传热学论文

污水源热泵系统中换热器内防除污垢的强化传热技术
刘超杰
（天津商业大学机械工程学院卓热能1201班学号：20121701）
摘要：在污水源热泵中，由于污水水质的特殊性，容易导致系统中与污水接触的换热器的堵塞与结垢。

这些因素会大大降低换热效率，增加流动阻力，从而影响着污水源热泵系统的运行效果，这已成为阻碍污水源热泵发展的主要技术障碍之一。

针对该问题，本文介绍了污水源热泵系统中换热器内除垢的工艺及各自的特点，并总结了换热器内防除污设备的原理及应用，实现多途径来强化换热器的换热效果。

关键词：污水源热泵污垢热阻换热器除污技术
污水是指生产与生活活动中排放的水的总称，它是一种可再生资源。

污水水温比较恒定，受气候及天气变化的影响小，是一种较为理想的热泵冷热源[1]。

污水源热泵是水源热泵的一种，它将污水作为热泵的热源可充分利用污水中的废热，将污水资源化，是一种可再生能源利用技术[2]，具有节能、经济、环保的优势。

污水源热泵系统虽然优势众多，但并不是一个完美的系统，其缺陷主要体现在堵塞、结垢的问题上，这些问题主要集中在污水换热器内[3]。

换热器中污垢的形成不仅增加了污水的流动阻力，更重要的是增大了换热器的热阻，这就势必在设计时要增大换热器面积，不仅增加了设备的初投资，对后期的运行维护也造成影响[3,4]。

而且通过实验发现，污垢热阻的增大，压缩机排气温度、排气压力、压缩比、出口制冷剂焓值都增大，压缩机输入功率也增大，从而影响着污水源热泵系统的运行效果[5]。

因此，解决这些问题将成为污水源热泵系统得到进一步发展和推广的关键。

1、污水产生的结垢问题
污水水质较差，水中含有大量污杂物，包括物理性大小尺度污杂物和化学性有机溶解性化合物。

这些特征使得污水源热泵存在以下问题:污水流经管道和设备(换热设备、水泵等)时，在换热表面上易产生积垢，微生物贴附生长形成生物膜，油贴附在换热面上形成油膜，漂浮物和悬浮固形物等堵塞管道和设备的入口，阻塞污水的流动[6]。

污水的流动阻塞和换热量的衰减，使污水源热泵的运行管理和维修工作量增大。

据估计全世界每年因换热器的污垢而引起的经济损失高达数百亿美元，因此污垢的抑制、监测及清除的问题一直是传热学界与工业界所关心的课题[7]。

所以，有必要采取各种方法对与恶劣水质接触的换热设备进行防除污垢[8]，实现强化换热的目的。

2、污水换热器中的防除污垢技术
目前清除换热面污垢的方法有两种:化学法和物理法。

化学法包括软化法、酸处理法、炭化稳定法及阻垢剂的应用等[9]。

但由于其较高的费用和易造成环境污染，一直未被广泛采用。

物理清洗是靠流体的流动或机械力的作用，提供一种大于污垢粘附力的力而使之从设备面上剥落的清洗方法。

根据清洗时间间隔的长
短，物理清洗又分为在线清洗和定期清洗，由于定期清洗需停工、停产，浪费大量人力物力，且难以保证系统高效运行，所以目前主要采用在线清洗除污方法[9]。

下面主要讨论几种常用的在线清洗法。

2.1 胶球在线清洗技术
胶球清洗技术是于20世纪80年代首先在国外发展起来的，其系统结构如下图：
其机理是海绵胶球通过管子内微受压缩，胶球受流体的推动力在管内流动，并且借助海绵体的弹力对管壁施加压力，对污垢具有很好的研削效果[10]。

此外，胶球与污垢顺管内流动，沿前方排出，对管壁具有很好的清洗和排污作用。

态，提高了设备的传热效率与设备的运行周期。

③清洗器结构合理，
热交换器胶球在线清洗技术的特点:①充分利用了循环水系统自身的压力，无需增加动力和收、放球设备即可实现热交换器胶球在线清洗。

②操作人员可以根据热交换器的结垢情况进行定时除垢，可将现有的脱除硬垢方式转变为软垢清洗，使热交换器在运行过程中始终保持在清洗初始的换热状态，提高了设备的传热效率与设备的运行周期。

③清洗器结构合理，操作方便且便于现场实施，每次清洗时间大约20 min，清洗费用低。

按照正常设备全年平均除垢率为80%以上计算，每年至少节省巧%的循环冷却水[11]。

④胶球清洗装置的收球率低，而且二次滤网和收球网结垢腐蚀严重，不适合应用于较差的水质[12]。

2.2 传热管自动清洗装置
该装置主要由毛刷、毛刷收纳器以及四通阀组成。

四通阀不断反复改变管道内的水流方向，使管道内的毛刷在水流的带动下，自行在传热管两端的毛刷收纳
器之问来回移动，进行刷洗。

四通阀的转换频率主要取决于水质情况，因管内的污垢时间过长会硬化，一般每日冲洗4—6次[13]。

另外，该冲洗装置在设计上考虑了便于更换毛刷的要求[14]。

用这种方法去除设备中挂壁的污杂物，存在运行维护缺陷。

另外还要考虑污物排放、设备场地、环境污染、电力消耗(与所获得的效益相比)等问题，从而增大了投资及运行成本。

2.3 管内插入物在线清洗
管内插入物是早期应用于强化传热的一种方法，这是基于管式换热方式和水质较清洁情况下提出的。

管内插入物加剧了近壁处流动边界层的扰动，使污垢不易沉积，且介质温度梯度的降低也抑制了污垢的形成生长[15]。

插入物例如弹簧，在流体的作用下还能产生弹性振动(径向、轴向和环向的振动) [16]，从而达到清洗换热设备污垢的目的。

在较低的流速条件下就能获得较好的除垢效果，除垢效率一般可达到80%，热交换器总传热系数可提高至少20%[17]。

该方法的缺陷在于:①对于换热面积大、传热管数量很多的污水换热器，其机械工艺复杂，难以实现[17]。

②对于水质恶劣的城市原生污水，很容易造成插入物的腐蚀损坏。

③管内插入物在线清洗方法对管内流速有很高的要求，在较低的流速条件下能获得较好的除垢效果，因此并非适用于所有管壳式热交换器。

④由于插入物的自身特性会对热交换器管内壁有一定的损伤，故应引起注意[17]。

2.4 小水量强力轮替冲洗部分换热管
虽然使用大流速冲洗换热管的方法可以达到除污的目的，但是对于传热管数量很多的管壳式换热器，如果采用单次冲洗全部传热管的方法进行冲污，必然要求并联大容量冲污水泵，从而导致设备庞大，初投资大幅度增加。

采用小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺，可以实现轮替冲洗部分换热管，降低了除污水泵的容量，从而减少初投资。

小水量强力轮替冲洗部分换热管工艺主要是在管壳式换热器封头内设置在电机带动下可以自动旋转的主轴(兼作进水管)，主轴两侧通过轴承分别与管板和封头连接。

高压冲污水泵吸入的污水通过主轴上的接头进入主轴内腔，再经主轴出水口进入随主轴一同旋转的冲污注水头，强力注入换热管束进行冲污[18]。

冲污注水头随着主轴的旋转紧贴各个换热管的入口转动，从而完成轮替冲洗的过程[19]。

完成冲污后的污水通过污水出口或污水进口和污水出口排出。

如下图所示：
强力自冲污工艺就是以小水量轮替冲洗部分传热管，具有较好的经济性，在污水换热器除污方面具有较好的应用前景。

但本工艺不适于清洗一般换热器结晶类硬垢[20]。

此外，受换热器结构的影响，本工艺只能应用于单管程和双管程管壳式换热器的除污[21]。

3、总结
工艺优点缺点
胶球在线清洗能及时去除聚集在管表面
的杂物，保持管表面的清
洁
收球率低；二次滤网和收
球网结垢腐蚀严重，不适
合应用于较差的水质
传热管自动清洗去污灵活、简单方便，节
省时间
存在运行维护缺陷；投资
及运行成本较大
管内插入物在线清洗结构简单，安装方便，可
在较低的流速下获得较好
的除垢效果
对流速的要求较高，流速
较大时会引起弹簧的不均
匀变形，可能对换器管内
壁有一定的损伤
小水量强力轮替冲洗部分
换热管降低除污水泵的容量，减
少初投资
只适用于单管程和双管程
管壳式换热器
在选择相关除污技术时，应根据设备的实际情况，结合上述常用方法的优缺点进行选择，以达到较好的除污效果，实现强化换热器的换热目的。

4、结语
在能源和环境的问题日益加重的今天，污水源热泵技术凭借其节能、经济、环保的优势必将成为今后供热制冷发展的趋势[22]。

当然，应用污水源热泵技术还需要对诸如结垢等技术难题进行研究，这些问题得到改善和解决后，污水源热泵系统就会得到进一步的推广与应用。

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