换热管外壁的水膜在空气中蒸发时碳酸钙污垢生长特性的研究

2022-08-19许隽杰章立新赵圣仙陈永保刘婧楠

动力工程学报 2022年8期

许隽杰，章立新，赵彦，刘津，赵圣仙，高明，陈永保，刘婧楠

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093；2.上海安得利节能科技集团股份有限公司，上海 201814）

蒸发冷却（冷凝）器和闭式冷却塔被广泛用于冶金、石化、食品和能源等领域，用于排放工艺系统中的废热，其工作原理是工艺介质所携带的废热通过换热管管壁传递给管外壁上的喷淋水，喷淋水同时与管外流动的空气进行对流换热和蒸发传热，最终热量由空气带出设备，排放到大气环境中。

由于喷淋水中存在钙离子等成分，其在换热管外壁吸热和向空气放热的过程中，由于喷淋水蒸发，过饱和状态的喷淋水中溶解的无机盐在流动状态下析出并附着在换热管外壁上，外壁会逐渐积聚起固态或软泥状物质，这种积聚过程称为结垢［1］。此类无机盐以碳酸钙、硫酸盐和硅酸盐等为主，其中碳酸钙极易在换热管外壁上堆积，形成较厚的污垢层，污垢热阻大幅增大［2-4］，使得传热系数减小，能耗增加，且换热管的设计换热面积也需大幅增加。研究发现，换热设备表面污垢厚度每增加1 mm就会使换热器效率降低10%～20%［5］。当管壁污垢厚度达到2 mm时，冷却器效率会比无垢时下降30%［6］。张吉礼等［7］研究发现，由于污垢的存在，许多设备的设计换热面积比没有污垢的情况下要大30%～40%，引起的经济损失占其国民生产总值（GNP）的0.28%～0.35%。因此，研究换热管外壁水膜在空气中蒸发时碳酸钙污垢的生长特性显得十分重要。

笔者搭建了一套模拟换热管外壁水膜在空气中蒸发的实验装置，研究了在不同喷淋水质量浓度以及不同气水流向下换热管外壁的结垢过程，从热阻和污垢晶型两方面分析了碳酸钙污垢的生长特性。

1 实验装置及原理

1.1 换热管外壁喷淋结垢实验装置

如图1所示，实验装置由喷淋水系统和不同气水流向的污垢热阻测试模块以及测试仪表组成。其中，喷淋水系统由水池、流量调节阀、水泵、电加热棒、空气冷却器（简称空冷器）、小型增压泵和补水罐等组成。水池的进出口温度由热电偶进行测量，采用电加热棒和空冷器调节水池温度。喷淋水体积流量通过流量调节阀调节，并由流量计进行测量。进入不同模块的喷淋水体积流量由各自的阀门和流量计进行调节及测量。由于喷淋水会部分蒸发，因此采用补水罐补充喷淋水，使水池液位保持稳定。根据旁路上的p H计和电导率仪控制补水中成垢物质的质量浓度，使喷淋水系统的水质保持稳定。

图1 实验装置系统图Fig.1 System diagram of experimental device

图2为不同气水流向的污垢热阻测试模块示意图。图3为换热管结构示意图。换热管为圆形光管，材质为黄铜，内部装有电加热棒，用电加热棒模拟管内介质释放的热量，通过电加热棒自带的调功器控制加热功率P，其最大加热功率为100 W。为了较为精准地测量出换热管内壁温度，在其内壁设置2个测温截面，每个截面等间距放置3个热电偶，热电偶探头紧贴铜管内壁，测得截面1上的温度分别为Tis11、Tis12和Tis13，截面2上的温度分别为Tis21、Tis22和Tis23。6个测点之间的温差均不超过2 K，取其平均值作为换热管内壁温度Tis。上集水槽和下集水槽内与换热管测温截面对应位置也各布置2个热电偶，分别测量喷淋水喷淋到换热管前、后的温度Twi1、Twi2和Two1、Two2，将4个温度的平均值作为换热管外壁水膜温度Tw。

图2 不同气水流向的污垢热阻测试模块示意图Fig.2 Schematic diagram of fouling resistance test module at different air water flow directions

图3 换热管结构示意图Fig.3 Schematic diagram of heat exchange tube

1.2 实验原理

在实验状态稳定的情况下，换热管外壁通过污垢层与喷淋水之间的总换热量即为换热管内的加热功率P。

式中：K为换热管与喷淋水间的传热系数，W／（m2·K）；A为换热面积（以外表面计），m2；Tos为换热管外壁温度，K。

换热管外壁温度］为：

式中：λ为换热管的导热系数，W／（m·K）；di为换热管内径，m；do为换热管外径，m；L为换热管换热有效长度，m。

换热管与喷淋水间的传热系数K为：

式中：K（t）为t时刻换热管与喷淋水间的传热系数，W／（m2·K）。

因此，只需要控制电加热棒的加热功率一定，测出换热管内壁温度Tis，喷淋水进、出口水温Twi和Two，即可计算出换热管外壁温度Tos以及换热管与喷淋水间的传热系数K，进而得到污垢热阻Rf。

2 实验方法及过程

为了模拟携带无机盐杂质的喷淋水并加快实验进程，使用物质的量比为1∶2的无水氯化钙和碳酸氢钠配置喷淋水，其质量浓度分别为500 mg／L、1 000 mg／L和1 500 mg／L，实验用化学药品见表1。

表1 实验用化学药品Tab.1 Chemicals for experiment

采用不同质量浓度的喷淋水进行实验，每次实验前洗净所有管路和换热管表面，保证无水垢存在，并在水池和补水罐中加入调配好的喷淋水。实验开始时先调节喷淋水温度。其具体过程是关闭污垢热阻测试模块前的阀门，打开水泵，从水池中抽取喷淋水，抽取的喷淋水经过旁路回到水池，打开水池中的电加热棒和管路系统中的小型增压泵及空冷器，通过调节水池中电加热棒功率和空冷器的风机转速，使喷淋水温度达到实验所需初始水温。然后，打开污垢热阻测试模块前的阀门，调节经过各污垢热阻测试模块的喷淋水体积流量，使其达到实验设计值，此时喷淋系统将抽取的溶液同时均匀喷洒到3个污垢热阻测试模块上，再回到水池，完成一个循环。水循环稳定后打开3个污垢热阻测试模块上的风机，使外界空气通过横流、顺流和逆流的方式与喷淋水进行热质交换，同时将3个换热管中的电加热棒功率均调节为20 W，并适当降低水池中电加热功率。实验中，通过调节空冷器风机转速和水池中电加热棒的加热功率来保持喷淋水温度基本稳定。实验过程中通过数据采集仪记录数据。每组实验稳定运行24 h，每1 min记录1次数据，并对喷淋水质量浓度为500 mg／L下的换热管外壁污垢进行烘干剥离，进而进行电镜形貌分析。

3 结果与分析

加热功率为20 W时，在干球温度为14.9～15.5℃、相对湿度为70%～86%范围内，换热管内壁温度Tis为30～34℃。

3.1 喷淋水质量浓度对碳酸钙结垢的影响

图4给出了不同喷淋水质量浓度下换热管外壁污垢热阻的变化。与喷淋水质量浓度为500 mg／L和1 000 mg／L相比，喷淋水质量浓度为1 500 mg／L时污垢热阻明显较大，可以达到8×10-4m2·K／W，而喷淋水质量浓度为500 mg／L时污垢热阻最小。喷淋水质量浓度为1 000 mg／L和500 mg／L时污垢热阻在480 min运行时间内相差很小，随着运行时间的延长，两者差距有所增大，达到960 min后其差值趋于稳定，约为1.5×10-4m2·K／W。喷淋水质量浓度从500 mg／L增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L时，1 440 min后3种气水流向下污垢热阻平均值分别增大了52.5%和187.8%，其中横流状态下喷淋水质量浓度为1 500 mg／L时的污垢热阻较喷淋水质量浓度为500 mg／L和1 000 mg／L时分别高出3.64倍和2.29倍，与其他气水流向相比，污垢热阻差值最大。此外，运行时间达到60～960 min时在高喷淋水质量浓度（1 500 mg／L）、横流状态下污垢热阻增速十分迅速，之后趋于平稳，而在低喷淋水质量浓度（500 mg／L）、顺流状态下，污垢热阻变化最为平缓。

图4 不同喷淋水质量浓度下污垢热阻的变化Fig.4 Variation of fouling resistance under different spray water mass concentrations

从整体实验过程可以看出，喷淋水质量浓度对污垢生长的影响很大，在不同气水流向下喷淋水质量浓度为1 500 mg／L时污垢生长均最快，且污垢热阻波动性较强，这与杨传芳等［10］提出的碳酸钙结垢速率模型较为符合，即污垢热阻总是波动上升，最终趋于平稳，说明碳酸钙污垢的生长伴随着其脱落过程，喷淋水质量浓度越大，污垢热阻波动现象越明显。

3.2 气水流向对碳酸钙结垢的影响

图5给出了不同气水流向下污垢热阻的变化。从图5可以看出，1 440 min后在不同喷淋水质量浓度下横流状态时污垢热阻最大，逆流次之。当喷淋水质量浓度较小（500 mg／L）时，不同气水流向对污垢热阻的影响较大，1 440 min后横流状态下的污垢热阻比逆流和顺流状态分别高出34.6%和133.3%；喷淋水质量浓度增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L后，气水流向对污垢热阻的影响减小，喷淋水质量浓度成为最重要的影响因素。结合文献［11］和文献［12］可知，在横流状态下，气水的流向相互垂直，水膜在换热管外壁的停留时间大于逆流和顺流状态下，因此横流状态下水膜的稳定性更好，污垢热阻也最大。在逆流状态下气水流向相反，此时进风风压减缓了换热管外壁的喷淋水流速，并且会使换热管外壁上产生“干点”，破坏水膜在换热管外壁的稳定性，使得生长的污垢不易被冲刷。在顺流状态下气水流向相同，进风风压反而会使换热管外壁的喷淋水流速增加，污垢更易脱落，因此污垢热阻最小。这一结论也与沈涛［13］的研究结果一致。综上，较小的喷淋水质量浓度对污垢生长的影响不能完全体现，此时气水流向对污垢的生长有一定影响；当喷淋水质量浓度较大时，气水流向对污垢生长的影响与喷淋水质量浓度的作用相比较小，此时喷淋水质量浓度对污垢生长的影响较大。

图5 不同气水流向下污垢热阻的变化Fig.5 Variation of fouling resistance under different air water flow directions

3.3 污垢晶型

选取顺流状态下喷淋水质量浓度为500 mg／L的实验工况，在运行时间达到1 440 min的条件下将换热管外壁烘干并剥离污垢，对污垢进行电镜形貌分析。图6为顺流状态下污垢的微观形貌。由图6可知，污垢粒径范围为5～10μm，形状多为方形六面体结构，呈典型方解石特征，每个面均较平整且棱角分明，同时局部碳酸钙颗粒通过晶面沉积堆叠，会形成整齐致密的垢层。但总体来看，换热管外壁聚集的污垢并不完全致密，少量污垢成分聚集成团，多数污垢呈零散状态。因此，换热管外壁污垢的生长是沉积和脱除的叠加过程。成团聚集的污垢更容易吸引新的污垢成分，而零散污垢则易被水流冲刷而脱落，这与Hasson等［14-15］的研究结论相符。