李煜, 徐志明, 陳健美, 龔金科, 袁文華, 劉冠麟, 李玉強(qiáng)

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系， 湖南 邵陽(yáng)，422004；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082；3.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410205；4.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林，132012)

板式換熱器冷卻水污垢影響因素權(quán)重及結(jié)垢機(jī)理

李煜1, 2, 3, 徐志明4, 陳健美3, 龔金科2, 袁文華1, 劉冠麟3, 李玉強(qiáng)3

(1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系， 湖南 邵陽(yáng)，422004；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410082；3.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410205；4.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林，132012)

通過(guò)更換BR0.015F型波紋板式換熱器的不同幾何參數(shù)的板片，改變冷、熱水的入口溫度與冷卻水流量等途徑，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)了其污垢熱阻并測(cè)定了水質(zhì)與運(yùn)行狀況特征參數(shù)，以灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算了幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運(yùn)行狀況等因素對(duì)結(jié)垢的影響權(quán)重。結(jié)果表明在這些特征參數(shù)中，對(duì)結(jié)垢影響最大的為流速，最小的為溶解氧。并從流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)角度簡(jiǎn)要分析了該波紋板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)要素(波紋節(jié)高比、波紋傾角)影響結(jié)垢的機(jī)理：波紋節(jié)高比的增加導(dǎo)致冷卻水中結(jié)垢成分沉積且節(jié)點(diǎn)處剪切應(yīng)力減小弱化了污垢剝蝕，最終結(jié)垢；波紋傾角的增大，板間流動(dòng)漸變?yōu)椤扒哿鳌?，故局部沉積增加，垢阻增加，而交叉成的流體漩渦會(huì)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處剪切應(yīng)力、增大其后流速，故節(jié)點(diǎn)處的污垢剝蝕加強(qiáng)，垢阻減小。

板式換熱器；污垢；灰色關(guān)聯(lián)分析；權(quán)重；機(jī)理

作為一種由壓成波紋狀的金屬板片疊成的新型高效換熱器，板式換熱器現(xiàn)已在能源動(dòng)力各相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。當(dāng)今工業(yè)流程中，冷卻水系統(tǒng)已成為其不可或缺的部分，其用水量以超過(guò)90%的比重在整個(gè)工業(yè)用水量中明顯領(lǐng)先[3]。而統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：超過(guò)95%的板式換熱器因復(fù)雜的冷卻水成分而結(jié)垢，如水循環(huán)過(guò)程中沉積的淤泥、水垢、腐蝕物等，由此形成的污垢問(wèn)題[4]會(huì)削弱換熱器的傳熱性能、增加其流阻與功耗乃至加速其腐蝕與損壞[5,6]。Novak等[7]以Rhine河水和Oresund海水為實(shí)驗(yàn)材質(zhì)，通過(guò)研究不同溫度與流速下的板式換熱器污垢特性后發(fā)現(xiàn)其污垢熱阻的時(shí)變規(guī)律幾乎是線性的。史琳等[8]對(duì)板式換熱器城鎮(zhèn)二級(jí)出水開(kāi)展了混合污垢特性實(shí)驗(yàn)，其研究結(jié)果表明出水成分是結(jié)垢的重要因素。劉金平等[9]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明凝汽器珠江冷卻水污垢主要為微生物污垢。Men等[10]建構(gòu)了基于松花江水中微生物含量的污垢預(yù)測(cè)模型。趙波等[11]建構(gòu)了考慮水質(zhì)的冷卻水污垢的支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型。徐志明等[12,13]實(shí)驗(yàn)研究了松花江冷卻水水質(zhì)對(duì)板式換熱器結(jié)垢的影響并基于偏最小二乘回歸法，建構(gòu)了其污垢熱預(yù)測(cè)模型。張仲彬等[14-16,20]實(shí)驗(yàn)研究了板式換熱器的松花江冷卻水污垢特性，用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算了水質(zhì)與運(yùn)行參數(shù)對(duì)其結(jié)垢的影響權(quán)重并探討了相應(yīng)的結(jié)垢機(jī)理。

綜上所述，以上研究均未綜合考慮板式換熱器換熱面的幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運(yùn)行狀況等因素對(duì)其冷卻水污垢的影響權(quán)重，亦未探討板式換熱器幾何結(jié)構(gòu)對(duì)其結(jié)垢的作用機(jī)理。因此，筆者以松花江冷卻水為流動(dòng)換熱工質(zhì)，對(duì)BR0.015F型波紋板式換熱器的污垢特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用灰色關(guān)聯(lián)分析這一有效的權(quán)重分析方法計(jì)算了幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運(yùn)行狀況等因素對(duì)結(jié)垢的影響權(quán)重，并從流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)角度簡(jiǎn)要分析了該波紋板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)要素(波紋節(jié)高比、波紋傾角)影響結(jié)垢的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理簡(jiǎn)介

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由板式換熱器、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、空冷循環(huán)系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)和冷水循環(huán)系統(tǒng)等組成，其原理示意圖與實(shí)物圖分別如圖1、2所示。采用的換熱器為某廠家生產(chǎn)的BR0.015F型波紋板式換熱器，其中一種板片的各特征尺寸如表1所列。圖1為換熱器松花江冷卻水污垢動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)污垢熱阻法[4]，維持冷、熱兩端入口溫度及冷熱水流速基本不變，經(jīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量及出入口溫度，算得污垢熱阻。

(1)不銹鋼-304板式換熱器；(2)冷卻水箱；(3)冷水循環(huán)泵；(4)流量旁通閥；(5)冷水電磁流量計(jì)；(6/19)流量平衡閥；(7/23)冷、熱水入口溫度測(cè)點(diǎn)；(10/20)冷、熱水出口溫度測(cè)點(diǎn)；(8/22)冷、熱水入口壓力測(cè)點(diǎn)；(9/21)冷、熱水出口壓力測(cè)點(diǎn)；(11)散熱器；(12)空冷循環(huán)泵；(13)空冷換熱扇；(14)空冷水箱；(15)恒溫?zé)崴洌?16)電加熱器；(17)熱水循環(huán)泵；(18)熱水渦輪流量計(jì)；(24)加熱水箱水溫測(cè)點(diǎn)

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，該板式換熱器的污垢熱阻為其傳熱熱阻于結(jié)垢與清潔狀態(tài)時(shí)之差：

(1)

依據(jù)熱量平衡原理可知，單位時(shí)間內(nèi)板式換熱器總的換熱量既與熱水放出的熱量相等；同時(shí)又與冷水吸收的熱量相等。即有：

(2)

然而，再好的換熱器也有熱量損失，熱量平衡均有相對(duì)誤差，令

(3)

在板式換熱器傳熱與污垢測(cè)試程序中設(shè)定唯有滿足這個(gè)條件時(shí)才開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，否則還得調(diào)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。于是引入溫差修正系數(shù)ψ，由熱量的傳遞方程便可求得傳熱系數(shù)：

(4)

式中，k0和k分別為同工況的板式換熱器清潔、結(jié)垢狀態(tài)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。故只要監(jiān)測(cè)到冷、熱水的出入口溫度和對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量，根據(jù)式(1)便可間接測(cè)量得到實(shí)驗(yàn)所需的污垢熱阻Rf。

1.3 結(jié)垢影響參數(shù)測(cè)定

從零時(shí)刻開(kāi)始，每隔24h，從冷卻水箱中取1500mL松花江冷卻水樣，先用經(jīng)蒸餾水洗凈測(cè)量棒后的Orion5-Star水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定其中250mL水樣的溶解氧(單位mg/L)與電導(dǎo)率(單位μs/cm)；同時(shí)，用濁度分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定另取的少許水樣的濁度(即：表征水中1μm以上顆粒狀物多少、水透明度大小的物理量；單位NTU)；再將剩余水樣裝入瓶中快速帶回實(shí)驗(yàn)室放入電冰箱冷藏。待取好8次水樣后，在維持與前述現(xiàn)場(chǎng)水溫基本相同的條件下，在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室依次離線測(cè)定冷卻水中堿度以及鈣離子、氯離子含量。

以Pt100熱電阻、LDBE-15S-1電磁流量計(jì)來(lái)分別測(cè)定冷、熱水的入口溫度與流量，而通過(guò)流量與流速的關(guān)系可間接測(cè)得冷卻水的流速。執(zhí)行不同的工況時(shí)，更換不同波紋幾何參數(shù)(尺寸已知的波紋傾角、波紋節(jié)高比等)的板片或改變冷、熱水的入口溫度與冷卻水流量即可。

2 灰色關(guān)聯(lián)分析簡(jiǎn)介

權(quán)重的分析方法已有數(shù)種了，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，主要有：專家打分法、統(tǒng)計(jì)平均法、變異系數(shù)法、熵值定權(quán)法、模糊聚類分析法、層次分析法[17]以及由鄧聚龍教授于1982年創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析法[18]等。這些方法各有其適用對(duì)象。由于本文分析的管幾何參數(shù)與其污垢熱阻之間存在的關(guān)系是隱含的，為揭示該種隱含的關(guān)系，故引入灰色關(guān)聯(lián)分析法來(lái)分析確定權(quán)重，其基本思路是：

假定有n個(gè)比較時(shí)間序列{X10(t)}，{X20(t)}，…，{Xn0(t)}(t=1,2,…,N)，N為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，在專業(yè)術(shù)語(yǔ)里被稱作序列長(zhǎng)度。另設(shè)參考時(shí)間序列{X00(t)}(t=1,2,…,N)。其執(zhí)行步驟詳述如下：

(1)變換原始數(shù)據(jù)，去除其量綱：原始數(shù)據(jù)之間因含有不同的量綱而不具可比性，故應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行去量綱變換以獲取有可比較的數(shù)據(jù)序列?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)變換方法有均值化、初值化和標(biāo)準(zhǔn)化變換等。文中選用第三種方法對(duì)原始數(shù)據(jù)各序列進(jìn)行變換，即先算得各序列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，之后用各原始數(shù)據(jù)減掉其均值再除以標(biāo)準(zhǔn)差，經(jīng)過(guò)這些運(yùn)算步驟得到的新數(shù)據(jù)序列即為標(biāo)準(zhǔn)化序列，其均值為0、量綱和方差均為1。

(2)各個(gè)比較時(shí)間序列與參考時(shí)間序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算：將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化變換后的各個(gè)比較時(shí)間序列記為{Xi(t)}、參考時(shí)間序列為{X0(t)}，于是在t=k的時(shí)刻，可依據(jù)下式來(lái)計(jì)算得出各個(gè)比較序列{Xi(k)}與參考序列{X0(k)}兩者之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(5)

(3) 對(duì)參考序列與各個(gè)比較序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行求解：

(6)

式(6)中，參考序列與各個(gè)比較序列的灰色關(guān)聯(lián)度被記作γ0k。

(4)排列出灰色關(guān)聯(lián)序：有兩類灰色關(guān)聯(lián)序：即“偏序”和“有序”。通常情形下，只要各種因素存在一定的關(guān)系，其關(guān)聯(lián)度一經(jīng)計(jì)算得出，則總會(huì)是“有序”的；“偏序”一般不可能發(fā)生，除非沒(méi)有參考序列或某時(shí)刻的參考點(diǎn)。

(5) 排列出灰色關(guān)聯(lián)度矩陣：設(shè)有n個(gè)比較序列{X1}，{X2}，…，{Xn}(n≠1) 及m個(gè)參考序列{Y1}，{Y2}，…，{Ym}(m≠2)，則有各比較序列對(duì)參考序列的灰色關(guān)聯(lián)度，記作[γi1,γi2,…,γin]，將γij(i=1,2,3…,m;j=1,2,3,…,n)進(jìn)行適當(dāng)排列，便得出一個(gè)關(guān)聯(lián)度矩陣，將其作為建構(gòu)數(shù)學(xué)模型或決策的重要依據(jù)。

3 結(jié)果分析

選取表2中的某廠家生產(chǎn)的BR0.015F型人字形波紋板式換熱器的漸近污垢熱阻值(單位：×10-5m2·K·W-1)(Y)為參考序列因子，波紋傾角(X1)，波紋節(jié)高比(X2)，…，堿度(X9)，Ca2+含量(X10)這10個(gè)因子為比較序列因子，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化變換后算得各個(gè)X對(duì)Y的灰色關(guān)聯(lián)度依次是：γ1=0.7313，γ2=0.7177，γ3=0.7526，γ4=0.9312，γ5=0.5565，γ6=0.6990，γ7=0.5666，γ8=0.6123，γ9=0.7512，γ10=0.7338；對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣為[0.7313 0.7177 0.7526 0.9312 0.5565 0.6990 0.5666 0.6123 0.7512 0.7338]，故關(guān)聯(lián)序依次是X4>X3>X9>X10>X1>X2>X6>X8>X7>X5。依據(jù)文獻(xiàn)[14,15]所提的水質(zhì)與運(yùn)行參數(shù)對(duì)板式換熱器影響權(quán)重的結(jié)論并結(jié)合文獻(xiàn)[19]中關(guān)于波紋幾何參數(shù)對(duì)板式換熱器換熱面綜合性能的結(jié)論，該計(jì)算結(jié)果是合理的。因此，在這些板式換熱器幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、工況參數(shù)中，影響最大的為流速(單位：m/s)，最小的為溶解氧(mg/L)，期間依次為冷水入口溫度(℃)、堿度(mmol/L)、Ca2+含量(mmol/L)、波紋節(jié)高比、波紋傾角(°)、電導(dǎo)率(μs/cm)、Cl-含量(mmol/L)、濁度(NTU)。

表2 板式換熱器冷卻水污垢熱阻與結(jié)垢影響因素?cái)?shù)據(jù)

4 結(jié)垢機(jī)理分析

文獻(xiàn)[14-15]已較為透徹地分析了水質(zhì)與運(yùn)行參數(shù)影響板式換熱器冷卻水污垢的機(jī)理，故文中對(duì)此不再贅述，而僅對(duì)波紋幾何參數(shù)影響結(jié)垢的機(jī)理作簡(jiǎn)要分析。

板式換熱器的波紋法向節(jié)距和波紋高度(因二者?；ハ嘤绊懀蔬x擇一個(gè)適當(dāng)?shù)牟y法向節(jié)距和波紋高度的比值即節(jié)高比比僅選擇波紋法向節(jié)距和波紋高度更有意義，文中因此以波紋節(jié)高比對(duì)結(jié)垢的影響來(lái)分析)是影響其結(jié)垢的重要參數(shù)。由文獻(xiàn)[19]可知，波紋節(jié)高比越大，其強(qiáng)化換熱的綜合性能越差，原因在于隨著波紋節(jié)高比的增加，該型板式換熱器的傳熱性能會(huì)隨之下降且流動(dòng)阻力會(huì)隨之增加，而波紋流道中節(jié)點(diǎn)處的流速也會(huì)因而有所減小，這樣便會(huì)削弱換熱器強(qiáng)化換熱的綜合性能，這樣冷卻水中的結(jié)垢成分因熱阻的產(chǎn)生而沉積下來(lái)且其剝蝕過(guò)程也因節(jié)點(diǎn)處流速減小帶來(lái)的剪切應(yīng)力減小而被弱化了，最終污垢凈存速率隨之增加了，污垢因此而產(chǎn)生了。另外，波紋傾角亦明顯地影響板式換熱器結(jié)垢，原因在于隨著波紋傾角的增大，其換熱效果增強(qiáng)，但其流阻亦增大，當(dāng)波紋傾角約為60°時(shí)，其板間流形由“十字交叉流”變成“曲折流”，即板式換熱器板片的邊緣已不是其流動(dòng)折返點(diǎn)，而流體的流動(dòng)在每個(gè)波紋節(jié)點(diǎn)處呈現(xiàn)連續(xù)并行小波紋的形狀。“曲折流”引發(fā)板片間局部流速下降，進(jìn)而使得局部的污垢沉積量增加，因而污垢熱阻會(huì)增加。而板式換熱器中主流流體在波紋節(jié)點(diǎn)處受板片波紋流道流體流動(dòng)的影響，于是主流流體與波紋流道流體會(huì)進(jìn)行交叉，因此形成的漩渦會(huì)增強(qiáng)波紋節(jié)點(diǎn)處的切應(yīng)力；此外，較其它位置，板間節(jié)點(diǎn)處的流動(dòng)間距小得多，故同條件下流速在流體過(guò)節(jié)點(diǎn)后會(huì)增大，上述兩現(xiàn)象均會(huì)強(qiáng)化板式換熱器節(jié)點(diǎn)處的污垢剝蝕過(guò)程，故污垢熱阻會(huì)減小。

5 結(jié)論

本文通過(guò)更換BR0.015F型波紋板式換熱器的不同幾何參數(shù)的板片以及改變冷、熱水的入口溫度與冷卻水流量等途徑，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)了其污垢熱阻并測(cè)定了水質(zhì)與運(yùn)行狀況特征參數(shù)，以灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算了幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運(yùn)行狀況等因素對(duì)結(jié)垢的影響權(quán)重，并從流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)角度簡(jiǎn)要分析了該波紋板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)要素(波紋節(jié)高比、波紋傾角)影響結(jié)垢的機(jī)理，得到了如下結(jié)論：

(1)在這些板式換熱器的幾何結(jié)構(gòu)、水質(zhì)、運(yùn)行狀況特征參數(shù)中，影響最大的為流速，最小的為溶解氧，期間依次為冷水入口溫度、堿度、Ca2+含量、波紋節(jié)高比、波紋傾角、電導(dǎo)率、Cl-含量、濁度。

(2)波紋節(jié)高比影響結(jié)垢的機(jī)理為：波紋節(jié)高比的增加會(huì)削弱換熱器強(qiáng)化換熱的綜合性能，產(chǎn)生的熱阻導(dǎo)致冷卻水中結(jié)垢成分沉積且節(jié)點(diǎn)處剪切應(yīng)力減小弱化了污垢剝蝕，最終污垢凈存速率增加，換熱器結(jié)垢。

(3)波紋傾角影響結(jié)垢的機(jī)理為：波紋傾角的增大會(huì)強(qiáng)化換熱、增加流阻，其為60°時(shí)，板間流動(dòng)由“十字交叉流”變成“曲折流”，會(huì)增加局部的污垢沉積，故垢阻增加；而主流流體與波紋流道流體交叉形成的漩渦會(huì)增強(qiáng)波紋節(jié)點(diǎn)處的切應(yīng)力且節(jié)點(diǎn)處較小的流動(dòng)間距使過(guò)節(jié)點(diǎn)后的流速增大，兩者強(qiáng)化了節(jié)點(diǎn)處的污垢剝蝕，故垢阻減小。

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Impact factor weights and mechanism of cooling water fouling in a plate heat exchanger

LI Yu1, 2, 3, XU Zhiming4, CHEN Jianmei3, GONG Jinke2, YUAN Wenhua1, LIU Guanlin3, LI Yuqiang3

(1. Department of Mechanical and Energy Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China; Vehicle Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;3. Department of Mechanical Engineering,Hunan International Economics University,Changsha 410205,China;4. School of Energy and Power Engineering,Northeast Electric Power University,Jilin 132012,China)

The thermal resistance of fouling in a BR0.015F-type corrugated plate heat exchanger was monitored experimentally as well as feature parameters of water quality and operating conditions of the exchanger were measured via changing plates whose geometry were different,inlet temperature of cooling & hot water or/and mass flow rate. Then weights of impact factors including geometry,water quality and operating conditions on fouling were calculated based on gray relation analysis method. Result shows that the most important impact factor on fouling is flow velocity while the least is dissolved oxygen among them. After that,impact mechanisms of geometric features such as the ratio of normal corrugated pitch to height as corrugated inclination angle on fouling in the exchanger were analyzed simply from the viewpoint of heat & mass transfer. The mechanisms can be demonstrated that the increase of ratio of normal corrugated pitch to height will result in the deposition of fouling components while the removal of fouling weakened due to the decrease of shear stress on pitch points and finally producing fouling; besides,the flow type will gradually vary for “tortuous flow” when the corrugated angle increases,thus local deposition and thermal resistance of fouling will increase,while fluid vortex from the fluid crossing will increase the shear stress on pitch points as well as flow velocity after the points,thus the removal of fouling on the points will be enhanced as well as the thermal resistance of fouling will decrease.

plate heat exchanger; fouling; gray relation analysis; weight; mechanism

1672-7010(2016)04-0061-07

2016-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276056, 51176045, 91541121); 湖南省教育廳科研項(xiàng)目(13C492)

李煜(1984-)，男，江西萍鄉(xiāng)人，講師，在讀博士研究生，從事工程傳熱傳質(zhì)和燃燒學(xué)研究；E-mail: augustus168@163.com

徐志明(1959-)，男，吉林九臺(tái)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事強(qiáng)化傳熱與換熱設(shè)備污垢研究；E-mail: xuzm@mail.nedu.edu.cn

TK124

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