水冷式冷水機組冷凝器污垢熱阻的動態試驗研究

　　換熱表面的污垢會使傳熱惡化，且隨著強化換熱技術的應用，污垢熱阻對傳熱過程的影響更加明顯，因此冷凝器冷卻水側污垢熱阻值的選取便成了水冷式冷水機組優化設計的主要問題之一。冷卻水污垢熱阻的數值通常是根據經驗數值或是文獻、規范等確定，如根據HTRI/TEMA Joint Committee 推薦的污垢熱阻^[1]，河水的污垢熱阻值是3.52× 10^-4～5.28×10^-4 m²·℃/W，而根據《工業循環水處理設計規范》（GB50050-95）[2]，敞開式循環水系統的污垢熱阻值為1.71× 10^-4～3.44×10^-4 m²·℃/W。由于不同參考資料給出的污垢熱阻的數值變化較大，給實際的設計工作帶來了困難。另外不同河流、不同區段、在不同季節時冷卻水所形成的污垢也有所不同，因此我們擬采用試驗方法，選用在珠江三角洲地區被廣泛用作冷卻水的珠江水為試驗工質進行冷卻水污垢熱阻的試驗，試驗是在6月到10月期間進行。冷卻水污垢熱阻的影響因素主要是溫度、流速和水質。由參考文獻^[1]分析，冷卻水溫度低于50℃時溫度對污垢熱阻的影響可忽略。因此主要研究冷卻水流速對污垢熱阻的影響，為冷凝器的設計提供較具體的污垢熱阻數據。
　　
1 試驗原理及試驗裝置
　　
　　1．1 試驗原理
　　
　　由傳熱學法測量污垢熱阻R_f，即
　　 　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　（1）
　　 　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2）
　　于是， 　　　　　　　　　　　　 （3）
　　通過計算冷凝器換熱管兩側的換熱系數和總的傳熱系數，從分離出污垢熱阻。本試驗采用實際的水冷式冷水機組，制冷量是30kW，制冷劑為HCFC-22。冷凝器是兩回程的管殼式換熱器，管內徑是0.0117m，銅管數目是38根。對管外側冷凝的HCFC-22，可不考慮污垢熱阻。HCFC-22的冷凝換熱系數a_c,fz為^[3]：
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　 （4）
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　（5）
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 （6）
　　
　　在換熱管的內側流動的冷卻水處于旺盛的紊流，其對流換熱系數與該側流體的狀態參數、物性參數和換熱管的結構參數有關，通過測量流體流速、進出口溫度就可以由經驗公式計算出相應條件下的換熱系數。冷凝器總的傳熱系數可以由其總的換熱量、換熱面積和對數平均換熱溫度計算得出。因此，在實驗室條件下可以通過測量溫度、流速和壓力等參數來確定a_w,a_c,fz和K_I，進而就可以得出冷凝器冷卻水側的動態污垢熱阻R_f。
　　
　　1．2 試驗裝置
　　
　　試驗裝置是由兩部分組成：一是冷水機組，二是計算機數據采集和監控系統。如圖1所示，冷水機組又分為制冷劑回路、冷卻水回路冷凍水回路。數據采集系統采集冷水機中三個回路的不同物理量，即冷卻水流量和出入口溫度、冷凍水流量和出入口溫度、冷凝壓力，輸入到計算機并根據上述試驗原理和公式進行數據處理，得出各個時刻的污垢熱阻，并監控試驗各個階
段。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 污垢熱阻試驗裝置
　　
2 污垢熱阻試驗研究以及數據分析
　　
　　2．1 驗證性試驗
　　為驗證試驗結果的可靠性，先以自來水作冷卻水進行試驗，所得結果如圖2的曲線1和曲線2所示，結果表明：當冷卻水流速改變時，所測得的冷卻水側的污垢熱阻基本不變且維持為1.5×10^-7 ～2×10^-7m²·℃/W，約為珠江水污垢熱阻（見圖2的曲線3～曲線5）的1‰～2‰，故可以認為試驗裝置設計合理，所得試驗結果可靠。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 試驗結果
　　
　　2．2 不同流速下珠江水（獵德段）污垢熱阻試驗
　　采用珠江水為冷卻水的污垢試驗在兩個流速下進行。為保證冷卻水質的一致性，定期補充珠江水到試驗裝置中。
　　如圖2的曲線3、曲線4所示，試驗在36天的期間內，冷卻水流速為1.44m/s時，污垢熱阻R_f的漸近值為1.14×10^-4m²·℃/W。冷卻水流速為0.83m/s時，污垢熱阻R_f的漸近值為1.921×10^-４m²·℃/W。污垢熱阻的漸近值與冷卻水流速成反比關系。這些污垢熱阻的數據比TEMA推薦要低。
　　
　　試驗結果注釋：
　　　　曲線1：不同自來水流速下污垢熱阻的變化
　　　　曲線2：自來水流速的變化
　　　　曲線3：1～20天冷卻水流速為1.44m/s時污垢熱阻的實驗曲線，R_f的漸近值為1.14×10^-4m²·℃/W。
　　　　曲線4：21～36天冷卻水流速為0.83m/s時污垢熱阻的實驗曲線，R_f的漸近值為1.921×10^-4m²·℃/W。
　　　　曲線5：37～42天后冷卻水流速為1.44m/s時污垢熱阻的實驗曲線，R_f的漸近值為1.82×10^-4m²·℃/W。
　　　　曲線6：43～46天后冷卻水流速為0.83m/s時污垢熱阻的實驗曲線，R_f的漸近值為1.87×10^-4m²·℃/W。
　　
　　2.2.2 換熱面上污垢的變化
　　試驗過程中還發現污垢的老化現象。老化的進行使沉積物的特性發生變化，老化的表現為：晶體結構的變化、沉積物的聚合、微生物的饑鋨死亡等^[4]。通常污垢的老化都會引起沉積物隨時間變得更加堅韌，更難以剝蝕。目前國內外對污垢老化的研究尚缺乏必要的數據。如圖2的曲線5所示，當試驗歷經了36天后，在沒有停機清洗的情況下直接將冷卻水流速增至1.44m/s，發現污垢熱阻并沒有由1.921×10^-4m²·℃/W下降至1.14×10^-4m²·℃/W，而是趨于一定值約為1.85×10^-4m²·℃/W。在第43～46天，降低流速到0.83m/s時，污垢熱阻只是上升一點到1.87×10^-4m²·℃/W，見圖2的曲線6。以上數據表明污垢沉積在換熱管表面上一段時間后會老化，此時增加流速并不能有效的剝蝕污垢從而降低污垢熱阻。