气液两相流对板式换热器污垢特性的影响研究

毕庆生 任 萍 李邓超

(1.长春工程学院能源与动力工程学院 吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心；2.吉林省电力科学研究院有限公司)

气液两相流对板式换热器污垢特性的影响研究

毕庆生1任 萍2李邓超1

(1.长春工程学院能源与动力工程学院 吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心；2.吉林省电力科学研究院有限公司)

通过对比实验研究了气液两相流对板式换热器污垢特性的影响。结果表明：板式换热器污垢热阻值随着含气量的增大而减小，含气量越多，扰动越强，其污垢热阻值越小。同时发现相同含气率条件下气泡尺寸越小，抑垢效果越好。

板式换热器 气液两相流 气泡尺寸 污垢特性

随着当代工业的迅速发展，在动力、石油、核能、冶金、制冷、化工及航天等领域都存在换热设备结垢的问题，换热表面结垢会降低设备的换热效率，加速设备的老化，严重时还会影响正常的安全运行，因此也越来越受到人们的重视。

板式换热器因具有结构紧密、换热效率高、占用空间小及便于安装清洗等诸多优点，而被广泛应用于工程领域。国内外学者对板式换热器内的两相流动传热和阻力做了大量的研究[1～5]，发现板式换热器内两相流动相对于单相流换热性能增强，但对压力变化会有很大的影响。也有学者提出气液两相流在板式换热器中流动时，两相流的相对速度、气相的体积分数等物性参数具有很大的随机性，其流动换热情况更为复杂[6，7]。

针对污垢方面的研究得出水质参数(如氧含量、生物菌、酸碱度及浓度等)的变化对板式换热器的污垢特性的影响规律，发现流体内各参数能够产生相互的协同作用，对污垢的生长有很大的影响[8～10]。顾业梅等研究发现在相同的工况下换热表面越光滑，CaCO3析晶污垢的沉积量越少，而换热表面越粗糙则沉积量越多[11]。Grandgeorge S等研究发现，小浓度的污垢诱导期较大浓度的污垢诱导期长[12]。昝成等通过建立污垢热阻的数值模型来分析颗粒污垢粒径尺寸对污垢沉积量的影响，提出了不同颗粒粒径尺寸对污垢影响的界限参考值[13]。Qaisrani T M和Samhaber W M以板式换热器内二级出水为研究对象，着重考察了温度和板间流速对污垢初始过程的影响[14]。Pacek A W和Nienow A研究发现气泡反冲和气体鼓泡能够相互产生协同作用来抑制污垢的形成，并能提高膜的清洗效率[15]。

笔者通过实验的方法研究了气液两相流对板式换热器污垢特性的影响，分析了两相流对污垢特性的影响规律和原因，为抑垢研究提供一定参考。

1 实验系统与原理

1.1 实验系统

实验系统如图1所示，主要由加热系统、冷却系统、供气系统、数据采集系统(图中未画出)和待测板式换热器5部分组成。

图1 实验系统

实验系统的循环系统分为冷水侧和热水侧。冷水侧由压缩机压缩的空气经平衡阀、压力表和空气转子流量计到混合器与低温介质循环泵输送的水组成冷却工质进入板式换热器吸热，然后流入冷却水箱，在冷却水箱中由变频风冷系统调整温度，使温度维持在一定范围；而热水侧热水由电加热器加热经高温介质水泵、涡轮流量计进入换热器放热后重新流回恒温介质水箱再加热，如此循环往复。

实验使用的待测板式换热器是吉林四平生产的BR 0.015F型板式换热器。在实验使用的气液两相流装置内部粘合一块塑料孔板，上面均匀分布直径相同的小孔，既保证气相能够较为均匀地分布在液相中，又使气泡尺寸一致。图2为孔板的示意图，通过改变孔径来改变气泡尺寸，本实验应用了3个不同孔径d(0.5、1.0、1.5mm)的孔板。

图2 孔板示意图

1.2 实验原理

理论上换热器的换热量Φ等于热侧放热量Φ1，也等于冷侧吸热量Φ2，但考虑到换热器的散热损失，Φ1、Φ2并不相等，因此，定义热平衡相对误差η为：

η=|Φ1-Φ2|/Φ1×100%

(1)

若η≤5%，则认为实验数据合理。

洁净状态下的总传热系数k、对数平均温差Δtm和污垢热阻Rf分别为：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中A——换热面积，m2；

k0——换热器结垢后的总传热系数，W/(m2·K)；

Δtmax、Δtmin——换热器端部温差的最大值和最小值。

1.3 气泡尺寸的测量

如图3所示，气液两相流流经细管时，通过测量气体在管内的延伸长度L来计算气泡直径d气[15]：

d气=(1.5L·d管)1/3

(6)

式中d管——毛细管内径。

图3 气泡直径测量方法示意图

研究发现，采用不同进气孔径的孔板，可得到不同尺寸大小的气泡。通过改变气液混合比，当流动稳定后进行分别测量，每组连续采集200个数据点，研究发现相同进气孔径的板片导出两相流中的L基本在很小范围内波动，所以采用概率统计的方法，最终求取平均值得出不同孔板孔径对应的不同气泡尺寸(表1)。

表1 不同孔径板片对应对得到的不同直径的气泡

2 实验结果分析

2.1 两相流下不同含气率对污垢特性的影响

针对板式换热器在两相流动中不同含气率对颗粒和析晶污垢沉积影响的作用，颗粒污垢采用人工添加浓度为400mg/L的氧化镁，析晶污垢采用3g/L的硫酸钙溶液，通过进行3组不同含气率的对比实验，分别在气体流量QG为0.00(即单相流动)、0.10、0.30m3/h的情况下进行比较。

如图4、5所示，通过对比单相流动和气液两相流动得到的污垢热阻渐进值发现，气液两相流具有明显的抑垢效果；而通过两组不同含气量的实验对比发现，气相流量大时具有较好的抑垢效果。而且随着气相流量的增大，污垢热阻渐进值能够很快达到一个稳定值。这是由于污垢的沉积主要是由剥蚀率和沉积率相互作用而产生的，在污垢增长期，由于沉积率大于剥蚀率，而造成污垢沉积量的增加，随着时间的增加，剥蚀率逐渐增加，并最终达到与沉积率保持一个相对平衡的状态，即污垢的沉积量达到一个在相对较小范围内的动态平衡。而污垢的沉积率主要体现在换热面对污垢吸附力的大小上，剥蚀率主要体现在流经污垢表面的流体对污垢剪切力的大小上。在气液两相流动中，由于气体的扰动作用增大了两相流体对污垢表面的剪切力，进而对污垢的沉积起到了一定的抑制作用，并且缩短了沉积率与剥蚀率达到相对平衡的时间，而在不同含气量的对比曲线中得出，由于气相流量的增大，进一步增大了流体对污垢的剪切力作用，相对于小的含气量，具有更好的抑制污垢增长的作用。

图4 不同含气率下的颗粒污垢特性

图5 不同含气率下的饱和析晶污垢特性

2.2 不同气泡尺寸对污垢特性的影响

本组实验主要研究不同气泡尺寸对板式换热器的颗粒和析晶污垢特性的影响，实验所用的污垢物质为人工添加浓度400mg/L的氧化镁和人工配置浓度为3g/L的过饱和硫酸钙溶液，以此来进行实验对比。

如图6、7所示，从实验数据可以看出，随着两相流中气相气泡尺寸的减小，污垢的沉积量也逐渐减小，具有更好的抑垢效果。对于以上现象，在相同含气率的情况下，由于大尺寸的气泡在数量上没有小尺寸气泡多，影响到在板片的换热表面上与污垢的颗粒碰撞次数，小尺寸气泡在数量上占有优势，有更多的机会与颗粒污垢进行碰撞，而从另一方面讲小尺寸的气泡在流动中相对于大尺寸气泡具有更强的扰动作用，增强了换热表面的湍流强度，增大了对换热表面颗粒无垢的剥蚀力，使得污垢更加不容易附着在换热表面上，进一步解释了上述实验结果。

图6 不同气泡尺寸下的颗粒污垢特性

图7 不同气泡尺寸下的饱和析晶污垢特性

2.3 相同含气率下的不同颗粒尺寸污垢特性

为了研究气液两相流对不同颗粒粒径污垢特性的影响，本实验选用了平均颗粒粒径分别为40nm和20μm的氧化镁颗粒配置的溶液，氧化镁溶液浓度均为400mg/L，且其他工况均相同，进行了两组对比实验。由于颗粒粒径相差很大，得到的实验效果非常明显。由于纳米氧化镁粒径很小，所配置出来的溶液属于胶体溶液。

如图8所示，实验结果显示两相流中气体对大尺寸的颗粒污垢具有更好的抑垢效果。对于以上结果的分析可从污垢生长过程中的输运、附着和剥蚀3个方面来进行研究。首先胶体溶液的溶质直径一般在1～100nm之间，它决定了胶体粒子具有巨大的表面积，吸附力很强。在污垢生长的输运过程中，由于纳米氧化镁所配制的溶液是胶体溶液，而微米氧化镁所配制溶液的是悬浮液。在相同浓度的情况下，纳米氧化镁相对于微米氧化镁具有更大的颗粒浓度，从粒子布朗运动来分析，纳米氧化镁颗粒具有更为剧烈的布朗运动，即有更多的纳米粒子来与换热表面进行碰撞，而微米氧化镁相对于纳米氧化镁的布朗运动则相对于缓和。

图8 相同含气率下的不同颗粒尺寸污垢特性

从污垢附着过程来分析：对于微粒而言，任何微粒之间都存在范德华引力，范德华引力是色散力、极性力和诱导偶合力相互作用之和。而范德华引力的大小与粒子和换热表面的接触面积大小有关，当接触面积增大，范德华引力也随之增大。因而纳米粒子更容易受较大的影响，而且胶体粒子本身具有很强的吸附力的特性，且由于纳米粒子具有高分散性，相对于微米粒子具有更大的比表面积，因而使得纳米氧化镁粒子相对于微米氧化镁粒子更容易吸附在换热表面上。

从污垢的剥蚀过程来分析：附着在换热表面上的粒子会受到气液两相流流体的剪切力作用，当附着力大于流体对微粒的剪切力时，微粒就会沉积在换热表面形成污垢，而当附着力小于剪切力时，颗粒就会在剪切力的作用下，随流体流走。而纳米微粒相对于微米颗粒体积小很多，在气体的扰动下，微米氧化镁粒子更易于受到扰动而增大所受到的剪切力作用，而由于胶体溶液的自身特性所受的影响相对较小，受到的剪切力的作用也小得多，因而在气液两相流中，大尺寸的颗粒污垢更易受到影响而脱离换热表面。

从以上分析得出，从污垢生成的3个阶段来看，纳米氧化镁配置的胶体溶液相对于微米氧化镁配置的悬浊液来说，由于自身的特殊性导致了有更多机会被输运到换热表面且易附着在换热表面形成污垢，且受到的气体扰动作用较小，不容易被两相流体从换热表面上剥蚀掉。

2.4 单相流和两相流对不饱和析晶污垢特性影响

本组对比实验主要研究板式换热器中不饱和析晶污垢的污垢热阻特性，所选用的溶质为人工配置的硫酸钙，通过一定比例的硫酸钠和氯化钙进行化学反应，得到浓度为2.0g/L的不饱和硫酸钙溶液(本实验中的硫酸钙溶液在板式换热器的平均温度约为40℃，其溶液在40℃时，溶解度为2.56g/L)。通过单向流和气液两相流来研究气相对不饱和硫酸钙溶液的污垢特性影响。其中气液两相流中，气体的流量为0.10m3/h。实验结果如图9所示，从以上实验结果可以看出，气液两相流动的污垢热阻值明显小于单向流动的污垢热阻值，进而说明气液两相流动具有一定的抑垢作用。对于不饱和硫酸钙溶液，其溶质硫酸钙大多都以钙离子和硫酸根离子的形式存在，当溶液流经换热表面会由于浓度的不均匀形成硫酸钙析出，并沉积在换热表面上，从而形成析晶污垢，而由于气体的通入，增强了流体的扰动性，破坏了换热表面的边界层，加强了对析晶体的碰撞频率，增大了对析晶体的剥蚀力，从而减少了析晶体沉积在换热表面的机会。进而解释了两相流动的抑垢原因。

图9 单相流和两相流下的不饱和析晶污垢特性

3 结论

3.1 在其他工况一定时，污垢的沉积量随着含气量的增大逐渐减小。

3.2 随着气泡尺寸的减小污垢沉积量也有所减小，但效果不是非常显著。

3.3 相同的含气量情况下，两相流对粒径大的颗粒污垢具有更好的抑垢效果。

3.4 两相流动对不饱和硫酸钙析晶污垢也具有一定的抑垢效果。

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StudyonGas-LiquidFlowInfluenceonFoulingCharacteristicsofPlateHeatExchangers

BI Qing-sheng1, REN Ping2, LI Deng-chao1
(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,ChangchunInstituteofTechnology;JilinBuildingEnergySupplyandIndoorEnvironmentControlEngineeringResearchCenter; 2.JilinProvincialElectricPowerScienceResearchInstituteCo.,Ltd.)

Through comparative experiments, the gas-liquid flow’s influence on the fouling characteristics of plate heat exchangers was studied. The results show that, the fouling thermal resistance of plate heat exchangers can decrease gradually with the increase of air content and the more air content can incur stronger disturbance and smaller fouling thermal resistance; under the condition of the same bubble content, the small size of the bubbles can bring about better anti-fouling effect.

plate heat exchanger, gas-liquid flow, bubble size, fouling characteristics

吉林省教育厅项目(2015305)；吉林省科技厅项目(20100638)。

毕庆生(1968-)，副教授，从事电站和供热的热力系统节能分析方面的研究，bqs6808s@163.com。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)02-0135-06

2016-04-01，

2016-11-10)