原生污水源熱泵換熱器流態(tài)化在線除垢與磨損實驗的研究

馬廣興，徐 健，潘晨曉，徐騰蛟

（1.內蒙古工業(yè)大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古自治區(qū)土木工程結構與力學重點試驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

利用可再生能源既可降低暖通空調能耗，又可減少碳排放[1]～[3]。城鎮(zhèn)原生污水是熱泵的理想低品位熱源，污水源熱泵可以從污水中提取廢熱，實 現(xiàn)“變 廢 為 寶”[4]～[9]。在 實 際 應 用 過 程 中，無 法 避免污水源熱泵換熱器（以下簡稱為污水換熱器）結垢問題，污水換熱器結垢不僅降低了系統(tǒng)的換熱效率，還會增加系統(tǒng)運行維護費用和初期投資，因此，有效去除污水換熱器換熱表面的污垢極 為 重 要[10]～[13]。

污水換熱器內污垢的主要成分為有機物形成 的 軟 垢 和 少 量 無 機 垢[14]，[15]。 目前 ，工 程 應 用中污水換熱器除垢方法以停機人工清洗為主，這種方法存在影響系統(tǒng)連續(xù)供熱、工程量大且人工費用較高等問題，因此，這種方法終將被自動除垢法替代。流態(tài)化在線除垢法是通過向結垢的污水換熱器內注入固相顆粒，在液相的流速達到固相顆粒的流化流速后，固相顆粒隨液相在管道內流動，通過碰撞和剮蹭污垢對污水換熱器進行除垢[16]。流態(tài)化在線除垢法能夠實現(xiàn)在不停機的情況下，對污水換熱器進行除垢，保證系統(tǒng)連續(xù)運行，是實現(xiàn)自動化除垢的有效途徑。流態(tài)化在線除垢法的不足為固相顆粒會對換熱管造成磨損，降低了污水換熱器的使用壽命。目前，已有許多學者對污水源熱泵在線除垢進行了研究，并在固相顆粒粒徑、流化流速和體積分數(shù)等因素對污水換熱器除垢的影響方面取得了一定成果[17]～[19]。但關于流態(tài)化在線除垢法對換熱管磨損的研究較少。本文在搭建自制污水換熱器實驗臺的基礎上，以河沙和聚四氟乙烯材質的粒子作為流化除垢的固相顆粒，研究了不同體積分數(shù)下，2種固相顆粒的除垢效果和對換熱管的磨損程度。本文研究為污水換熱器流化除垢提供技術支持。

1 實驗

1.1 污垢附著理論

污垢的形成是在污垢粒子附著與脫落兩種過程疊加作用下動態(tài)平衡的結果，據(jù)此，D Q Kern提出了污垢的動態(tài)生長模型為[20]。

式中:Rf為凈結垢速率；φd為污垢附著速率；φr為污垢剝蝕速率。

φd的影響因素主要為污垢種類；φr的影響因素為污水的循環(huán)流速、水質以及結垢能力。增大污垢所受剪切力可以增大污垢脫落速度。可以通過增大流速或加入固相顆粒來實現(xiàn)污垢所受剪切力的增加，但增大流速會導致系統(tǒng)的運行能耗增大和降低污垢熱阻的閾值，抑垢效果并不理想。在流體中加入固相顆粒，使固相顆粒在管道內做無規(guī)則運動，從而實現(xiàn)對污垢的碰撞、剮蹭，這樣可以有效增大污垢層所受剪應力和碰撞應力，破壞并減小流體流動邊界層厚度、降低邊界層熱阻，增大對流換熱系數(shù)進而增強換熱效果。

根據(jù)污垢生長特性，將污垢生長分為3個階段，分別為誘導期、生長期、漸近期。誘導期處在污垢形成早期，該時期，換熱管內壁光滑、污垢熱阻附著力較小、污垢熱阻低、熱阻占比小，在誘導期投入固相顆粒意義不大。生長期，污垢逐漸布滿換熱管內壁，導致?lián)Q熱管內壁面粗糙度增大，此時 φd＞φr，污垢附著力增強。生長期污垢生長較快，污垢熱阻增長快速且不穩(wěn)定。同時，在實際應用過程中，各污水換熱器的構造存在差異，導致難以把握在生長期投入固相顆粒的時機，且操作難度較大。漸進期，污垢垢層厚度不再增加，污垢熱阻穩(wěn)定且阻值最大。與誘導期和生長期相比，在漸進期對污水換熱器除垢所需的除垢時間間隔較長，在實際應用中易于實現(xiàn)，因此，本文選擇在漸近期對污水換熱器進行除垢。

1.2 實驗材料與水樣

為了使固相顆粒更易流化且在換熱管內分布均勻，實驗中選用粒徑為2～3 mm的河沙和聚四氟乙烯作為固相顆粒，固相顆粒的物性參數(shù)如表1所示。

表1 固相顆粒的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of solid particles

化糞池流出的原生污水中，溶解性固體和懸浮物的含量較高，易于結垢。實驗選取了某高校家屬區(qū)的生活污水作為實驗水樣，污水的化學需氧量為301 mg/L，生化需氧量為216 mg/L，pH值為6.75，溶解性固體的濃度為33.8 mg/L，懸浮物的濃度為13 mg/L。

1.3 實驗裝置和運行流程

實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。實驗系統(tǒng)由自制污水換熱器、高溫水浴、低溫水浴、自制固液分離器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由多通 道 溫 度 熱 流 測 試 儀（JTNT-C，-50～120°C，±0.2°C）和 熱 電 偶（-200～200℃，±0.1°C）組 成，用 于 對各測點溫度進行監(jiān)測和記錄。高、低溫水浴（HWY30，5～95°C，±0.1°C）分 別 用 于 控 制 污 水 和清水溫度。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of the experiment system

污水換熱器內換熱管為鍍鋅鋼管，換熱面積為0.66 m2，自制固液分離器的容積為5 L。污水（高溫）在換熱管內循環(huán)，清水（低溫）在換熱管外循環(huán)。實驗系統(tǒng)的工作原理為污水換熱器結垢完成后，關閉污水循環(huán)泵，由固液分離器上方注入固相顆粒；固相顆粒注入完成后，開啟污水循環(huán)泵，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，開啟固液分離器下方的閥門，固相顆粒依靠自身重力沿固液分離器下方沉降管下降，并與來自高溫水浴的污水混合后被吸入污水循環(huán)泵，再次進入污水換熱器進行除垢；除垢完成后，含有固相顆粒的污水進入固液分離器，固相顆粒在固液分離器中依靠重力作用螺旋下降至沉降管，分離后的污水由固液分離器上部排出，經(jīng)高溫水浴控溫后，與沉降管中的固相顆粒混合，實現(xiàn)固相顆粒在系統(tǒng)中的循環(huán)，從而達到在線除垢的目的；除垢結束后，關閉固液分離器下方閥門，固相顆粒被回收在固液分離器中，污水換熱器繼續(xù)正常運行。

1.4 實驗參數(shù)及測量方法

在實驗中，操作參數(shù)包括添加的固相顆粒的體積百分數(shù)和類型。目標參數(shù)為污水換熱器的換熱系數(shù)、污垢熱阻和換熱管的磨損面積比。污水換熱器換熱系數(shù)表達式為

式 中:C為 清 水 的 比 熱 容，J/（kg·K）；M為 清 水 側的質量流量，kg/s；Δt1為清水側出口與進口的溫差，℃；K為 污 水 換 熱 器 的 換 熱 系 數(shù)，W/（m2·K）；A為污水換熱器的換熱面積，m2；Δtm為換熱器的對數(shù)平均溫差，℃。

污垢熱阻的計算式為[21]

式 中:Rf為 污 染 狀 態(tài) 下 的 污 垢 熱 阻，m2·K/W；Kf為污染狀態(tài)下污水換熱器的總換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Kc為清潔狀態(tài)下污水換熱器的總換熱系數(shù)，W/（m2·K）。

污水側和清水側的循環(huán)流量通過量筒-時間測量法多次測量后取平均值得出。實驗中布置的熱電偶測點與多點巡回儀，用于記錄污水側進、出水溫度和清水側進、出水溫度。

流速是流態(tài)化除垢的關鍵參數(shù)，當污水的流速低于固相顆粒的流化流速時，將導致固相顆粒分布不均且沉積在換熱管底部；當污水的流速過大時，固相顆粒的回收增益不明顯，對換熱管的磨損加劇，系統(tǒng)運行電耗和設備初投資增大。基于流速與固相顆粒回收率的關系，綜合考慮實際工程中污水換熱器內污水的流速范圍，本實驗設定污水的流速為1.2 m/s，實測固相顆粒回收率可達到96%[17]。原生污水中微生物的最佳繁殖溫度為30～40℃，當溫度為35℃左右時，微生物繁殖速度接近峰值，為使污水中微生物活性保持在較高水平，從而使換熱管內壁污垢獲得較快的累積速度，實驗設定污水的進水水溫為35℃，清水溫度為30℃[22]。

在固相顆粒與結垢壁面碰撞、污垢剝離的過程中，不可避免地會對換熱管造成磨損。將換熱管內壁面的點狀和條狀劃痕視為固相顆粒與換熱管碰撞所造成的磨損，深度≤0.03 mm的劃痕的面積不計入磨損面積中。磨損面積比為換熱管內壁面被磨損的面積與換熱管內壁面總面積的比值。由于換熱管被磨損部分多以線條、溝槽形式出現(xiàn)，且形狀不規(guī)則，因此，采用微元累加的方法對磨損面積進行計算。本文將換熱管沿軸向分為n份，第i份換熱管的軸向長度為 ΔLi，磨損面積比SWAR的計算式為

式 中:SWeararea為 換 熱 管 內 壁 面 被 磨 損 面 積 ，m2；STubearea為換熱管內壁面的總面積，m2；d為換熱管內徑，m；L為換熱管的軸向長度，m；Xi為第i個ΔLi所對應換熱管內壁面上的累加磨損寬度，m。

ΔLi的計算式為

式中:Yij為對應于 ΔLi換熱管上第j個磨損區(qū)域的徑向寬度，m。

2 實驗結果與分析

2.1 固相顆粒對污水換熱器污垢的去除效果

在污水換熱器結垢工況進入漸進期后，向污水換熱器注入固相顆粒，用于進行除垢實驗。在污水流速為1.2 m/s的工況下，利用體積分數(shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒，進行了4組除垢實驗，污水換熱器的換熱系數(shù)和污垢熱阻如圖2所示。由圖可知，污水換熱器結垢穩(wěn)定后，在4組除垢實驗中，污水換熱器的起始換熱系數(shù)分別為774.57，794.71，816.26，731.51 W/（m2·K），污 垢 熱 阻分 別 為5.50×10-4，5.16×10-4，4.83×10-4，6.26×10-4m2·K/W；向污水換熱器中加入體積分數(shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒后，污水換熱的換 熱 系 數(shù) 分 別 提 升 至1 070.98，1 110.33，1 002.12，1 015.82 W/（m2·K），污 垢 熱 阻 分 別 降 低 至1.93×10-4，1.60×10-4，2.57×10-4，2.44×10-4m2·K/W。與 除垢前相比，污水換熱器的換熱系數(shù)分別提升了38.27%，39.72%，22.77%和38.87%，污垢熱阻分別降低了64.91%，68.99%，46.79%和64.21%。

圖2 不同工況下污水換熱器換熱系數(shù)及污垢熱阻實驗結果Fig.2 Experimental results of heat transfer coefficient and fouling resistance of sewage heat exchanger under different working conditions

由圖2還可以看出，在不同體積分數(shù)工況下，2種固相顆粒均可對污水換熱器除垢，且除垢效果明顯。體積分數(shù)為5%的沙粒作為除垢粒子時，污水換熱器換熱系數(shù)的提升幅度最大；聚四氟乙烯顆粒的除垢效果稍弱于沙粒。這是由于沙粒形狀為不規(guī)則多面體，在與垢層碰撞過程中，沙粒的棱角能夠插入垢層，將污垢從垢層中剝離，而聚四氟乙烯顆粒成餅形，對垢層的剮蹭作用弱于沙粒。同時，沙粒的硬度高于聚四氟乙烯顆粒，沙粒去除換熱管內壁面附著的無機垢能力強于聚四氟乙烯顆粒，因此，除垢穩(wěn)定階段的污垢熱阻沙粒實驗低于聚四氟乙烯顆粒實驗。實驗中污垢熱阻波動較大，這是由于在除垢前，污垢的沉積和剝蝕達到動態(tài)平衡，表層污垢較為光滑。加入固相顆粒后，污垢的剝蝕速率增大，在垢層未達到疲勞度閾值前，污垢脫落主要依靠固相顆粒對污垢的剮蹭。表層污垢被剮蹭后露出粗糙度較高的老化污垢，使污垢的沉積速率上升，導致污垢的凈沉積速率不穩(wěn)定，因此，在除垢期間，污垢熱阻呈下降趨勢，但波動劇烈。

流態(tài)化除垢是通過固相顆粒碰撞垢層，使垢層達到疲勞度閾值，促使污垢脫落的綜合結果。在固相顆粒與垢層接觸的過程中，固相顆粒在垢層的徑向和軸向上均發(fā)生了位移。固相顆粒在垢層徑向上的位移可以加快垢層達到疲勞度閾值，從而促使污垢脫落；固相顆粒在垢層軸向上發(fā)生位移的過程中，通過剮蹭表面垢層，除去一部分污垢。

2.2 固相顆粒對換熱管的磨損

固相顆粒對污水換熱器進行除垢時，也會對換熱管造成磨損。在長期對污水換熱器進行除垢的過程中，除垢效果越好，對換熱管的磨損越大。體積分數(shù)不同的固相顆粒對換熱管的磨損情況如圖3所示。

圖3 固相顆粒對換熱管的磨損情況Fig.3 Wear of solid particles in exchange for heat exchange tube

在4組除垢工況下，對換熱管的磨損面積比進行計算，體積分數(shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯作為除垢粒子時，換熱管的磨損面積比分別 為17.72%，46.37%，2.45%，4.1%。綜 上 可 知，沙粒對換熱管的磨損程度大于四氟乙烯顆粒。這是由于沙粒較聚四氟乙烯顆粒的硬度大，且沙粒的形狀為不規(guī)則多面體，具有尖銳的棱角，在污垢除凈后易對換熱管產(chǎn)生磨損，而聚四氟乙烯顆粒具有一定彈性，表面光滑，不易對換熱管產(chǎn)生磨損。

由圖2，3可知，采用沙粒作為固相顆粒時，污垢熱阻低于2.0×10-4m2·K/W，采用聚四氟乙烯作為固相顆粒時，污垢熱阻高于2.4×10-4m2·K/W。沙粒的除垢效果優(yōu)于聚四氟乙烯顆粒，但沙粒對換熱管的磨損較嚴重。體積分數(shù)為3%的沙粒和5%的沙粒對污水換熱器換熱系數(shù)的提升效果相近，但對換熱管的磨損面積比相差較大；體積分數(shù)為3%的沙粒和5%的聚四氟乙烯顆粒對污水換熱器換熱系數(shù)的提升效果相近，但體積分數(shù)為3%的沙粒作為除垢粒子時換熱管的磨損面積比遠大于體積分數(shù)為5%的聚四氟乙烯顆粒。因此，采用流態(tài)化在線除垢法對污水換熱器進行除垢時，推薦使用體積分數(shù)為5%的聚四氟乙烯顆粒作為固相顆粒。

3 結論

本文采用模型實驗的方法，研究了流態(tài)化在線除垢法對原生污水源熱泵換熱器的除垢效果和對換熱管的磨損程度，主要結論如下。

①在流速為1.2 m/s的工況下，體積分數(shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒均能對結垢污水換熱器進行除垢。與除垢前相比，體積分數(shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒使污水換熱器的換熱系數(shù)分別提升了38.27%，39.72%，22.77%和38.87%；同時，除垢工況結束時，污垢熱阻 分 別 為1.93×10-4，1.60×10-4，2.57×10-4，2.44×10-4m2·K/W。以沙粒作為除垢粒子時，污垢熱阻明顯低于以聚四氟乙烯顆粒作為除垢粒子的工況。采用流態(tài)化除垢方法能夠強化污水換熱器的換熱能力，沙粒對污水換熱器的除垢效果優(yōu)于聚四氟乙烯顆粒。

②在流速為1.2 m/s的工況下，體積分數(shù)分別為3%，5%的沙粒和聚四氟乙烯顆粒對換熱管內壁面的磨損面積比分別為17.72%，46.37%，2.45%和4.1%。

③在粒徑為2～3 mm的工況下，綜合考慮不同體積分數(shù)下兩種固相顆粒的除垢效果，以及對換熱管的磨損程度，推薦使用體積分數(shù)為5%的聚四氟乙烯顆粒對污水換熱器進行除垢。