在线清洗对管壳式换热器传热性能的影响

2021-02-26马小宇林雪银马洪亭

重庆大学学报 2021年1期

马小宇,林雪银,马洪亭

(1.郑州航空港城市运营有限公司,郑州450000;2.天津大学环境科学与工程学院,天津300350)

吸收式制冷由于具有省电和可利用低品位能源等优点,近年来受到普遍重视和应用[1-2]。溴化锂吸收式制冷系统主要由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器和冷却塔等组成,段伦俊[3]通过现有凝汽器胶球在线清洗装置进行改造,实现发电机空冷器在线清洗,改善了发电机工作环境,确保了发电机长期高效运行,提升了发电效益。文兴全等[4]将一种新型胶球在线清洗技术应用到技术供水系统中,在总供水管处自动投入自旋转胶球,胶球均匀随机投入各冷却器铜管起到清洗铜管内壁的作用。Beyrer等[5]为了解决换热器运行中的结垢问题,提出湍流流动与中等温度相结合用于防止结垢。文献[6-7]提出可以通过机械刮擦换热管内表面等方法避免污垢的形成。文献[8-9]提出了一种综合性的凝汽器污垢在线监测方法和污垢对传热负效应的预测模型。文献[10-11]重点研究了污垢对制冷剂冷凝器热工和水力性能的影响。

由于管壳式换热器具有结构简单、维修方便等优势,通常被用作溴化锂制冷机组中的吸收器和冷凝器。然而,管壳式换热器也存在着诸多缺点,当换热管内形成污垢后,会增大流体的流动阻力和热阻,影响换热器传热性能和制冷机组的性能系数[12]。Awais等[13]研究了流速、温度、浓度、材料表面和其他因素对减少结垢和颗粒沉积的影响。文献[14-15]评估了结垢对热交换器传热性能的影响。

传统清洗管内污垢的方法无法避免长期运行对换热器传热性能带来的不利影响[16-17]。而胶球在线清洗可在不停机的情况下,自动清洗管壳式换热器管内的污垢,不仅节省了劳动力成本,而且能延长换热器的使用寿命。由于胶球在线清洗系统可以及时清除附着在换热管表面的污垢,使换热管表面始终保持清洁和高效换热状态,在制冷、化工、电力等行业得到越来越多的应用。郑金山等[18]分别将管道式与端盖式两种胶球在线清洗装置安装在离心式冷水机组上进行实验测试。运行结果表明,该技术可显著降低冷凝器的端温差,提高电制冷冷水机组的能效比。上官国志[19]的研究表明,将胶球在线装置用于发电厂凝汽器的循环冷却水系统,可降低凝汽器端温差5.2℃左右。马洪亭等[20]通过实验验证了胶球在线清洗系统用于电制冷冷水机组的节能性和经济性。

文中旨在通过研究投球率、发球泵运行时间及启停比对燃气溴化锂直燃机组中吸收器和冷凝器污垢热阻的影响规律,综合考虑技术和经济因素,确定胶球在线清洗系统的最佳运行模式和参数,以提高吸收器和冷凝器的传热效率,并保证燃气吸收式制冷机组的高效运行。

1 实验装置和方法

1.1 实验装置

实验台是在既有溴化锂吸收式直燃机组的基础上设计搭建的。对于燃气溴化锂吸收式直燃机组,来自冷却的低温冷却水先进入吸收器,然后再流过冷凝器,从冷凝器流出的较高温度冷却水,经管道输送到室外冷却塔喷,在空气和水分蒸发双重冷却作用下被降温后再由循环水泵送回制冷机组。根据燃气溴化锂吸收式制冷机组的结构特点,无法将冷凝器和吸收器分开进行实验,系统工作时,胶球在线清洗系统依次对吸收器和冷凝器的换热管进行清洗,为方便实验,文中所测吸热量为冷凝器和吸收器的总吸热量。

图1所示为实验胶球在线清洗系统图。该系统由发球器、发球管道、收球器、收球管道、胶球、PCL控制箱及阀门等组成。当系统为清洗模式运行时,胶球泵将自动开启,将胶球从发球器中送出。王强[21]测试了橡胶球在干净铜管中的摩擦力,得出橡胶球顺利通过热交换管所需的压力差约为20 kPa。由于发球泵的增压作用,发球管道的压力高于冷却水管的压力,胶球将会随冷却水一起进入溴化锂制冷机组的冷凝器和吸收器换热铜管内,在管内水流的带动下对管子内壁进行冲刷,由于胶球外径比换热管内径大1～2 mm,当胶球从管内穿过时,在摩擦力的作用下将除去附着在管子内壁的污垢。当胶球从管内流过时,将会对靠近管壁的层流体流边界层造成扰动,增强流体的湍流度,降低换热热阻,强化换热效果。胶球流出冷凝器后进入收球器中,经收球管道和手球阀储存在储球罐,完成一次清洗。

图1 胶球在线清洗系统示意图图Fig.1 Rubber ball online cleaning system

实验是在一台型号为RCOG070的燃气溴化锂直燃机上完成的。该机组主要技术和性能参数如表1所示。

表1 溴化锂吸收式直燃机技术参数Table 1 Technical parameters of the direct-fired absorption LiBr refrigerating machine

根据燃气溴化锂直燃机的工作原理,实验过程中胶球依次流过管壳式吸收器和冷凝器,表2和表3分别为冷凝器和吸收器基本结构参数。

表2 管壳式冷凝器基本结构参数Table 2 Construction parameters of Shell and Tube Condenser

表3 管壳式吸收器基本结构参数Table 3 Construction parameters of Shell and Tube Absorber

实验时冷却水和冷冻水的流量由型号为FDT-21的超声波流量计测得,其精度为±1.0%;不同测点的压力由量程为0～1.6 MPa,误差为±0.1 MPa的压力表测得。冷冻水和冷却水温度由PT100热电阻测得,误差为±0.2℃。

1.2 实验设计

为了解不同因素对胶球在线清洗效果的影响,通过实验分别研究了不同胶球数量、清洗周期和发球泵启停时间比等条件下的清洗效果。

1)通过连续测试53 d,研究了无胶球清洗条件下换热管内部表面污垢热阻生长情况。

2)通过连续测试53 d,研究了无胶球清洗条件下燃气溴化锂机组的COP变化情况。

3)在胶球运行时间为40 s、启停比为1∶2的条件下,连续测试400 h,研究投球率对管壳式换热器传热特性的影响。通过改变投球率(胶球数占冷凝器换热管数的百分比)为10%、20%和30%,记录冷却水和冷水的温度、流量、压力和燃气消耗量等运行数据,分析不同投球率对换热管内表面污垢热阻的影响关系,确定最佳投球率。

4)在投球率和启停比相同的条件下,通过改变胶球运行时间研究清洗运行时长对污垢热阻的影响规律。文中在投球率为20%、启停比为1∶2的条件下,发球泵运行时间从20 s、间隔时间从40 s开始,将运行依次增加20 s、间隔时间依次增加40 s,分析3种实验工况下冷凝器和吸收器换热管表面污垢热阻的变化情况,确定出最佳运行时长,为胶球在线清洗系统实验和运行提供科学依据。

5)在保持投球率为20%和运行时长为40 s不变的情况下,研究了启停比对冷凝器和吸收器污垢热阻的影响。实验过程分别将启停比设定为1∶1、1∶2和1∶3,通过实验确定最佳的启停比。

燃气溴化锂吸收式制冷系统冷却水在吸收器和冷凝器中的总吸热量为

式中:mc为冷却水流量,m3/s;tc,out为冷凝器出口冷却水温度,℃;tc,in为吸收器入口冷却水温度,℃;cp为冷却水的定压比热,J/(kg·℃)。

换热管表面的污垢热阻可以由方程(2)计算:

式中:Twf为污垢底部与换热管接触面温度,℃;ts为污垢表面温度,℃;q为通过换热管的热流密度,J/(m2·s)。

由于污垢层厚度一般都很小且无法直接测量,文中不考虑垢层厚度对换热管内径的影响。

由式(3)可知,影响换热管热流密度的主要因素是流过冷凝器和吸收器的冷却水入口温度和出口温度,换热管传热性能越好,进出口温差越大,热流密度也越大。

根据文献[22],污垢表面温度Ts可由式(4)和式(5)计算得到:

式中:h为冷却流体与换热管表面之间的对流换热系数,W/(m2∙K);V为冷却水管内流速,m/s;ρ为冷却水密度,kg/m3;当管内流体流动的雷诺数满足104

式中:λ为流体导热系数,W/(m·K)。

由于文中研究的燃气溴化锂吸收式制冷机组为一体式结构,冷却水顺次流过吸收器和冷凝器,无法直接测得吸收器出口和冷凝器入口的水温,在处理数据时,将吸收器和冷凝器看作一个换热器整体,所以由式(1)计算出的吸热量为冷却水的总吸热量,由式(2)计算的污垢热阻为吸收器和冷凝器换热管表面的平均热阻,由式(3)计算的热流密度为吸收器和冷凝器换热管表面的平均热流密度,由式(4)和式(5)计算的污垢表面温度为吸收器和冷凝器换热管表面的平均表面温度。

冷冻水在蒸发器中的放热量为

式中:mch为流过蒸发器的冷冻水流量,m3/s;tch·out为蒸发器出口冷冻水温度,℃;tch·in为蒸发器进口冷冻水温度,℃;发生器内燃气燃烧产生的热量由方程(8)求得:

式中:B为单位时间消耗的天然气量,m3/s;H为天然气低位发热量,实测值为32.616 kJ/m3。

燃气溴化锂直燃机的制冷系数COP为

式中:Qch为蒸发器的制冷量,k W;Qgas为发生器中燃气产热量,k W。

2 实验结果与分析

2.1 无胶球在线清洗系统条件下的污垢热阻的变化

为了研究无在线清洗条件下,燃气溴化锂吸收式制冷机冷凝器和吸收器换热管内污垢热阻的变化清洗,连续测试了53 d(1 272 h)换热管内表面的污垢热阻变化情况,如图2所示。为了统一实验基准,开始实验前先采用机械和化学方法对换热管内壁进行清洗,但由于部分污垢与管壁结合比较牢固,无法完全清洗干净,可以看出,在实验开始时刻管子内表面的污垢热阻并不等于零。

图2 无在线清洗条件下污垢随时间的变化情况Fig.2 Variation of fouling with time without on-line cleaning

结果表明,在实验开始后的前200 h内污垢热阻变化很小,基本保持在7.23×10-4m2·K/W左右,但在实验持续进行到200 h后开始快速增长,在900 h后污垢热阻又趋于稳定,之后基本保持不变。出现上述情况的主要原因是,在实验开始阶段,管子内壁形成的污垢很少,对管道的流通面积几乎没有影响,只是对管子内壁的粗糙度有一定影响。根据图2发现,实验开始后的120 h内污垢热阻没有明显增加,该阶段称作“诱导期”,形成的少量污垢附着在比较光滑的换热管内表面。循环冷却水流过管子时流态比较稳定,对层流边界层扰动很小。随着燃气吸收式制冷机的持续运行,在管子内壁会生成越来越多的污垢,使得换热管内表面的粗糙度逐渐增加,并影响到管子的流通面积,在流量不变的情况下流过管子的水流速度会有所增加,改善了换热条件,提高了流换热系数。

根据实验结果,在120～200 h期间,随着生产的污垢增多,附着在管子内表面的污垢厚度也逐渐增加,由于污垢热阻对传热造成的负面影响大于对流换热增强带来的传热强化效果,使得该阶段污垢热阻呈略微上升趋势。当实验持续时间超过200 h时,污垢热阻呈显著增加趋势,该阶段称为污垢快速增长阶段,污垢快速生成并覆盖在换热管内壁上。该阶段污垢热阻随时间的变化关系可拟合为:Rf=0.000 6τ0.1559。随着冷水机组的持续运行,在吸收器和冷凝器的换热管内表面上形成越来越多的污垢,一方面会不断增大污垢热阻,影响传热效果;另一方面会造成冷却水流通面积减小,增大流动阻力,并造成水泵的能耗增加。

2.2 无胶球在线清洗系统条件下的COP测试

通过式(9)可计算出溴化锂吸收式直燃机组COP。实验在没有投入胶球在线清洗系统的前提下进行了1 272 h实验,将每天分为6个时间段,分别计算每个时间段的COP,然后取平均值作为每天的COP值,图3为没有胶球在线清洗系统的情况下得到的COP随时间的变化关系。

由图3可知,没有在线清洗系统,制冷机组的COP随运行时间的持续增加呈现逐渐下降的趋势,且COP与运行时间之间的关系可以拟合为COP=-0.000 1τ+1.198 1。为了防止制冷机组连续运行工况下,在换热管表面上形成污垢影响换热效果,保持燃气溴化锂吸收式制冷机组始终处于高效运行状态,将通过实验研究投球率、运行时间及启停比对吸收器和冷凝器换热管表面污垢热阻的影响关系,确定在线清洗系统的最佳运行参数。

2.3 投球率对污垢热阻的影响

为了研究不同投球率下污垢热阻随时间的变化规律,在保持清洗系统发球器运行时间为40 s、启停比为1∶2不变的条件下,分别设定投球率为10%、20%、30%,并连续实验400 h,测定了实验期间污垢热阻随时间的变化关系,结果如图4～图6所示。

图3 无在线清洗条件下制冷机组COP随时间的变化Fig.3 Variation of COP of refrigerating unit with time without on-line cleaning t

由于吸收器和冷凝器的换热管数量不同,实验过程中计算的投放率是以冷凝器的换热管数量为基础确定的投球率。

图4 投球率为10%时污垢热阻随时间的变化关系Fig.4 Variaton of scale thermal resistance with time under the condition of 10%input rate

图5 投球率为20%时污垢热阻随时间的变化关系Fig.5 Variaton of scale thermal resistance with time under the condition of 20%input rate

图6 投球率为30%时污垢热阻随时间的变化关系Fig.6 Variaton of scale thermal resistance with time under the condition of 30%input rate

从图4～图6中可以看出,当投球率为10%时,污垢热阻波动幅度较大且略有增加,从6.12×10-4m2·K/W增加到8.13×10-4m2·K/W,增长幅度为32.8%,增长趋势满足Rf=-4.26×10-8τ2+6.12×10-6τ+6.08×10-4;当投球率为20%时,污垢热阻从5.59×10-4m2·K/W变化到6.75×10-4m2·K/W,增长了20.8%,增长趋势满足Rf=-0.98×10-7τ2+6.87×10-6τ+5.83×10-4;当投球率30%时,污垢热阻从5.98×10-4m2·K/W增加到6.32×10-4m2·K/W,只增加了5.7%。

对比图1和图4～图6可以看出:

1)无胶球在线清洗的条件下,污垢热阻增长的速度明显快于有胶球在线清洗工况下污垢热阻的增长趋势。其主要原因是:首先,由于胶球的直径一般要比换热管内径大1～2 mm,当胶球从管内通过时,在胶球的摩擦作用下,将附着在管壁的污垢带出,防止污垢在管子内表面沉积,保持管壁清洁,从而保证了良好的传热效果。其次,没有胶球在线清洗系统工况下,流体流过换热管时会在管子内表面形成薄薄的层流边界层,该边界层是传热的主要热阻。有胶球清洗系统工况下,胶球不断从管内通过时,由于胶球的扰动作用,破坏了边界层的稳定结构,从而改善了传热效果,降低热阻。

2)对比图4～图6发现,随着投球率的提高,污垢热阻的增长趋势越来越平缓。当投球率为10%时的清洗效果不太明显,当投球率增加到20%和30%时,清洗效果显著改善,污垢热阻变化越来越平缓,基本保持不变。其主要原因是,投球率越大,单位时间内胶球通过每个换热管的概率和次数越多,在管子内壁形成污垢层的机会越小,对层流边界层的扰动越大,强化传热效果越好,因此,污垢热阻就越小。

然而,当投球率继续增加时,通过每个管子的胶球次数会越多,在管壁已经比较干净的条件下,投球率继续提高对于污垢热阻的影响已不太明显,但胶球数量的增加会增大冷却水的流动阻力,从而增大发球泵的功耗。综合考虑清洗效果和水泵能耗,选择投球率为20%比较适宜。

2.4 发球泵运行和关闭时间对污垢热阻的影响

为了研究在线清洗系统运行时间对污垢热阻的影响,在保持启停比为1∶2和投球率为20%不变的条件下,将发球泵的运行时间依次延长,关闭时间依次增加,即发球泵运行20 s、停40 s,运行40 s、停80 s,运行60 s、停120 s,图7～图9所示为3种运行模式下连续测试400 h得到的污垢热阻随时间的变化关系。

图7 运行20 s、停40 s运行模式下污垢热阻随时间的变化Fig.7 Variation of thermal resistance with time under works for 20 seconds and rest for 40 seconds

图8 运行40 s、停80 s运行模式下污垢热阻随时间的变化Fig.8 Variation of thermal resistance with time under works for 40 seconds and rest for 80 seconds

图9 运行60 s、停80 s运行模式下污垢热阻随时间的变化Fig.9 Variation of thermal resistance with time under works for 60 seconds and rest for 120 seconds

图7～图9表明,发球泵每个运行周期的开启时间和关闭时间越短,污垢热阻的平均值越小,测得的污垢热阻值波动越大。当发球泵开20 s、停40 s时,测得的换热管污垢热阻从6.65×10-4m2·K/W变化到5.27×10-4m2·K/W,下降了20.75%,平均值为5.28×10-4m2·K/W;当发球泵开40 s、停80 s运行时,测得的污垢热阻从5.86×10-4m2·K/W增加到6.91×10-4m2·K/W,升高了17.92%,平均值为6.48×10-4m2·K/W;当发球泵开60 s、停120 s运行时,污垢热阻从6.25×10-4m2·K/W增加到6.92×10-4m2·K/W,平均值为6.59×10-4m2·K/W,增加了10.72%。出现上述情况的主要原因是,发球泵起停越频繁,单位时间内胶球通过换热管的次数越多,清洗效果越好,发球泵开20 s、停40 s时,在初始污垢热阻不为零的情况下,污垢热阻呈逐渐下降的趋势。但发球泵频繁起停会对冷却水流动造成较大的扰动,使测得的水流量不稳定,波动较大,污垢热阻波动也较大;发球泵启动时间和关闭时间越长,清洗效果越差,由于管子表面污垢的沉积造成污垢热阻呈逐渐增加趋势。但起停时间越长,水流越稳定,测试结果波动也越小,测得的污垢热阻值波动范围也越窄。

胶球在线清洗系统运行过程中,由于胶球冷凝器和吸收器中会经历多个流程,在涡流的作用下可能会在拐角处打转积聚,甚至由于撞击而卡在拐角处无法收回,影响收球率。为此,在实验过程中也分析了发球泵启停时间长短对收球率的影响关系。通过记录在线清洗系统工作400 h的开始时发球数和结束时收球数,发现当发球泵以运行20、40、60 s,关闭40、80、120 s模式运行时,测得的收球率分别为81%、87%和91%,表明连续运行时间和关闭时间越长,收球率越高。

虽然发球泵的运行间隔越短清洗效果越好,可以滞缓污垢在换热管表面的沉积和污垢热阻的增大。但考虑到发球泵启停太频繁会影响到泵的使用寿命,文中选定发球泵启动60 s、停120 s的运行模式比较适宜。

2.5 启停比对换热效果的影响分析

为了研究发球泵的启停比对污垢热阻的影响,在投球率和发球泵开启时间相同的工况下,将启停比分别设定为1∶1,1∶2和1∶3,进行了400 h实验,测定了污垢热阻随时间的变化关系,如图10～图12所示。

从图10～图12中可以看出,3种工况下污垢热阻均呈现小幅上升的趋势。启停比为1∶1的工况下,污垢热阻的变化趋势为Rf=-7.61×10-8τ2+5.19×10-6τ+5.27×10-4。污垢热阻从5.27×10-4m2·K/W增加到6.13×10-4m2·K/W,增加幅度为16.13%;在启停比为1∶2的工况下,污垢热阻的变化趋势为Rf=-1.17×10-7τ2+7.70×10-6τ+5.53×10-4。污垢热阻从5.53×10-4m2·K/W增加到7.58×10-4m2·K/W,增加幅度为22.97%;启停比为1∶3的工况下,污垢热阻的变化趋势为Rf=-6.62×10-8τ2+6.50×10-6τ+5.32×10-4,从5.32×10-4m2·K/W增加到6.86×10-4m2·K/W,增加幅度28.96%。

实验结果表明,3种启停比工况下污垢热阻随实验过程的持续进行均呈现上升趋势,但启停比越大,增长的趋势越明显。其主要原因是,随着启停比的增加,发球泵停止工作的时间越长,在相同时间内胶球擦洗管子内壁的次数越少,导致除垢效果越差,因此,污垢热阻的增长就越快。