祁良奎;柳建华;杨大章;鄂晓雪
【摘 要】通过海水冷却水在换热面过冷沸腾下析晶结垢的动态监测实验,研究在不同的换热面热流密度、海水入口温度和流速下,析晶污垢的微观形态及对换热性能影响.研究表明:海水冷却水温度对污垢层的结构影响较大,流速则明显影响垢层的厚度;流速的改变对结垢速率影响最大,流速增加一倍,结垢速率降低61％;热流密度增大一倍,换热系数的降幅增加89％. 【期刊名称】恒温阀门《能源工程》
【年(卷),期】2016(000)003
【总页数】5页(P9-12,17)
【关键词】海水冷却水;析晶污垢;过冷沸腾;换热性能
【作 者】祁良奎;柳建华;杨大章;鄂晓雪
【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093
【正文语种】中 文
【中图分类】TK124
在过去的一个世纪里，人口增长、工业发展和灌溉农业的扩张引起对淡水需求的大幅增长，淡水资源短缺严重困扰着人类的生存与发展。据统计，城市用水中约80%是工业用水，其中85%以上作为工业冷却用水[1]。我国拥有丰富的海水资源，用海水作为工业冷却水，对沿海工业生产、航海船舶和海岛地区来说，具有就地取材、节约淡水、工程投资小和海水温度稳定等优点。但是海水平均含盐量高达35 g/L，是淡水含盐量的70倍以上。海水作为冷却用水，流经换热器表面被加热浓缩，存在着严重的腐蚀、结垢和微生物附着等问题。
国内外学者针对冷却水析晶污垢做了大量研究工作。KIM[2]等通过微观观测CaCO3结垢过
程，将其分为三个阶段：诱导期、晶核均匀产生阶段和污垢均匀生长阶段。CHEN[3]等采用SEM(电子扫描显微镜)来分析污垢的微观结构，结果表明：本体溶液沉淀与表面沉积对过饱和指数具有不同的依赖程度。NAJIBI等[4]研究在过冷流动沸腾下竖直管换热传面上CaCO3结垢时发现，在核态沸腾过程中，汽泡形成、脱离会导致换热面的表面发生更严重的结垢。但是由于海水的成分比较复杂，特别是Ca2+和Mg2+等易成垢离子浓度远高于一般淡水，有关海水在过冷沸腾情况下的结垢状况的实验研究目前不是很多。因此，研究海水作为冷却水，过冷流动沸腾时换热面上的结垢规律对设计海水循环冷却系统很有意义。
本文中以动态热阻法为依据，设计并搭建了污垢监测装置，主要研究海水冷却水在过冷沸腾情况下，在不同的热流密度、冷却水进口温度和流体主体流速，换热器表面污垢的微观形态和沉积速率，以及这些因素对换热器传热性能的影响。
1.1 实验装置
实验装置设计是模拟海水作为冷却水时，高热流密度下换热设备结垢对传热性能的影响。实验装置主要包括海水溶液循环系统、恒温水循环系统、测控系统和数据采集系统(见图1)。
如图1所示，恒温水箱维持海水冷却水温度恒定，变频水泵把循环冷却水从恒温水箱中抽出，经管道、阀门、流量计流入到模拟换热器的主实验段中进行实验。实验段采用内外套管同心的套管式结构，外套管采用可视化透明玻璃管，内管选用不锈钢材质的圆形加热管模拟换热器中冷却水的受热面，海水冷却水采用下进上出方式。实验段结构方便拆卸更换加热管以满足不同实验工况，另外其加热管两端与直流稳压电源连接，施加大电流，低电压直接加热，调节电压控制加热管的热通量。高速摄像机能辅助记录海水过冷沸腾现象和析晶结垢过程。整个实验装置能够很好地模拟海水作为循环冷却水流经换热器的工作过程，并能够对实验过程中海水冷却水的进口温度、速度和主实验段加热管热通量进行调节和测量。
1.2 实验工况
海水作为冷却用水时，当换热面热流密度比较大，加热管壁面的温度Tw上升程度远大于流体的主流温度Tf，当Tw超过海水的饱和温度时，加热管壁面上的海水冷却水局部过热，胚泡开始在有效的气化核心处出现并孕育，至此过冷沸腾现象开始出现。此时金属换热壁面附近的水不断汽化，水中的盐类被浓缩析出，导致结垢。
本文中主要从海水流速、水温和热流密度三个方面分析海水在过冷沸腾时析晶结垢规律和其影响因素。如表1所示，实验分为四组，每组实验运行100 h。
从文献[5-7]中，对污垢分层和层数的不同定义，众学者认为，污垢紧挨换热设备壁面的那一层质地坚硬而致密、密度大和热导率也比较高，而与冷却水流体接触的那一层质地松软而疏松、密度小和热导率也较前者低。结垢层上层污垢较下层的结垢层疏松，在冷却流体的冲刷下更容易被剥离。污垢剥蚀机制的研究[8]，一般认为管壁上附着的所有污垢晶粒具有同等的地位，被脱除的机会均等。但实验中发现结垢实际情况并非如此，通过XTZ-E(45X)连续变倍体视显微镜观察，结果表明，结垢层实际上是各向的结垢并不同性，结垢状态也不均匀，而是分层的、结垢层不平整的和疏密程度不同的，结垢的具体形状见图2至图5。
图2显示了第一组实验的结垢状态。由于在实验中空气泡和蒸汽泡的解吸及运动，当汽泡脱离加热管的加热管表面后，便留下了类似波浪状的污垢结垢层，结垢层的上表面是结垢较为疏松的波浪状垢层，图2(a)可以清晰看到结垢表面汽泡脱离留下的波浪状的多孔的垢；图2(b)通过45倍放大后，可以清楚地看到结垢是分层的，结垢上层明显要比下层的结垢层的密度小得多。
图3显示的是第二组实验的结垢状态。由于降低了加热管的加热功率，换热面表面的温度随之降低，海水冷却水的温度和过饱和度也降低，使加热管表面形成的结垢层相对比较松散，排列杂乱，结垢层比较薄，结垢层表面成云状聚集，且结垢层的强度、硬度较第一组实验生成的结垢层要低，可以用手指轻轻擦划就能将其从加热管表面上抹下。
图4显示了第三组实验的结垢状态。该实验较前两组实验提高了进入主实验段的流体进口温度，流速保持不变。由图4(a)可以看到该组实验形成的结垢层致密而又平整，与换热面结合均匀，和流体温度相对较低的前两组相比，结垢表面呈波浪形的明显的疏松结垢层现象消失。但该实验条件下形成的结垢层用手指擦划还是比较容易将垢层划开，划开后结垢层放大45倍后的状态见由图4(b)。
图5显示了第四组实验的结垢状态。该组实验在第三组提高流体进口温度的同时，还提高了主实验段冷却流体的速度。该实验的结垢状态从图5(a)中看到，在加热管表面上形成了一层相对致密而坚实的垢层，并在垢层上还有一些晶堆，这些晶堆与加热管表面结合比较紧密，不易掉落，即使用手指来擦划也不易将结垢层划开。从图5(b)发现该组实验得到的结垢层较其他三组实验得到的结垢层薄，结垢层的致密度高。这是因为主实验段冷却流体流
速增大后，流体对加热管表面的结垢层的剥蚀剪力变大，导致污垢晶体难以在换热面上附着生长，形成的污垢层变薄、致密。
3.1 不同实验工况的结垢速率
基于海水析出污垢组分的复杂多样性，本实验将采用直接称重计算出污垢的沉积速率来监测主实验段加热面的污垢生成情况。
由表2可知，流速增加一倍，结垢速率降低61%；而降低一半热流密度，结垢速率仅降低22%；换热器流体进口温度升高18℃，结垢速率降低38%。由上可知，在热流密度较大、冷却水流速较低的情况下，流速的改变，对结垢速率的影响最大。
3.2 不同实验工况污垢热阻和换热系数变化
3.2.1 热流密度影响
当主实验段的海水冷却水进口温度和流量保持恒定，加热管的热通量增大时，加热管表面的温度也相应增加，析晶结垢的同时，换热表面的不平整使得在结垢表面的凹陷处温度增
加，局部区域增加了溶液的温度，引起溶液中的微晶结晶增多，颗粒析晶结垢速率增大。另外，溶液温度的升高，以析晶为主的结垢形式突出，污垢的附着强度增大，污垢上层的脱除减小。所以，随着加热管加热功率的增加，会使污垢生成速率增大，如图6第一、二两组数据所示。
图7第一组和第二组实验中，热流密度变化时，加热管表面结垢过程引起的换热系数变化。与初始时加热管壁面洁净状态对比，换热系数稍有下降但降幅不大，原因是结垢层厚度差异比较小，没有出现很明显的换热系数的变化。但热流密度增大，结垢层趋厚，导致换热系数减小的趋势已经呈现。两组实验数据的对比可见，加热功率增大一倍，经过100 h的结垢过程，其换热系数的降幅比第二组大89%。
3.2.2 入口温度影响
对结垢形式为析晶污垢而言，主实验段内的海水冷却水流体主流温度对结垢的影响主要表现在扩散传质系数和溶液内部结晶的影响上。海水冷却水温度升高，海水的传质系数略有增大。海水温度上升，溶液内部均相成核速率增大，溶液的有效浓度减小。因此，在其他参数不变的情况下，当海水冷却水流体在主实验段内的主体温度升高时，污垢的析晶附着
反而有所下降，渐进热阻变化减小，如图6和图7中一、三组实验数据所示。
3.2.3 流速影响
由图6第三组和第四组实验数据可知，当主实验段内流体的流速增加时，主实验段内的加热管表面的结垢减少。因为流体的流速增大，一方面使得流体对结垢表面剪切力所引起的剥蚀率增大，造成污垢增长率减小。另一方面在热流密度不变的情况下，增大了单位时间内经过主实验段内的流体量，经过主实验段流体带走的热量增加，换热系数相应增加，如图7所示。
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