畢慶生 任 萍 李鄧超

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心；2.吉林省電力科學(xué)研究院有限公司)

氣液兩相流對(duì)板式換熱器污垢特性的影響研究

畢慶生1任 萍2李鄧超1

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 吉林省建筑能源供應(yīng)及室內(nèi)環(huán)境控制工程研究中心；2.吉林省電力科學(xué)研究院有限公司)

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了氣液兩相流對(duì)板式換熱器污垢特性的影響。結(jié)果表明：板式換熱器污垢熱阻值隨著含氣量的增大而減小，含氣量越多，擾動(dòng)越強(qiáng)，其污垢熱阻值越小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)相同含氣率條件下氣泡尺寸越小，抑垢效果越好。

板式換熱器 氣液兩相流 氣泡尺寸 污垢特性

隨著當(dāng)代工業(yè)的迅速發(fā)展，在動(dòng)力、石油、核能、冶金、制冷、化工及航天等領(lǐng)域都存在換熱設(shè)備結(jié)垢的問(wèn)題，換熱表面結(jié)垢會(huì)降低設(shè)備的換熱效率，加速設(shè)備的老化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響正常的安全運(yùn)行，因此也越來(lái)越受到人們的重視。

板式換熱器因具有結(jié)構(gòu)緊密、換熱效率高、占用空間小及便于安裝清洗等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)板式換熱器內(nèi)的兩相流動(dòng)傳熱和阻力做了大量的研究[1～5]，發(fā)現(xiàn)板式換熱器內(nèi)兩相流動(dòng)相對(duì)于單相流換熱性能增強(qiáng)，但對(duì)壓力變化會(huì)有很大的影響。也有學(xué)者提出氣液兩相流在板式換熱器中流動(dòng)時(shí)，兩相流的相對(duì)速度、氣相的體積分?jǐn)?shù)等物性參數(shù)具有很大的隨機(jī)性，其流動(dòng)換熱情況更為復(fù)雜[6，7]。

針對(duì)污垢方面的研究得出水質(zhì)參數(shù)(如氧含量、生物菌、酸堿度及濃度等)的變化對(duì)板式換熱器的污垢特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)流體內(nèi)各參數(shù)能夠產(chǎn)生相互的協(xié)同作用，對(duì)污垢的生長(zhǎng)有很大的影響[8～10]。顧業(yè)梅等研究發(fā)現(xiàn)在相同的工況下?lián)Q熱表面越光滑，CaCO3析晶污垢的沉積量越少，而換熱表面越粗糙則沉積量越多[11]。Grandgeorge S等研究發(fā)現(xiàn)，小濃度的污垢誘導(dǎo)期較大濃度的污垢誘導(dǎo)期長(zhǎng)[12]。昝成等通過(guò)建立污垢熱阻的數(shù)值模型來(lái)分析顆粒污垢粒徑尺寸對(duì)污垢沉積量的影響，提出了不同顆粒粒徑尺寸對(duì)污垢影響的界限參考值[13]。Qaisrani T M和Samhaber W M以板式換熱器內(nèi)二級(jí)出水為研究對(duì)象，著重考察了溫度和板間流速對(duì)污垢初始過(guò)程的影響[14]。Pacek A W和Nienow A研究發(fā)現(xiàn)氣泡反沖和氣體鼓泡能夠相互產(chǎn)生協(xié)同作用來(lái)抑制污垢的形成，并能提高膜的清洗效率[15]。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了氣液兩相流對(duì)板式換熱器污垢特性的影響，分析了兩相流對(duì)污垢特性的影響規(guī)律和原因，為抑垢研究提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與原理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖中未畫出)和待測(cè)板式換熱器5部分組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的循環(huán)系統(tǒng)分為冷水側(cè)和熱水側(cè)。冷水側(cè)由壓縮機(jī)壓縮的空氣經(jīng)平衡閥、壓力表和空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)到混合器與低溫介質(zhì)循環(huán)泵輸送的水組成冷卻工質(zhì)進(jìn)入板式換熱器吸熱，然后流入冷卻水箱，在冷卻水箱中由變頻風(fēng)冷系統(tǒng)調(diào)整溫度，使溫度維持在一定范圍；而熱水側(cè)熱水由電加熱器加熱經(jīng)高溫介質(zhì)水泵、渦輪流量計(jì)進(jìn)入換熱器放熱后重新流回恒溫介質(zhì)水箱再加熱，如此循環(huán)往復(fù)。

實(shí)驗(yàn)使用的待測(cè)板式換熱器是吉林四平生產(chǎn)的BR 0.015F型板式換熱器。在實(shí)驗(yàn)使用的氣液兩相流裝置內(nèi)部粘合一塊塑料孔板，上面均勻分布直徑相同的小孔，既保證氣相能夠較為均勻地分布在液相中，又使氣泡尺寸一致。圖2為孔板的示意圖，通過(guò)改變孔徑來(lái)改變氣泡尺寸，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了3個(gè)不同孔徑d(0.5、1.0、1.5mm)的孔板。

圖2 孔板示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

理論上換熱器的換熱量Φ等于熱側(cè)放熱量Φ1，也等于冷側(cè)吸熱量Φ2，但考慮到換熱器的散熱損失，Φ1、Φ2并不相等，因此，定義熱平衡相對(duì)誤差η為：

η=|Φ1-Φ2|/Φ1×100%

(1)

若η≤5%，則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理。

潔凈狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)k、對(duì)數(shù)平均溫差Δtm和污垢熱阻Rf分別為：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中A——換熱面積，m2；

k0——換熱器結(jié)垢后的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Δtmax、Δtmin——換熱器端部溫差的最大值和最小值。

1.3 氣泡尺寸的測(cè)量

如圖3所示，氣液兩相流流經(jīng)細(xì)管時(shí)，通過(guò)測(cè)量氣體在管內(nèi)的延伸長(zhǎng)度L來(lái)計(jì)算氣泡直徑d氣[15]：

d氣=(1.5L·d管)1/3

(6)

式中d管——毛細(xì)管內(nèi)徑。

圖3 氣泡直徑測(cè)量方法示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，采用不同進(jìn)氣孔徑的孔板，可得到不同尺寸大小的氣泡。通過(guò)改變氣液混合比，當(dāng)流動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行分別測(cè)量，每組連續(xù)采集200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)相同進(jìn)氣孔徑的板片導(dǎo)出兩相流中的L基本在很小范圍內(nèi)波動(dòng)，所以采用概率統(tǒng)計(jì)的方法，最終求取平均值得出不同孔板孔徑對(duì)應(yīng)的不同氣泡尺寸(表1)。

表1 不同孔徑板片對(duì)應(yīng)對(duì)得到的不同直徑的氣泡

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 兩相流下不同含氣率對(duì)污垢特性的影響

針對(duì)板式換熱器在兩相流動(dòng)中不同含氣率對(duì)顆粒和析晶污垢沉積影響的作用，顆粒污垢采用人工添加濃度為400mg/L的氧化鎂，析晶污垢采用3g/L的硫酸鈣溶液，通過(guò)進(jìn)行3組不同含氣率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別在氣體流量QG為0.00(即單相流動(dòng))、0.10、0.30m3/h的情況下進(jìn)行比較。

如圖4、5所示，通過(guò)對(duì)比單相流動(dòng)和氣液兩相流動(dòng)得到的污垢熱阻漸進(jìn)值發(fā)現(xiàn)，氣液兩相流具有明顯的抑垢效果；而通過(guò)兩組不同含氣量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，氣相流量大時(shí)具有較好的抑垢效果。而且隨著氣相流量的增大，污垢熱阻漸進(jìn)值能夠很快達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。這是由于污垢的沉積主要是由剝蝕率和沉積率相互作用而產(chǎn)生的，在污垢增長(zhǎng)期，由于沉積率大于剝蝕率，而造成污垢沉積量的增加，隨著時(shí)間的增加，剝蝕率逐漸增加，并最終達(dá)到與沉積率保持一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，即污垢的沉積量達(dá)到一個(gè)在相對(duì)較小范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)平衡。而污垢的沉積率主要體現(xiàn)在換熱面對(duì)污垢吸附力的大小上，剝蝕率主要體現(xiàn)在流經(jīng)污垢表面的流體對(duì)污垢剪切力的大小上。在氣液兩相流動(dòng)中，由于氣體的擾動(dòng)作用增大了兩相流體對(duì)污垢表面的剪切力，進(jìn)而對(duì)污垢的沉積起到了一定的抑制作用，并且縮短了沉積率與剝蝕率達(dá)到相對(duì)平衡的時(shí)間，而在不同含氣量的對(duì)比曲線中得出，由于氣相流量的增大，進(jìn)一步增大了流體對(duì)污垢的剪切力作用，相對(duì)于小的含氣量，具有更好的抑制污垢增長(zhǎng)的作用。

圖4 不同含氣率下的顆粒污垢特性

圖5 不同含氣率下的飽和析晶污垢特性

2.2 不同氣泡尺寸對(duì)污垢特性的影響

本組實(shí)驗(yàn)主要研究不同氣泡尺寸對(duì)板式換熱器的顆粒和析晶污垢特性的影響，實(shí)驗(yàn)所用的污垢物質(zhì)為人工添加濃度400mg/L的氧化鎂和人工配置濃度為3g/L的過(guò)飽和硫酸鈣溶液，以此來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

如圖6、7所示，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著兩相流中氣相氣泡尺寸的減小，污垢的沉積量也逐漸減小，具有更好的抑垢效果。對(duì)于以上現(xiàn)象，在相同含氣率的情況下，由于大尺寸的氣泡在數(shù)量上沒(méi)有小尺寸氣泡多，影響到在板片的換熱表面上與污垢的顆粒碰撞次數(shù)，小尺寸氣泡在數(shù)量上占有優(yōu)勢(shì)，有更多的機(jī)會(huì)與顆粒污垢進(jìn)行碰撞，而從另一方面講小尺寸的氣泡在流動(dòng)中相對(duì)于大尺寸氣泡具有更強(qiáng)的擾動(dòng)作用，增強(qiáng)了換熱表面的湍流強(qiáng)度，增大了對(duì)換熱表面顆粒無(wú)垢的剝蝕力，使得污垢更加不容易附著在換熱表面上，進(jìn)一步解釋了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 不同氣泡尺寸下的顆粒污垢特性

圖7 不同氣泡尺寸下的飽和析晶污垢特性

2.3 相同含氣率下的不同顆粒尺寸污垢特性

為了研究氣液兩相流對(duì)不同顆粒粒徑污垢特性的影響，本實(shí)驗(yàn)選用了平均顆粒粒徑分別為40nm和20μm的氧化鎂顆粒配置的溶液，氧化鎂溶液濃度均為400mg/L，且其他工況均相同，進(jìn)行了兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。由于顆粒粒徑相差很大，得到的實(shí)驗(yàn)效果非常明顯。由于納米氧化鎂粒徑很小，所配置出來(lái)的溶液屬于膠體溶液。

如圖8所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩相流中氣體對(duì)大尺寸的顆粒污垢具有更好的抑垢效果。對(duì)于以上結(jié)果的分析可從污垢生長(zhǎng)過(guò)程中的輸運(yùn)、附著和剝蝕3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行研究。首先膠體溶液的溶質(zhì)直徑一般在1～100nm之間，它決定了膠體粒子具有巨大的表面積，吸附力很強(qiáng)。在污垢生長(zhǎng)的輸運(yùn)過(guò)程中，由于納米氧化鎂所配制的溶液是膠體溶液，而微米氧化鎂所配制溶液的是懸浮液。在相同濃度的情況下，納米氧化鎂相對(duì)于微米氧化鎂具有更大的顆粒濃度，從粒子布朗運(yùn)動(dòng)來(lái)分析，納米氧化鎂顆粒具有更為劇烈的布朗運(yùn)動(dòng)，即有更多的納米粒子來(lái)與換熱表面進(jìn)行碰撞，而微米氧化鎂相對(duì)于納米氧化鎂的布朗運(yùn)動(dòng)則相對(duì)于緩和。

圖8 相同含氣率下的不同顆粒尺寸污垢特性

從污垢附著過(guò)程來(lái)分析：對(duì)于微粒而言，任何微粒之間都存在范德華引力，范德華引力是色散力、極性力和誘導(dǎo)偶合力相互作用之和。而范德華引力的大小與粒子和換熱表面的接觸面積大小有關(guān)，當(dāng)接觸面積增大，范德華引力也隨之增大。因而納米粒子更容易受較大的影響，而且膠體粒子本身具有很強(qiáng)的吸附力的特性，且由于納米粒子具有高分散性，相對(duì)于微米粒子具有更大的比表面積，因而使得納米氧化鎂粒子相對(duì)于微米氧化鎂粒子更容易吸附在換熱表面上。

從污垢的剝蝕過(guò)程來(lái)分析：附著在換熱表面上的粒子會(huì)受到氣液兩相流流體的剪切力作用，當(dāng)附著力大于流體對(duì)微粒的剪切力時(shí)，微粒就會(huì)沉積在換熱表面形成污垢，而當(dāng)附著力小于剪切力時(shí)，顆粒就會(huì)在剪切力的作用下，隨流體流走。而納米微粒相對(duì)于微米顆粒體積小很多，在氣體的擾動(dòng)下，微米氧化鎂粒子更易于受到擾動(dòng)而增大所受到的剪切力作用，而由于膠體溶液的自身特性所受的影響相對(duì)較小，受到的剪切力的作用也小得多，因而在氣液兩相流中，大尺寸的顆粒污垢更易受到影響而脫離換熱表面。

從以上分析得出，從污垢生成的3個(gè)階段來(lái)看，納米氧化鎂配置的膠體溶液相對(duì)于微米氧化鎂配置的懸濁液來(lái)說(shuō)，由于自身的特殊性導(dǎo)致了有更多機(jī)會(huì)被輸運(yùn)到換熱表面且易附著在換熱表面形成污垢，且受到的氣體擾動(dòng)作用較小，不容易被兩相流體從換熱表面上剝蝕掉。

2.4 單相流和兩相流對(duì)不飽和析晶污垢特性影響

本組對(duì)比實(shí)驗(yàn)主要研究板式換熱器中不飽和析晶污垢的污垢熱阻特性，所選用的溶質(zhì)為人工配置的硫酸鈣，通過(guò)一定比例的硫酸鈉和氯化鈣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，得到濃度為2.0g/L的不飽和硫酸鈣溶液(本實(shí)驗(yàn)中的硫酸鈣溶液在板式換熱器的平均溫度約為40℃，其溶液在40℃時(shí)，溶解度為2.56g/L)。通過(guò)單向流和氣液兩相流來(lái)研究氣相對(duì)不飽和硫酸鈣溶液的污垢特性影響。其中氣液兩相流中，氣體的流量為0.10m3/h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，氣液兩相流動(dòng)的污垢熱阻值明顯小于單向流動(dòng)的污垢熱阻值，進(jìn)而說(shuō)明氣液兩相流動(dòng)具有一定的抑垢作用。對(duì)于不飽和硫酸鈣溶液，其溶質(zhì)硫酸鈣大多都以鈣離子和硫酸根離子的形式存在，當(dāng)溶液流經(jīng)換熱表面會(huì)由于濃度的不均勻形成硫酸鈣析出，并沉積在換熱表面上，從而形成析晶污垢，而由于氣體的通入，增強(qiáng)了流體的擾動(dòng)性，破壞了換熱表面的邊界層，加強(qiáng)了對(duì)析晶體的碰撞頻率，增大了對(duì)析晶體的剝蝕力，從而減少了析晶體沉積在換熱表面的機(jī)會(huì)。進(jìn)而解釋了兩相流動(dòng)的抑垢原因。

圖9 單相流和兩相流下的不飽和析晶污垢特性

3 結(jié)論

3.1 在其他工況一定時(shí)，污垢的沉積量隨著含氣量的增大逐漸減小。

3.2 隨著氣泡尺寸的減小污垢沉積量也有所減小，但效果不是非常顯著。

3.3 相同的含氣量情況下，兩相流對(duì)粒徑大的顆粒污垢具有更好的抑垢效果。

3.4 兩相流動(dòng)對(duì)不飽和硫酸鈣析晶污垢也具有一定的抑垢效果。

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StudyonGas-LiquidFlowInfluenceonFoulingCharacteristicsofPlateHeatExchangers

BI Qing-sheng1, REN Ping2, LI Deng-chao1
(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,ChangchunInstituteofTechnology;JilinBuildingEnergySupplyandIndoorEnvironmentControlEngineeringResearchCenter; 2.JilinProvincialElectricPowerScienceResearchInstituteCo.,Ltd.)

Through comparative experiments, the gas-liquid flow’s influence on the fouling characteristics of plate heat exchangers was studied. The results show that, the fouling thermal resistance of plate heat exchangers can decrease gradually with the increase of air content and the more air content can incur stronger disturbance and smaller fouling thermal resistance; under the condition of the same bubble content, the small size of the bubbles can bring about better anti-fouling effect.

plate heat exchanger, gas-liquid flow, bubble size, fouling characteristics

吉林省教育廳項(xiàng)目(2015305)；吉林省科技廳項(xiàng)目(20100638)。

畢慶生(1968-)，副教授，從事電站和供熱的熱力系統(tǒng)節(jié)能分析方面的研究，bqs6808s@163.com。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)02-0135-06

2016-04-01，

2016-11-10)