纳米涂层在污水源热泵中的抗垢性研究
吴学慧,孙德兴,杨维好
中国矿业大学学报
摘要:采用新型纳米抗垢涂料是解决城市原生污水冷热源系统污垢的有效措施之一.通过工程现场的实验,对XK-368钛纳米聚合物换热器专用涂料涂层管在污水冷热源系统中抗垢性能进行了测试.结果表明,在工程应用范围内,相同工作条件下,系统污垢达到稳定时纳米涂层管换热热阻约为普通无缝钢管的50%;结垢时间常数约为普通无缝钢管的2·5倍.表现出良好的抗垢性能.
关键词:纳米涂层管;污水冷热源;抗垢性能;实验
城市原生污水(未经任何处理)具有冬、夏温度适宜、水量大、分布广等特点,是一种非常优良的绿色可再生能源[1-2].由于污水的水质较差,该系统结垢现象严重,导致系统性能急剧下降[3].这已成为阻碍城市原生污水冷热源系统的应用和推广的一个重要因素.采用纳米抗垢涂层是解决系统污垢问题的有力措施之一,其相关产品主要应用于石油化工的输运工程[4-5],但其在换热设备内的应用才刚刚开始,经实验研究其应用特性有十分重要的意义.本文通过抗垢纳米涂层管的现场实验,对该管在污水冷热源应用中的抗垢性能进行了实测.以期为其在污水系统中的应用提供参考.
1 试验
1.1试验系统
实验台搭建在哈尔滨某污水处理厂细格栅处理车间内,系统如图1所示.经监测,实验期间污水的温度为13℃波动幅度较小,约0·5℃左右;密度值为1 011·06 kg/m3;而pH值约为7·3.表1为污水水质监测的平均结果.
图1中污水泵抽取流经细格栅的城市原生污水,水泵的流量为25 m3/h,扬程为15 m.细格栅的孔径是2 mm,主要完成对污水中污、杂物的过滤;与实际应用的污水源热泵系统中防阻设备[6]的孔径相同,可防止污水中大尺寸污、杂物对换热管的堵塞.
高位水箱的水面高度与水平测管的高差为4·82 m.其中AB,CD管段为可更换测量管段,长均为5·20 m,测压点A,B距阀门均为0·2 m,AB间距4·80 m.实验管外均匀缠绕加热量为4 000 W(精度为0·5%)的电加热带;系统采用40 mm厚的岩棉保温处理.每根测量管段上在AB,CD间均匀布置3个设置测温点,测量管外壁温度;并在高位水箱内和管段每个出口的体积桶内均设置测温点,测量污水的进、出口温度.通过调节阀门2, 3,4, 5,调节所需流速.高位水箱体积为1·5 m×1·5m×1·5 m.
实验管段内所使用的纳米涂层为XK-368钛纳米聚合物换热器专用涂料,由哈尔滨鑫科纳米科技发展有限公司提供.实验管段管内纳米涂层厚度为0·2 mm;管长5·2 m,内径分别为19·01,16·18mm,由表2中管段D1与D2涂刷而成.钛纳米聚合物的纳米钛在涂层中的立体网状结构形成导电通道的同时,也形成了导热通道,使涂层具有较高的导热系数,换热器专用涂层的导热系数与不锈钢相当[4],不锈钢的导热系数在10~30 W/(m·K)[7];在本文的实验计算中取10 W/(m·K).通过实验测试污水在普通无缝钢管与纳米涂层管内的污垢增长特性
1·2污垢增长的监测原理
一般来讲,污垢监测方法传统上总体分为热力学法和非热力学法[8].考虑到污水的水质与实验条件的限制,本文主要采取热阻法进行监测.根据水质特点,污水壳管式换热器的壳程为中介水,管程为污水.污垢热阻计算式为Rf=1Kf-1Kc, (1)式中:Rf为污染状态下的污垢热阻,m2·K/W;Kf为污染状态下的总传热系数,W/(m2·K);Kc为洁净状态下的总传热系数,W/(m2·K).换热系数
K =QAΔtm, (2)
式中:Q为单位时间由管壁传给流体的热量,W;A为总的换热面积即换热管内表面面积,m2;Δtm为换热器内冷热流体的平均温差,K.对单管段实验,由于换热温差较小,Δtm计算公式为
Δtm= tw-t1+t22, (3)
式中:tw为管内壁平均温度,K; t1为污水入口温度,K;t2为污水出口温度,K;加热量Q由电加热带提供.对管内流经的污水
Q = cρπR2vm(t2-t1) . (4)
由式(2)与(3)可知当Q,A及初始流速一定时,只要测得t1,t2,tw,即可得到该初始流速下的Kc,Kf;由式(1)即可得到该状态下的污垢热阻Rf.在实验中由于换热管内壁温度tw难以测得,而管外壁温度tsw易于获取,则单管段实验污垢热阻计算式为
Rf=1Kf-1Kc=
A
Qtsw-t1+t22f- tsw-t1+t22c. (5）
1·3实验方法
本文通过在换热管一定流速与管外加热量下,测试管壁温度与污水进、出口温度的变化,得到了该流速下换热系数的变化,从而得到管内污垢热阻的变化.
1·4基本参数的测量方法
由于污水水质差,污杂物浓度高,很多测量仪表和方法受限[9].根据污水的水质特点及研究内容的要求,实验测量的主要参数和方法如下:1)流速实验采用带刻度的体积桶及秒表测定管流流速.其精度为1%.2)温度温度测量采用哈尔滨工业大学生产的T-I型温度测量数据采集器;精度为±0·1℃.
2实验结果及分析
根据实际应用中换热器内流速的设计推荐值[10-11],实验初始流速均设计为0·5, 0·75, 1,1·25, 1·5和1·75 m/s 6种;分别记录各管段在不同流速下污垢生长的情况.每次实验结束后,均将实验管段从实验台上拆下,并将管内清洗干净再进行下阶段实验.
图4为各管段在实验流速1 m/s下污垢热阻变化实验曲线.图4中拟合曲线由文献[8]中的Rf= R*f[1-exp(-θ/θ*)]得到.同时也可得到污垢渐近热阻R*f,时间常数θ*.表3为各实验管段R*f与θ*的拟合结果.
由图4及表3可知:1)在实验各流速下,管内污垢第一个采样点就出现了,这说明管内污垢生长的诱导期小于采样周期(1 h).这与污水的水质有关,污水内含有大量的微生物及各类有机污杂物,使得换热面在很短的时间内被微生物占领并开始繁殖和吸附其他有机物,形成污垢、导致换热热阻增加.2)污垢在形成过程中热阻波动剧烈,这主要是由于换热管内污垢的附着与剥离同时存在而且反应激烈引起的.对比图4a与4c可知纳米涂层管内这一过程更为激烈.3)同一实验管段不同实验流速下,污垢增长达到稳定的时间不同,其稳定热阻也不同.流速越小,达到稳定的时间越长,其稳定热阻越大;流速越大,达到稳定的时间越短,稳定热阻值也越小.4)在某一具体实验流速下,由拟合的曲线可知,污垢热阻的增长虽然波动强烈,但其增长过程基本符合指数函数曲线的特征.5)纳米涂层不仅有较小的稳定热阻值R*f,还有较大的时间常数θ*.以内径为19·3 mm为例,流速1 m/s时,其污垢模型中时间常数值约为172h,为相近管同流速下的2倍.若以D2涂层管为例,流速1 m/s时,管内涂层热阻、对流换热热阻与污垢热阻的和为3·9×10-4m2·K/W,普通无缝钢管对流换热热阻与污垢热阻的和约为8·1×10-4m2·K/W,前者约后者的50%.可见使用纳米涂层可有效的减小系统换热热阻;增强换热.
3纳米防垢涂层的抗垢评价
通常而言,采用保护层、涂层等防垢技术是不利于传热的.为了评价上述防垢措施对系统传热的影响,文献[12]提出了利用阻抗Biot数作为定量判据.
无防垢技术换热器的单管换热量为Qc= KoAoΔTmc, (6)式中:Ko为以管外壁面积计算的总换热系数,W/(m2K);Ao为换热管外壁面积,m2;ΔTmc为无涂层时平均换热温差.采用防垢技术后对应的换热量为Qm= KmAmΔTmm, (7)式中:Km为以涂层表面积计算的总换热系数,W/(m2·K);Am为换热管外壁涂层表面积,m2;ΔTmm为有涂层时平均换热温差.
又1Km=1Ko+δcoatλcoatAcAc, (8)式中:Ac=π(do+2δcoat)l;λcoat为涂层导热系数,W/(m·K);δcoat为涂层厚度,m;di为管内径,m;do为管外径,m;At=2πlδwln(do/di)为换热管的对数换热面积.由于1Ko=1hi+RfiAoAi+ δwλwAoAt+1ho+Rfo, (9)式中: 1/Ko为没有涂层时的传热热阻,m2·K/W;hi为管内对流换热系数,W/(m2·K);Rfi为管内污垢热阻,m2·K/W;Ao为管外壁面积,m2;Ai为管内壁面积,m2;λw为管壁导热系数,W/(m·K);δw为管壁厚度,m;ho为管外对流换热系数,W/(m2·K);At,Ac分别为换热管和涂层的对数换热面积,
Ac=2πlδcoatlndo+2δcoatdo,At=2πlδwlndodi.Ao
At=12doδwlndodi, (10)
面积比AcAc=12ln 1+2δcoatdo2+doδcoat. (11)
若假设使用涂层后换热量及换热温差不变,则涂层对系统换热的影响可通过换热面积的增加来评价.即Qc=Qm,ΔTmc=ΔTmm;由式(6)~(8)得Am
Ao=1+KoδcoatλcoatAcAc, (12)
式(12)中右侧第二项为总换热系数与涂层热阻的乘积,定义为阻抗Biot数.
Bio= KoδcoatλcoatAcAc. (13)
阻抗Biot数直接反映了涂层热阻的增加导致换热面积的增加,换热面积的增加将导致系统运行360能耗的增加,同时对系统的换热性能也存在不利影响.但抗垢涂层的使用可有效的减小污垢热阻,提高系统性能.当系统结垢严重时,抗垢涂层的有利作用就更加明显.表3的纳米涂层使用前后系统换热性能的对比结果清晰地证明了这一点.对于不同的系统与结垢情况抗垢涂层的技术经济性需要进一步具体的分析.
对于清洁水套管换热器外涂层抗垢技术,Somerscales以当时的条件通过经济和运行因素等的分析,建议Biot数以0·5为临界值;即对应的换热面积增加50%[12].这显然是难以接受的.但其确是评判防垢技术的一个有效判据[8].对于管内涂层,由上述分析可定义阻抗Biot数为Bii= KiδcoatλcoatAcAc i, (14)Ac
Ac i=12di-2δcoatδcoatlndidi-2δcoat,式中:Ki为以管内壁面积计算的总换热系数,
W/(m2·K);di为换热管内径,m.以单根管长长6 m,d=25 mm换热管为例,当管内流速为1 m/s时,计算可得Bii=0·022;远小于文献[12]推荐的50%.这主要是因为纳米涂层导热系数高而且厚度较薄.
4结论
1)换热管内污垢热阻增长模型在一定流速下为时间的渐近型函数,由于污垢的增长与剥离同时存在,管内污垢热阻值在增长过程中波动强烈;纳米涂层管内更为明显;换热管内流速的提高有利于减小污垢热阻稳定值,同时也减小了其接近平衡所需的时间;
2)纳米涂层管管内污垢稳定值约为同等条件下普通钢管的14%,时间常数约为普通无缝钢管的2·5倍;表现出良好的抗垢性能;3)纳米涂层的Biot数远小于50%,说明了其良好的导热性能.
参考文献略
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