污水源热泵系统中换热器污垢热阻的实验研究

1　简介
随着能源消耗和环境保护问题日益严峻,开发利用各类低位可再生能源作为热泵冷热源为建筑物供暖制冷具有重要的节能与环保意义[1-2]。可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能和地热能等等,相对这些冷热源,城市污水具有独特优势,是一种理想的低位冷热源。笔者所在课题组从2002年开始研究污水源热泵技术以来,在解决污水 的阻塞问题方面取得了多项发明专利,并且在多个工程中应用了原生污水源热泵技术,运行情况良好。但在实践的过程中发现,污水对换热器的污染问题逐渐成为原生污水源热泵系统能否成功应用的关键。
2　污垢生长机理概述
按照污垢物质的成分,将壳管式换热器常见污垢分为水垢、污泥、腐蚀产物和生物沉积物4种类型。它们的基 本特性、形成原因和危害各不相同。水垢通常是指附着 于换热器换热管内表面上的一层不溶性盐类,它们具有质地坚硬、厚实、结晶紧密的特点,通常又被人们称之为 硬垢。污泥是指流体中的尘埃颗粒、泥沙、杂草、碎料片 等,它们中的有些物质往往是亲水性的,因此很容易在换 热管内形成体积庞大、湿而软的片状物,污泥不但自身对换热效果产生影响,而且极易与各种无机盐类沉淀和微生物结合在一起,形成一些混合污垢。腐蚀产物专指换热面材料参与化学反应而产生的腐蚀物,腐蚀产物不仅 本身污染换热面,降低传热效率,而且促使其他潜在的污垢组分附着于换热面而形成垢层。生物沉积物是指由细菌、藻类等微生物及其排泄物沉积于固体表面并生长、繁殖而形成的生物黏膜或有机物膜。经调查发现,在壳管 式换热器的常见污垢中,以上4种污垢所占的比例大约在 90%以上,且污泥和水垢所占的比例最大,危害最大,是今后除污防垢工作的重点。
3　污垢积聚预测模型
最早的污垢模型是1924年由McCabe和Robinson针 对蒸发器水垢提出的[3]。但最重要的模型是1959年Ke和Seaton提出的微分形式污垢分析模型[4-5],这一模型为后来污垢研究奠定了理论基础。
在污垢的形成过程中,一方面污秽物质会沉积到换热 面上,增加热阻;但另一方面污垢组分被流体冲击而剥离 污垢热阻减小。Kern和Seaton根据这一推测,提出以下 常微分方程来描述这一过程。

式(3)表明,污垢热阻随时间的变化率是由沉积率和剥 蚀率决定的。虽然,目前针对颗粒污垢、析晶污垢、腐蚀污 垢、化学反应污垢、生物污垢、凝固污垢和食品污垢等,人们 都提出了对应的污垢热阻预测模型,但是各类污垢热阻预 测模型的基础仍然是式(3),只不过针对不同类型的污垢, 在不同的假设条件下,沉积率Φd和剥蚀率Φr的具体表达 式不同而已。
直到20世纪90年代,Zubair等人在分析污垢热阻随时间的变化规律时,引入概率分析方法,将污垢热阻随时间的变化规律归纳为线性、幂律、降幂和渐进四类增长形 式[6-9],它们的表达式形式分别为

这一污垢预测概率模型的提出,打破了原来不同种类 污垢之间的界限,具有普适性意义,能够直观、形象地描述 各类污垢的生长规律。
4　污垢的监测方法
一般来讲,污垢监测方法分为热力学法和非热力学法,