一种换热器污垢特性监测方法与实验研究

文孝强 苗庆龙 孙灵芳

(东北电力大学，a. 教务处；b.自动化工程学院)

一种换热器污垢特性监测方法与实验研究

文孝强**a苗庆龙b孙灵芳b

(东北电力大学，a. 教务处；b.自动化工程学院)

针对长期以来换热器污垢无法准确监测的问题，基于能量守恒定律提出了一种换热器污垢特性监测方法，尝试建立了单位工质元吸热量模型，并搭建了相应的污垢监测实验平台，通过若干类型换热器污垢实验，验证了该方法。实验结果表明：单位工质元吸热量能较好地反映换热器管内污垢的生长趋势，可以用于换热器污垢特性的监测，且较以往方法具有测点较少、测点容易安装及数据容易获取等特点，该方法还可以解决换热器局部、区域性污垢无法准确监测的问题。

换热器 污垢特性 能量守恒 监测 工质元吸热量

目前，循环冷却水占整个工业用水的80%左右[1]，而冷却水在循环过程中，因温度和流速的变化而在换热器壁面上逐渐形成污垢，直接后果是增大了传热和流动阻力。众所周知，在相同传热量的前提下，污垢热阻会增大传热温差、降低所传递热能的利用率、增加设备能耗；流体流动阻力(流阻)的增大则直接增大了泵送能耗。因此，快速、准确地监测冷却水污垢的增长趋势，就自然成为节能减排的主攻目标之一。

国外对于污垢的监测方法和技术方面，Kern-Seanton较早就提出了污垢沉积率和剥蚀率的具体表达式，这就是后来一直被科研工作者广泛采用的Kern-Seanton模型。然而即使是该模型也只提供了污垢特性数学描述的框架，离揭示污垢形成机理还有距离。之后，Afgan N H和Carvalho M G基于换热效率理论，提出了对象-属性-值结构污垢评估知识库专家系统，为换热器冗余面积设计、去垢效果和换热器安全评估提供参考[2]。Sylvain L和Steohane L基于耦合神经网络提出了污垢热阻监测模型[3]。Prieto M M等基于非全连前向神经网络提出了一种用来预测海水冷却冷凝器污垢性能的方法[4]。Khan M S等实验研究建立了套管式逆流换热器CaCO3无量纲回归污垢热阻模型[5，6]，此外还分析了管表面温度、雷诺数、管内径、CaCO3浓度和管子粗糙度对诱导期的影响。Zubair S M等从新视角出发，引入概率方法来分析污垢增长模型规律[7～9]。Bridger Scientific依据美国 Rohrhack 公司 1979 年发表的专利开发出了 DATS 系列在线污垢测试系统 DATSTM[10]。Nalco 化学品公司的Wetegrove R L采用光学方法对污垢进行了监测[11]。韩国电力公司发明了一种监测污垢热阻和管道清洁度的装置[12]。Nalco 公司发明了一种污垢监测系统，能够区分微生物污垢与化学污垢[13]。

在国内，杨善让等研制了换热器污垢在线自动监测装置，实验结果表明，该装置具有很高的实用性[14]。由于一定的假设和传热学经验公式的引入，难免产生监测误差。徐志明和文孝强在污垢的形成机理和预测模型方面也做了较多工作[15，16]。吴双应和李友容从热力学第二定律出发，提出了“单位热量的熵增率”，该指标能够全面、综合地反映污垢对换热传热性能的影响[17]。程伟良和李艳秋基于质量传递理论建立了污垢监测模型，用以计算流体流动生成的总污垢量[18]。侯迪波等基于模糊神经网络提出了周期性结垢模型，预测间歇换热设备的周期性结垢现象[19]。周本省等基于所测定和记录的实验数据研发了污垢热阻在线监测系统[20～23]。中国科学院金属研究所研制了工业冷却水腐蚀、热阻在线监测系统[24，25]。文献[26]介绍了一种用传热端差Δt描述凝汽器冷却水侧换热面污垢程度的方法。严晓宇等利用电热式污垢监测原理开发了一种污垢在线监测实验装置[27]。张莹等提出清洁度的定义，将冷凝器汽侧空气量、水管壁的污垢程度及冷凝器管束布置系数等因素对凝汽器总体传热系数的影响分离开来，以准确诊断凝汽器的污垢程度[28]。邢晓凯等综合考虑各种因素，建立了恒壁温条件下计算污垢热阻的改进模型[29]。北京化工大学提出了一种直观式腐蚀污垢监测仪，用于冷却水系统的现场监测和冷却水化学处理中药剂的筛选、防垢除垢及传热基础研究等[30]。在此，笔者基于能量守恒定律，提出单位工质元吸热量模型，并搭建了相应的实验平台，实验研究了若干换热器管内污垢的沉积规律。

1 实验方案设计

笔者所搭建的实验系统如图1所示。

图1 实验系统

为了加快换热器管内污垢的形成与沉积，实验工质采用的循环水是通过在清洁的自来水中添加CaCl2和Na2CO3药品配制而成的，配置硬度为800mg/L的硬水以模拟析晶污垢。

实验过程中，分别采用了3种类型的实验管：光管、弧线管和缩放管。其中，光管选用内径d2=22mm，壁厚δ=1.5mm的不锈钢材料，弧线管和缩放管结构如图2所示。实验管材料和几何参数见表1。

a. 弧线管

b. 缩放管

实验管材料几何尺寸L1/mmL2/mmL3/mmd1/mmd2/mmδ/mmα/(°)β/(°)r/mm缩放管不锈钢561425201.52710-弧线管不锈钢178--221.5--5

实验过程：实验分成两个阶段，第一个阶段为建立水浴温度阶段，即通过温度可控电加热管对水槽水浴进行加热，直至达到预设温度；第二阶段为污垢实验阶段，在此阶段，下位水箱的人工硬水经由变频泵送至上位水箱，再经手动调节阀调节水的流速，并将该硬水送至实验管段，在实验管内，该硬水通过管壁吸热，温度升高；接着，该实验硬水被送至空冷装置和下位水箱进行充分冷却，如此往复。

数据的测量：实验管出、入口温度和水浴温度由Pt100热电阻来测量，其测温范围为-200～650℃，等级为A级，允许误差±(0.15+0.002×|t|)℃，流量信号由超声波流量计来测量，等级为1.0级，即其允许相对误差为±1.0%。所有测量信号经893数据采集器送入计算机进行相应的处理。

2 基于能量守恒的污垢特性表征参数

实验管工作原理如图3所示。周围水浴温度为T，实验管的入、出口温度分别为Ti、To，管内工质流速为V，现将整个实验管内工质沿实验管径向平均划分成若干工质元，则每一工质元宽度为Δl，其质量Δm为：

Δm=ρΔl(πD2/4)

(1)

图3 实验管工作原理

假设整个实验管段温度沿工质流动方向均匀分布，每一工质元内各点的温度是相等的，则单位时间内该工质元流动距离L1为：

L1=VΔt

(2)

对应于该时刻的温度T″为：

(3)

从起始位置P1到P2过程中，该工质元所吸收的热量ΔQ为：

ΔQ=cΔmΔT=cΔm(T″-T′)

(4)

式中c——水的比热，J/(kg·℃)；

T′——工质元P1点所对应的温度，℃。

将式(1)～(3)代入式(4)，即可得到该工质元在单位时间的吸热量。

随着换热器内污垢的不断生长，换热效果将会不断变差，可以预见：在水域温度恒定的前提下，该工质元在单位时间内的吸热量是随着时间的推移而不断变化的，该吸热量的变化如同污垢热阻一样，也能反映出换热器内结垢状况，从而可以作为换热器污垢特性表征参数。

3 实验结果与分析

3.1光管

首先选取光管进行污垢实验。该光管长度为2.22m，直径为22mm。在实验过程中，实验工质的流速是可变的。水浴温度控制在50℃。实验选取沿实验管轴向固定时间点工质元作为研究对象，监测其吸热量的变化情况。图4为该实验管在不同清洗周期工质元的吸热量变化曲线。为了检验实验结果，将本实验所测得的实验数据连同测得的壁温等数据代入文献[31]中的污垢模型中，得到污垢热阻曲线如图5所示。图4、5中AB段流速为0.62m/s，BC段流速为0.40m/s，CD段流速为0.58m/s，DE段流速为0.44m/s，EF段流速为0.21m/s，FG段流速为0.34m/s，GH段流速为0.74m/s。

图4 光管工质元吸热量随时间的变化曲线

图5 光管污垢热阻随时间的变化曲线

对比图4、5不难看出：当流速降低时(如AB到BC段，CD到DE段，DE到EF段)，污垢热阻呈上升(增加)趋势；与此同时，单位工质元的吸热量变化趋势则恰好相反；同样，当流速升高时，污垢热阻呈下降(减小)趋势，而单位工质元的吸热量呈上升(增加)趋势。分析其原因可知：对于污垢热阻来说，流速的增加会增加对管壁的轴向冲刷作用，使得管内沉积的污垢被剥离，污垢热阻减小；对于单位工质元吸热量来说，则恰好相反，由于污垢热阻的减小，其吸热量会相应的增加。当流速减小时，其物理过程正好相反。

将上述实验测得的污垢热阻、工质元吸热量进行归一化后置于同一坐标系，结果如图6所示。不难看出，不同流速下，管内污垢热阻的变化趋势与工质元吸热量变化曲线近似呈相似对称。

图6 光管污垢热阻、吸热量对比曲线

3.2弧线管、缩放管

将实验管更换为弧线管、缩放管继续实验。实验中，弧线管、缩放管管长分别为2.22、2.20m。在计算工质元面积时，采用了等效直径，即用体积相同、长度相同但管径不同的圆柱体分别等效弧线管体和缩放管体。所得实验结果与污垢热阻值曲线如图7、8所示。

由图7、8不难看出，与光管类似，污垢热阻的变化趋势与工质元吸热量变化曲线近似呈相似对称。

3.3分析与讨论

通过以上各实验管污垢实验可知，无论工质流速是可变的还是恒定的，工质元吸热量变化趋势均与污垢热阻的变化趋势相反，但同样都可以较好地描述换热器内污垢随时间的变化情况，故而通过换热器内单位工质元吸热量的监测便可以实时反映换热器内的结垢状况，进而为换热器的清洗、优化换热器清洗周期提供理论依据。此外，该实验过程中，仅需要实时测量换热器出、入口温度，这在实际现场是容易实现的，和众多国内外动辄几十万多则上百万元的污垢监测设备相比，本实验装置无疑降低了污垢监测成本。

图7 弧线管污垢实验曲线对比

图8 缩放管污垢实验曲线对比

实验过程中，若可以对固定点温度进行实时测量，则可以替代公式(4)中的T″，这样一来，该公式适用于监测换热器任意点污垢变化情况，从而解决了换热器局部、区域性污垢无法准确监测的问题。另外，该实验过程主要是定性监测换热器污垢的变化情况，接下来拟要解决的问题是如何利用该参数对换热器污垢特性进行量化，包括给出量化的方法、标准等。

4 结束语

不同类型的实验管实验结果表明，工质元吸热量同污垢热阻值一样能够描述换热器管内的结垢状况，从而可以作为监测污垢特性的指标。监测工质元吸热量时测点较少、容易安装及监测成本低等，有利于工程实际应用。此外，该方法还可以解决换热器局部、区域性污垢无法准确监测的问题。

[1] 杨善让，徐志明，孙灵芳.换热设备的污垢与对策[M].北京：科学出版社，2004：8．

[2] Afgan N H，Carvalho M G.Knowledge-base Expert System for Fouling Assessment of Industrial Heat Exchangers[J]. Applied Thermal Engineering，1996，16(3)：203～208.

[3] Sylvain L，Stephane L.Online Fouling Detection Electrical Circulation Heaters Using Neural Networks[J]. Heat and Mass Transfer，2003，46(13)：2445～2457.

[4] Prieto M M，Montames E，Menendez O.Power Plant Condenser Performance Forecasting Using a Non-fully Connected Artificial Neural Network[J].Energy，2001，26(1)：65～79.

[5] Khan M S，Zubair S M，Budair M O，et al.Fouling Resistance Model for Prediction of CaCO3Scaling in AI-SI 316 Tubes[J].Heat and Mass Transfer，1996，32(1/2)：73～79.

[6] Budair M O，Khan M S，Zubair S M，et al.CaCO3Scaling in AI-SI316 Stainless Steel Tubes-Effect of Thermal and Hydraulic Parameters on the Induction Time and Growth Rate[J].Heat and Mass Transfer，1998，34(2/3)：163～170.

[7] Zubair S M，Sheikh A K，Shaik M N.A Probabilistic Approach to the Maintenance of Heat-Transfer Equipment Subject to Fouling[J].Energy，1992，17(8)：769～776.

[8] Zubair S M，Sheikh A K，Budair M O，et al. A Maintenance Strategy for Heat-Transfer Subject to Fouling a Probalistic Approach[J].ASME J Heat Transfer，1997，119(3)：575～580.

[9] Bott T R，Melo L F，Panchal C B，et al.Understanding Heat Exchanger Fouling and Its Mitigation[C].Proceedings of an International Conference on Understanding Heat Exchanger Fouling and Its.New York：Begell House，1999：393～400.

[10] Bridger Scientific.DATS Fouling Monitor System[EB/OL].http://www.bridgersci.com/products.Htm，2005-12-12.

[11] Wetegrove R L.System and Method to Monitor for Fouling[P].US：6023070，2000-02-08.

[12] Banholzer R.Process for Preparing Pure Enantiomers of Tropic Acidesters[P].US：5952505，1999-09-04.

[13] Robertson L R.Method for Monitoring Fouling in Commercial Waters[P].US：5281537，1994-01-25.

[14] 杨善让，徐志明，王建国，等.污垢热阻动态模拟自动监测装置及其应用[J].工程热物理学报，2001，22(z1)：149～152.

[15] 徐志明，文孝强.基于最小二乘支持向量回归机的光管污垢特性预测[J].化工学报，2009，60(7)：161～162.

[16] 徐志明，文孝强.板式换热器冷却水污垢热阻预测的偏最小二乘回归法[J].化工学报，2011，62(6)：1531～1536.

[17] 吴双应，李友容.一项评价污垢对换热器传热性能影响的指标[J].化工机械，2001，28(3)：144～146.

[18] 程伟良，李艳秋.管内污垢监测模型研究[J].工程热物理学报，2004，25(3)：508～510.

[19] 侯迪波，杨丽明，周泽魁.基于模糊神经网络的周期性结垢预测方法研究[J].浙江大学学报(工学版)，2004， 38(3)：307～311.

[20] 周本省.工业水处理技术[M].北京：化学工业出版社，1997：37～39.

[21] 周本省.循环冷却水系统中的结垢问题[J].化学清洗，1999，15(3)：36～ 42.

[22] 周本省，杨文忠.冷却水系统中腐蚀和水质的现场监测[J].化学清洗，1997，13(2)：25～ 26.

[23] 周本省，杨文忠.冷却水系统中腐蚀沉积物和微生物的现场监测[J].腐蚀与防护，1996，17(2)：31～ 34.

[24] 郑立群，杜鹃，左晋，等.循环水腐蚀在线监测技术的研究与应用[J].小氮肥，1998，26(6)：16～ 17.

[25] 郑立群，王子旭，左晋，等.工业冷却水腐蚀、结垢实时监测技术开发与应用[J].工业水处理，2002，22(6)：47～ 48.

[26] 杨善让.汽轮机凝汽设备及运行管理[M].北京：水利水电出版社，1993.

[27] 严晓宇，万平玉，张诗阳，等.冷却水系统中的污垢热阻及金属腐蚀速度的在线监测[J].化工机械，2000，27(1)： 12～ 15.

[28] 张莹，王耀南，文益民.基于清洁度的冷凝器污垢监测方法研究[J].湖南大学学报(自然科学版)，2011，38(4)：36～40.

[29] 邢晓凯，马重芳，陈永昌，等.一种用于污垢监测的温差热阻新方法[J].石油大学学报(自然科学版)，2004，28(5)：70～73.

[30] 北京化工大学化学工程学院.直观式腐蚀污垢监测仪制造技术[J].乙醛醋酸化工，2014，(6)：50.

[31] 张仲彬.换热表面污垢特性的研究[D].北京：华北电力大学，2009.

AFoulingMonitoringMethodforHeatExchangersandExperimentalResearchonIt

WEN Xiao-qianga, MIAO Qing-longb, SUN Ling-fangb

(a.Dean’sOffice;b.SchoolofAutomationEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Considering the fact that heat exchanger fouling can’t be monitored accurately and basing on the law of conservation of energy, a fouling monitoring method for heat exchangers was proposed and the unit refrigerant element heat absorption model was set up, including the corresponding fouling-monitoring platform. Experiments on the fouling verify this method and the results show that, the refrigerant element heat absorption can reflect fouling’s growth trend in the heat exchanger and it can be used to monitor fouling characteristics; as compared to other means, this method asks for few measuring points and obtains the measurement data easily, in addition, it can monitor any local or regional fouling accurately.

heat exchanger, fouling characteristic, conservation of energy, monitoring, heat absorption of refrigerant element

*国家自然科学基金项目(51476025)，东北电力大学“十二五”科研提升工程资助计划项目，吉林市科技发展计划项目(201464061)。

**文孝强，男，1979年9月生，副教授。吉林省吉林市，132012。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)03-0296-06

2015-04-17，

2016-05-16)