譚延坤，錢劍峰，鄭大宇

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028)

換熱設(shè)備在日常生活以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛的應(yīng)用，但其積垢問題已成為一大難題，人們熟知管道結(jié)垢會(huì)影響其傳熱性能和降低設(shè)備效率，不僅如此，結(jié)垢還會(huì)引起換熱設(shè)備的腐蝕甚至損壞，造成更嚴(yán)重的損失.有關(guān)資料表明:在美國(guó)等國(guó)家結(jié)垢造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)民生產(chǎn)總值的4.7%，使得換熱器的運(yùn)行效率下降50%左右[1－2].

在諸多除垢處理技術(shù)迅速發(fā)展的今天，聲空化技術(shù)因其清洗效果好、清洗速度快、安全可靠、節(jié)省成本和對(duì)工件的深孔、細(xì)縫等隱蔽處也可清洗干凈等優(yōu)點(diǎn)[3－5]，得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用.本文旨在研究城市污水流速、超聲作用時(shí)間對(duì)防垢率的影響.見表1.

表1 幾種清洗方法的比較

1 聲空化技術(shù)除垢機(jī)理

1894年聲空化現(xiàn)象被O·Reyrolds第一次觀察到[6].首先，超聲波的空化作用會(huì)使被處理流體產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，當(dāng)這些空穴和氣泡破裂或相互擠壓時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力[7]，使已生成的垢層破碎并導(dǎo)致其易脫落，作用效果如圖1所示.實(shí)驗(yàn)測(cè)得，用10 kHz幅值為一個(gè)大氣壓的聲波使半徑為0.1 mm的氣泡破碎時(shí)，在距氣泡中心1 mm處的壓力峰值可達(dá)到200～500 Pa[4].其次，在空化作用的影響下，借助能量轉(zhuǎn)換使溶液進(jìn)入振動(dòng)激發(fā)態(tài)，從而使得成垢物質(zhì)離子(如等)接觸的機(jī)會(huì)增多，同時(shí)可以使水分子分裂形成H－和OH－自由基，甚至H+和OH－，而OH－可以和成垢物質(zhì)離子(CaOH+、MgOH+)配合[8－9].另外，超聲波的高頻振動(dòng)及輻射壓力可形成有效的攪拌與流動(dòng)，能顯著減弱液體的表面張力及摩擦力，破壞介面的附著層[10].

圖1 換能器在水中工作的剖面圖

可見，超聲波不僅可以降低垢垢的沉積速率，而且能夠有效地強(qiáng)化積垢的脫除過程，提高脫除速率，從而達(dá)到防垢除垢的目的.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及試驗(yàn)臺(tái)搭建

本文水箱中用的是城市污水，密度為1 011.3 kg/m3，溫度變化范圍在18.2～20℃.污水中溶解了大量鹽類、泥土、灰塵、微生物以及凝膠狀物質(zhì)，中小尺寸污染物占大部分，其是污垢換熱器的主要因素[11－13].與鈣鎂鹽類污垢不同，污泥類污垢具有內(nèi)聚性和黏著性，其表面很滑的黏膠狀物體，同時(shí)大部分是親水性的，其特點(diǎn)是黏度強(qiáng)、體積大易形成濕而軟的片狀物.污泥中含有各種無機(jī)鹽類沉淀和微生物，因各種有機(jī)物和硫化物分解而呈現(xiàn)黑色.采集的污垢經(jīng)計(jì)算測(cè)得密度為1 161 kg/m3.為了保證泵的正常工作，在水箱的出水口之前和回水口之后都安有篩網(wǎng)，目的是防止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入管道流動(dòng).見圖2、3.表2.

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖

表2 實(shí)驗(yàn)器材明細(xì)表

圖3 換能器示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

采用動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)法.搭建好動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)，通過準(zhǔn)確控制污水的流速、超聲發(fā)生器的作用時(shí)間等，研究實(shí)驗(yàn)效果，并保證結(jié)果的可靠性.

實(shí)驗(yàn)步驟:1)將城市污水導(dǎo)入水箱，采集樣本計(jì)算密度;2)將實(shí)驗(yàn)管道清潔干燥，稱重記錄后安裝到實(shí)驗(yàn)臺(tái);3)運(yùn)行水泵，通過控制管道閥門調(diào)節(jié)到合適流量，記錄試驗(yàn)初始時(shí)間;4)每隔96 h稱重兩根實(shí)驗(yàn)管，計(jì)算結(jié)垢量，直至污垢增長(zhǎng)穩(wěn)定;5)將超聲波發(fā)生器與換能器連接好，開始工作;6)超聲作用時(shí)間在10～60 min，間隔為10 min.實(shí)驗(yàn)開始時(shí)將對(duì)比管段的閥門關(guān)閉，并將超聲作用時(shí)間交替作用在兩根實(shí)驗(yàn)管上，以此來減少試驗(yàn)次數(shù);7)一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束后稱重實(shí)驗(yàn)管，觀察分析實(shí)驗(yàn)效果;8)再次通過改變流量，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，計(jì)算防垢率;9)對(duì)比試驗(yàn)效果，得出最終結(jié)論.

實(shí)驗(yàn)分析過程中要計(jì)算的數(shù)據(jù)和公式如下.積垢速率:

防垢率:

積垢脫落速率:

結(jié)垢率:

污垢厚度:

其中:wt為積垢后管子質(zhì)量，kg;w0為積垢前管子質(zhì)量，kg;S為管子內(nèi)表面積，m2;t1為積垢時(shí)間，h;t2為超聲作用時(shí)間，min;M0為未加超聲時(shí)管子的質(zhì)量，kg;Mt為加超聲后管子的質(zhì)量，kg;M00為干凈管子的質(zhì)量，kg;L為管長(zhǎng)，m.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 未加超聲時(shí)污垢增長(zhǎng)特性

實(shí)驗(yàn)開始前，兩根潔凈光管的質(zhì)量分別為:m1=1.538 kg，m2=1.800 kg.每次試驗(yàn)4 d為一周期，調(diào)節(jié)流速，觀察結(jié)垢量的變化.

由表3可以看出在開始幾天由于光管的原因，內(nèi)壁表面粗糙度較低，誘導(dǎo)期較長(zhǎng)，故結(jié)垢較慢，在5 d左右后結(jié)垢量開始增大，直到14 d左右污垢增長(zhǎng)達(dá)到平衡，污垢厚度變化趨勢(shì)見圖4～6.

表3 未加超聲時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本實(shí)驗(yàn)條件下，污垢厚度的變化量隨流速的增加而成減少趨勢(shì)，積垢速率在誘導(dǎo)期結(jié)束后，運(yùn)輸和附著階段中污垢沉積速率變化較大，8 d后污垢逐漸開始老化，直至穩(wěn)定.

3.2 超聲作用對(duì)除垢效果分析

見表4.

表4 超聲波防垢實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 超聲作用時(shí)間對(duì)除垢效果分析

不同流速下，超聲波作用時(shí)間與防垢率關(guān)系如圖7、8.

由圖7、8可以看出超聲作用時(shí)間越長(zhǎng)，防垢率越大，且在40～50 min的時(shí)變化率最大，之后趨于平和，最大防垢率為62.5%.積垢脫落速率在20 min后，變化率并不大，這主要因?yàn)楸韺游酃敢酌撀涞木壒?考慮到能耗和功率的影響，分析的最佳作用時(shí)間應(yīng)為50 min，除垢率最大為50%，此時(shí)積垢脫落速率為4.5×10－5kg/(m2·min).

3.2.2 流速對(duì)超聲除垢效果分析

本實(shí)驗(yàn)所選流速有1.36、1.15、0.97、0.74m/s四種，水泵運(yùn)行時(shí)間間隔為4 d，由圖9可看出隨著流速的增加，在相同時(shí)間內(nèi)管道的結(jié)垢逐漸減少.這是由于流速越大，流體在管道內(nèi)的攪拌作用越強(qiáng)，使得成垢和結(jié)垢的幾率減小的緣故.

圖9 不同流速下結(jié)垢率α變化

由圖10可以看出除垢率首先隨著流速的增大而增加，但當(dāng)流速大于1.15 m/s時(shí)，除垢率增加緩慢.這是由于流速越大，管道的湍流效應(yīng)越強(qiáng)，空化強(qiáng)度也相應(yīng)降低，所以除垢效果增加不是很明顯.

圖10 不同流速下防垢率Ψ變化

4 結(jié)語(yǔ)

在參考現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，選取合適的超聲波發(fā)生器，通過改變流體流速、超聲作用時(shí)間來研究防垢率的變化，為污水換熱器的除垢防垢和高效換熱的研究提供必要的理論依據(jù)，也為污垢的生長(zhǎng)機(jī)制探索積累更多可信數(shù)據(jù)，同時(shí)也為新型除垢技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究奠定理論基礎(chǔ).

實(shí)驗(yàn)證明超聲波術(shù)具有明顯的防垢效果.但當(dāng)流速高于一定值后，管道內(nèi)污水湍流效應(yīng)增強(qiáng)，雖然氣泡數(shù)增多，但空化強(qiáng)度降低，防垢效果有所減弱.所以應(yīng)合理的利用聲空化技術(shù)，相信其將成為新的密切結(jié)合污水換熱器的經(jīng)濟(jì)而有效地防除垢對(duì)策.

[1]姜延朔，李一明.超聲波防除垢技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用[J].節(jié)能，2010，1:62－65.

[2]秦 娜.原生污水的紊流特性及其熱泵系統(tǒng)的研究[D].天津:天津大學(xué)，2010.

[2]丘泰球，胡愛軍，姚成燦，等.超聲波防除積垢節(jié)能技術(shù)及設(shè)備開發(fā)[J].應(yīng)用聲學(xué)，2002，2(21):8－11.

[3]BOURISD，KONSTANTINIDISE，BALABANIS，et al.Design of a novel，intensified heat exchanger for reduced fouling rates.International Journal of Heatand Mass Transfer，2005，48:3817－3832.

[4]李虹霞.超聲空化防除垢與水力空化防除垢和強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院，2009.

[5]FLYNN H.Physics of Acoustic Cavitation in Liquids，Physics Acoustic[J].W P Mason，ed.，NewYork:Academic Press，1964，1B，167.

[6]皇磊落.超聲波除垢的流動(dòng)液體運(yùn)行參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[D].西安:陜西師范大學(xué)，2008.

[7]WANG G，INANC S，WEIS，et al.Dynamics of attached turbulent cavitating flows[J].Progress in Aerospace Science，2001，37(4):551－581.

[8]TABOREK J.Predictive Methods for Fouling.Behavior[J].Chem.Eng.Progress，1972，68(7):69－78.

[9]TABOREK J.Fouling:The Major Unresolved Problem in Heat Transfer，Chem.Eng.Progress，1972，68(2):59－68.

[10]梁成浩，白忻平.超聲波阻垢性能的研究[J].中國(guó)給水排水，2008，13:64－66.

[11]劉志斌，張承虎，錢劍峰，等.城市污水冷熱源污水污雜物分級(jí)濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)[J].流體機(jī)械，2007，35(1):56－59.

[12]錢劍峰，譚延坤，張吉禮.污水源熱泵系統(tǒng)聲空化除污與強(qiáng)化換熱技術(shù)[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2011，30(6):24－29.

[13]錢劍峰，郭 運(yùn)，李江丹.采集凝固熱熱泵系統(tǒng)連續(xù)取熱的參數(shù)條件分析[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，27(4):630－632，637.