螺旋槽管污垢特性及其影响因素的实验研究

　　强化换热器是工业生产中必不可少的换热设备,它采用强化传热元件来提高传热效率, 降低能耗. 但是在应用强化传热设备同时, 人们自然想到其在污垢条件下的强化传热效果. 早在 1959 年, Knudsen 等人[1]就开始关注强化换热面的污垢特性, 之后的几十年来, 许多学者对各种强化管的污垢特性展开了研究, 并取得了一定进展.

　　螺旋槽管作为一种高效的强化传热元件, 广泛应用在化工、石油、动力等各种领域中, 然而污垢的产生可能会降低螺旋槽管的强化传热作用. 因此国内外学者对螺旋槽管的污垢特性进行了研究. Rabas等人[2, 3]对包括螺旋槽管在内的多种强化管进行了工业实验, 在凝汽器中将光管和强化管捆绑运行, 得出强化管污垢速率大于光管的结论. 徐志明等人[4]的实验研究得出相同结论, 在同一实验条件下, 螺旋槽管的渐近污垢热阻值约为光管的1.36倍. 帅志明等人[5]等对螺旋槽管和光管进行了污垢特性对比实验, 却得出相反结论, 即螺旋槽管的抗垢性能优于光管, 同时发现冷水流速增大时螺旋槽管抗结垢能力增强,而螺旋槽参数对结垢影响不大. 钱颂文等人[6, 7]的实验结果表明, 螺旋槽管的污垢热阻仅为光管的52%~71%, 且流速越高污垢热阻越小. 朱冬生等人[8, 9]的研究发现, 管参数和操作条件对螺旋槽管的污垢过程有不同程度的影响, 而流体流速和传热表面温度的影响较大. Panchal 等人[10]认为强化管污垢与强化管的几何参数无关. Webb 等人[11, 12]认为强化管的结垢速率与强化方式有关, 并取决于强化管的几何参数.

　　可见, 由于实验条件各不相同, 实验结果出现差异, 甚至得出相反结论. 而且目前的实验研究多限于考察流速对螺旋槽管污垢特性的影响, 而污垢生成的影响因素很多, 除流速外, 流体性质、温度以及结构参数都会对螺旋槽管污垢热阻产生影响.

　　本文对 6 种不同结构参数的螺旋槽管在多种工况下进行实验研究, 考察水质硬度、冷水入口温度、槽深、槽距对螺旋槽管污垢热阻的影响程度, 以希望得出全面的评价, 给换热器的设计与选型提供参考依据.

　　1 实验装置

　　本实验在污垢热阻动态监测装置上进行, 如图 1所示. 实验装置由模拟换热器(实验测试段)、冷水系统、热水系统、制冷系统和测控装置组成. 实验测试段采用套管式结构, 热水为纯净水, 在实验段的内管流动, 冷水根据需要采用人工配制硬水, 在实验段的管套内流动. 制冷系统的冷媒是由地源热泵机组提供的冷冻水, 进入管壳式换热器的壳侧吸收热量后,回到热泵机组被制冷后继续循环.

　　实验系统采用数据采集仪对相关状态参数进行实时采集. 通过温控、传感器和电动调节机构进行参数的自动控制, 可控制实验段冷水入口温度. 实验采用 1/3B 级 Pt100 热电阻进行温度测量, 标定误差为0.05°C. 在冷热水系统中采用 LW_10 型流量计, 其精度为±0.70%. 在冷冻水系统中采用 LW_15 型流量计, 其精度为±0.70%. 对整个实验装置进行了测量误差分析, 传热系数的误差为±3.88%, 渐近污垢热阻的误差为±7.76%.