2018, Vol. 50
2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，哈尔滨 150090;
3. 大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024
2. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;
3. School of Civil & Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China
污水换热器是污水源热泵系统的关键设备，其经济性和高效性决定着污水源热泵的发展前景.尽管污水换热器的防除垢与强化换热研究已得到普遍重视，但还未完全解决[1-6].故研究和开发新技术、新方法是解决污水换热器结垢问题的当务之急.声空化是指在超声波作用下液体介质中的微气泡被随机激活，处在波峰稀薄阶段，其微气泡内压强小于原本静压强，气泡受拉迅速涨大；处在波峰密集阶段，又突然被绝热压缩、破碎直至湮灭等一系列动力学过程，可清除物体表面污垢，达到清洗净化的目的.声空化技术因具有很好的防除垢能力而在石化、能源等领域中的通用换热设备得到广泛的应用[7-14].赵阳等[10]对超声波处理后的阻垢性能进行了实验研究，发现不同温度、硬度条件下阻垢效果明显，在高水温、低硬度下阻垢效果更显著，且超声波频率为40 kHz不如28 kHz时的阻垢效果好.Li等[11]利用超声空化作用进行了防除垢实验研究，指出声空化强度、距离以及液体温度和浓度对防除垢有着不同的影响.发现声强越小防垢效果越好，除垢效果却相反；而较大的浓度和近距离的超声波则有利于防垢和除垢.丘泰球等[12]理论研究了碳酸钙晶体的形状和大小对超声波防除垢的影响，发现超声处理不仅防止结垢，而且降低成形的规模，平均效率控制在76.4%，从而提高了蒸发强度和传热系数.傅俊萍等[13]对超声波除垢与强化传热进行了实验研究，指出功率对其效果影响显著.Zhou等[14]对水平圆管进行了实验研究，发现声空化对单相对流换热和沸腾换热均具有显著的强化效果.
研究表明声空化技术具有防除垢与强化换热能力，但鲜有在污水源热泵系统中的研究和应用，故其研究价值和发展前景广阔.笔者课题组进行多年的声空化和污水源热泵技术研究，并取得多项成果[15-19]，其中结合声空化技术，在利用污水低位热能方面提出了一种创新装置——声空化污水换热器[20].基于前期的研究成果及实验台，对声空化作用时间为0~60 min，污水流速为0.45~1.74 m/s，污水温度为10 ℃/20 ℃，污垢含水率为35%~95%以及不同污水黏度等影响参数开展实验研究，分析声空化防除垢与强化换热数学模型，对比影响参数对声空化污水换热器换热管的污垢增长特性和防除垢规律以及强化换热效果的影响.
1 实验 1.1 实验装置与原理声空化污水换热器的防除垢与强化换热动态实验台如图 1所示.实验工质为管道内流动的城市污水，按实验要求进行调配并储存在污水水箱中.为保证管道泵的正常工作，在水箱的出入水口均设有3 mm过滤筛网，以防止大颗粒杂质污垢进入实验管道.具体实验器材明细见表 1.
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1—污水水箱; 2—回水口; 3—自动温控表; 4—恒温加热装置; 5—管道泵; 6—出水口; 7—排水阀; 8—流量阀; 9—超声波换能器; 10—超声波发生器; 11—实验换热管; 12—对比换热管; 13—超声波流量计 图 1 实验装置 Figure 1 Schematic diagram of the experimental principle |
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表 1 实验器材明细 Table 1 Experimental equipment list |
声空化污水换热器的防除垢与强化换热实验共分为两组，第一组实验直接采用城市污水，第二组实验在城市污水中增加一定量生活用油，以提高污水黏度，从而改变实验污水水质，其他实验条件及步骤和第一组相同.
每组实验主要分为两个部分，包括前期未施加声空化的换热管结垢实验和施加声空化的除垢实验，其具体实验步骤如下：1)实验前量测污水温度、密度、黏度以及水位等资料；清洁干燥和称量两根碳钢换热管，记录相关数据并安装换热管到实验台.2)打开流量阀，开启管道泵，记录实验开始时间和污水流速.3)系统至少运行96 h后，卸下及干燥称重实验换热管，并记录实验停止时间和换热管质量.4)将结垢稳定的实验换热管安装到实验台，连接超声波系统；设定超声波功率并运行超声波发生器，开启管道泵，记录设备运行时间.5)每隔5 min(或10 min)的声空化作用时间，停止超声波发生器和管道泵，卸下换热管干燥称重并记录，直至换热管质量不变.6)每隔一段时间搅拌实验污水，使污水浓度均匀分布，不沉积在水箱底部；当污水因蒸发等原因减少时，及时补水.7)实验结束后，按要求整理实验台并分析整理所得实验数据.
在相同实验条件下，改变每组实验的影响参数，以便进行对比实验.其影响参数主要包括污水流速、污水温度、污水黏度、污垢含水率和声空化作用时间.通过改变流量阀开度，选择合适的流量，进而控制污水流速v在0.45~1.74 m/s，污垢含水率C计算选取为35%~95%以及声空化作用时间t2设定为0~60 min，污水温度为10 ℃/20 ℃.
2 数学模型 2.1 防除垢数学模型评价对实验换热管声空化防除垢效果的好坏，可通过以下数学模型进行分析：
| $ \mathit{\alpha }{\rm{ = }}\frac{{{\mathit{W}_{\rm{t}}}{\rm{ - }}{\mathit{W}_{\rm{0}}}}}{{{\mathit{W}_{\rm{t}}}}}{\rm{ \times 100\% = }}\frac{{{\rm{\Delta }}\mathit{m}}}{{{\mathit{W}_{\rm{t}}}}}{\rm{ \times 100\% }}{\rm{.}} $ | (1) |
式中：α为换热管内表面的结垢率，%；Wt为积垢后换热管质量，g；W0为积垢前换热管质量，g；Δm为换热管结垢量，g.
| $ \mathit{\beta }{\rm{ = }}\frac{{{\mathit{W}_{\rm{t}}}{\rm{ - }}{\mathit{W}_{\rm{0}}}}}{{\mathit{S} \cdot {\mathit{t}_{\rm{1}}}}}{\rm{.}} $ | (2) |
式中：β为换热管积垢速率，g/(m2·h)；S为换热管内表面面积，m2；t1为换热管积垢时间，h.
| $ \mathit{\delta }{\rm{ = }}\frac{{{\mathit{W}_{\rm{t}}}{\rm{ - }}{\mathit{W}_{\rm{0}}}}}{{\mathit{\rho }{\rm{ \mathit{ π} }}\mathit{d} \cdot \mathit{L}}}{\rm{.}} $ | (3) |
式中：δ为换热管内污垢厚度，mm；M0为洁净时换热管的质量，g；L为换热管管长，m；ρ为污垢密度，kg/m3；d为换热管内径，m.
| $ \mathit{\Phi }{\rm{ = }}\frac{{{\mathit{m}_{\rm{t}}}}}{{{\rm{\Delta }}\mathit{m}}}{\rm{ \times 100\% }}{\rm{.}} $ | (4) |
式中：Φ为换热管内表面的除垢率，%；mt为施加声空化作用后换热管累积除垢量，g.
2.2 强化换热数学模型评价对实验换热管内声空化强化换热效果，可通过以下数学模型进行分析：
| $ \frac{1}{{{\mathit{K}_{\rm{f}}}}}{\rm{ = }}\frac{1}{{{\mathit{h}_{\rm{w}}}}}{\rm{ + }}\frac{{{\mathit{\delta }_{\rm{1}}}}}{{{\mathit{\lambda }_{\rm{1}}}}}{\rm{ + }}\frac{{{\mathit{\delta }_{\rm{2}}}}}{{{\mathit{\lambda }_{\rm{2}}}}}{\rm{ + }}\frac{1}{{{\mathit{h}_{\rm{j}}}}}{\rm{.}} $ | (5) |
式中：Kf为换热管结垢后的传热系数，W/(m2·K)；hj为换热管污水侧表面传热系数，W/(m2·K)；hw为换热管外侧表面传热系数，W/(m2·K)；λ1、λ2分别为为换热管内污垢和换热管的导热系数，W/(m·K)；δ1、δ2分别为换热管内污垢和管壁的厚度，m.
| $ \frac{1}{{{\mathit{K}_{\rm{f}}}}}{\rm{ = }}\frac{1}{{{\mathit{h}_{\rm{w}}}}}{\rm{ + }}\frac{{{\mathit{\delta }_{\rm{2}}}}}{{{\mathit{\lambda }_{\rm{2}}}}}{\rm{ + }}\frac{1}{{{\mathit{h}_{\rm{j}}}}}{\rm{.}} $ | (6) |
式中Kj为洁净换热管的传热系数，W/(m2·K).
| $ \mathit{\varepsilon }{\rm{ = }}\frac{{{\mathit{K}_{\rm{w}}}{\rm{ - }}{\mathit{K}_{\rm{f}}}}}{{{\mathit{K}_{\rm{f}}}}}{\rm{ \times 100\% }}{\rm{.}} $ | (7) |
式中：ε为传热系数提高百分比，%；Kw为结垢稳定后的传热系数，W/(m2·K).
| $ {\mathit{h}_{\rm{j}}}{\rm{ = }}\frac{{\mathit{\lambda }{\rm{\cdot}}\mathit{Nu}}}{\mathit{d}}{\rm{.}} $ | (8) |
式中：λ为换热管内污水导热系数，W/(m·K)；Nu为Nusselt数，根据前期研究采用下式计算:
| $ \mathit{Nu}{\rm{ = 0}}{\rm{.025}}\mathit{R}{\mathit{e}^{{\rm{3/4}}}}\mathit{P}{\mathit{r}^{{\rm{1/3}}}}{\rm{.}} $ | (9) |
式中：Pr为Prandtl数, Re为Reynolds数.
3 结果与分析 3.1 污垢增长特性实验研究本节实验主要通过式(1)~(3)的计算，分析在不同污水黏度下，污水流速对换热管内表面的结垢量、积垢速率、污垢厚度和结垢率等指标的影响.在不同污水黏度下，换热管内表面结垢量、积垢速率及污垢厚度随污水流速的变化如图 2、3所示.可以看出，换热管内表面结垢量、积垢速率及污垢厚度均随着污水流速的增大而逐渐降低，并呈减弱趋势；且在相同流速时，污水黏度越小则各指标相应减小，流速越小差别越大.在本实验条件下，最大结垢厚度达0.54 mm，结垢量106 g，积垢速率相应达到12.6 kg/(m2·h)；可看出污水黏度对换热管内表面结垢影响巨大.由式(1)可知，结垢率的变化正比于结垢量的变化.
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图 2 流速对结垢量和积垢速率的影响 Figure 2 Influence of velocity on amount of scaling or fouling rate |
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图 3 流速对污垢厚度和积垢速率的影响 Figure 3 Influence of flow velocity on fouling thickness or rate |
造成上述现象的原因是在不同流速下，污水对换热管内表面的切应力是不同的，污水流速的增加，后续增长的污垢薄膜变形、受力脱落，从而污垢剥蚀率增大，致使搅拌力及对管壁的摩擦冲击力相应加大，故积垢速率及结垢厚度均降低.而当污水黏度增大时，污垢成核速率增加，且管壁结垢的附着力增大，同时污水黏滞系数也增大，进而结垢情况愈发严重.
3.2 防除垢实验研究本节实验待结垢稳定后，对换热管内施加声空化作用，并选用式(4)计算的除垢率作为衡量声空化防除垢效果的指标.对比不同流速下，换热管内表面除垢率随声空化作用时间的变化，结果如图 4所示.可以看出，本实验条件下，在声空化作用时间一定时，污水流速越大，除垢率越大，当流速为1.29 m/s时，最大除垢率达85.7%，但除垢率并不是一直随流速的增大而增加.在流速不变的情况下，随声空化作用时间的增加，除垢率也逐渐增大，在50 min左右时趋于稳定，甚至存在下降趋势；当污水流速为0.65 m/s时，增加的生活用油量低于其他流速下的含油量，其污水黏度比其他流速时有所降低.而一般情况下，污水流速越大，除垢率越大.但由图 4可看出，当污水流速为0.65 m/s时，相应的除垢率明显高于流速为0.84和0.91 m/s时的除垢率.故污水流速对除垢率的影响，不能体现此时实验的规律变化，而体现规律变化的影响参数应为污水黏度，说明污水黏度对除垢率也有一定的影响.
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图 4 声空化作用时间对除垢率的影响 Figure 4 Influence of acoustic cavitation time on descaling rate |
造成上述现象的原因是声空化作用时产生空穴和气泡，使污水中的成垢物质破碎，降低其附着力并将已有垢层粉碎、破坏.一方面由于污水流速的增加，加大了污水对换热管内表面的冲击作用，有利于污垢的脱落.另一方面由多普勒效应可知，流速越大，相当于声速提高，则单位时间内传播距离增大，相应的单位体积内的能量减小，故污水流速超过一定值后，除垢效果反而下降.当污水黏度增加时，污水粘滞系数增大，含气量则减少，当施加声空化作用时，声空化效应就越难发生，同时声吸收能力也加强，进而影响其除垢效果.
3.3 强化换热实验研究本节实验选用传热系数及传热系数提高百分比作为衡量声空化强化换热效果的指标，可由式(5)~(7)计算得到，选取的相关实验参数如表 2所示.
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表 2 模型计算的实验参数 Table 2 Experimental parameters of model calculation |
当污水流速为1.29 m/s、污垢含水率为95%时，不同温度下，声空化作用后的传热系数及其提高百分比随作用时间的变化如5所示.可以看出，换热管的传热系数及其提高百分比均随声空化作用时间的增加而增大，直至50 min左右时趋于稳定，传热系数效率提高百分比最大达53.4%.污水温度20 ℃时的传热系数及其提高百分比均高于10 ℃时的数值，且在其他流速下，强化换热效果相类似.
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图 5 温度对强化传热效果的影响 Figure 5 Influence of temperature on heat transfer enhancement |
当污水流速为1.29 m/s时，不同污垢含水率下，传热系数及其提高百分比随声空化作用的变化如图 6、7所示.可以看出，随施加声空化作用时间的增加，传热系数有所增加，但增加幅度相差较大；污垢含水率越高，传热系数及其提高百分比增加幅度越大.造成上述现象的原因是随污垢含水率增加，污垢呈现软垢的特性，因软垢含大量厌氧微生物，长时间无营养后换热管壁的微生物逐渐死亡，该层微生物死亡后无挂壁能力，整层生物粘泥自然脱落，促进了声空化除垢效果.
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图 6 声空化作用时间对传热系数的影响 Figure 6 Influence of acoustic cavitation on heat transfer coefficient |
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图 7 声空化作用时间对传热系数提高百分比的影响 Figure 7 Influence of acoustic cavitation action time on increased percentage of heat transfer coefficient |
当污垢含水率为95%时，施加不同的声空化作用时间下，传热系数随污水流速的变化如图 8所示；传热系数提高百分比随污水流速的变化如图 9所示.由图 8可看出，施加声空化作用后，随污水流速的增大，换热管传热系数增大，当流速为1.29 m/s左右时，传热系数提高幅度减弱.
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图 8 流速对传热系数的影响 Figure 8 Influence of flow velocity on heat transfer coefficient |
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图 9 流速对传热系数提高百分比的影响 Figure 9 Influence of flow velocity on increased percentage of heat transfer coefficient |
由图 9可明显看出，曲线中有两个波峰出现，在次波峰附近，传热系数变化不大，而在主波峰附近，传热系数变化较大，尤其提高百分比相差较大；说明次波峰对应的污水流速受施加声空化作用影响微弱，主波峰对应的污水流速受施加声空化作用影响巨大.但由于声空化作用达到50 min左右时，传热系数提高幅度趋于稳定，故50和60 min的变化曲线相同.
造成上述现象的原因是污水流速较大时，声空化作用时产生的空穴和气泡剧烈运动，使污水中的成垢物质破碎，降低其附着力并将已有垢层粉碎、破坏，同时污水流动的湍流程度增大，致使搅拌力及对管壁的摩擦冲击力增强，导致污垢厚度变薄，热阻减小，传热系数增大.
4 结论1) 声空化污水换热器的污垢增长特性表现在不同污水流速下，换热管内表面结垢量、积垢速率及污垢厚度均随流速的增大而降低，并呈减弱趋势；在相同流速时，污水黏度越小则相应减小，且流速越小差别越大；最大结垢厚度0.54 mm，结垢量106 g，积垢速率12.6 kg/(m2·h).
2) 声空化污水换热器的防除垢规律表现在不同污水流速下对换热管内施加声空化，除垢率随流速的增大而增大，当流速为1.29 m/s时，最大除垢率达85.7%；而声空化作用时间一定时，除垢率并非一直增大；在流速一定时，除垢率也随声空化作用时间的增加而增大，但在50 min时趋于稳定，甚至下降.
3) 声空化污水换热器的强化换热效果表现在流速一定时，换热管的传热系数及其提高百分比均随声空化作用时间以及污垢含水率的增加而增大；传热系数提高百分比最大达53.4%，且污水温度20 ℃时的传热系数及其提高百分比均高于10 ℃时的数值.在含水率一定时，施加声空化作用后，换热管传热系数随污水流速的增大而增大，当流速为1.29 m/s左右时，传热系数提高幅度减弱.
4) 声空化所需的能耗相对于系统的能耗可以忽略不计.例如，本实验每组声空化作用时间t2最多为60 min，功率为500 W，则声空化所需的最大能耗为1 800 kJ，即耗电量为0.5 kW·h.系统每组至少运行96 h后才施加声空化，则实际每组每小时的耗电量为0.005 kW·h.而本实验系统的管道泵功率为1.5 kW，其每组每小时耗电量为1.5 kW·h.两者比较可知，声空化所需的能耗甚微.而且声空化污水换热器效率提高后其能耗是节省的，节省的能耗已远大于增加的声空化能耗.何况实际工程中上百千瓦热泵机组每小时的耗电量，故其经济效益显著.
故研究声空化污水换热器防除垢与强化换热的可行性和高效性，对于污水源热泵系统以及暖通空调领域具有重要的节能减排意义，为解决污水换热器结垢问题的研究和开发提供了方法和依据.
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