板式换热器运行参数影响结垢的权重及机理分析

徐志明，李 煜，郭进生，张仲彬

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

板式换热器运行参数影响结垢的权重及机理分析

徐志明，李 煜，郭进生，张仲彬

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

对比实验研究了不同工况 (冷却水入口温度、流速)下板式换热器松花江冷却水污垢特性，将污垢热阻与这两种运行参数进行了灰色关联分析，并就运行参数对其结垢的影响逐一作了机理分析。结果表明:板内污垢为析晶、生物等污垢共同组成的混合污垢，呈渐近型增长且无诱导期;冷水入口温度比流速更影响结垢;结垢机理为:冷水入口温度的提升，强化了污垢的附着、削弱了污垢层的脱除，结垢由对流传质和表面反应共同控制，低流速以对流传质为主，高流速以表面反应为主;流速对污垢剥蚀的影响强于沉积，故流速增加，净结垢量减少，污垢增长率减小。

板式换热器;冷水入口温度;流速;权重;结垢机理

0 引言

板式换热器 (PHE)是压制有波纹形状的金属板片叠装而成的一种新型高效换热器，目前广泛应用于电力、化工、冶金、纺织等国民经济重要行业［1］。冷却水系统作为工业流程中不可或缺的部分，其用水量占整个工业用水量的90%以上［2］。而冷却水中成分复杂，杂质众多，其在循环运行中极易在换热面上沉积，据统计，95%以上的板式换热器均有结垢问题［3］，且污垢使传热性能恶化，流动阻力增大，并加速设备腐蚀和损坏被广泛认同［4～6］。史琳等［7］实验研究板式换热器内城镇二级出水混合污垢发现污垢与出水成分密切相关。徐志明等［8］用偏最小二乘法对板式换热器冷却水污垢作了回归预测，预测模型精度高，与实验结果最大相对误差在5.11%以内。Bani Kananeh等［9］对大量的涂层与表面处理技术进行了试验，研究发现聚亚安酯涂层和电抛光板式换热器的在线清洗时间分别比标准的不锈钢板式换热器缩短80%和70%。徐志明等［10］实验研究了松花江水浊度等四种水质参数对板式换热器污垢的影响发现松花江水污垢呈渐近增长且无诱导期，各水质参数互相影响。

以上研究均着眼于换热器结构或水质等影响因素对污垢的影响，且未从中找出主要影响因素。基于此，采用灰色关联分析方法找出了不同流速与流体温度下影响板式换热器结垢的主要运行参数，可为板式换热器的安全高效运行提供参考;并就流速与温度这两种运行参数对换热器结垢的作用机理逐一作了分析。

1 实验系统、原理及结果

1.1 实验系统

如图1所示，实验系统主要包括板式换热器、加热系统、冷却系统和数据采集系统四部分。加热系统由温控仪和三相动力电加热器构成，用来加热热水箱中的除盐水并维持其温度基本恒定。冷却系统主要包括散热器、空冷水箱、空冷循环水泵和换热扇用以维持冷水工质 (松花江水)入口温度大致稳定。实验所用板式换热器的型号是 BR0.015F，其板片尺寸参数如表1所列。数据采集系统的构件有:4个Pt100铂热电阻、2个EJA110智能式压差计、电磁或涡轮流量计各1个和1个Eastfar数据采集器。

表1 板式换热器尺寸参数Tab.1 Size parameters of the plate heat exchanger

图1 实验系统图Fig.1 Experimental setup

实验过程:水泵抽送冷水箱中的松花江水经电磁流量计与流量平衡阀流入换热器与从热水箱中经水泵抽送出的除盐水进行换热，升温后的松花江水流回冷水箱被冷却系统冷却，如此循环反复。为调控回路的流量及压差，开设旁通阀于电磁流量计之前。

1.2 实验原理

板式换热器总的换热量

式中:φ1，φ2分别为热、冷流体的放、吸热量，W。

总传热系数

式中:K0为清洁状态下的总传热系数，W·m－2·K－1。

1.3 实验结果

表2为动态监测的不同流速v、冷水入口温

式中:A为换热面积，m2;ψ为温差修正系数，取0.967;cp1、cp2分别是热、冷流体的比定压比热容，kJ·kg－1·K－1;qml1、qml2分别是热、冷流体的质量流量，kg·s－1;t'1、t″1分别是热流体的入、出口温度，K;t'2、t″2分别是冷流体的入、出口温度，K;Δtm是热、冷流体的对数平均温差，K。

依据污垢热阻法［11］便可算得污垢热阻度t'2下结垢过程中的15组污垢热阻值。23.08 0.104 2.921 796 35.687 0.104 2.895 53 34.961 0.104 3.505 27 35.137 0.104 3.627 79

表2 不同工况下的污垢热阻Tab.2 Fouling resistances in different operating conditions

2 污垢热阻与运行参数的灰色关联分析

由于板式换热器污垢热阻与运行参数之间存在着某种相似或相异关系，为衡量其关系远近程度 (即:灰色关联度)，故采用邓聚龙教授于20世纪80年代创立的灰色系统理论中的灰色关联分析方法［12］来进行分析、建模。其基本原理为

假定有n个比较时间序列组 {X10(t)}，{X20(t)}，…，{Xn0(t)}(t=1，2，…，N)，N为各序列的长度，即数据个数。另设参考时间序列 {X00(t)}(t=1，2，…，N)。两者进行灰色关联分析的具体步骤如下:

(1)将原始数据进行标准化变换:常用的方法有均值化变换、初值化变换和标准化变换3种方法。

(2)计算关联系数:在 t=k时刻输入序列{X0(k)}与输出序列 {Xi(k)}的关联系数可由下式计算:

式中:γ0k为输入与输出的关联度。

(4)进行关联度排序。

(5)排列关联度矩阵:设有 m个母序列{Y1}，{Y2}，…，{Ym}(m≠2)及n个子序列{X1}，{X2}，…，{Xn}(n≠1)，则各子序列对母序列有关联度 ［γi1，γi2，… ，γin］，将 γij(i=1，2，3…，m;k=1，2，3，… ，n)作适当地排列，便可得关联度矩阵，用以建模或决策。

选取表2中的污垢热阻 (Y)为输出序列因子，冷水入口温度t'2(X1)、流速v(X2)这2个因子为输入序列因子;采用 Z-Score标准变换法对采集的数据样本进行变换，即先求出变量数据的均值和标准差S，然后用变量值X减去其均值，再除以其标准差，变得标准化后的值。经计算可得输出因子Y与各输入因子的关联度分别为:γ1=0.600 8，γ2=0.552 8;关联序为 X1＞X2;关联矩阵为 ［0.600 8 0.552 8］。

灰色关联度排序意味着影响权重的大小排序，由以上的灰色关联分析可知，在这两种运行参数中，最影响板式换热器松花江冷却水结垢的为冷水入口温度，流速对其影响相对较小。

因此，在板式换热器的运行过程中应该特别关注冷却水的入口水温，水温对碳酸盐析晶污垢和生物污垢有很大的影响。

3 运行参数影响板式换热器结垢的机理分析

松花江水在板式换热器内循环流动运行一个周期 (约155 h)后，在板片上形成桔黄色的污垢，其结垢前后的对比照片如图2所示。图3对比了冷却水入口流速为0.104 m/s时的渐近污垢热阻值与TEMA推荐值。本实验中冷却水渐近污垢热阻值数量级为10－5，小于TEMA推荐值 (10－4)，补充了国内板式换热器的冷却水污垢数据。

3.1 冷水入口温度对污垢的影响

图2 结垢前后的板片对比Fig.2 Contrast of the plate before＆after fouling

图3 污垢热阻与TEMA推荐值比较Fig.3 Contrast of fouling resistance and TEMA recommendation

冷却水入口温度对板式换热器结垢的影响，如图4所示。从图中可知，板式换热器松花江冷却水污垢无诱导期，缘于该水系中有一定量的微生物污泥等杂质。在流速一定时，三种不同水温条件下的污垢增长规律均为渐近型。其中冷却水入口温度约为28℃时渐近污垢热阻最大，结垢量最大，而水温为20℃和35℃左右时结垢量比之前者要小一些且35℃左右水温时的结垢速率和渐近污垢热阻值均略大于20℃左右水温时的。之所以出现该种情形，原因在于该循环冷却水系在运行过程中主要生成了微生物污垢、反溶解度盐析晶污垢、颗粒污垢和铁的腐蚀污垢这四种污垢。

首先，因为松花江水中溶有较充足的无机盐和氧气，且大部分微生物适宜在25～30℃之间大量繁殖，而冷却水入口温度28℃恰好处于此温度区间，故水中含有大量的微生物。经换热器持续换热，冷水温度逐步上升，水中的 Ca(HCO3)2等不稳定性无机盐受热分解成难溶性盐分且CaCO3等难溶性盐分本身就因水温升高而更难溶于水中，溶液的过饱和度瞬间剧增，故从水中析出以致水中溶解盐分显著减小;同时，水温上升以及好氧型微生物大量吸耗氧气而使得水中溶解氧也锐减，二者共同加剧了微生物死亡而以微生物污垢的形式大量沉积于换热表面，污垢热阻随之剧增。

其次，水温的上升增大了主流溶液中的离子的活化能和扩散速度，质量传递系数随之增大，成垢离子向换热壁面的输运增强，生成CaCO3等难溶性和CaSO4等微溶性盐分的化学反应速率加快，晶核碰撞的机率也增大，使得前述的具有反向溶解度盐分的介稳区明显变窄，产生沉淀需要的浓度随之降低，结晶速率增大，在换热表面以析晶污垢形式沉积的量逐渐增多，污垢热阻增大。同时，水温的上升，堆积于换热面的大量析晶越来越多，晶粒增长、粒径增大，形成颗粒污垢的量随之增多，也会造成污垢热阻的增大。此外，随着水温的上升，一方面析晶和颗粒污垢的附着强度逐渐增大;另一方面，其剥蚀强度却被随之削弱。总的说来，该过程是对流传质和表面反应共同控制着析晶和颗粒污垢的生成与增多。

再次，起初主流溶液中溶氧充分，板片孔隙处与棱上与氧接触的机会因水温上升引发物质输运速度加快而增多，水中因含有一定量的氯，便加速了作为板片材质的铁的吸氧电化学腐蚀。一部分作为板片材质的铁最终被腐蚀成红褐色的Fe(OH)3腐蚀污垢在换热面上沉积下来，也使得污垢热阻增大了。

图4 冷水入口温度对污垢的影响Fig.4 Inlet temperature of cooling water’s influence on fouling

3.2 流速对污垢的影响

如图2所示，板片内流动为单边流，即:冷却水从左下侧流入，再从左上侧流出，便形成了低速区与高速区。低速区 (出口相对于入口为低速区;右侧相对于左侧为低速区)水流对污垢的剪切力小、净结垢量大;高速区则相反。

流速影响结垢是污垢沉积和污垢剥蚀两方面共同作用的结果。绝大多数研究发现，不论什么类型的污垢，总的净结垢量均随流速的增大而减少。

再从图5可知，当冷水入口温度恒定时，随着流速的增加，板式换热器表面结垢量减少。通过分析，可从两方面探讨流速变化影响换热器表面的结垢过程:一方面，流速的提升加快了冷却水中成垢离子向换热器表面的扩散，析晶污垢的沉积速率随之增大;并且加大流速会延长粒子的无因次弛豫时间，于是由扩散－惯性机制控制的晶粒输运速度随之增大，便导致颗粒污垢沉积速度的同时增大;此外，流速的提升，也加快了板片的孔蚀和微生物的增殖，导致腐蚀污垢和微生物污垢的增多。另一方面，相比低流速而言，高流速具有更大的壁面剪切应力，削弱了沉降物粒子的附着力，这些疏松的沉降物便从换热表面逐渐脱落于水中。总的来说，流速增加的结果导致污垢脱除大于沉积，污垢剥蚀率大于沉积率，污垢净存速率随之减小，污垢净结垢量减少。此外，流速的增大还使得污垢导热系数与其密度的沉积随之增大，因而污垢热阻随之减小。

图5 流速对污垢的影响Fig.5 Flow velocity’s influence on fouling

从图5中还可看出:当流速从0.104 m/s增到0.201 m/s时，结垢量减少幅度较大，再从0.201 m/s增至0.301 m/s时，减少的幅度较小。原因在于:0.201 m/s的流速产生的壁面剪切应力已足以脱除疏松的沉降物，再加大流速，换热表面的污垢减少量将不再明显;另外，充足的盐分和氧气随着流速的提升而更易输运到壁面，加快了附着其上的微生物的生长与繁殖。然而，提升流速的同时也提高了泵的功率消耗，加大了泵的运行成本。在一定范围内加大流速可抑制换热面结垢，如若超出范围，再用此方法来抗垢显然不经济。

再就是，以流速0.104 m/s为例，实验中只能维持换热器冷水入口流速0.104 m/s不变，由于板片间距只有几毫米，冷水污垢层因持续换热而逐步增厚，局部流速可能会远远大于入口流速(如图2所示)，使壁面剪切应力越来越明显，于是便抑制了污垢的再增长，图5表现了污垢的渐近型增长规律。总体而言，不同流速下达渐近污垢热阻值的时间大致相同，说明本实验中流速大小并未对污垢达渐近值的时间产生多少影响。

4 结论

通过对比实验研究板式换热器不同松花江冷却水入口温度、流速的污垢特性，得出以下结论:

(1)基于对污垢热阻与运行参数的灰色关联分析，分析出了冷水入口温度、流速对结垢的影响权重，前者为主要影响因素，后者次之，因此在板式换热器运行过程中应严格控制冷水入口温度，最好在35℃以上。

(2)板式换热器松花江冷却水污垢无诱导期，呈渐近型增长，渐近污垢热阻值数量级为10－5，小于 TEMA推荐值。污垢类型为析晶污垢、颗粒污垢、微生物污垢和腐蚀污垢共同组成的混合污垢。

(3)分析出了运行参数影响其结垢的机理:冷水入口温度的提升，强化了析晶、颗粒等污垢的附着、削弱了垢层的脱除，结垢过程由对流传质和表面反应共同控制，低流速条件下，对流传质为主，高流速条件下，表面反应为主;流速对污垢剥蚀的影响强于沉积，因而流速增加，总体上结垢量减少，污垢增长率减小。

［1］余建祖．换热器原理与设计 ［M］．北京:航空航天大学出版社，2006．

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［3］杨善让，徐志明，孙灵芳．换热设备的污垢与对策．(第二版)［M］．北京:科学出版社，2004．

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［5］张巍，李冠球，张政江，等．基于普朗特类比的螺纹管内污垢分析模型 ［J］．中国电机工程学报，2008，28(35):66－70．

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Analysis of operating parameters’effect weights and mechanisms on fouling of the plate heat exchanger

XU Zhi-ming，LI Yu，GUO Jin-sheng，ZHANG Zhong-bin
(School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China)

The fouling characteristics of Songhua River cooling water in a plate heat exchanger in different operating conditions were investigated through the contrast experiments．And then，based on Grey Relational Analysis，fouling resistances and operating parameters were contacted．Besides，the operating parameters’effect mechanisms were analyzed one by one．The result shows that the fouling，whose type is the composite fouling consisting of crystallization，microbiology fouling and so on，has an asymptotic growth rule and no induce period;and it is the inlet temperature that influences the fouling greater than the flow velocity．At last，the fouling mechanisms are obtained that the rise of inlet temperature of cooling water enhances the attachment of fouling to the wall region and weakens the detachment of fouling layer from the heat transfer surface，and the fouling is controlled by both convective mass transfer which is the main at low flow velocity and surface reaction which is at high one;as a result of flow velocity’s greater effect on removal than deposition of fouling，both the net amount of fouling and fouling growth rate decreases when the flow velocity increases．Key words:plate heat exchanger;inlet temperature of cooling water;flow velocity;weight;fouling mechanism

TK124

A

1007－2691(2012)03－0078－05

2011－11－02．

国家自然科学基金资助项目 (51076025)．

徐志明 (1959－)，男，教授，博士生导师，主要从事节能理论与技术、换热设备的污垢与对策和强化换热的研究．