換熱表面的污垢會(huì)使傳熱惡化，且隨著強(qiáng)化換熱技術(shù)的應(yīng)用，污垢熱阻對(duì)傳熱過程的影響更加明顯，因此冷凝器冷卻水側(cè)污垢熱阻值的選取便成了水冷式冷水機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要問題之一。冷卻水污垢熱阻的數(shù)值通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值或是文獻(xiàn)、規(guī)范等確定，如根據(jù)HTRI/TEMA Joint Committee 推薦的污垢熱阻[1]，河水的污垢熱阻值是3.52× 10-4～5.28×10-4 m2·℃/W，而根據(jù)《工業(yè)循環(huán)水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50050-95）[2]，敞開式循環(huán)水系統(tǒng)的污垢熱阻值為1.71× 10-4～3.44×10-4 m2·℃/W。由于不同參考資料給出的污垢熱阻的數(shù)值變化較大，給實(shí)際的設(shè)計(jì)工作帶來了困難。另外不同河流、不同區(qū)段、在不同季節(jié)時(shí)冷卻水所形成的污垢也有所不同，因此我們擬采用試驗(yàn)方法，選用在珠江三角洲地區(qū)被廣泛用作冷卻水的珠江水為試驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)行冷卻水污垢熱阻的試驗(yàn)，試驗(yàn)是在6月到10月期間進(jìn)行。冷卻水污垢熱阻的影響因素主要是溫度、流速和水質(zhì)。由參考文獻(xiàn)[1]分析，冷卻水溫度低于50℃時(shí)溫度對(duì)污垢熱阻的影響可忽略。因此主要研究冷卻水流速對(duì)污垢熱阻的影響，為冷凝器的設(shè)計(jì)提供較具體的污垢熱阻數(shù)據(jù)。
1 試驗(yàn)原理及試驗(yàn)裝置
1．1 試驗(yàn)原理
由傳熱學(xué)法測(cè)量污垢熱阻Rf，即
 �。�1）
 （2）
于是，  （3）
通過計(jì)算冷凝器換熱管兩側(cè)的換熱系數(shù)和總的傳熱系數(shù)，從分離出污垢熱阻。本試驗(yàn)采用實(shí)際的水冷式冷水機(jī)組，制冷量是30kW，制冷劑為HCFC-22。冷凝器是兩回程的管殼式換熱器，管內(nèi)徑是0.0117m，銅管數(shù)目是38根。對(duì)管外側(cè)冷凝的HCFC-22，可不考慮污垢熱阻。HCFC-22的冷凝換熱系數(shù)ac,fz為[3]：
 （4）
 （5）
 （6）
在換熱管的內(nèi)側(cè)流動(dòng)的冷卻水處于旺盛的紊流，其對(duì)流換熱系數(shù)與該側(cè)流體的狀態(tài)參數(shù)、物性參數(shù)和換熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，通過測(cè)量流體流速、進(jìn)出口溫度就可以由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出相應(yīng)條件下的換熱系數(shù)。冷凝器總的傳熱系數(shù)可以由其總的換熱量、換熱面積和對(duì)數(shù)平均換熱溫度計(jì)算得出。因此，在實(shí)驗(yàn)室條件下可以通過測(cè)量溫度、流速和壓力等參數(shù)來確定aw,ac,fz和KI，進(jìn)而就可以得出冷凝器冷卻水側(cè)的動(dòng)態(tài)污垢熱阻Rf。
1．2 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)裝置是由兩部分組成：一是冷水機(jī)組，二是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。如圖1所示，冷水機(jī)組又分為制冷劑回路、冷卻水回路冷凍水回路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集冷水機(jī)中三個(gè)回路的不同物理量，即冷卻水流量和出入口溫度、冷凍水流量和出入口溫度、冷凝壓力，輸入到計(jì)算機(jī)并根據(jù)上述試驗(yàn)原理和公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出各個(gè)時(shí)刻的污垢熱阻，并監(jiān)控試驗(yàn)各個(gè)階
段。
圖1 污垢熱阻試驗(yàn)裝置
2 污垢熱阻試驗(yàn)研究以及數(shù)據(jù)分析
2．1 驗(yàn)證性試驗(yàn)
為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，先以自來水作冷卻水進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖2的曲線1和曲線2所示，結(jié)果表明：當(dāng)冷卻水流速改變時(shí)，所測(cè)得的冷卻水側(cè)的污垢熱阻基本不變且維持為1.5×10-7 ～2×10-7m2·℃/W，約為珠江水污垢熱阻（見圖2的曲線3～曲線5）的1‰～2‰，故可以認(rèn)為試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)合理，所得試驗(yàn)結(jié)果可靠。
圖2 試驗(yàn)結(jié)果
2．2 不同流速下珠江水（獵德段）污垢熱阻試驗(yàn)
采用珠江水為冷卻水的污垢試驗(yàn)在兩個(gè)流速下進(jìn)行。為保證冷卻水質(zhì)的一致性，定期補(bǔ)充珠江水到試驗(yàn)裝置中。
如圖2的曲線3、曲線4所示，試驗(yàn)在36天的期間內(nèi)，冷卻水流速為1.44m/s時(shí)，污垢熱阻Rf的漸近值為1.14×10-4m2·℃/W。冷卻水流速為0.83m/s時(shí)，污垢熱阻Rf的漸近值為1.921×10-４m2·℃/W。污垢熱阻的漸近值與冷卻水流速成反比關(guān)系。這些污垢熱阻的數(shù)據(jù)比TEMA推薦要低。
試驗(yàn)結(jié)果注釋：
曲線1：不同自來水流速下污垢熱阻的變化
曲線2：自來水流速的變化
曲線3：1～20天冷卻水流速為1.44m/s時(shí)污垢熱阻的實(shí)驗(yàn)曲線，Rf的漸近值為1.14×10-4m2·℃/W。
曲線4：21～36天冷卻水流速為0.83m/s時(shí)污垢熱阻的實(shí)驗(yàn)曲線，Rf的漸近值為1.921×10-4m2·℃/W。
曲線5：37～42天后冷卻水流速為1.44m/s時(shí)污垢熱阻的實(shí)驗(yàn)曲線，Rf的漸近值為1.82×10-4m2·℃/W。
曲線6：43～46天后冷卻水流速為0.83m/s時(shí)污垢熱阻的實(shí)驗(yàn)曲線，Rf的漸近值為1.87×10-4m2·℃/W。
2.2.2 換熱面上污垢的變化
試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)污垢的老化現(xiàn)象。老化的進(jìn)行使沉積物的特性發(fā)生變化，老化的表現(xiàn)為：晶體結(jié)構(gòu)的變化、沉積物的聚合、微生物的饑鋨死亡等[4]。通常污垢的老化都會(huì)引起沉積物隨時(shí)間變得更加堅(jiān)韌，更難以剝蝕。目前國內(nèi)外對(duì)污垢老化的研究尚缺乏必要的數(shù)據(jù)。如圖2的曲線5所示，當(dāng)試驗(yàn)歷經(jīng)了36天后，在沒有停機(jī)清洗的情況下直接將冷卻水流速增至1.44m/s，發(fā)現(xiàn)污垢熱阻并沒有由1.921×10-4m2·℃/W下降至1.14×10-4m2·℃/W，而是趨于一定值約為1.85×10-4m2·℃/W。在第43～46天，降低流速到0.83m/s時(shí)，污垢熱阻只是上升一點(diǎn)到1.87×10-4m2·℃/W，見圖2的曲線6。以上數(shù)據(jù)表明污垢沉積在換熱管表面上一段時(shí)間后會(huì)老化，此時(shí)增加流速并不能有效的剝蝕污垢從而降低污垢熱阻。
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