漸減小。

3.2 隨著氣泡尺寸的減小污垢沉積量也有所減小，但效果不是非常顯著。

3.3 相同的含氣量情況下，兩相流對粒徑大的顆粒污垢具有更好的抑垢效果。

3.4 兩相流動對不飽和硫酸鈣析晶污垢也具有一定的抑垢效果。

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StudyonGas-LiquidFlowInfluenceonFoulingCharacteristicsofPlateHeatExchangers

BI Qing-sheng1, REN Ping2, LI Deng-chao1
(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,ChangchunInstituteofTechnology;JilinBuildingEnergySupplyandIndoorEnvironmentControlEngineeringResearchCenter; 2.JilinProvincialElectricPowerScienceResearchInstituteCo.,Ltd.)

Through comparative experiments, the gas-liquid flow’s influence on the fouling characteristics of plate heat exchangers was studied. The results show that, the fouling thermal resistance of plate heat exchangers can decrease gradually with the increase of air content and the more air content can incur stronger disturbance and smaller fouling thermal resistance; under the condition of the same bubble content, the small size of the bubbles can bring about better anti-fouling effect.

plate heat exchanger, gas-liquid flow, bubble size, fouling characteristics

吉林省教育廳項目(2015305)；吉林省科技廳項目(20100638)。

畢慶生(1968-)，副教授，從事電站和供熱的熱力系統節能分析方面的研究，bqs6808s@163.com。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)02-0135-06

2016-04-01，

2016-11-10)