马广兴， 潘晨晓， 徐 健

（1.内蒙古工业大学 土木工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051； 2.内蒙古工业大学 土木工程学院 内蒙古自治区土木工程结构与力学重点试验室， 内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

中国建筑能耗研究报告显示，2017 年， 我国建筑能源消费量占全国能源消费总量的21.10%，其中， 北方城镇供暖能耗超过全国建筑能耗的35%[1]，[2]。 将热泵应用于建筑暖通空调是一种有效的节能方式[3]～[5]。城市污水是一种比较理想的低品位冷热源， 污水源热泵将排放的污水和城市能源有机结合起来，实现了“变废为宝”，对节能、环保和可持续发展具有重要意义。 但是， 污水的水质差，污物含量大且种类多，容易造成污水换热器表面污染并产生结垢， 从而导致污水换热器具有传热系数降低、 流动阻力增大和阻塞污水换热器等问题[6]。 因此，如何有效地防止污物阻塞和污染污水换热器以及管路是研究污水换热器的难点[7]，[8]。

我国学者已对污水换热器的换热性能和污垢生长特性进行了研究[9]，[10]，并得到了许多污水换热器除垢、抑垢方法。现有的除垢方法包括化学除垢法和物理除垢法[11]。其中，化学除垢法因其具有一定毒性、 污染环境和对管道有腐蚀性等缺点而没有被广泛使用； 物理除垢法主要有流态化除垢法[6]，[12]、内置弹簧插入物除垢法[13]和胶球在线清洗法[14]等，其中，流态化除垢法因其使用设备结构简单、除垢效果较好和清洗费用低而被广泛应用。

从污垢生长特性考察， 污垢生长过程包括诱导期、生长期和渐进期。 目前，未有文献记录在污垢生长不同时期对污水换热器进行除垢， 会对除垢效果产生什么样的影响。 为了进一步研究除垢效果，本文基于污垢的生长规律，在污垢生长的诱导期、 生长期和渐近期3 个阶段分别进行了在线除垢试验研究。 试验结果为污水换热器除垢效果的改善提供了依据和参考。

1 试验系统

1.1 试验系统

试验系统示意图如图1 所示。

图1 试验系统示意图Fig.1 The schematic diagram of the experiment system

在试验系统中， 污水换热器的试验管段为DN20 镀锌钢管，该管的长度为6 m，本试验对污水换热器外侧和非换热管道进行保温绝热， 污水换热器管内介质为污水， 污水换热器管外介质为清水。试验流体在恒温水浴中加热到设定温度后，经水泵加压送入污水换热器， 换热后返回恒温水浴。在试验系统中，沙粒经固液分离器在自身重力作用下，沉降到水平管道中，本试验通过减小与固液分离器相连接处水平管道管径的方法增大水流动压，在高流速水流作用下，使沙粒流化进入换热系统对污水换热器进行除垢。除垢结束后，沙粒和污水混合液经出水管进入固液分离器， 在固液分离器溢流口处安装孔径小于沙粒直径的滤网，将污水与沙粒分离。

1.2 试验方案

试验系统24 h 持续运行。 首先，对试验系统进行调节，以达到试验工况；然后，分别在污垢生长的诱导期（系统开始运行时）、生长期（污垢热阻值突然升高时） 和渐近期（污垢热阻值稳定时）3个阶段加入体积分数为3%、直径为2 mm 的沙粒进行除垢试验。

试验管段流体流速采用量筒和秒表进行测定，流体温度通过恒温水浴控制。 污水换热管进、出口处均设温度测点， 并采用Pt100 热电阻测量污水换热管和清水换热管进、出口处流体温度，由多通道温度热流测试仪对流体温度进行在线监测，温度采样时间间隔为10 min。本试验利用污垢热阻法计算出污水换热器的污垢热阻值， 将起始时的污垢热阻值作为起点， 从而绘制出污垢热阻值的变化曲线。

为了分析污水换热器管内污垢的主要成分，本试验在污水换热器管内污垢热阻值稳定后，对污垢进行取样， 并采用烘干灼烧失重、 能谱仪（EDS）及扫描电镜（SEM）对污垢进行试验和分析。

由于污水水质对污垢生长有影响， 为了保证实验水质的真实性和稳定性， 本试验将取水的时间间隔定为1 d。经检测，1 d 内实验用水中微生物数量只有微量减少， 可视为污水水质在1 d 内未发生变化。

2 监测方法

对污垢生长监测的方法分为热力学法和非热力学法。其中，热力学法包括污垢热阻法和温差监测法；非热力学法包括直接称重法、厚度测量法和压降测量法等[13]，[15]。 本试验采用污垢热阻法对污垢生长进行监测。

污垢热阻值Rf的计算式为

式中：Kf为污染状态下污水换热器总传热系数，W/（m2·K）；Kc为清洁状态下污水换热器总传热系数，W/（m2·K）。

污水换热器传热系数K 的计算式为

式中：Q 为单位时间内污水换热器的换热量，W；A为污水换热管总的换热面积，m2；Δtm为污水换热器冷热流体的对数平均温差，℃。

Δtm的计算式为

式中：Cp为清水的定压比热，kJ/（kg·K）；m 为清水的质量流量，kg/s。

将式（3），（4）代入式（2）得到K 的计算式为

3 试验测试

3.1 试验参数

微生物繁殖的最佳温度为30～40 ℃[16]， 本试验选取35 ℃作为试验温度。

由于试验管段管径、流量较小，不适宜采用超声波流量计进行测量，因此，本试验采用量筒和秒表测定流体流速。 经测定，流体流速为1.07 m/s，试验中保持流体流速不变。

试验污水采用某高校家属区内的生活污水，水质参数见表1。

表1 水质参数Table 1 The parameters of the water quality

3.2 试验结果与分析

3.2.1 污垢分析

通过烘干灼烧失重实验测得污垢的含水量和有机物含量分别为28.83%和62.74%， 含水量和有机物含量占污垢总重量的91.58%。 由此可知，污垢的主要成分为有机物。表2 为污垢元素含量。

表2 污垢元素含量Table 2 The element content of the fouling

图2 为污垢能谱图。

图2 污垢能谱图Fig.2 The energy spectrum of the fouling

由表2 和图2 可知，污垢中的元素主要为C，O 和N，此外，还有少量的Si，Al，Mg，Ca 和Fe 等。由此可知，污垢是由大量的有机物，以及少量的泥沙、腐蚀产物和水垢等无机物组成。

经扫描电镜扫描得到污垢微观形貌图见图3。

图3 经扫描电镜扫描得到的污垢微观形貌图Fig.3 The fouling's microscopic topography by scanning electron microscope

由图3 可知，污垢间存在较大的孔隙，污垢垢层比较疏松，导致污垢的含水量较高。

由上述可知，污垢的导热性较差，从而增大了污水换热器的导热热阻，降低了污水换热器的传热效率[16]。此外，污垢中存在的腐蚀产物会腐蚀污水换热器管道，从而减小污水换热器的使用寿命。因此，须要对污水换热器进行除垢，确保污水换热器能够长时间、高效地运行。

3.2.2 结垢工况试验分析

结垢工况下，污垢热阻值随时间的变化情况如图4 所示。

图4 结垢工况下，污垢热阻值随时间的变化情况Fig.4 The change of the fouling resistance with time in the fouling condition

由图4 可知， 该曲线为污水换热器污垢生长的1 个完整周期。 污水换热器管内污垢主要成分为含水量较高的有机物， 污垢垢层比较疏松。 初期，污垢刚与污水换热器管道表面接触时，污垢的附着力较小，在重力和流体的作用下，污垢很容易从污水换热器管道表面剥离并被流体带走， 污垢热阻值在0 附近波动， 该时段为污垢生长的诱导期，持续时间约为11 h；经过一定时间后，紧贴污水换热器管道处逐渐形成无机垢， 无机垢的形成令该管道变得粗糙， 从而使有机垢附着力逐渐增大，只有相当大的剪切力才可能将污垢剥离，污垢热阻值迅速增大，且波动幅度较大，此时进入污垢生长的生长期；随着污垢层不断增厚，当污垢间的附着力与污垢表面流体剪切力等大时， 污垢层将不再增厚， 在278 h 时， 污垢热阻值变化逐渐平稳，此时进入污垢生长的渐近期，污垢的沉积和剥离达到动态平衡，污垢热阻值在0.74×10-3（m2·K）/W 附近变化。

由图4 还可以看出，在结垢工况下，污垢热阻值在拟合曲线附近强烈波动， 这是因为污垢在沉积的同时，也不断地从换热器管壁脱落，其沉积和脱落主要表现在3 个方面。

①随着污水换热器持续运行， 污水换热器内流体的各项参数不断变化， 污垢中一部分微生物由于不适应污水换热器内环境的不断变化死亡脱落，使污垢垢层变薄，从而强化了换热；污垢中另一部分微生物，由于变化后的环境适宜其生存，从而促使这些微生物不断生长、繁殖，从而形成新的污垢，导致污垢热阻值逐渐增大。

②污水换热器内，污垢不断沉积，生物膜厚度不断增大，导致污水换热管管径变小，流体流速增大，从而增大了流体的剪切力。当流体的剪切力大于污垢附着力时，一些污垢被流体冲刷脱落，从而减小污垢热阻值； 而流体流速增大又为微生物的生长繁殖提供了氧气，且在污垢脱落的地方，污垢垢层变薄又使流体流速减小， 导致该处流体的剪切力小于污垢的附着力，促使新污垢附着，降低了换热效率。

③在污水换热器管道上的污垢层的附着是不均匀的，在容易附着的地方会大量堆积，使污垢深层的养分和氧气浓度降低， 从而导致污垢垢层开始脱落， 而污垢脱落的地方又为新污垢的生长提供了生存空间。

3.2.3 除垢工况试验分析

图5 为除垢工况下， 污垢热阻值随时间的变化情况。

图5 除垢工况下，污垢热阻值随时间的变化情况Fig.5 The change of the fouling resistance with time in the descaling condition

由图5（a）可知，在污垢生长的诱导期加入沙粒进行除垢后， 污垢热阻值在0 附近波动的时长约为28 h，比无沙粒时延长了17 h，且污垢生长速率较无沙粒时明显减缓。 在276 h 左右污垢生长进 入渐近期，污垢热阻渐近值为0.4×10-3（m2·K）/W，比无沙粒时降低了45.9%。

由图5（b）可知，加入沙粒前12 h 左右为污垢生长的诱导期。 之后污垢热阻值突然升高，此时，将沙粒加入污水换热器中，污垢热阻值明显减小，且持续一段时间后，污垢热阻值开始缓慢增长，在270 h 左右污垢热阻值趋于平缓，污垢热阻渐近值为0.42×10-3（m2·K）/W，比无沙粒时降低了43.2%。

结垢工况下， 将污垢热阻稳定后的阻值作为起点，由图5（c）可知，在污垢生长稳定后加入沙粒进行除垢时，沙粒的加入破坏了污垢垢层的稳定，污垢热阻值总体呈下降趋势，在288 h 左右污垢生长再次趋于稳定，污垢热阻渐近值在0.6×10-3（m2·K）/W 附近波动， 较无沙粒时降低了18.9%。

在除垢过程中，由于沙粒的加入，使污垢的附着面的面积增大， 一部分污垢附着在沙粒上被带走，从而减少了污水换热器管道上的污垢附着量。此外， 沙粒对污水换热器管道的碰撞和摩擦使污垢垢层产生裂纹和磨损，从而促使污垢脱落，并强化了换热。在污垢垢层脱落的地方，由于污水换热器管道管径增大，流体流速减小，使流体的剪切力减小，导致污垢在该区域再次附着。 由此可知，污垢在污水换热器管道上循环往复地生长、脱落，从而引起污垢热阻测试值在拟合值附近波动强烈，沙粒不仅可以除掉表层疏松柔软的污垢， 还可以清除部分紧贴污水换热器管壁较为坚硬的无机垢。因此，除垢工况下污垢热阻值小于结垢工况下污垢热阻值。

由图4，5 还可以看出： 除垢工况下试验管段的污垢热阻渐近值小于结垢工况， 起到了强化换热的作用； 在污垢生长的渐近期的除垢效率明显低于诱导期和生长期； 在污垢生长的诱导期和生长期除垢均可延缓形成污垢， 降低污垢的生长速率，且两者的生长周期和除垢效果相当，但是，在污垢生长的生长期除垢， 加入沙粒的时间相对较晚，除垢能耗低于诱导期。 因此，出于对能耗的考虑，无须在污水换热器运行开始时，就对污水换热器进行除垢，在污垢热阻值突然增大时，再加入沙粒进行除垢也能达到较好的除垢效果。

4 结论

①本文利用烘干灼烧失重法、 能谱分析法和微观结构分析法对污垢进行分析，分析结果表明，污水换热器内污垢的主要成分为含水量较高的有机物。

②在结垢工况下， 污水换热器的试验结果表明， 污垢生长的诱导期约为11 h，278 h 后污垢生长进入渐近期，污垢热阻渐近值为0.74×10-3（m2·K）/W。

③在除垢工况下， 污水换热器的试验结果表明：在污垢生长的诱导期进行除垢，276 h 左右，污水换热器内污垢生长进入渐近期， 污垢热阻渐近值为0.4×10-3（m2·K）/W， 比无沙粒时降低了45.9%； 在污垢生长的生长期进行除垢，270 h 左右，污水换热器内污垢生长进入渐近期，污垢热阻渐近值为0.42×10-3（m2·K）/W，比无沙粒时降低了43.2%；在污垢生长的渐近期除垢，288 h 左右，污垢生长再次趋于稳定，污垢热阻渐近值为0.6×10-3（m2·K）/W，比无沙粒时降低了18.9%。

④污垢生长的诱导期和生长期除垢均可降低污垢的生长速率且除垢效果较好， 在生长期进行除垢不仅可以有效抑制污垢生长， 还可以降低除垢能耗。