污垢对蒸发式冷凝器性能的影响

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1、污垢对蒸发式冷凝器性能的影响分析前言空调系统和工业生产过程产生的大量废热需要消除，寻找高效能的热交换器是当务之急。ASHRAE210/214标准指出：蒸发式冷凝器是一种效率最高的换热器。随着制冷空调行业的蓬勃发展，蒸发式冷凝器已经得到了广泛的应用。本文研究了污垢对蒸发式冷凝器换热性能的影响特性。首先，讨论蒸发式冷凝器的污垢问题，接着利用文献污垢数学模型分析实际的污垢特性，最后利用实验数据定量分析了污垢对设备换热效率的影响。1.蒸发式冷凝器的污垢问题极度腐蚀、结垢和生物污染都会降低设备的使用寿命。在较为恶劣的环境下，污垢大大降低了蒸发式冷凝器的换热效率。由于循环水极易

2、受到污染，美国学者Maclod-Smith早在2002年就提出，即使至今仍没有发生一例因蒸发式冷凝器而爆发大规模军团杆菌病，但是生产商和使用者还是应该特别注意循环水的品质。与冷却塔相比，蒸发式冷凝器需要处理的水量小得多，水处理过程看似简单，但是实际上由于水的快速循环导致设备极易结垢和加速水箱内刺激性气味的有机物增长，因此面临着更大的挑战，如果忽视这些，就会造成设备框架以及管束的快速腐蚀，需要高额的维修成本，甚至需要更换新设备。在某些情况下，换热管结垢层的厚度比较容易测得，这对于分析盘管的污垢特性有一定的指导意义。但是，这并不能够直观的分析出污垢对设备换热性能影响的量

3、化关系。一般而言，设备使用者比较关心三个问题：（1）腐蚀与结垢层厚度的关系；（2）结垢层厚度对设备排热量的影响；（3）污垢对设备换热性能的影响。美国学者Maclod-Smith在2008年研究了蒸发式冷凝器换热盘管上CaCO3结垢情况，如图1所示。他利用实际排热量与额定排热量的百分比表征结垢层厚度对设备换热性能的影响。从图中可以看出，垢层厚度δ为2.4mm时，蒸发式冷凝器的排热量降低了大约55%，而且随着垢层的增加，排热量还会继续降低。换热管水垢是影响设备换热效率和使用寿命的最主要因素之一，即使是换热管覆盖一薄层水垢都会大大降低设备换热性能，同时导致换热管腐蚀，缩短

4、设备使用寿命。因此，必须对喷淋水进行软化处理和确保盘管全部润湿。换热管表面水膜的覆盖率越大，垢越不容易。目前，洛阳隆华传热节能的蒸发式冷凝器的喷嘴使用一种新型的吊篮式喷嘴，其特点是：喷淋均匀，不易堵塞，确保盘管能形成均匀、完整的水膜。蒸发式冷凝器运行中，都是在综合考虑循环水的质量和设备材质的基础上，采用对结垢和腐蚀具有抑制作用的化学药物进行水处理，但是，一般不推荐使用酸性物质来抑制结垢，因为会影响设备的使用寿命。图1CaCO3垢层厚度对设备排热量的影响2.污垢特性模型美国学者Khan和Zubair依据运行过程中设备重量的增加，于2009年提出了冷却塔结垢时的性能系数

5、的数学关系式；美国学者Bilal和Syedm鉴于冷却塔与蒸发式冷凝器类似的特性，利用相似原理，于2011年推出蒸发式冷凝器污垢条件下的换热性能模型（如公式1所示），表征污垢性能系数与结垢层厚度的关系。（1）式中：Qcl-无垢条件下设备的排热量；Qfl-运行过程中，设备实际排热量；C1,C2-表征蒸发式冷凝器污垢特性的常数；C1-当污垢层厚度达到最大值δcr，的增量；可按公式2取值：（2）C2-当降低到临界值ηcr的63.2%，的值；（1）式的线性表述为：（3）2012年，美国学者Macleod-Smith利用实验数据进行回归分析，确定n=0.76时，拟合系数达到0.

6、999。图2是Macleod-Smith利用实验数据和污垢模型（方程（1））计算数据所做出的性能系数与垢层厚度的函数曲线图。从图2可以看出，=2.4mm时，。因此，利用方程（2）得出：C1=0.732，将C1，代入（3）式，可得：C2=0.6图2模型数据与实验数据的对比分析另外，图2的实验数据和模型数据的两条曲线几乎重合，证明利用污垢特性模型分析蒸发式冷凝器换热性能是可靠的。1.蒸发式冷凝器热传质数学模型利用蒸发式冷凝器控制体积的微观模型，其中所做的一切假设和所应用的公式都是建立在理想模型的基础上，并且必须考虑水的蒸发影响。1.1质量守恒对于蒸发式冷凝器，A为换热管

7、的外表面积；ma为空气的质量流量，mw循环水的质量流量；W为湿空气的相对湿度；则水质量守恒可表示为：（4）简化为：（5）对于蒸发的循环水的质量，需要考虑蒸发式换热器的质量传递效率hD。水膜温度下的饱和空气的相对湿度记作Ws，int，则：（6）简化后，可以写做（7）1.1能量守恒蒸发式冷凝器中水膜—空气的热湿交换面上，持续发生着热质交换。空气焓值记作h，空气的对流传热系数记作hc，水膜温度为Tint，空气干球温度为Tdb，水膜温度下的饱和水蒸气和饱和液态水的比焓分别记作hg，int和hf，int，其过程可表述为：（8）简化后写作：（9）工艺流体的质量流量和焓记作m