1、1污水结垢对换热器换热特性的影响摘要：综述了污垢的生长机理、分类和影响因素，介绍了污垢热阻的物理模型和数学模型，包括沉积模型和剥蚀模型，实验研究了换热器换热时的总传热系数和污垢热阻的变化情况，建立热阻预测模型，阐述分析结果对工程的指导意义。 关键词：污垢；传热系数；污垢热阻 Abstract: This paper reviews the growth mechanism, classification and influence factors of the dirt, introduces the physical model and mathematical model of the d
2、irt thermal resistance, including deposition model and erosion model, studies the overall heat transfer coefficient and the dirt thermal resistance changes in the experiment when the heat exchanger changes, establishes the thermal resistance prediction model, and analyzes the guiding significance of
3、 the results to the project. Key words: dirt; heat transfer coefficient; the dirt thermal resistance 中图分类号：TK529 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 0 引言 所谓污垢是指在与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固2态或软泥状物质，他通常以混合物的形态存在1。普遍存在自然界、日常生活和工业生产过程当中，特别是大型的热力传热过程，换热表面的结垢就形成了污垢热阻，导致换热面总传热系数的下降，从而影响换热性能，也使得换热的热效率降低，结垢的形成，还会减小流道的面积
4、，增大了介质流动的阻力，而且泵的消耗功率也相应增大，结垢严重时甚至会使设备停止运行，带来极大的经济损失。 1 污垢生长机理 管式换热器常见的污垢分为水垢、污泥、腐蚀产物和生物沉积物四种类型。水垢是水中含有过饱和的钙、镁盐类的成分组成，其中以溶解的 Mg(HCO3)、Ca（HCO3）极易受热分解而在换热器管内表面容易附着一层不溶性盐类，具有厚实、结晶紧密、坚硬等特点,常见水垢组成为碳酸钙、镁盐等。污泥是指污水中的悬浮物，比如尘埃颗粒、杂草、碎料、泥沙等，其中有些物质还具有亲水性，容易在换热器管内形成体积庞大、湿而软的片状物，不但对严重影响换热器的换热效果，而且还容易跟其他无机盐和微生物一起形成混
5、合污垢。腐蚀产物主要是换热器管内表面发生了化学反应而产生了腐蚀物，不仅污染换热面，还能促使其他污垢附着于换热器表面而形成混合污垢。生物沉积物主要是指污水中的细菌、藻类等微生物在换热器内生长、繁殖，而在管内表面形成生物黏膜或有机物膜。在管式换热器中，污泥和水垢所占的比例最大、危害最大2。 2 污垢分类 Epstein1把结垢分成了六种类型，由于是按污垢形成的最主要过程的机制分类方法有利于污垢特性的研究和认识，因而很快被国际科技3工程界所接受，六种类型的结垢类型及特征描述见下表 1-1： 表 1-1 结垢类型和结垢特征描述 3 污垢物理模型 城市污水中含有大量杂物，包括各种尺度泥沙类和悬浮纤维类4
6、 ,是一种固液两相，固相多组分流体，微观的流动机理和管内的速度分布是十分复杂的，尤其是污物的尺径分布广，不规则，很难建立精确描述的物理数学模型，考虑到城市污水冷热源系统需要的是污水宏观的流动与换热特性，因此将污水流动视为均质流，将固相污物存在的影响归结到流体粘度特性之中5-6，本文主要研究生活污水作为均质非牛顿流体的流动问题。 4 污垢数学模型 根据 kern 和 seaton1的理论，在污垢的形成过程中，一方面污垢物质会沉积到换热器换热面上，从而增加热阻，另一方换热面上也存在物质被流体冲刷而脱离，使污垢热阻减小的现象。污垢热阻随时间的变化应是这两个现象结果的叠加，所以净结垢速率方程表示为：
7、（1） 式中：是污垢净积存速率，是沉积率，是剥蚀率。污垢的沉积率依赖于结垢的形式，如沉淀、结晶、有机物的形成等等，而污垢的剥蚀率则与污垢的硬度、粘度、管内流速、剪切力等因素有关。 5.换热器结垢监测实验计算方法 4换热器污染状态下的总传热系数可以通过设计工况下的传热方程计算得出。 （2） （3） （4） 公式(2) - (4)中， 单位时间内由管壁传给流体的热量，W； 换热器管内表面积，?； 换热器内冷热流体的平均温差，； 污水进出口温度，； 中介水进出口温度，； 污水进、出口处冷热流体温差，； 流动方式决定的温度修正系数； 水的比压热容，KJ/(kg?K)； 中介水的质量流量， 。 将公式(
8、3)和(4)代入公式(2)中可以得出： （5） 从公式(5)我们可以看出，实验时只要测出中介水的质量流量，冷热流体通过管式换热器进出口的温度，就可以通过公式计算出管式换热器内的传热系数，进而计算出换热器内的污垢热阻。本实验就是根据此原理对换热器结垢情况进行实验。 7.实验分析 系统间歇运行，运行 5 天左右，换热量、总传热系数和污垢热阻达5到动态平衡，实验结果分析如下： (1) 换热温差随实验次数变化关系 污水在换热过程中，由于污水的结垢形成热阻，对换热器的换热就会产生影响，换热器热水污水进出口温差关系见图 1。 图 1 换热温差随时间变化关系图 从图 1 我们看出，由于污水结垢，污水热水的换
9、热温差都逐渐减小，热水温差从 7.82最终降到 5左右，而污水温差从 4.34降到 3左右，换热温差由于污垢热阻的形成逐渐减小，污水换热温差大于 3。 换热量与总传热系数随实验次数变化关系 换热量与总传热系数随实验次数变化关系见图 2。 图 2 换热量与总传热系数关系图 从图 2 可以看出，换热量与总传热系数随时间呈现一种动态下降的过程，主要是污垢结垢过程中出现动态的附着与剥蚀的过程，换热量从6500W 最后下降到 4500W 左右，总传热系数从 364.58W/m2?下降到280W/m2?左右，最终在 280W/m2?左右波动。 (2) 总传热系数与污垢热阻随实验次数变化关系 换热器的总传热
10、系数的变化大小，主要取决于污水结垢热阻的大小，总传热系数与污垢热阻关系见图 3。 图 3 总传热系数与污垢热阻关系图 6从图 3 可以看出，开始时，污垢热阻经历一个孕育期，随着换热时间的推进，换热器内表面粗糙度的动态增大，污垢热阻也随着动态增大，总传热系数逐渐减小，从 364.58W/m2?下降到 280W/m2?左右，污垢热阻最终在 8.2810-4m2?/W 左右波动，污垢热阻总体呈 S 型渐进增长趋势。 (3) 换热量与污垢热阻随实验次数变化关系 换热器换热量与污垢热阻的关系见图 4。 图 4 换热器换热量与污垢热阻关系图 从图 4 可以看出，在相同工况下，换热器的换热量随着污垢热阻动态
11、变化也出现动态的变化，随着污垢热阻的逐渐增大，换热量逐渐的减小，从 6500W 最后下降到 4500W 左右，最终也保持一种动态的平衡。 (4) 换热器洁净系数随实验次数变化关系 换热器在运行过程中，污垢在换热管内表面经历从孕育期到动态恒定的一个过程，换热器内表面不断地受到动态的污染，洁净系数越小，污染越严重，其换热能力越差，直接影响着整个系统的换热效率，换热器的洁净系数见图 5。 图 5 换热器换洁净系数随时间关系图 从图 5 可以看出，换热器的洁净面积从开始的洁净状态，最后下降到初始洁净状态的 67%左右，67%的洁净状态点也为污垢热阻动态的平衡点。 7(5) 换热器冗余面积与污垢热阻随实
12、验次数变化关系 由于污水的结垢，污垢热阻的增大，总传热系数的较小，使得换热器的换热性能有所降低，在实际过程中，一般都要求换热器换热面受污染后，其换热量仍维持不变，就需要增大一部分的换热面积，要使污染后的换热器仍维持起始洁净状态下的换热量，其冗余面积与污垢热阻见图 6。 图 6 冗余面积与污垢热阻关系图 从图 6 可以看出，冗余面积也随污垢热阻呈 S 型渐进性动态增长，在运行第 5 天时，污垢热阻达到最大值，维持换热量所需的冗余面积也达到最大值，污垢热阻的大小能直接影响维持换热量所需冗余面积的大小。 (6) 洁净系数与冗余面积随实验次数变化关系 洁净系数与冗余面积的大小均能反应换热器受污染的程度
13、，两者的关系见图 7。 图 6-15 洁净系数与冗余面积关系图 综合图 6 和图 7 可以看出，污垢热阻越大，洁净系数越小，维持换热量所需的冗余面积就越大，污垢热阻、洁净系数以及冗余面积均能反应换热器受污染的程度。 (7) 生活污水结垢预测模型 污水源热泵在运行 120h 左右后污垢热阻渐趋动态平衡，平衡点8280W/m2?左右，生活污水结垢热阻预测模型为： 8.结论 换热器在运行过程中，总的传热系数不断下降，污垢热阻不断增大，最终都达到一个动态的稳定值。污垢的形成还要经历一个诱导孕育期，呈 S 型渐进增长，其曲线变化为渐进型，为沉积和剥蚀两种动态过程共同作用的结果。 参考文献： 1杨善让，徐志明，孙灵芳.换热设备污垢与对策M. 北京：科学出版社，2004. 2徐莹，李鑫，伍悦宾，孙德兴.污水源热泵系统中换热器污垢热阻的实验研究J.暖通空调,2009,39(5)：67-71. 3朱冬生，钱颂文，马小明，孙萍，罗小平，王杨君.换热器技术与进展M.北京：中国石化出版社，2008. 4周彤编.污水回用与决策M.北京：化学工业出版社，2002. 5王光谦.固液两相流基本理论及其最新应用M.北京：科学技术出版社，1992. 6刘大有.关于两相流，多相流，多流体模型和非牛顿流等概念的探讨J.力学进展，1994，24(1):66-74.
