王勇，杨启容，吴荣华，陈霄

（青岛大学机电工程学院，山东 青岛 266071）

污水换热器流态化在线防、除垢实验

王勇，杨启容，吴荣华，陈霄

（青岛大学机电工程学院，山东 青岛 266071）

采用污水源热泵供暖空调是节能减排的有效途径，但换热器结垢问题尚未得到有效解决。本文将固液流态化除垢技术应用到污水源热泵换热器的防、除垢中，并设计了一套污水换热器流态化除垢系统。该系统以沙粒作为除垢颗粒，通过理论分析和实验验证相结合的方法，研究了固液流态化除垢的最佳流速、除垢能力、强化换热效果及减少磨损的最佳工作参数。实验结果表明；当换热管内污水流速达到0.87m/s时，直径2～3mm沙粒可流化，沙粒循环回收率达到 95%，实现了污水换热器在线清洗；沙粒对壁面的碰撞力可有效去除换热管壁的软垢及铁锈，除垢效果明显；该除垢系统持续运行24h后，污水换热器传热系数提高了25.6%；沙粒体积分数为4%，流速为扬动流速，是减少磨损和保证除垢效率的最佳工作参数。

污水；热泵；换热器；流态化；防垢

利用污水源热泵技术采暖空调具有重大节能环保效益，但换热器结垢问题尚未有效解决，如何防止污物对设备与管路的阻塞及污染是该项技术的难点[1-2]。污垢的存在不仅降低了热泵系统运行效率，而且造成设备投资和运行费用增加[3-4]。要实现污水侧取水换热过程冷热量的持续高效传递与转换，必须克服由污物引起的结垢问题。

目前污水换热器除垢方法主要以停机后的间歇清洗为主，存在高额的人力、物力投资或损伤换热设备等不足之处。而流态化在线除垢技术有防垢、除垢和强化换热多重功能，具有应用方便、无污染、投资小、可在线除垢的优势[5-7]，但在污水换热器除垢方面的应用较少，因此有必要对其进一步研究。本文以工业应用的污水换热器为除垢对象，通过理论分析和实验验证相结合的方法，探讨固液流态化除垢技术的最佳工作参数和除垢效果，实验结果表明流态化在线除垢技术可有效解决污水源热泵换热器结垢问题。该除垢技术简单可行，对环境无污染，在低温冷热源的利用中有广阔的应用前景。

1 污垢形成机理

污垢的形成是小尺寸污垢沉积和脱落两种作用相互平衡的结果，Kern等[8]提出的污垢形成模型见式（1）。

式中，Rf为净结垢速率；φd为污垢沉积速率；φr为污垢剥蚀速率。式（1）中污垢沉积速率φd主要由污垢的类型决定，不受人为控制，可变性较小；而污垢剥蚀速率φr主要由污垢附着力、污垢硬度及流体的剥削力决定，可以通过改变流体剥削力的方法来增大污垢剥蚀速率。而改变流体对污垢的剥削力需要增加流速或者改变流体物性，流速的增加务必会带来设备投资和运行费用的增加，况且即使增大流速，壁面仍附着一定厚度污垢。相比增大流速来除垢，流态化除垢技术优势明显，其在换热器中加入固体颗粒，处于流态化颗粒的频繁碰撞管壁，能净化管壁，去除积垢，并扰动管壁处的边界层，可以达到防、除垢强化传热的目的。

2 污水换热器流态化除垢理论分析

对污水换热器流态化除垢进行理论分析，以取材方便、经济实惠的2～3mm沙粒作为除垢颗粒，研究能使沙粒呈流态化循环流动的最小流速及沙粒对壁面除垢能力。

2.1 流态化除垢的最佳流速

流速是流态化除垢重要运行参数，流速较小容易导致颗粒淤积，不能达到循环除垢的效果，流速较大则会造成耗电、水泵投资等费用增加。使沙粒扬起混入水中，呈不着底运动的流速为扬动流速，而沙粒受自身重力影响会有沉降速度，球体颗粒在水中的沉降速度 u可用爱伦沉速公式计算，见式（2）[9]。

式中，u为球体颗粒沉速，cm/s；g为重力加速度，980cm/s2；a为常数，取10；γs为沙粒密度，2.65g/cm3；γ为水的密度，1.0g/cm3；d为沙粒粒径，cm；v为水的运动黏度系数，当 t=10℃时取0.0131cm2/s。

对于非球体沙粒，沙玉清[10]研究指出其沉降速度修正系数为K=0.75。将以上有关数据代入式（2），可得沙粒沉降速度u0，见式（3）。

沙玉清[10]研究扬动流速的实用简式为式（4）。

式中，us为扬动流速，m/s；R为水力半径，m；u0为沉降速度，m/s；将式（3）代入式（4）可得非球形沙粒的扬动流速为式（5）。

污水换热器管径为0.1m，满管流其水力半径R为 0.025m，沙粒平均直径为 0.002m，计算得能实现沙粒循环流动的扬动流速为us0=0.85m/s。

2.2 沙粒在水平管内分布

随着污水流速增大，管中沙粒会从静止状态转变为沙浪形跳动、滚动和不连续的间歇性跃动前进，流速越大，跃动距离也越大。当流速达到临界状态扬动流速时，沙粒被扬起混入水中，同污水一起流动[9]。文献[11-13]通过实验及数值模拟研究表明，沙粒在管内的分布受流速、沙粒体积分数影响较大。流速偏低时，靠中间管子的颗粒可实现颗粒的正常流化，而靠近管壁的由于流速低、阻力大，颗粒难以流化，加之受密度差影响，颗粒分布不均匀。表现为沿竖直径向方向呈梯度分布，管道底部浓度较高，顶部浓度较低。随着流速的增大，颗粒分布不匀度减小。另一方面，颗粒加入量越大，颗粒分布不均匀度逐渐减小。

3 流态化除垢实验

为验证流态化除垢技术的最佳流速及除垢能力，确定其在污水换热器除垢应用的可行性，设计搭建流态化除垢实验系统，进行污水换热器流态化防、除垢实验研究。以工业应用的污水源热泵系统为实验平台，该系统已运行一年未清洗，换热管内附有污垢。

3.1 除垢系统结构及工作原理

实验系统示意图如图1所示，实验所用污水换热器为畅通式污水换热器，换热面积75m2，换热管径0.1m，管长4m，四流道并联；沉沙器尺寸高度1.8m，容量1m3；为实现沙粒顺利循环，设置液体喷射器引射沉沙。工作原理为：开始除垢前，关闭阀门，沙粒从注沙口注入沉沙器。注沙完成后，开启污水泵，运行稳定后，开启阀门。沙粒与少量污水混合流体靠自身重力和喷射器的引射经污水进水管进入换热器，在换热器中除垢完毕后经污水出水管进入沉沙器，实现固液分离，沙粒落入喷射器继续除垢循环，而污水及除掉的污垢则穿过滤沙网从沉沙器上出口排出，如此反复，达到在线循环防垢、除垢的效果。当不需要除垢时，关闭阀门，系统运行段时间后，便可实现沙粒在沉沙器内的回收，而不影响热泵系统的正常运行。

3.2 结果与讨论

3.2.1 流态化除垢最佳流速

为研究流态化除垢最佳流速，通过多台污水泵并联和开关阀门控制流量的方法，测试不同流速下沙粒回收循环情况。实验结果如图2所示，图3及图4为不同流速下换热器内沙粒的沉积情况。从图2中可以看出，污水流速达到0.87m/s时，回收率达到95%，回收沙粒135kg（注沙140kg），其流速与理论计算的扬动流速0.85m/s几乎吻合，而继续增大流速沙粒回收率提高微小，这是由于连接管道和换热器的死角淤积了部分沙粒所致。图3、图4为污水流速分为0.45m/s和0.87m/s时相同地方换热管道沙粒淤积情况，图3中沙粒淤积严重，是由于流速达不到使沙粒与污水充分混合的扬动流速所致，而沙粒在流速0.87m/s时无沙粒淤积，可实现在线循环清洗。

图1 固液流态化除垢系统示意图

图2 污水流速与沙粒回收率关系

图3 换热管道沙粒淤积U=0.45m/s

图4 换热管道沙粒淤积U=0.87m/s

3.2.2 传热系数的变化

在流速为0.87m/s下，不同沙粒体积分数下换热器传热系数随操作时间的变化如图5所示。由图5可以看出，无沙粒工况下换热器的传热系数为915W/(m2·K)左右，而此换热器刚投入使用时传热系数为1200 W/(m2·K)，说明换热器结垢严重，是由于其运行一年未清洗所致。随着沙粒的加入传热系数明显增大，呈现出传热系数先增大后平缓的趋势，并且随着颗粒体积分数增大，除垢效率明显增强，运行17h后，传热系数趋于平缓，但传热系数并未达到换热器刚投入运行时的数值。打开换热器后发现，其壁面仍附着有少量铁锈及硬垢。但当加入沙粒体积分数占6%时，运行24h后，其传热系数提高了25.6%，已达到良好的强化换热效果。

图5 传热系数与操作时间的关系

3.2.3 流态化除垢的可行性

为进一步研究传热系数的提升与污垢的去除有关，对污水出水进行监测。图6、图7是在流速为0.87m/s时，加入沙粒之前与加入沙粒后从污水出水管随机抽取的污水样品，此污水源热泵冷热源为湖水。由图6可见，加沙粒前污水出水管水质颜色呈白色透明状，水质中有少量的污物，而图7中加入沙粒除垢后的水质颜色呈黑色浑浊状，且有大量的黑色絮状物及黑色团体，可以认为其为换热器管道所附着的软垢，除垢前后水质对比表明此流态化除垢系统具有良好的除垢效果。

实验中对除垢后的污水换热器拆卸后还发现，加入沙粒对换热管道壁面的作用巨大，如图8、图9所示。图8为沙粒对污水换热器导流腔壁面的冲击留下的凹痕，明显看出存在许多凹坑，为沙粒冲击所致，并且黄色斑点为被沙粒冲刷掉的锈斑，可见流态化沙粒的频繁碰撞足以导致污垢及锈斑破裂与脱落。对沉沙器内的沙粒取样分析，发现沙粒中掺杂着铁锈，如图9所示。虽然缺乏具体的参数证明沙粒对换热管的作用力大小，但如此明显的痕迹足以说明沙粒对壁面的作用力能够把污垢进行有效清除，所以说流态化除垢技术应用到污水换热器的清洗中是可行的。

图6 加沙粒前污水出水取样

图7 加沙粒后污水出水取样

图8 沙粒对壁面碰撞痕迹

图9 沙粒除掉的铁锈

3.3 优化设计

沙粒对换热管壁碰撞除垢的同时会造成管壁的磨损，为此需对流速和沙粒量进一步实验优化。毋庸置疑，流速越大，沙粒对壁面的磨损越严重，而流速过小则会导致沙粒淤积，因此，在保证沙粒能够循环流动除垢的前提下，磨损最小的流速应是扬动流速0.87m/s。不同沙粒体积分数对壁面的磨损程度实验结果如图10所示。

图10 沙粒体积分数对壁面磨损程度

由图10可以看出，沙粒对壁面磨损程度随沙粒体积分数的增加而增大，但由图5可知过小的沙粒体积分数会影响到除垢效率，综合考虑，可认为沙粒体积分数为 4%时，即可保证较高的除垢效率又可减小对壁面的磨损，为最佳沙粒量。

4 结 论

为有效解决污水换热器结垢问题，将流态化在线除垢技术引入到污水换热器的防除垢应用中，成功实现了污水换热器在线除垢，达到了良好除垢效果，得出如下结论。

（1）以工业应用的污水源热泵系统为实验平台，实验研究表明流态化除垢技术对污水换热器具有优良的在线防、除垢效果。本实验以取材方便，经济实惠的沙粒作为除垢颗粒，可有效去除换热管内的污垢及铁锈，同时沙粒的随机频繁碰撞可破坏边界层，强化传热。

（2）实验研究表明，将固液两相流流速提升到0.87m/s时，成功实现了95%的直径为2～3mm的沙粒在线循环清洗，与理论计算的0.85m/s扬动流速几乎吻合。少量沙粒聚集在管道和换热器死角，但不会出现沙粒在换热管内的淤积。随着沙粒体积分数的增大，其除垢效率越高，沙粒体积分数为6%时，运行24h后，传热系数提高了25.6%，管壁附着的难以清洗掉的部分硬垢及铁锈影响了传热系数的继续提升。

（3）污水换热器流态化除垢实验表明：处于流态化的沙粒对壁面作用力巨大，足以使部分铁锈因沙粒碰撞而脱落。对除垢前后污水出水取样进行对比发现，除垢后的污水样品中含有较多污垢，进一步验证了此除垢技术是行之有效的。

（4）为减少沙粒对管壁磨损，进行优化实验，结果表明，污水流速为扬动流速且沙粒体积分数为4%时，既可减小沙粒对壁面的磨损，又可保证高效除垢效率。

[1] 吴荣华，张承虎，孙德兴，等. 城市原生污水冷热源换热管软垢特性研究[J]. 流体机械，2006，34（1）：59-62.

[2] 张吉礼，马良栋. 污水源热泵空调系统污水侧取水，除污和换热技术研究进展[J]. 暖通空调，2009，39（7）：41-47.

[3] 赵文秀，姬长发，李丽霞. 污水源热泵的防除污技术分析[J]. 制冷与空调，2008，8（5）：17-20.

[4] 贾原媛，张文胜. 三相循环流化床内流化固体颗粒的防除垢机理[J]. 化学工程，2010 （1）：42-45.

[5] 贾丽云，李修伦，刘姝红，等. 液固循环流化床两相流动模型[J]. 化工学报，2000，51（4）：531-534..

[6] 张少峰，孙姣. 气液固循环流化床颗粒分布板实验研究[J]. 化学工程，2006，34（3）：20-23.

[7] 张恒. 水平管循环流化床换热器防，除垢的实验研究[D]. 天津：河北工业大学，2008.

[8] Kern D Q，Seaton R E. A theoretical analysis of thermal surface fouling[J]. British Chemical Engineering，1959，4（5）：258-262.

[9] 邓培德. 城市排水沟道中泥沙运动流速分析[J]. 给水排水，2000，26（6）：19-22.

[10] 沙玉清. 泥沙运动的基本规律[J]. 泥沙研究，1956，1（2）：1-55.

[11] 王继红，张腾飞，王树刚，等. 水平管道内固液两相流流动特性的 CFD 模拟[J]. 化工学报，2011，62（12）：3399-3404.

[12] 姜峰，王兵兵，齐国鹏，等. 汽-液-固多管循环流化床蒸发器中固体颗粒的分布[J]. 天津大学学报，2013，46（2）：133-137.

[13] 刘诚，沈永明，唐军. 水平方管内固液两相流运动特性数值模拟[J].水利学报，2007，38（7）：767-773.

An experimental study on on-line fouling fluidized-removing of sewage heat exchanger

WANG Yong，YANG Qirong，WU Ronghua，CHEN Xiao
（Institute of Mechanic and Electronic Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong，China）

Using sewage source heat pump to heat and ventilate for building is an effective way of energy saving and emission reduction. However，fouling of heat exchanger remains an urgent and unresolved issue. In order to solve this problem，the solid-liquid fouling fluidized-removing technology was applied for fouling prevention and removing of sewage heat exchanger. A set of fouling removing system using sand as fouling removing particles was established in this paper. Combined theory analysis with experimental validation，the optimal flow rate，the heat transfer enhancement effect，the optimal technological parameters of anti-attrition and the fouling removing ability of fouling fluidized-removing were discussed. The experimental results showed that the sand grains with the diameter of 2—3mm could be fluidized if the flow rate of the sewage reached 0.87m/s.The recycling efficiency of the sand grains was almost 95%. The on-line cleaning was realized. The fouling fluidized-removing technology could effectively remove soft dirt and rust of sewage heat exchanger. The heat transfer coefficient increased by 25.6% after the fouling removing system continued to run 24 hours. In order to induce attrition and assure the fouling removing efficiency，the optimum parameters were set as follow：Volume fraction of sand was 4% and the flow rate was stirring-up velocity.

sewage；heat pump；heat exchanger；fluidization；fouling prevention

TK 09

A

1000-6613（2015）12-4398-05

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.12.044

2015-06-15；修改稿日期：2015-08-06。

国家科技支撑计划（2014BAJ02B03）及山东省自然科学基金（ZR2015EM003）项目。

王勇（1990—），男，硕士研究生。联系人：杨启容，教授，硕士生导师。E-mail luyingyi125@163.com。