原生污水源热泵换热器流态化在线除垢与磨损实验的研究

马广兴，徐 健，潘晨晓，徐腾蛟

（1.内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点试验室，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

利用可再生能源既可降低暖通空调能耗，又可减少碳排放[1]～[3]。城镇原生污水是热泵的理想低品位热源，污水源热泵可以从污水中提取废热，实 现“变 废 为 宝”[4]～[9]。在 实 际 应 用 过 程 中，无 法 避免污水源热泵换热器（以下简称为污水换热器）结垢问题，污水换热器结垢不仅降低了系统的换热效率，还会增加系统运行维护费用和初期投资，因此，有效去除污水换热器换热表面的污垢极 为 重 要[10]～[13]。

污水换热器内污垢的主要成分为有机物形成 的 软 垢 和 少 量 无 机 垢[14]，[15]。 目前 ，工 程 应 用中污水换热器除垢方法以停机人工清洗为主，这种方法存在影响系统连续供热、工程量大且人工费用较高等问题，因此，这种方法终将被自动除垢法替代。流态化在线除垢法是通过向结垢的污水换热器内注入固相颗粒，在液相的流速达到固相颗粒的流化流速后，固相颗粒随液相在管道内流动，通过碰撞和剐蹭污垢对污水换热器进行除垢[16]。流态化在线除垢法能够实现在不停机的情况下，对污水换热器进行除垢，保证系统连续运行，是实现自动化除垢的有效途径。流态化在线除垢法的不足为固相颗粒会对换热管造成磨损，降低了污水换热器的使用寿命。目前，已有许多学者对污水源热泵在线除垢进行了研究，并在固相颗粒粒径、流化流速和体积分数等因素对污水换热器除垢的影响方面取得了一定成果[17]～[19]。但关于流态化在线除垢法对换热管磨损的研究较少。本文在搭建自制污水换热器实验台的基础上，以河沙和聚四氟乙烯材质的粒子作为流化除垢的固相颗粒，研究了不同体积分数下，2种固相颗粒的除垢效果和对换热管的磨损程度。本文研究为污水换热器流化除垢提供技术支持。

1 实验

1.1 污垢附着理论

污垢的形成是在污垢粒子附着与脱落两种过程叠加作用下动态平衡的结果，据此，D Q Kern提出了污垢的动态生长模型为[20]。

式中:Rf为净结垢速率；φd为污垢附着速率；φr为污垢剥蚀速率。

φd的影响因素主要为污垢种类；φr的影响因素为污水的循环流速、水质以及结垢能力。增大污垢所受剪切力可以增大污垢脱落速度。可以通过增大流速或加入固相颗粒来实现污垢所受剪切力的增加，但增大流速会导致系统的运行能耗增大和降低污垢热阻的阈值，抑垢效果并不理想。在流体中加入固相颗粒，使固相颗粒在管道内做无规则运动，从而实现对污垢的碰撞、剐蹭，这样可以有效增大污垢层所受剪应力和碰撞应力，破坏并减小流体流动边界层厚度、降低边界层热阻，增大对流换热系数进而增强换热效果。

根据污垢生长特性，将污垢生长分为3个阶段，分别为诱导期、生长期、渐近期。诱导期处在污垢形成早期，该时期，换热管内壁光滑、污垢热阻附着力较小、污垢热阻低、热阻占比小，在诱导期投入固相颗粒意义不大。生长期，污垢逐渐布满换热管内壁，导致换热管内壁面粗糙度增大，此时 φd＞φr，污垢附着力增强。生长期污垢生长较快，污垢热阻增长快速且不稳定。同时，在实际应用过程中，各污水换热器的构造存在差异，导致难以把握在生长期投入固相颗粒的时机，且操作难度较大。渐进期，污垢垢层厚度不再增加，污垢热阻稳定且阻值最大。与诱导期和生长期相比，在渐进期对污水换热器除垢所需的除垢时间间隔较长，在实际应用中易于实现，因此，本文选择在渐近期对污水换热器进行除垢。

1.2 实验材料与水样

为了使固相颗粒更易流化且在换热管内分布均匀，实验中选用粒径为2～3 mm的河沙和聚四氟乙烯作为固相颗粒，固相颗粒的物性参数如表1所示。

表1 固相颗粒的物性参数Table 1 Physical parameters of solid particles

化粪池流出的原生污水中，溶解性固体和悬浮物的含量较高，易于结垢。实验选取了某高校家属区的生活污水作为实验水样，污水的化学需氧量为301 mg/L，生化需氧量为216 mg/L，pH值为6.75，溶解性固体的浓度为33.8 mg/L，悬浮物的浓度为13 mg/L。

1.3 实验装置和运行流程

实验系统示意图如图1所示。实验系统由自制污水换热器、高温水浴、低温水浴、自制固液分离器和数据采集系统等构成。数据采集系统由多通 道 温 度 热 流 测 试 仪（JTNT-C，-50～120°C，±0.2°C）和 热 电 偶（-200～200℃，±0.1°C）组 成，用 于 对各测点温度进行监测和记录。高、低温水浴（HWY30，5～95°C，±0.1°C）分 别 用 于 控 制 污 水 和清水温度。

图1 实验系统示意图Fig.1 The schematic diagram of the experiment system

污水换热器内换热管为镀锌钢管，换热面积为0.66 m2，自制固液分离器的容积为5 L。污水（高温）在换热管内循环，清水（低温）在换热管外循环。实验系统的工作原理为污水换热器结垢完成后，关闭污水循环泵，由固液分离器上方注入固相颗粒；固相颗粒注入完成后，开启污水循环泵，待系统运行稳定后，开启固液分离器下方的阀门，固相颗粒依靠自身重力沿固液分离器下方沉降管下降，并与来自高温水浴的污水混合后被吸入污水循环泵，再次进入污水换热器进行除垢；除垢完成后，含有固相颗粒的污水进入固液分离器，固相颗粒在固液分离器中依靠重力作用螺旋下降至沉降管，分离后的污水由固液分离器上部排出，经高温水浴控温后，与沉降管中的固相颗粒混合，实现固相颗粒在系统中的循环，从而达到在线除垢的目的；除垢结束后，关闭固液分离器下方阀门，固相颗粒被回收在固液分离器中，污水换热器继续正常运行。

1.4 实验参数及测量方法

在实验中，操作参数包括添加的固相颗粒的体积百分数和类型。目标参数为污水换热器的换热系数、污垢热阻和换热管的磨损面积比。污水换热器换热系数表达式为

式 中:C为 清 水 的 比 热 容，J/（kg·K）；M为 清 水 侧的质量流量，kg/s；Δt1为清水侧出口与进口的温差，℃；K为 污 水 换 热 器 的 换 热 系 数，W/（m2·K）；A为污水换热器的换热面积，m2；Δtm为换热器的对数平均温差，℃。

污垢热阻的计算式为[21]

式 中:Rf为 污 染 状 态 下 的 污 垢 热 阻，m2·K/W；Kf为污染状态下污水换热器的总换热系数，W/（m2·K）；Kc为清洁状态下污水换热器的总换热系数，W/（m2·K）。

污水侧和清水侧的循环流量通过量筒-时间测量法多次测量后取平均值得出。实验中布置的热电偶测点与多点巡回仪，用于记录污水侧进、出水温度和清水侧进、出水温度。

流速是流态化除垢的关键参数，当污水的流速低于固相颗粒的流化流速时，将导致固相颗粒分布不均且沉积在换热管底部；当污水的流速过大时，固相颗粒的回收增益不明显，对换热管的磨损加剧，系统运行电耗和设备初投资增大。基于流速与固相颗粒回收率的关系，综合考虑实际工程中污水换热器内污水的流速范围，本实验设定污水的流速为1.2 m/s，实测固相颗粒回收率可达到96%[17]。原生污水中微生物的最佳繁殖温度为30～40℃，当温度为35℃左右时，微生物繁殖速度接近峰值，为使污水中微生物活性保持在较高水平，从而使换热管内壁污垢获得较快的累积速度，实验设定污水的进水水温为35℃，清水温度为30℃[22]。

在固相颗粒与结垢壁面碰撞、污垢剥离的过程中，不可避免地会对换热管造成磨损。将换热管内壁面的点状和条状划痕视为固相颗粒与换热管碰撞所造成的磨损，深度≤0.03 mm的划痕的面积不计入磨损面积中。磨损面积比为换热管内壁面被磨损的面积与换热管内壁面总面积的比值。由于换热管被磨损部分多以线条、沟槽形式出现，且形状不规则，因此，采用微元累加的方法对磨损面积进行计算。本文将换热管沿轴向分为n份，第i份换热管的轴向长度为 ΔLi，磨损面积比SWAR的计算式为

式 中:SWeararea为 换 热 管 内 壁 面 被 磨 损 面 积 ，m2；STubearea为换热管内壁面的总面积，m2；d为换热管内径，m；L为换热管的轴向长度，m；Xi为第i个ΔLi所对应换热管内壁面上的累加磨损宽度，m。

ΔLi的计算式为

式中:Yij为对应于 ΔLi换热管上第j个磨损区域的径向宽度，m。

2 实验结果与分析

2.1 固相颗粒对污水换热器污垢的去除效果

在污水换热器结垢工况进入渐进期后，向污水换热器注入固相颗粒，用于进行除垢实验。在污水流速为1.2 m/s的工况下，利用体积分数分别为3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯颗粒，进行了4组除垢实验，污水换热器的换热系数和污垢热阻如图2所示。由图可知，污水换热器结垢稳定后，在4组除垢实验中，污水换热器的起始换热系数分别为774.57，794.71，816.26，731.51 W/（m2·K），污 垢 热 阻分 别 为5.50×10-4，5.16×10-4，4.83×10-4，6.26×10-4m2·K/W；向污水换热器中加入体积分数分别为3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯颗粒后，污水换热的换 热 系 数 分 别 提 升 至1 070.98，1 110.33，1 002.12，1 015.82 W/（m2·K），污 垢 热 阻 分 别 降 低 至1.93×10-4，1.60×10-4，2.57×10-4，2.44×10-4m2·K/W。与 除垢前相比，污水换热器的换热系数分别提升了38.27%，39.72%，22.77%和38.87%，污垢热阻分别降低了64.91%，68.99%，46.79%和64.21%。

图2 不同工况下污水换热器换热系数及污垢热阻实验结果Fig.2 Experimental results of heat transfer coefficient and fouling resistance of sewage heat exchanger under different working conditions

由图2还可以看出，在不同体积分数工况下，2种固相颗粒均可对污水换热器除垢，且除垢效果明显。体积分数为5%的沙粒作为除垢粒子时，污水换热器换热系数的提升幅度最大；聚四氟乙烯颗粒的除垢效果稍弱于沙粒。这是由于沙粒形状为不规则多面体，在与垢层碰撞过程中，沙粒的棱角能够插入垢层，将污垢从垢层中剥离，而聚四氟乙烯颗粒成饼形，对垢层的剐蹭作用弱于沙粒。同时，沙粒的硬度高于聚四氟乙烯颗粒，沙粒去除换热管内壁面附着的无机垢能力强于聚四氟乙烯颗粒，因此，除垢稳定阶段的污垢热阻沙粒实验低于聚四氟乙烯颗粒实验。实验中污垢热阻波动较大，这是由于在除垢前，污垢的沉积和剥蚀达到动态平衡，表层污垢较为光滑。加入固相颗粒后，污垢的剥蚀速率增大，在垢层未达到疲劳度阈值前，污垢脱落主要依靠固相颗粒对污垢的剐蹭。表层污垢被剐蹭后露出粗糙度较高的老化污垢，使污垢的沉积速率上升，导致污垢的净沉积速率不稳定，因此，在除垢期间，污垢热阻呈下降趋势，但波动剧烈。

流态化除垢是通过固相颗粒碰撞垢层，使垢层达到疲劳度阈值，促使污垢脱落的综合结果。在固相颗粒与垢层接触的过程中，固相颗粒在垢层的径向和轴向上均发生了位移。固相颗粒在垢层径向上的位移可以加快垢层达到疲劳度阈值，从而促使污垢脱落；固相颗粒在垢层轴向上发生位移的过程中，通过剐蹭表面垢层，除去一部分污垢。

2.2 固相颗粒对换热管的磨损

固相颗粒对污水换热器进行除垢时，也会对换热管造成磨损。在长期对污水换热器进行除垢的过程中，除垢效果越好，对换热管的磨损越大。体积分数不同的固相颗粒对换热管的磨损情况如图3所示。

图3 固相颗粒对换热管的磨损情况Fig.3 Wear of solid particles in exchange for heat exchange tube

在4组除垢工况下，对换热管的磨损面积比进行计算，体积分数分别为3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯作为除垢粒子时，换热管的磨损面积比分别 为17.72%，46.37%，2.45%，4.1%。综 上 可 知，沙粒对换热管的磨损程度大于四氟乙烯颗粒。这是由于沙粒较聚四氟乙烯颗粒的硬度大，且沙粒的形状为不规则多面体，具有尖锐的棱角，在污垢除净后易对换热管产生磨损，而聚四氟乙烯颗粒具有一定弹性，表面光滑，不易对换热管产生磨损。

由图2，3可知，采用沙粒作为固相颗粒时，污垢热阻低于2.0×10-4m2·K/W，采用聚四氟乙烯作为固相颗粒时，污垢热阻高于2.4×10-4m2·K/W。沙粒的除垢效果优于聚四氟乙烯颗粒，但沙粒对换热管的磨损较严重。体积分数为3%的沙粒和5%的沙粒对污水换热器换热系数的提升效果相近，但对换热管的磨损面积比相差较大；体积分数为3%的沙粒和5%的聚四氟乙烯颗粒对污水换热器换热系数的提升效果相近，但体积分数为3%的沙粒作为除垢粒子时换热管的磨损面积比远大于体积分数为5%的聚四氟乙烯颗粒。因此，采用流态化在线除垢法对污水换热器进行除垢时，推荐使用体积分数为5%的聚四氟乙烯颗粒作为固相颗粒。

3 结论

本文采用模型实验的方法，研究了流态化在线除垢法对原生污水源热泵换热器的除垢效果和对换热管的磨损程度，主要结论如下。

①在流速为1.2 m/s的工况下，体积分数分别为3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯颗粒均能对结垢污水换热器进行除垢。与除垢前相比，体积分数分别为3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯颗粒使污水换热器的换热系数分别提升了38.27%，39.72%，22.77%和38.87%；同时，除垢工况结束时，污垢热阻 分 别 为1.93×10-4，1.60×10-4，2.57×10-4，2.44×10-4m2·K/W。以沙粒作为除垢粒子时，污垢热阻明显低于以聚四氟乙烯颗粒作为除垢粒子的工况。采用流态化除垢方法能够强化污水换热器的换热能力，沙粒对污水换热器的除垢效果优于聚四氟乙烯颗粒。

②在流速为1.2 m/s的工况下，体积分数分别为3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯颗粒对换热管内壁面的磨损面积比分别为17.72%，46.37%，2.45%和4.1%。

③在粒径为2～3 mm的工况下，综合考虑不同体积分数下两种固相颗粒的除垢效果，以及对换热管的磨损程度，推荐使用体积分数为5%的聚四氟乙烯颗粒对污水换热器进行除垢。