原生污水源熱泵換熱器流態(tài)化在線除垢與磨損實(shí)驗(yàn)的研究

馬廣興，徐 健，潘晨曉，徐騰蛟

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)試驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

利用可再生能源既可降低暖通空調(diào)能耗，又可減少碳排放[1]～[3]。城鎮(zhèn)原生污水是熱泵的理想低品位熱源，污水源熱泵可以從污水中提取廢熱，實(shí) 現(xiàn)“變 廢 為 寶”[4]～[9]。在 實(shí) 際 應(yīng) 用 過(guò) 程 中，無(wú) 法 避免污水源熱泵換熱器（以下簡(jiǎn)稱為污水換熱器）結(jié)垢問(wèn)題，污水換熱器結(jié)垢不僅降低了系統(tǒng)的換熱效率，還會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和初期投資，因此，有效去除污水換熱器換熱表面的污垢極 為 重 要[10]～[13]。

污水換熱器內(nèi)污垢的主要成分為有機(jī)物形成 的 軟 垢 和 少 量 無(wú) 機(jī) 垢[14]，[15]。 目前 ，工 程 應(yīng) 用中污水換熱器除垢方法以停機(jī)人工清洗為主，這種方法存在影響系統(tǒng)連續(xù)供熱、工程量大且人工費(fèi)用較高等問(wèn)題，因此，這種方法終將被自動(dòng)除垢法替代。流態(tài)化在線除垢法是通過(guò)向結(jié)垢的污水換熱器內(nèi)注入固相顆粒，在液相的流速達(dá)到固相顆粒的流化流速后，固相顆粒隨液相在管道內(nèi)流動(dòng)，通過(guò)碰撞和剮蹭污垢對(duì)污水換熱器進(jìn)行除垢[16]。流態(tài)化在線除垢法能夠?qū)崿F(xiàn)在不停機(jī)的情況下，對(duì)污水換熱器進(jìn)行除垢，保證系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化除垢的有效途徑。流態(tài)化在線除垢法的不足為固相顆粒會(huì)對(duì)換熱管造成磨損，降低了污水換熱器的使用壽命。目前，已有許多學(xué)者對(duì)污水源熱泵在線除垢進(jìn)行了研究，并在固相顆粒粒徑、流化流速和體積分?jǐn)?shù)等因素對(duì)污水換熱器除垢的影響方面取得了一定成果[17]～[19]。但關(guān)于流態(tài)化在線除垢法對(duì)換熱管磨損的研究較少。本文在搭建自制污水換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，以河沙和聚四氟乙烯材質(zhì)的粒子作為流化除垢的固相顆粒，研究了不同體積分?jǐn)?shù)下，2種固相顆粒的除垢效果和對(duì)換熱管的磨損程度。本文研究為污水換熱器流化除垢提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 污垢附著理論

污垢的形成是在污垢粒子附著與脫落兩種過(guò)程疊加作用下動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，據(jù)此，D Q Kern提出了污垢的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)模型為[20]。

式中:Rf為凈結(jié)垢速率；φd為污垢附著速率；φr為污垢剝蝕速率。

φd的影響因素主要為污垢種類；φr的影響因素為污水的循環(huán)流速、水質(zhì)以及結(jié)垢能力。增大污垢所受剪切力可以增大污垢脫落速度。可以通過(guò)增大流速或加入固相顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)污垢所受剪切力的增加，但增大流速會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行能耗增大和降低污垢熱阻的閾值，抑垢效果并不理想。在流體中加入固相顆粒，使固相顆粒在管道內(nèi)做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污垢的碰撞、剮蹭，這樣可以有效增大污垢層所受剪應(yīng)力和碰撞應(yīng)力，破壞并減小流體流動(dòng)邊界層厚度、降低邊界層熱阻，增大對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)而增強(qiáng)換熱效果。

根據(jù)污垢生長(zhǎng)特性，將污垢生長(zhǎng)分為3個(gè)階段，分別為誘導(dǎo)期、生長(zhǎng)期、漸近期。誘導(dǎo)期處在污垢形成早期，該時(shí)期，換熱管內(nèi)壁光滑、污垢熱阻附著力較小、污垢熱阻低、熱阻占比小，在誘導(dǎo)期投入固相顆粒意義不大。生長(zhǎng)期，污垢逐漸布滿換熱管內(nèi)壁，導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)壁面粗糙度增大，此時(shí) φd＞φr，污垢附著力增強(qiáng)。生長(zhǎng)期污垢生長(zhǎng)較快，污垢熱阻增長(zhǎng)快速且不穩(wěn)定。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，各污水換熱器的構(gòu)造存在差異，導(dǎo)致難以把握在生長(zhǎng)期投入固相顆粒的時(shí)機(jī)，且操作難度較大。漸進(jìn)期，污垢垢層厚度不再增加，污垢熱阻穩(wěn)定且阻值最大。與誘導(dǎo)期和生長(zhǎng)期相比，在漸進(jìn)期對(duì)污水換熱器除垢所需的除垢時(shí)間間隔較長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中易于實(shí)現(xiàn)，因此，本文選擇在漸近期對(duì)污水換熱器進(jìn)行除垢。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與水樣

為了使固相顆粒更易流化且在換熱管內(nèi)分布均勻，實(shí)驗(yàn)中選用粒徑為2～3 mm的河沙和聚四氟乙烯作為固相顆粒，固相顆粒的物性參數(shù)如表1所示。

表1 固相顆粒的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of solid particles

化糞池流出的原生污水中，溶解性固體和懸浮物的含量較高，易于結(jié)垢。實(shí)驗(yàn)選取了某高校家屬區(qū)的生活污水作為實(shí)驗(yàn)水樣，污水的化學(xué)需氧量為301 mg/L，生化需氧量為216 mg/L，pH值為6.75，溶解性固體的濃度為33.8 mg/L，懸浮物的濃度為13 mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置和運(yùn)行流程

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由自制污水換熱器、高溫水浴、低溫水浴、自制固液分離器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多通 道 溫 度 熱 流 測(cè) 試 儀（JTNT-C，-50～120°C，±0.2°C）和 熱 電 偶（-200～200℃，±0.1°C）組 成，用 于 對(duì)各測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。高、低溫水浴（HWY30，5～95°C，±0.1°C）分 別 用 于 控 制 污 水 和清水溫度。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experiment system

污水換熱器內(nèi)換熱管為鍍鋅鋼管，換熱面積為0.66 m2，自制固液分離器的容積為5 L。污水（高溫）在換熱管內(nèi)循環(huán)，清水（低溫）在換熱管外循環(huán)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理為污水換熱器結(jié)垢完成后，關(guān)閉污水循環(huán)泵，由固液分離器上方注入固相顆粒；固相顆粒注入完成后，開(kāi)啟污水循環(huán)泵，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，開(kāi)啟固液分離器下方的閥門，固相顆粒依靠自身重力沿固液分離器下方沉降管下降，并與來(lái)自高溫水浴的污水混合后被吸入污水循環(huán)泵，再次進(jìn)入污水換熱器進(jìn)行除垢；除垢完成后，含有固相顆粒的污水進(jìn)入固液分離器，固相顆粒在固液分離器中依靠重力作用螺旋下降至沉降管，分離后的污水由固液分離器上部排出，經(jīng)高溫水浴控溫后，與沉降管中的固相顆粒混合，實(shí)現(xiàn)固相顆粒在系統(tǒng)中的循環(huán)，從而達(dá)到在線除垢的目的；除垢結(jié)束后，關(guān)閉固液分離器下方閥門，固相顆粒被回收在固液分離器中，污水換熱器繼續(xù)正常運(yùn)行。

1.4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及測(cè)量方法

在實(shí)驗(yàn)中，操作參數(shù)包括添加的固相顆粒的體積百分?jǐn)?shù)和類型。目標(biāo)參數(shù)為污水換熱器的換熱系數(shù)、污垢熱阻和換熱管的磨損面積比。污水換熱器換熱系數(shù)表達(dá)式為

式 中:C為 清 水 的 比 熱 容，J/（kg·K）；M為 清 水 側(cè)的質(zhì)量流量，kg/s；Δt1為清水側(cè)出口與進(jìn)口的溫差，℃；K為 污 水 換 熱 器 的 換 熱 系 數(shù)，W/（m2·K）；A為污水換熱器的換熱面積，m2；Δtm為換熱器的對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

污垢熱阻的計(jì)算式為[21]

式 中:Rf為 污 染 狀 態(tài) 下 的 污 垢 熱 阻，m2·K/W；Kf為污染狀態(tài)下污水換熱器的總換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Kc為清潔狀態(tài)下污水換熱器的總換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

污水側(cè)和清水側(cè)的循環(huán)流量通過(guò)量筒-時(shí)間測(cè)量法多次測(cè)量后取平均值得出。實(shí)驗(yàn)中布置的熱電偶測(cè)點(diǎn)與多點(diǎn)巡回儀，用于記錄污水側(cè)進(jìn)、出水溫度和清水側(cè)進(jìn)、出水溫度。

流速是流態(tài)化除垢的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)污水的流速低于固相顆粒的流化流速時(shí)，將導(dǎo)致固相顆粒分布不均且沉積在換熱管底部；當(dāng)污水的流速過(guò)大時(shí)，固相顆粒的回收增益不明顯，對(duì)換熱管的磨損加劇，系統(tǒng)運(yùn)行電耗和設(shè)備初投資增大。基于流速與固相顆粒回收率的關(guān)系，綜合考慮實(shí)際工程中污水換熱器內(nèi)污水的流速范圍，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定污水的流速為1.2 m/s，實(shí)測(cè)固相顆粒回收率可達(dá)到96%[17]。原生污水中微生物的最佳繁殖溫度為30～40℃，當(dāng)溫度為35℃左右時(shí)，微生物繁殖速度接近峰值，為使污水中微生物活性保持在較高水平，從而使換熱管內(nèi)壁污垢獲得較快的累積速度，實(shí)驗(yàn)設(shè)定污水的進(jìn)水水溫為35℃，清水溫度為30℃[22]。

在固相顆粒與結(jié)垢壁面碰撞、污垢剝離的過(guò)程中，不可避免地會(huì)對(duì)換熱管造成磨損。將換熱管內(nèi)壁面的點(diǎn)狀和條狀劃痕視為固相顆粒與換熱管碰撞所造成的磨損，深度≤0.03 mm的劃痕的面積不計(jì)入磨損面積中。磨損面積比為換熱管內(nèi)壁面被磨損的面積與換熱管內(nèi)壁面總面積的比值。由于換熱管被磨損部分多以線條、溝槽形式出現(xiàn)，且形狀不規(guī)則，因此，采用微元累加的方法對(duì)磨損面積進(jìn)行計(jì)算。本文將換熱管沿軸向分為n份，第i份換熱管的軸向長(zhǎng)度為 ΔLi，磨損面積比SWAR的計(jì)算式為

式 中:SWeararea為 換 熱 管 內(nèi) 壁 面 被 磨 損 面 積 ，m2；STubearea為換熱管內(nèi)壁面的總面積，m2；d為換熱管內(nèi)徑，m；L為換熱管的軸向長(zhǎng)度，m；Xi為第i個(gè)ΔLi所對(duì)應(yīng)換熱管內(nèi)壁面上的累加磨損寬度，m。

ΔLi的計(jì)算式為

式中:Yij為對(duì)應(yīng)于 ΔLi換熱管上第j個(gè)磨損區(qū)域的徑向?qū)挾龋琺。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固相顆粒對(duì)污水換熱器污垢的去除效果

在污水換熱器結(jié)垢工況進(jìn)入漸進(jìn)期后，向污水換熱器注入固相顆粒，用于進(jìn)行除垢實(shí)驗(yàn)。在污水流速為1.2 m/s的工況下，利用體積分?jǐn)?shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒，進(jìn)行了4組除垢實(shí)驗(yàn)，污水換熱器的換熱系數(shù)和污垢熱阻如圖2所示。由圖可知，污水換熱器結(jié)垢穩(wěn)定后，在4組除垢實(shí)驗(yàn)中，污水換熱器的起始換熱系數(shù)分別為774.57，794.71，816.26，731.51 W/（m2·K），污 垢 熱 阻分 別 為5.50×10-4，5.16×10-4，4.83×10-4，6.26×10-4m2·K/W；向污水換熱器中加入體積分?jǐn)?shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒后，污水換熱的換 熱 系 數(shù) 分 別 提 升 至1 070.98，1 110.33，1 002.12，1 015.82 W/（m2·K），污 垢 熱 阻 分 別 降 低 至1.93×10-4，1.60×10-4，2.57×10-4，2.44×10-4m2·K/W。與 除垢前相比，污水換熱器的換熱系數(shù)分別提升了38.27%，39.72%，22.77%和38.87%，污垢熱阻分別降低了64.91%，68.99%，46.79%和64.21%。

圖2 不同工況下污水換熱器換熱系數(shù)及污垢熱阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results of heat transfer coefficient and fouling resistance of sewage heat exchanger under different working conditions

由圖2還可以看出，在不同體積分?jǐn)?shù)工況下，2種固相顆粒均可對(duì)污水換熱器除垢，且除垢效果明顯。體積分?jǐn)?shù)為5%的沙粒作為除垢粒子時(shí)，污水換熱器換熱系數(shù)的提升幅度最大；聚四氟乙烯顆粒的除垢效果稍弱于沙粒。這是由于沙粒形狀為不規(guī)則多面體，在與垢層碰撞過(guò)程中，沙粒的棱角能夠插入垢層，將污垢從垢層中剝離，而聚四氟乙烯顆粒成餅形，對(duì)垢層的剮蹭作用弱于沙粒。同時(shí)，沙粒的硬度高于聚四氟乙烯顆粒，沙粒去除換熱管內(nèi)壁面附著的無(wú)機(jī)垢能力強(qiáng)于聚四氟乙烯顆粒，因此，除垢穩(wěn)定階段的污垢熱阻沙粒實(shí)驗(yàn)低于聚四氟乙烯顆粒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中污垢熱阻波動(dòng)較大，這是由于在除垢前，污垢的沉積和剝蝕達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，表層污垢較為光滑。加入固相顆粒后，污垢的剝蝕速率增大，在垢層未達(dá)到疲勞度閾值前，污垢脫落主要依靠固相顆粒對(duì)污垢的剮蹭。表層污垢被剮蹭后露出粗糙度較高的老化污垢，使污垢的沉積速率上升，導(dǎo)致污垢的凈沉積速率不穩(wěn)定，因此，在除垢期間，污垢熱阻呈下降趨勢(shì)，但波動(dòng)劇烈。

流態(tài)化除垢是通過(guò)固相顆粒碰撞垢層，使垢層達(dá)到疲勞度閾值，促使污垢脫落的綜合結(jié)果。在固相顆粒與垢層接觸的過(guò)程中，固相顆粒在垢層的徑向和軸向上均發(fā)生了位移。固相顆粒在垢層徑向上的位移可以加快垢層達(dá)到疲勞度閾值，從而促使污垢脫落；固相顆粒在垢層軸向上發(fā)生位移的過(guò)程中，通過(guò)剮蹭表面垢層，除去一部分污垢。

2.2 固相顆粒對(duì)換熱管的磨損

固相顆粒對(duì)污水換熱器進(jìn)行除垢時(shí)，也會(huì)對(duì)換熱管造成磨損。在長(zhǎng)期對(duì)污水換熱器進(jìn)行除垢的過(guò)程中，除垢效果越好，對(duì)換熱管的磨損越大。體積分?jǐn)?shù)不同的固相顆粒對(duì)換熱管的磨損情況如圖3所示。

圖3 固相顆粒對(duì)換熱管的磨損情況Fig.3 Wear of solid particles in exchange for heat exchange tube

在4組除垢工況下，對(duì)換熱管的磨損面積比進(jìn)行計(jì)算，體積分?jǐn)?shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯作為除垢粒子時(shí)，換熱管的磨損面積比分別 為17.72%，46.37%，2.45%，4.1%。綜 上 可 知，沙粒對(duì)換熱管的磨損程度大于四氟乙烯顆粒。這是由于沙粒較聚四氟乙烯顆粒的硬度大，且沙粒的形狀為不規(guī)則多面體，具有尖銳的棱角，在污垢除凈后易對(duì)換熱管產(chǎn)生磨損，而聚四氟乙烯顆粒具有一定彈性，表面光滑，不易對(duì)換熱管產(chǎn)生磨損。

由圖2，3可知，采用沙粒作為固相顆粒時(shí)，污垢熱阻低于2.0×10-4m2·K/W，采用聚四氟乙烯作為固相顆粒時(shí)，污垢熱阻高于2.4×10-4m2·K/W。沙粒的除垢效果優(yōu)于聚四氟乙烯顆粒，但沙粒對(duì)換熱管的磨損較嚴(yán)重。體積分?jǐn)?shù)為3%的沙粒和5%的沙粒對(duì)污水換熱器換熱系數(shù)的提升效果相近，但對(duì)換熱管的磨損面積比相差較大；體積分?jǐn)?shù)為3%的沙粒和5%的聚四氟乙烯顆粒對(duì)污水換熱器換熱系數(shù)的提升效果相近，但體積分?jǐn)?shù)為3%的沙粒作為除垢粒子時(shí)換熱管的磨損面積比遠(yuǎn)大于體積分?jǐn)?shù)為5%的聚四氟乙烯顆粒。因此，采用流態(tài)化在線除垢法對(duì)污水換熱器進(jìn)行除垢時(shí)，推薦使用體積分?jǐn)?shù)為5%的聚四氟乙烯顆粒作為固相顆粒。

3 結(jié)論

本文采用模型實(shí)驗(yàn)的方法，研究了流態(tài)化在線除垢法對(duì)原生污水源熱泵換熱器的除垢效果和對(duì)換熱管的磨損程度，主要結(jié)論如下。

①在流速為1.2 m/s的工況下，體積分?jǐn)?shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒均能對(duì)結(jié)垢污水換熱器進(jìn)行除垢。與除垢前相比，體積分?jǐn)?shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒使污水換熱器的換熱系數(shù)分別提升了38.27%，39.72%，22.77%和38.87%；同時(shí)，除垢工況結(jié)束時(shí)，污垢熱阻 分 別 為1.93×10-4，1.60×10-4，2.57×10-4，2.44×10-4m2·K/W。以沙粒作為除垢粒子時(shí)，污垢熱阻明顯低于以聚四氟乙烯顆粒作為除垢粒子的工況。采用流態(tài)化除垢方法能夠強(qiáng)化污水換熱器的換熱能力，沙粒對(duì)污水換熱器的除垢效果優(yōu)于聚四氟乙烯顆粒。

②在流速為1.2 m/s的工況下，體積分?jǐn)?shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒對(duì)換熱管內(nèi)壁面的磨損面積比分別為17.72%，46.37%，2.45%和4.1%。

③在粒徑為2～3 mm的工況下，綜合考慮不同體積分?jǐn)?shù)下兩種固相顆粒的除垢效果，以及對(duì)換熱管的磨損程度，推薦使用體積分?jǐn)?shù)為5%的聚四氟乙烯顆粒對(duì)污水換熱器進(jìn)行除垢。