華南理工大學(xué)電力學(xué)院 孔慶軍 劉金平 劉雪峰
換熱表面的污垢會使傳熱惡化，且隨著強化換熱技術(shù)的應(yīng)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(cè)污垢熱阻值的選取便成了水冷式冷水機組優(yōu)化設(shè)計的主要問題之一。冷卻水污垢熱阻的數(shù)值通常是根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值或是文獻、規(guī)范等確定，如根據(jù)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(jù)《工業(yè)循環(huán)水處理設(shè)計規(guī)范》（GB50050-95）[2]，敞開式循環(huán)水系統(tǒng)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(shù)值變化較大，給實際的設(shè)計工作帶來了困難。另外不同河流、不同區(qū)段、在不同季節(jié)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(qū)被廣泛用作冷卻水的珠江水為試驗工質(zhì)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(zhì)。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(shè)計提供較具體的污垢熱阻數(shù)據(jù)。
1 試驗原理及試驗裝置
1．1 試驗原理
由傳熱學(xué)法測量污垢熱阻R_f，即
　　　　　　　　　　　　
　　　　　?。?）
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2）
于是， 　　　　　　　　　　　　
（3）
通過計算冷凝器換熱管兩側(cè)的換熱系數(shù)和總的傳熱系數(shù)，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(nèi)徑是0.0117m，銅管數(shù)目是38根。對管外側(cè)冷凝的HCFC-22，可不考慮污垢熱阻。HCFC-22的冷凝換熱系數(shù)a_c,fz為^[3]：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
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　 （6）
在換熱管的內(nèi)側(cè)流動的冷卻水處于旺盛的紊流，其對流換熱系數(shù)與該側(cè)流體的狀態(tài)參數(shù)、物性參數(shù)和換熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，通過測量流體流速、進出口溫度就可以由經(jīng)驗公式計算出相應(yīng)條件下的換熱系數(shù)。冷凝器總的傳熱系數(shù)可以由其總的換熱量、換熱面積和對數(shù)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(shù)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(cè)的動態(tài)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(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(jù)上述試驗原理和公式進行數(shù)據(jù)處理，得出各個時刻的污垢熱阻，并監(jiān)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(shù)據(jù)分析
2．1 驗證性試驗
為驗證試驗結(jié)果的可靠性，先以自來水作冷卻水進行試驗，所得結(jié)果如圖2的曲線1和曲線2所示，結(jié)果表明：當(dāng)冷卻水流速改變時，所測得的冷卻水側(cè)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(rèn)為試驗裝置設(shè)計合理，所得試驗結(jié)果可靠。

圖2 試驗結(jié)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(zhì)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(nèi)，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(guān)系。這些污垢熱阻的數(shù)據(jù)比TEMA推薦要低。
試驗結(jié)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(fā)現(xiàn)污垢的老化現(xiàn)象。老化的進行使沉積物的特性發(fā)生變化，老化的表現(xiàn)為：晶體結(jié)構(gòu)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(nèi)外對污垢老化的研究尚缺乏必要的數(shù)據(jù)。如圖2的曲線5所示，當(dāng)試驗歷經(jīng)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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。
3 結(jié)論
從6月到10月這四個月的污垢熱阻試驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，污垢熱阻的漸近值與冷卻水流速成反比關(guān)系，與珠江水懸浮物含量成正比，約為1.14×10^-4～1.921×10^-4m²·℃/W。污垢老化的研究表明，換熱管要定期清洗，是在污垢老化前清洗，否則污垢老化并粘連在換熱管壁面上會造成更大的傳熱惡化和清洗困難。此外冷卻水質(zhì)也是污垢熱阻的重要影響因素之一，而珠江水質(zhì)在一年內(nèi)變化也較大，應(yīng)開展水質(zhì)對污垢熱阻影響的進一步研究。
符號表
a_w--冷卻水側(cè)強迫對流換熱系數(shù)，（W/m²·℃）
a_c,fz--制冷劑蒸汽在水平肋管管束上的冷凝器換熱系數(shù)，（W/m²·℃）
a_c--制冷劑HCFC-22在水平的單根光管內(nèi)的對流換熱系數(shù)，（W/m²·℃）
β--物性系數(shù)，等于
ε_f--肋管的修正系數(shù)
ε_z--管束修正系數(shù)
λ_R--HCFC-22的導(dǎo)熱系數(shù)，（W/m²·℃）
λ_w--換熱管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，（W/m²·℃）
δ--換熱管壁的厚度，m
ρ--HCFC-22的密度，kg/ m³
μ--HCFC-22的動力黏度，N s/ m²
A_i--換熱管的內(nèi)表面積，m²
A_o--換熱管的外表面積，m²
d_o--換熱管外管徑，m
g--重力加速度，m/s²
K_i--有污垢條件下的以換熱管內(nèi)表面為計算標(biāo)準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，（W/m²·℃）
n--肋管總數(shù)
Q_k--冷凝器總的換熱量，W
r--HCFC-22的汽化潛熱，kJ/kg
R_f--污垢熱阻，熱系數(shù)， m²·℃/ W
Δt_m--冷卻水與制冷劑蒸汽之間的對數(shù)平均溫差，℃

參考文獻
1 James M. Chenoweth. Final report of the HTRI/TEMA
Joint Committee to Review the Fluling Section of the
TEMA Standards. Heat Transfer Engineering, 1990, 11（1）:
73～105
2 GB 50050-95， 工業(yè)循環(huán)水處理設(shè)計規(guī)范
3 彥啟林，空氣調(diào)節(jié)制冷技術(shù)，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995
4 楊善讓，徐志明，換熱設(shè)備的污垢與對策，北京：科學(xué)出版社，1997