王勇，楊啟容，吳榮華，陳霄

（青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071）

污水換熱器流態(tài)化在線防、除垢實(shí)驗(yàn)

王勇，楊啟容，吳榮華，陳霄

（青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071）

采用污水源熱泵供暖空調(diào)是節(jié)能減排的有效途徑，但換熱器結(jié)垢問題尚未得到有效解決。本文將固液流態(tài)化除垢技術(shù)應(yīng)用到污水源熱泵換熱器的防、除垢中，并設(shè)計(jì)了一套污水換熱器流態(tài)化除垢系統(tǒng)。該系統(tǒng)以沙粒作為除垢顆粒，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了固液流態(tài)化除垢的最佳流速、除垢能力、強(qiáng)化換熱效果及減少磨損的最佳工作參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；當(dāng)換熱管內(nèi)污水流速達(dá)到0.87m/s時(shí)，直徑2～3mm沙粒可流化，沙粒循環(huán)回收率達(dá)到 95%，實(shí)現(xiàn)了污水換熱器在線清洗；沙粒對(duì)壁面的碰撞力可有效去除換熱管壁的軟垢及鐵銹，除垢效果明顯；該除垢系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行24h后，污水換熱器傳熱系數(shù)提高了25.6%；沙粒體積分?jǐn)?shù)為4%，流速為揚(yáng)動(dòng)流速，是減少磨損和保證除垢效率的最佳工作參數(shù)。

污水；熱泵；換熱器；流態(tài)化；防垢

利用污水源熱泵技術(shù)采暖空調(diào)具有重大節(jié)能環(huán)保效益，但換熱器結(jié)垢問題尚未有效解決，如何防止污物對(duì)設(shè)備與管路的阻塞及污染是該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)[1-2]。污垢的存在不僅降低了熱泵系統(tǒng)運(yùn)行效率，而且造成設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用增加[3-4]。要實(shí)現(xiàn)污水側(cè)取水換熱過程冷熱量的持續(xù)高效傳遞與轉(zhuǎn)換，必須克服由污物引起的結(jié)垢問題。

目前污水換熱器除垢方法主要以停機(jī)后的間歇清洗為主，存在高額的人力、物力投資或損傷換熱設(shè)備等不足之處。而流態(tài)化在線除垢技術(shù)有防垢、除垢和強(qiáng)化換熱多重功能，具有應(yīng)用方便、無污染、投資小、可在線除垢的優(yōu)勢(shì)[5-7]，但在污水換熱器除垢方面的應(yīng)用較少，因此有必要對(duì)其進(jìn)一步研究。本文以工業(yè)應(yīng)用的污水換熱器為除垢對(duì)象，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，探討固液流態(tài)化除垢技術(shù)的最佳工作參數(shù)和除垢效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流態(tài)化在線除垢技術(shù)可有效解決污水源熱泵換熱器結(jié)垢問題。該除垢技術(shù)簡單可行，對(duì)環(huán)境無污染，在低溫冷熱源的利用中有廣闊的應(yīng)用前景。

1 污垢形成機(jī)理

污垢的形成是小尺寸污垢沉積和脫落兩種作用相互平衡的結(jié)果，Kern等[8]提出的污垢形成模型見式（1）。

式中，Rf為凈結(jié)垢速率；φd為污垢沉積速率；φr為污垢剝蝕速率。式（1）中污垢沉積速率φd主要由污垢的類型決定，不受人為控制，可變性較??；而污垢剝蝕速率φr主要由污垢附著力、污垢硬度及流體的剝削力決定，可以通過改變流體剝削力的方法來增大污垢剝蝕速率。而改變流體對(duì)污垢的剝削力需要增加流速或者改變流體物性，流速的增加務(wù)必會(huì)帶來設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的增加，況且即使增大流速，壁面仍附著一定厚度污垢。相比增大流速來除垢，流態(tài)化除垢技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，其在換熱器中加入固體顆粒，處于流態(tài)化顆粒的頻繁碰撞管壁，能凈化管壁，去除積垢，并擾動(dòng)管壁處的邊界層，可以達(dá)到防、除垢強(qiáng)化傳熱的目的。

2 污水換熱器流態(tài)化除垢理論分析

對(duì)污水換熱器流態(tài)化除垢進(jìn)行理論分析，以取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的2～3mm沙粒作為除垢顆粒，研究能使沙粒呈流態(tài)化循環(huán)流動(dòng)的最小流速及沙粒對(duì)壁面除垢能力。

2.1 流態(tài)化除垢的最佳流速

流速是流態(tài)化除垢重要運(yùn)行參數(shù)，流速較小容易導(dǎo)致顆粒淤積，不能達(dá)到循環(huán)除垢的效果，流速較大則會(huì)造成耗電、水泵投資等費(fèi)用增加。使沙粒揚(yáng)起混入水中，呈不著底運(yùn)動(dòng)的流速為揚(yáng)動(dòng)流速，而沙粒受自身重力影響會(huì)有沉降速度，球體顆粒在水中的沉降速度 u可用愛倫沉速公式計(jì)算，見式（2）[9]。

式中，u為球體顆粒沉速，cm/s；g為重力加速度，980cm/s2；a為常數(shù)，取10；γs為沙粒密度，2.65g/cm3；γ為水的密度，1.0g/cm3；d為沙粒粒徑，cm；v為水的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，當(dāng) t=10℃時(shí)取0.0131cm2/s。

對(duì)于非球體沙粒，沙玉清[10]研究指出其沉降速度修正系數(shù)為K=0.75。將以上有關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可得沙粒沉降速度u0，見式（3）。

沙玉清[10]研究揚(yáng)動(dòng)流速的實(shí)用簡式為式（4）。

式中，us為揚(yáng)動(dòng)流速，m/s；R為水力半徑，m；u0為沉降速度，m/s；將式（3）代入式（4）可得非球形沙粒的揚(yáng)動(dòng)流速為式（5）。

污水換熱器管徑為0.1m，滿管流其水力半徑R為 0.025m，沙粒平均直徑為 0.002m，計(jì)算得能實(shí)現(xiàn)沙粒循環(huán)流動(dòng)的揚(yáng)動(dòng)流速為us0=0.85m/s。

2.2 沙粒在水平管內(nèi)分布

隨著污水流速增大，管中沙粒會(huì)從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯忱诵翁鴦?dòng)、滾動(dòng)和不連續(xù)的間歇性躍動(dòng)前進(jìn)，流速越大，躍動(dòng)距離也越大。當(dāng)流速達(dá)到臨界狀態(tài)揚(yáng)動(dòng)流速時(shí)，沙粒被揚(yáng)起混入水中，同污水一起流動(dòng)[9]。文獻(xiàn)[11-13]通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究表明，沙粒在管內(nèi)的分布受流速、沙粒體積分?jǐn)?shù)影響較大。流速偏低時(shí)，靠中間管子的顆?？蓪?shí)現(xiàn)顆粒的正常流化，而靠近管壁的由于流速低、阻力大，顆粒難以流化，加之受密度差影響，顆粒分布不均勻。表現(xiàn)為沿豎直徑向方向呈梯度分布，管道底部濃度較高，頂部濃度較低。隨著流速的增大，顆粒分布不勻度減小。另一方面，顆粒加入量越大，顆粒分布不均勻度逐漸減小。

3 流態(tài)化除垢實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證流態(tài)化除垢技術(shù)的最佳流速及除垢能力，確定其在污水換熱器除垢應(yīng)用的可行性，設(shè)計(jì)搭建流態(tài)化除垢實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行污水換熱器流態(tài)化防、除垢實(shí)驗(yàn)研究。以工業(yè)應(yīng)用的污水源熱泵系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)已運(yùn)行一年未清洗，換熱管內(nèi)附有污垢。

3.1 除垢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)所用污水換熱器為暢通式污水換熱器，換熱面積75m2，換熱管徑0.1m，管長4m，四流道并聯(lián)；沉沙器尺寸高度1.8m，容量1m3；為實(shí)現(xiàn)沙粒順利循環(huán)，設(shè)置液體噴射器引射沉沙。工作原理為：開始除垢前，關(guān)閉閥門，沙粒從注沙口注入沉沙器。注沙完成后，開啟污水泵，運(yùn)行穩(wěn)定后，開啟閥門。沙粒與少量污水混合流體靠自身重力和噴射器的引射經(jīng)污水進(jìn)水管進(jìn)入換熱器，在換熱器中除垢完畢后經(jīng)污水出水管進(jìn)入沉沙器，實(shí)現(xiàn)固液分離，沙粒落入噴射器繼續(xù)除垢循環(huán)，而污水及除掉的污垢則穿過濾沙網(wǎng)從沉沙器上出口排出，如此反復(fù)，達(dá)到在線循環(huán)防垢、除垢的效果。當(dāng)不需要除垢時(shí)，關(guān)閉閥門，系統(tǒng)運(yùn)行段時(shí)間后，便可實(shí)現(xiàn)沙粒在沉沙器內(nèi)的回收，而不影響熱泵系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 流態(tài)化除垢最佳流速

為研究流態(tài)化除垢最佳流速，通過多臺(tái)污水泵并聯(lián)和開關(guān)閥門控制流量的方法，測(cè)試不同流速下沙粒回收循環(huán)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，圖3及圖4為不同流速下?lián)Q熱器內(nèi)沙粒的沉積情況。從圖2中可以看出，污水流速達(dá)到0.87m/s時(shí)，回收率達(dá)到95%，回收沙粒135kg（注沙140kg），其流速與理論計(jì)算的揚(yáng)動(dòng)流速0.85m/s幾乎吻合，而繼續(xù)增大流速沙?；厥章侍岣呶⑿?，這是由于連接管道和換熱器的死角淤積了部分沙粒所致。圖3、圖4為污水流速分為0.45m/s和0.87m/s時(shí)相同地方換熱管道沙粒淤積情況，圖3中沙粒淤積嚴(yán)重，是由于流速達(dá)不到使沙粒與污水充分混合的揚(yáng)動(dòng)流速所致，而沙粒在流速0.87m/s時(shí)無沙粒淤積，可實(shí)現(xiàn)在線循環(huán)清洗。

圖1 固液流態(tài)化除垢系統(tǒng)示意圖

圖2 污水流速與沙?；厥章赎P(guān)系

圖3 換熱管道沙粒淤積U=0.45m/s

圖4 換熱管道沙粒淤積U=0.87m/s

3.2.2 傳熱系數(shù)的變化

在流速為0.87m/s下，不同沙粒體積分?jǐn)?shù)下?lián)Q熱器傳熱系數(shù)隨操作時(shí)間的變化如圖5所示。由圖5可以看出，無沙粒工況下?lián)Q熱器的傳熱系數(shù)為915W/(m2?K)左右，而此換熱器剛投入使用時(shí)傳熱系數(shù)為1200 W/(m2?K)，說明換熱器結(jié)垢嚴(yán)重，是由于其運(yùn)行一年未清洗所致。隨著沙粒的加入傳熱系數(shù)明顯增大，呈現(xiàn)出傳熱系數(shù)先增大后平緩的趨勢(shì)，并且隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增大，除垢效率明顯增強(qiáng)，運(yùn)行17h后，傳熱系數(shù)趨于平緩，但傳熱系數(shù)并未達(dá)到換熱器剛投入運(yùn)行時(shí)的數(shù)值。打開換熱器后發(fā)現(xiàn)，其壁面仍附著有少量鐵銹及硬垢。但當(dāng)加入沙粒體積分?jǐn)?shù)占6%時(shí)，運(yùn)行24h后，其傳熱系數(shù)提高了25.6%，已達(dá)到良好的強(qiáng)化換熱效果。

圖5 傳熱系數(shù)與操作時(shí)間的關(guān)系

3.2.3 流態(tài)化除垢的可行性

為進(jìn)一步研究傳熱系數(shù)的提升與污垢的去除有關(guān)，對(duì)污水出水進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖6、圖7是在流速為0.87m/s時(shí)，加入沙粒之前與加入沙粒后從污水出水管隨機(jī)抽取的污水樣品，此污水源熱泵冷熱源為湖水。由圖6可見，加沙粒前污水出水管水質(zhì)顏色呈白色透明狀，水質(zhì)中有少量的污物，而圖7中加入沙粒除垢后的水質(zhì)顏色呈黑色渾濁狀，且有大量的黑色絮狀物及黑色團(tuán)體，可以認(rèn)為其為換熱器管道所附著的軟垢，除垢前后水質(zhì)對(duì)比表明此流態(tài)化除垢系統(tǒng)具有良好的除垢效果。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)除垢后的污水換熱器拆卸后還發(fā)現(xiàn)，加入沙粒對(duì)換熱管道壁面的作用巨大，如圖8、圖9所示。圖8為沙粒對(duì)污水換熱器導(dǎo)流腔壁面的沖擊留下的凹痕，明顯看出存在許多凹坑，為沙粒沖擊所致，并且黃色斑點(diǎn)為被沙粒沖刷掉的銹斑，可見流態(tài)化沙粒的頻繁碰撞足以導(dǎo)致污垢及銹斑破裂與脫落。對(duì)沉沙器內(nèi)的沙粒取樣分析，發(fā)現(xiàn)沙粒中摻雜著鐵銹，如圖9所示。雖然缺乏具體的參數(shù)證明沙粒對(duì)換熱管的作用力大小，但如此明顯的痕跡足以說明沙粒對(duì)壁面的作用力能夠把污垢進(jìn)行有效清除，所以說流態(tài)化除垢技術(shù)應(yīng)用到污水換熱器的清洗中是可行的。

圖6 加沙粒前污水出水取樣

圖7 加沙粒后污水出水取樣

圖8 沙粒對(duì)壁面碰撞痕跡

圖9 沙粒除掉的鐵銹

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

沙粒對(duì)換熱管壁碰撞除垢的同時(shí)會(huì)造成管壁的磨損，為此需對(duì)流速和沙粒量進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。毋庸置疑，流速越大，沙粒對(duì)壁面的磨損越嚴(yán)重，而流速過小則會(huì)導(dǎo)致沙粒淤積，因此，在保證沙粒能夠循環(huán)流動(dòng)除垢的前提下，磨損最小的流速應(yīng)是揚(yáng)動(dòng)流速0.87m/s。不同沙粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)壁面的磨損程度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 沙粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)壁面磨損程度

由圖10可以看出，沙粒對(duì)壁面磨損程度隨沙粒體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，但由圖5可知過小的沙粒體積分?jǐn)?shù)會(huì)影響到除垢效率，綜合考慮，可認(rèn)為沙粒體積分?jǐn)?shù)為 4%時(shí)，即可保證較高的除垢效率又可減小對(duì)壁面的磨損，為最佳沙粒量。

4 結(jié) 論

為有效解決污水換熱器結(jié)垢問題，將流態(tài)化在線除垢技術(shù)引入到污水換熱器的防除垢應(yīng)用中，成功實(shí)現(xiàn)了污水換熱器在線除垢，達(dá)到了良好除垢效果，得出如下結(jié)論。

（1）以工業(yè)應(yīng)用的污水源熱泵系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究表明流態(tài)化除垢技術(shù)對(duì)污水換熱器具有優(yōu)良的在線防、除垢效果。本實(shí)驗(yàn)以取材方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的沙粒作為除垢顆粒，可有效去除換熱管內(nèi)的污垢及鐵銹，同時(shí)沙粒的隨機(jī)頻繁碰撞可破壞邊界層，強(qiáng)化傳熱。

（2）實(shí)驗(yàn)研究表明，將固液兩相流流速提升到0.87m/s時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了95%的直徑為2～3mm的沙粒在線循環(huán)清洗，與理論計(jì)算的0.85m/s揚(yáng)動(dòng)流速幾乎吻合。少量沙粒聚集在管道和換熱器死角，但不會(huì)出現(xiàn)沙粒在換熱管內(nèi)的淤積。隨著沙粒體積分?jǐn)?shù)的增大，其除垢效率越高，沙粒體積分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，運(yùn)行24h后，傳熱系數(shù)提高了25.6%，管壁附著的難以清洗掉的部分硬垢及鐵銹影響了傳熱系數(shù)的繼續(xù)提升。

（3）污水換熱器流態(tài)化除垢實(shí)驗(yàn)表明：處于流態(tài)化的沙粒對(duì)壁面作用力巨大，足以使部分鐵銹因沙粒碰撞而脫落。對(duì)除垢前后污水出水取樣進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，除垢后的污水樣品中含有較多污垢，進(jìn)一步驗(yàn)證了此除垢技術(shù)是行之有效的。

（4）為減少沙粒對(duì)管壁磨損，進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，污水流速為揚(yáng)動(dòng)流速且沙粒體積分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，既可減小沙粒對(duì)壁面的磨損，又可保證高效除垢效率。

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An experimental study on on-line fouling fluidized-removing of sewage heat exchanger

WANG Yong，YANG Qirong，WU Ronghua，CHEN Xiao
（Institute of Mechanic and Electronic Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong，China）

Using sewage source heat pump to heat and ventilate for building is an effective way of energy saving and emission reduction. However，fouling of heat exchanger remains an urgent and unresolved issue. In order to solve this problem，the solid-liquid fouling fluidized-removing technology was applied for fouling prevention and removing of sewage heat exchanger. A set of fouling removing system using sand as fouling removing particles was established in this paper. Combined theory analysis with experimental validation，the optimal flow rate，the heat transfer enhancement effect，the optimal technological parameters of anti-attrition and the fouling removing ability of fouling fluidized-removing were discussed. The experimental results showed that the sand grains with the diameter of 2—3mm could be fluidized if the flow rate of the sewage reached 0.87m/s.The recycling efficiency of the sand grains was almost 95%. The on-line cleaning was realized. The fouling fluidized-removing technology could effectively remove soft dirt and rust of sewage heat exchanger. The heat transfer coefficient increased by 25.6% after the fouling removing system continued to run 24 hours. In order to induce attrition and assure the fouling removing efficiency，the optimum parameters were set as follow：Volume fraction of sand was 4% and the flow rate was stirring-up velocity.

sewage；heat pump；heat exchanger；fluidization；fouling prevention

TK 09

A

1000-6613（2015）12-4398-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.12.044

2015-06-15；修改稿日期：2015-08-06。

國家科技支撐計(jì)劃（2014BAJ02B03）及山東省自然科學(xué)基金（ZR2015EM003）項(xiàng)目。

王勇（1990—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：楊啟容，教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail luyingyi125@163.com。