（土木工程专业论文）冷水机组冷凝器污垢热阻在线检测方法研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 口t o 6 1 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：堇墨! 墼 导师签名：期：坦：兰! 坚 摘要 i 摘要 中央空调系统占建筑总能耗的比例约为5 0 ，而冷水机组又占常规空调能耗 的5 3 左右。冷水机组随着运行时间的延长，由于污垢的存在，换热器的传热性 能显著变坏。目前，减少冷水机组污垢在节能方面的意义似乎没有引起足够的重 视。因此，减缓和阻止冷水机组污垢的形成是节能工作的重要组成部分，开发实 时、在线、使用方便的冷水机组污垢现场检测技术和方法具有十分重要的现实意 义。 本文从基本传热学原理出发，建立了一种适用于冷水机组的污垢热阻在线监 测模型。测出冷却水的流量，冷却水的进、出口温度和冷凝器的冷凝温度，便可 以计算出冷凝器内两测试状态下的单位面积污垢热阻变化值。 对冷凝器结垢后的总传热系数及其组成部分进行了分析，确定了其五个分量 的数量级。通过研究对流换热系数与冷却水流量的关系得到对流换热系数变化率 随流量百分比变化曲线。通过研究冷凝换热系数与热流密度的关系得到对流换热 系数随负荷率变化曲线。结合两条曲线的变化特点和冷水机组的安全运行，提出 了在线检测模型应用于现场的前提条件。 根据在线检测模型确定了现场测试方案，利用力控监控组态软件建立了现场 监控和分析系统，实现了直观反映冷却水和冷冻水进出口温度变化情况、冷却水 和冷冻水流量变化情况；在测试期间，机组运行工况稳定、可靠：数据的二次计 算、记录和自动分析，能直接反映污垢热阻值。 对于分量不确定度的评定方法，本文根据测试的特点选择了不确定度的b 类评定。对于不确定度的合成，利用对一次冷水机组清洗前后两次测试，按照公 式计算得到各测试量的灵敏系数和总体不确定度，该值在允许范围之内。同时， 按照分量不确定度的推算方法，确定了各分量的允许不确定度。由此可知，在所 选仪器条件下，测得的污垢热阻是可靠的。 最后，通过对运用胶球清洗系统的冷水机组冷凝器进行测试，验证模型的正 确性和清洗效果。测试发现，清洗前后污垢热阻值降低了3 5 6 x1 0 4 。此次测试 的不确定度为4 8 0 ，满足现场测试不确定度的要求。 关键词：冷凝器污垢热阻在线检测不确定度 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fc e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mt a k e sa c c o u n t s5 0 o ft h eb u i l d i n g st o t a le n e r g yc o n s u m p t i o n o nt h eo t h e rs i d e ，t h ee n e r g yc o n s u m e db y c h i l l e ri sa b o u t5 3 o ft h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m b e c a u s et h ee x i s t e n c eo f f o u l i n g ，t h eh e a te x c h a n g e ri n s i d et h ec h i l l e rp e r f o r m sp o o r l ya st h et i m ep a s sb y t h e r e b y , h o wt or e d u c ea n dp r e v e n tt h ef o u l i n go fc h i l l e ri sa l s oa ni n e v i t a b l ep a r to f e n e r g ys a v i n gw o r k s d e v e l o p i n gar e a lt i m e ，o n l i n ea n dc o n v e n i e n tm e t h o do f t e s t i n gf o u l i n gr e s i s t a n c eh a sav i d ea p p l y i n gf i e l d i nt h i sa r t i c l e ，t h et e s t i n gm o d e lo ff o u l i n gr e s i s t a n c ei nc o n d e n s e ro fc h i l l e ri s b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fh e a tt r a n s f e r d e d u c i n gf r o mt h et e s t i n gm o d e l ，t h ef l o w o fc o o l i n gw a t e r , t h e o u t p u t a n d i n p u tt e m p e r a t u r e o fc o o l i n gw a t e r , t h e c o n d e n s a t i o n a lt e m p e r a t u r ea r et h ef o u rt e s t i n gp a r a m e t e r so fc o m p u t i n gt h ef o u l i n g r e s i s t a n c e a f t e r a n a l y z i n g t o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n di t s c o m p o n e n t s i n c o n t a m i n a t e dc o n d e n s e r , t h e i rf i v ep a r t s m a g n i t u d e sa r ei d e n t i f i e d t h e nt h er e l a t i o n b e t w e e nt h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n df l o wr a t eo fc o o l i n gw a t e ri s s t u d i e dt od r a wt h ec u r v eo ft h o s et w op a r a m e t e r s t h er e l a t i o no fc o n d e n s a t i o n a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dh e a tt r a n s f e rr a t ei sa l s of i g u r e db yt h ec u r v eo ft h ec o e f f i c i e n t a n dl o a dc h a n g er a t e c o m b i n e dt h ec h a r a c t e r so ft h a tt w oc u r v e sa n ds a f er u n n i n g d e m a n do fc h i l l e r , t w op r e c o n d i t i o n so fa p p l y i n gt h i st e s t i n gm o d e lt of i e l d w o r ka r e b r o u g h tu p at e s t i n gp r o j e c ti sb u i l ta c c o r d i n gt ot h eo n l i n et e s t i n gm o d e l d i f f e r e n t i n s t r u m e n t sa r ec h o s e nf o re a c hp a r a m e t e r t h ef o r c ec o n t r o ls o f t w a r ei su s e dt os e t u pt h es p o tm o n i t o r i n ga n da n a l y t i c a ls y s t e m t h es y s t e mc a nd i r e c t l y s h o wt h e s i t u a t i o no fo u t p u tt e m p e r a t u r ea n di n p u tt e m p e r a t u r e ，t h ef l o wo fc o o l i n gw a t e ra n d c h i l l e dw a t e r t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mg u a r a n t e e st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e c h i l l e rd u r i n gt h et e s t i n gp e r i o d m e m o r i z i n g ，s e c o n dc o m p u t a t i o na n da u t oa n a l y z i n g o ft h ec o l l e c t i n gd a t ad e d u c e st h ef o u l i n gr e s i s t a n c ei n t h ee n d 北京工业大学工学石贝士学位论文 1 1 1 ebt y p eu n c e r t a i n t ya s s e s s m e n tm e t h o di sc h o s e nt oi d e n t i f yt h a tv a l u eo f e a c hc o m p o n e n t su n c e r t a i n t y n ec o m b i n a t i o no fu n c e r t a i n t yi sc a r r i e dt h o u g h to n t h et e s t i n gd a t ao fac h i l l e rb e f o r ea n da f t e rc l e a n i n g 1 1 1 a tv a l u ei sf o u n dt ob ew i t h i n t h ea l l o w e ds c o p ea f t e rt h es e n s i t i v i t yr a t i o sw e r ec a l c u l a t e db yt h o s ee q u a t i o n s t h e p e r m i s s i o no fe a c hp a r a m e t e r su n c e r t a i n t yi sa l s og a i n e dt h r o u g ht h ee q u a t i o n 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tt h ev a l u eo ff o u l i n gr e s i s t a n c ei sr e l i a b l eu n d e rt h ec o n d i t i o no f s e l e c t i v ei n s t r u m e n t s u l t i m a t e l y , a n o t h e rc h i l l e rt e s ta d o p t i n gt h es p o n g eb a l lc l e a n i n gs y s t e mi s d e v e l o p e dt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h em e n t i o n e dt e s t i n gm o d e la n di t sc l e a n i n g e f f e c t i tt u r n so u tt h a tt h ef o u l i n gr e s i s t a n c ew o u l dr e d u c e3 5 6x1 0 4 姗a n dt h e t o t a lu n c e r t a i n t yo fi s4 8 t h e s er e s u l t sm e e tt h ed e m a n do fs p o tt e s t i n g k e y w o r d s ：c o n d e n s e r , f o u l i n gr e s i s t a n c e ，o n l i n em o n i t o r i n g ，u n c e r t a i n t y i v 目录 目录 摘要i j 5 l s t l 蝴i i i 目录v 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 冷水机组冷凝器中的污垢1 1 2 1 污垢的类型1 1 2 2 污垢的产生及危害3 1 2 3 研究意义6 1 3 污垢在线检测技术研究现状7 1 3 1 污垢在线检测原理研究发展及现状7 1 3 2 污垢在线检测设备的现状9 1 4 本文的研究内容1 1 第2 章污垢热阻在线检测模型的建立1 3 2 1 在线检测模型1 3 2 2 在线检测模型特点分析1 5 2 2 1 模型的特点1 5 2 2 2 模型工况分析1 5 2 3 在线检测工况确定1 7 2 4 冷水机组负荷率的影响1 8 2 5 本章小结2 0 第3 章污垢热阻在线检测装置系统2 3 3 1 污垢热阻现场测试方案2 3 3 1 1 测试参数2 3 3 1 2 测试仪器2 3 3 2 数据分析系统2 8 3 2 1 系统功能2 8 3 2 2 系统组成2 9 3 3 本章小结3 1 第4 章测试结果不确定度分析3 3 4 1 分量不确定度的评定方法选择3 3 4 2 测量仪器的标准不确定度3 4 4 3 不确定度的合成3 5 4 4 不确定度的合成实验3 6 4 4 本章小结3 8 v 北京工业大学工学硕士学位论文 第5 章在线检测系统在冷凝器清洗效果中的应用3 9 5 1 常用冷凝器清洗方法3 9 5 2 胶球在线清洗方法4 1 5 3 胶球在线清洗测试4 4 5 3 1 测试现场介绍4 4 5 3 2 测试结果4 7 5 4 本章小结5 1 结论5 3 参考文献5 5 攻读学位期间发表的学术论文5 9 致谢6 1 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 中央空调系统是由对生活环境中的空气进行调节的所有设备所组成的系统。 该系统创造并保持满足人们需求的特定的空气环境，即对一个内部受控的空气环 境的温度、湿度、空气的流动速度及清洁度进行人工调节，以满足人体舒适或工 艺性生产过程。随着生活水平的日益提高，人们越来越追求生活环境的舒适度， 中央空调系统成为人们生活中不可缺少的组成部分。 近年来，建筑节能已成为国家关注的热点问题，特别是建筑中的空调系统节 能又成为建筑节能领域中的一个重点。我国建筑能耗约占全国总能耗的3 5 ，而 采暖空调能耗又约占建筑能耗的5 0 左右。加大空调系统节能力度对节约能源 有着重要的理论和实际意义。在空调系统工程中，冷水机组的能耗所占比例又最 大，据统计，在常规空调机房的能耗中，冷水机组约占5 3 左右。随着建筑物中 越来越多地设置集中式空调系统，占有高能耗比例的冷水机组节能就更加受到人 们的关注。这不仅由于它高额的初投资、昂贵的运行费，还由于它直接或间接地 排放温室气体和对臭氧层等的环境影响。因此，对空调制冷系统的节能潜力进行 分析，提高冷水机组的能源利用效率，是众多专业工作者在系统设计和运行过程 中必须考虑的问题。近年来，空调行业在实施节能控制技术和挖掘节能潜力等方 面出现了许多新的技术措施。但是，减少水污垢在节能方面的意义似乎没有引起 足够的重视。由于污垢的存在，换热器的传热性能显著变坏。因此，减缓和阻止 水污垢的形成是节能工作的重要组成部分之一。 1 2 冷水机组冷凝器中的污垢 1 2 - 1 污垢的类型 污垢是指物体受到外界物理、化学或生物作用、在表面上形成的污染层或覆 盖层【l 】。换热器中的污垢特指在与不洁净流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来 的一层固态物质【2 】。通常是我们所说的污垢，主要以混合物的形态存在。实践发 现污垢主要存在于温差较大的换热器中，以及高温侧的管壁上。 在空调水系统中，据调查统计污垢主要存在于蒸发器和冷凝器之中，尤其以 冷却水系统的冷凝器为严重。按照美国a s t m 采样分析，冷却水系统中的沉积 物( d e p o s i t ) 可分为三大类：1 、水垢( s c a l e ) 例如碳酸钙垢；2 、淤泥( s u l l a g e ) ：3 、 腐蚀产物( c o r r o s i o np r o d u c t s ) 例如铁锈；4 、微生物污垢( b i o l o g i c a ld e p o s i t s ) 例如 北京工业大学工学硕士学位论文 微生物粘泥。水垢又称硬垢和无机垢，是由于水中难溶的无机矿物盐过饱和形成 的。后二种沉积物相对于水垢而言比较疏松，故称为软垢。硬垢、软垢以及金属 表面的各种钝化膜是循环冷却水污垢热阻的主要组成部分【3 7 。 1 、水垢 冷却水中溶有一定数量的钙镁盐类，如碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、 硅酸盐、磷酸盐等。这些盐类在受热过程中发生物理和化学变化而形成水垢。如 碳酸氢钙在水温升高过程中会分解生成难溶的碳酸钙；碳酸氢镁也会分解生成在 水中不稳定的碳酸镁，会转化成溶解度更小的氢氧化镁而沉淀。周本省教授【4 】 通过分析水质得出结论：作为循环冷却水系统补充水中，c a 2 + ，m 9 2 + , h c 0 3 的浓 度为l - - 9 9 m g l ，比其他离子浓度多一个数量级甚至更多，且h c 0 3 高温下很容 易分解，析出的c a c 0 3 ，m g c 0 3 常温下属于微溶性盐，它们的溶解度随冷凝器 水侧温度的升高而降低，很容易达到饱和状态，沉淀在换热器表面上。而c a c 0 3 的溶解积为4 8 1 0 母( 2 5 c ) ，m g c 0 3 的溶解积为1 x 1 0 。5 ( 2 5 。c ) 【8 1 。因此循环 冷却水中水垢的主要成分是c a c 0 3 。这些水垢结构致密坚硬，也称为硬垢。而冷 却水的运行温度也是水中钙、镁的碳酸氢盐分解成碳酸钙和碳酸镁沉淀的良好条 件，碳酸钙、碳酸镁的沉淀会形成管壁处的硬垢。 2 、淤泥 地表水( 城市污水、江河湖水、海水等) 作为冷却水水源具有重要的节能。 环保及经济价值【9 】。这些水源的含沙量较自来水高，且冷却水系统中的过滤器无 法完全阻隔细小泥沙进入系统中。随着系统使用时间的延长，系统中累积的泥沙 也越来越多。 3 、腐蚀产物 钢铁受周围介质氧化腐蚀，在表面上生成+ 2 或+ 3 价铁的氧化物或氢氧化物。 中央空调循环冷却水一般呈中性或偏碱性，此时钢铁的腐蚀产物比较疏松，对金 属的基本的保护性差，基体金属可以进一步反应发生腐蚀。因此，钢铁表面在冷 却水中最易形成铁锈。加上由于污泥积聚，污泥覆盖下的金属表面是贫氧区，氧 浓度电池作用也易使金属遭受局部腐蚀【l o 】。 此外，由于微生物繁殖产生了特殊的腐蚀环境，使腐蚀加剧。例如，冷却水 系统中沉积的淤泥含有硫酸盐还原菌，这是一种腐蚀性很强的细菌，能把硫酸盐 还原成硫化物。 4 、微生物污垢 中央空调循环冷却水中常见的有害微生物主要有藻类、细菌和真菌，它们的 生成主要是由于循环水的温度( 2 5 - 4 0 c ) 和p h ( 6 5 8 5 ) 值恰好适合微生物的 生长。而且循环水中有它们生长所需的营养源，如有机物、碳酸盐、硝酸盐、铁 等，再加上冷却塔、接水池常年露置室外，阳光充足，给微生物的生长提供了良 第1 章 绪论 曼量曼曼寰l i iil, mi i i 曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼置量量 好的条件。许多细菌都具有粘性细胞壁和形成菌团的能力，能将悬浮水中的无机 物、腐蚀产物、灰沙淤泥等粘结在一起，形成粘泥沉淀物，附着在管壁、塔壁上， 且越积越厚【1 l 】。 表i - i 冷却水系统中常见的藻类、细菌和真菌及其危害【1 2 1 t a b l e1 1c o m m o na l g a , b a c t e r i aa n de p i p h y t ei nc o o l i n gw a t e rs y s t e ma n dt h e r eh a r m 1 1 2 1 类型 生长条件 举例或特性 危害 温度 p h 好氧性荚气杆菌属、黄杆菌属、 2 0 4 04 0 8 o 形成严重的细菌粘泥 膜细菌 普通变形杆菌等 细好氧硫细 菌菌 嗜硫氧化杆菌2 0 4 00 6 , - - 6 0 氧化硫化物或硫为硫酸 铁锈菌属、在细菌的外膜沉淀氢氧化铁形成 铁细菌 2 0 4 07 4 , - 9 5 纤毛铁细菌属 大量的粘泥沉积物 真丝状型黑、黄、黄褐等色 0 3 82 o 8 0 产生细菌状粘泥 菌酵母型革质或橡胶状o 3 82 0 8 o 产生细菌状粘泥 丝藻、木棉、常年在冷却塔内蔓延滋生或附着 绿藻- 3 0 3 55 5 8 9 绿球藻等在壁上，或悬浮在水中 藻 在冷却塔壁上形成厚覆盖物由于 蓝藻微鞘藻、微囊藻 3 2 4 06 0 - 8 9 细胞中产生恶臭的油类和环醇 类 类，死亡后释放出而使水恶臭 尖针杆藻、 硅藻1 8 3 65 5 8 9形成水花 细长菱形藻 循环冷却水系统中结垢、腐蚀和微生物繁殖是相互关联的，污垢和微生物粘 泥可以引起垢下腐蚀，而腐蚀产物又形成污垢。 1 2 - 2 污垢的产生及危害 冷凝器是制冷系统中必不可少的换热设备，也是空调制冷系统中最易于结垢 的地方。它的任务是将压缩机排除的高温高压气态制冷剂予以冷却使之液化，即 过热制冷剂蒸汽流经冷凝器的放热面，将其热量传递给周围介质一水与空气等， 而制冷剂被冷却为饱和气体，并进一步被冷却为高压液体，以便制冷剂在系统中 循环使用。壳管式换热器在我国冷水机组冷凝器中应用最为广泛，一般壳管式冷 凝器的外壳是由钢板卷焊成的圆筒，圆筒左右两端各焊一块管板，板间焊接或胀 北京工业大学工学硕士学位论文 接有许多根小e l 径的无缝钢管。高温高压的气态制冷剂由上部进入管束外部空间， 冷凝后的液体由下部排出。冷却水通入换热管内部空间，吸热后输送到冷却塔进 行换热【1 3 1 。卧式壳管式水冷式冷凝器结构参见图1 1 所示。 第1 章绪论 在空调制冷系统运行中，由于水系统品质的变化，冷凝器将产生不同类型、 不同程度的污垢问题，结垢后冷凝器的状况参见图1 2 。污垢的来源主要有4 个 方面：( 1 ) 补充水中的泥沙、微生物、悬浮物、微溶或难溶盐类；( 2 ) 空气的灰 尘、微生物；( 3 ) 水处理药剂造成的污垢，如磷酸钙垢、锌垢；( 4 ) 系统的腐蚀 产物【1 4 1 卯。 污垢是热的不良导体，其导热系数一般只有碳钢的十分之一，与铜等热的良 导体相比差别更大。污垢对冷凝器的影响主要是从传热系数下降、实际换热面积 的减少、冷凝器和蒸发器出口温度的改变，以及压缩机耗功增加和制冷效果降低 方面来评估【1 睨1 1 。 由于污垢沉积，造成冷凝器的热阻增加，总传热系数k 下降( 通过实际测 量发现，结垢后换热器的总传热系数大约衰减5 0 ) ，因此必须增加换热 面积。在设计计算时，由于污垢的存在会使计算换热面积增加1 倍，因此 污垢热阻对换热器换热面积的影响是很大的。此时机组要在额定工况下产 生额定的冷量必然增加耗电量； 由于污垢对管道的堵塞( 主要是过滤器处) ，造成管道过水面积减少，以 致增加水阻力，减少了水的流量。同时污垢使换热管侧表面粗糙度增加、 内径减小，从而导致流体压力降增加。这必然会对机组造成运行性能恶化， 制冷量下降； 因为冷却塔方面的原因，使得冷却水的进口温度升高，并且由于污垢使管 道堵塞，造成冷却水量减少，进而导致冷凝压力的升高，冷却水出口温度 过高，不仅会引起压缩机功率的增大，而且会降低制冷机组的制冷量。 由此可见，污垢对冷水机组及冷凝器的工作性能影响很大，抑制和消除污垢 热阻对于冷水机组的节能以及正常运行有着重要的作用。表1 1 为垢类对水系统 设备的影响，可知随着垢层厚度的增加，系统性能的各个参数都大大地降低。从 表1 2 不同厚度的污垢对冷凝器换热效率的影响看来，水垢对制冷机组换热量的 影响也不能忽视，尤其是对溴化锂吸收式冷水机组1 2 2 2 3 】。 表1 1 水垢、污垢对冷源设备的影响 t a b l e l - lt h ei m p a c to i le q u i p m e n t si nc o o l i n gs o u r c eb yf o u l i n g 污垢厚度( 衄) o0 1 00 1 50 2 00 2 50 3 0 冷凝器压力( m p a )1 9 01 9 52 0 22 1 12 2 02 3 1 压缩机马达电流( 增加比例) o371 22 13 0 室温由3 2 2 5 ( m i n )1 51 61 71 92 3 2 8 用电量增加比例( ) 1 0 01 1 01 2 11 4 21 8 52 4 3 北京工业大学工学硕士学位论文 表1 2 不同厚度的污垢对冷凝器换热效率的影响 t a b l e l - 2t h ei m p a c to nt h ee f f i c i e n c yo f h e a te x c h a n g e ri nc h i l l e rb yd i f f e r e n tf o u l i n gt h i c k n e s s 换热器溴化锂冷水机组 污垢污垢 换热量 传热系换热量增减压缩式冷水机组 厚度 热阻增减 数 ( ) ( n u n( m 2 情况 ( w 冷却冷冻冷却冷冻 ) k w ) ( ) 总和总和 m 2 k ) 水侧水侧水侧水侧 0o3 8 8 01 2 91 0 81 0 611 41 0 2 91 0 4 71 0 7 6 0 0 7 50 o o 0 0 4 33 3 2 6 11 4 1 0 4 1 0 3 1 0 71 0 1 41 0 2 2 1 0 3 6 0 1 50 0 0 0 0 8 62 9 1 51 0 0l o o1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 0 3 00 0 0 0 1 7 22 3 3 l8 09 2 9 4 5 8 6 59 89 6 89 4 8 0 4 50 0 0 0 2 5 81 9 4 26 6 68 6 59 07 6 59 6 79 4 69 1 3 0 6 00 0 0 0 3 4 41 6 6 45 7 18 1 58 6 56 89 5 79 3 18 8 8 1 2 3 研究意义 换热设备因污垢造成的经济损失通常大致由超余设计等导致的投资增加、能 量消耗和能量损失加大、设备维护清洗费用增加和停车清洗造成的生产损失四方 面组成。污垢所造成的损失，目前还难以准确计算。据相关文献统计，我国2 0 0 6 年污垢损失已超过5 0 0 亿人民币，其中水垢引起的全国水冷器运行水费损失达每 年达到1 9 3 8 亿元【2 4 1 。其中，水冷式冷凝器约占2 3 。按此估计的水冷器设备费 用每年在1 5 亿元以上，另外水垢造成的设备费用损失估计高达每年6 亿元左右。 为了消除上述不利影响，除采取一系列的防垢、抑垢措施外，还必须除垢， 而要合理高效地防垢、抑垢和除垢，首先必须准确实现冷凝器污垢程度的在线测 量。污垢的形成是一个极其复杂的物理、化学过程，使得换热器的污垢特性受多 种参数影响，如换热面的几何特性、温度、流体速度和流体特性等等，而且实际 运行过程中，这些参数还要随时间、地点和运行条件而变化。这使得对污垢的理 论分析和预测十分困难，污垢的研究至今尚属于一种以实验研究为主的应用科学。 因而实验研究手段和监测技术，对于换热器污垢特性的了解和掌握显得格外重要。 实际工程中的在线检测技术，直接和冷水机组的运行状况相联系，是获取可 靠污垢数据和实施改造清洗的必要前提，同时也可为揭示污垢形成的机制、寻求 有效防垢、抑垢和除垢手段提供科学依据和评价方法。为空调系统保持经济、高 效状态下运行提供必要的检测方法和定量化评价结果。因此，该课题不仅在理论 上具有重要的意义，而且在实践中具有非常高的工程应用价值。 第l 章绪论 1 3 污垢在线检测技术研究现状 1 3 1 污垢在线检测原理研究发展及现状 污垢产生的影响如此巨大，给科研和生产过程带来不可估量的损失。国内外 众多研究人员为消除污垢带来的问题付出了巨大的精力和物力。他们积累了许多 关于污垢的资料和实验数据，研发强化冷凝器性能和防垢、除垢的技术。但由于 污垢的形成是一个极其复杂的物理、化学过程，受到换热面的几何特性、冷却水 温度、冷却水流速和冷却水特性等参数的影响，而且这些参数在实际运行过程中 还要随时间、地点和运行条件而变化。在线检测技术因直接和换热设备的运行状 况相联系，对于污垢的理论分析和预测来说是一种极其有效的研究手段，可以为 揭示污垢形成的机理、合理指导冷凝器的设计、寻求有效防垢、抑垢和除垢手段 提供科学依据。 冷凝器污垢在线检测原理主要有以下三种： 1 温差法 温差法是常用的一种污垢程度表示方法，它是通过冷凝器中制冷剂和冷却水 进出口温度差的变化来反映污垢沉积量的变化。这种方法要求制冷剂的温度均匀 不变，冷却水流速和入口速度恒定，则冷却水温升的变化就反映了污垢的沉积状 况。 温差法比较直观，可以连续地观察其变化而累计数据，但也具有可信度差的 特点。因为温差除了主要取决于换热面的污垢程度外，还和热流密度、冷却水量、 冷却水入口温度、冷凝器密封状态等因素有关。如不校正，该计算的结果只能作 为描述换热面污垢积聚的参考值 2 5 - 2 6 1 。 2 传热系数法 冷凝器中的传热过程包括：制冷剂的冷凝放热、通过金属壁、垢层的导热过 程以及冷却水的吸热过程。由传热系数法测量污垢热阻r f 的方法参见公式( 1 1 ) 至( 1 7 ) 阿： 壶= 考+ 去+ 丢+ r f ( i - i ) k i = q k ( a i a t m ) ( 1 - 2 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 即，r f = ( 1 k i 一1 a w a i a c 亿a o 一6 入w ) ( 1 - 3 ) 通过计算冷凝器换热管两侧的换热系数和总的传热系数，从中分离出污垢热 阻。其中，a c 亿、a w 分别为制冷剂的冷凝放热系数和冷却水侧的放热系数。 a c f z = a c f z a c = 0 6 5 供q k 扣d o 1 3 z = c o 6 n o s ) 一o 1 6 7 f = 1 3 ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 在换热管的内侧流动的冷却水处于旺盛的紊流，其对流换热系数与该流体的 状态参数、物性参数和换热管的结构参数相关，通过测量流体速度、进出口温度 就可以由经验公式计算出相应条件下的换热系数。冷凝器总的传热系数可以由其 总的换热量、换热面积和对数平均换热温度计算得出。因此，在实验条件下可以 通过测量温度、流速和压力等参数来确定a c f z 、a w 和k i ，进而就可以得出冷凝器 冷却水侧的动态污垢热阻r f 。 3 热阻法 热阻法 2 8 j 采用污垢热阻来描述冷凝器结垢程度，污垢热阻通过下式( 1 8 ) 计 算： r f = 竿 ( 1 8 ) 式中，r f 为污垢热阻；r w f 为换热管壁与污垢之间的界面温度；t s 为流体与 污垢层间的界面温度或污垢表面温度；q 为热流密度。 对于换热面壁温，可通过在换热管壁埋设铠装热偶测得。 t s 可通过解如下方程( 1 9 ) 求得： m l 瓦t s - t w o + 4g ) s t - 0 ( 1 9 ) 第1 章绪论 暑曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i p iu n l _ _ m ii n_l i 皇曼曼曼曼曼曼 式中，t r i 为所研究管段的冷却水入口温度；t w o 为所研究管段的冷却水出口 温度；w 为所研究管段长度与管内径之比；s t 为s t a n d o n 数，可根据经验公式 求取。 热流密度q 不易由准确测量获得，可通过流体的能量平衡求得，如式( 1 1 0 ) 至( 1 1 2 ) ： q = 等 g = 三( d 一2 6 f ) 2 o 4 、 8 f = 0 s ( 1 一a p l a p 2 ) ( 1 1 0 ) ( 1 - 1 2 ) 式中，g 为冷却水的容积流量；6 t 为污垢层厚度；c d 为冷却水的定压比热； p ，和p 2 分别为污垢层厚度6 。变化前、后冷却水的流动压降。 由此可见，只要测量出冷却水进、出口温度，流动压降和换热面壁温，利用 上述关系式即可确定对应的污垢热阻。 热阻法能较准确地测定冷凝器的污垢程度，但需在换热管上埋设铠装热偶以 检测管壁温度，冷凝器换热管数量众多，使得测量成本较高，工程上不易实现； 而且，其测量结果极易受堵管现象的影响。 1 3 2 污垢在线检测设备的现状 污垢热阻测量一直是工业领域中的一个难题。污垢成份复杂，对测量精度要 求比较高，受流体环境影响大，常规方法难以准确测量。2 0 世纪7 0 年代以来， 由于计算机应用技术的发展，污垢的监测技术、数据采集系统有了飞跃的进步， 国内外的许多研究人员根据不同的污垢热阻的测定原理，开发了许多污垢监测装 置。 l 、国外污垢热阻在线监测技术发展的现状 美国r o h r h a c k 公司【2 9 】首次将热桥原理运用到污垢热阻的在线测定中来，通 过比较参考面与测试表面的传热性能的不同，测定过程中污垢热阻变化。这种方 法可以直接测定换热器表面污垢热阻的变化，保证了参考表面与测试表面工况 完全一致，这是以前的污垢监测技术无法实现的，从而大大地提高了污垢热阻监 北京工业大学工学硕士学位论文 测的准确性和灵敏性。 由英国国家工程实验室( n e l ) 开发的过程监测器模拟换热热平衡原理，提 出了用于新型装置设计和计算优化清洁周期的污垢热阻监测技术【3 0 1 。 美国腐蚀工程师协会( n a c e ) 【3 l j 研发的电热式污垢监测仪是用来监测冷却 水系统的沉积物和污垢。该监测仪采用电阻加热元件，通过加热电阻的金属表面 向冷却水中传递热量，测定金属表面与流经金属表面的冷却水之间的传热速率。 该方法有效应用于整个管路清洁度测定。 n a l c o 化学品公司的r l w e t e g r o v e 采用光学的方法对污垢进行监测。光源在 流体的两个固定的部分形成光的通道，其中一个具有一个半透明的通道。通道壁 面存在污垢，光照射到通道中，被吸收或散射的程度是污垢的厚度、组成、以及 所选用的光的波长的函数。比较流体本身与通道内的污垢，将比较结果形成一个 信号，并可用这一结果控制阻垢剂的加入。d o l l yx y 等人研制了一种通过同时 测定热流和电阻的实验室污垢热阻测定装置。在装置结垢和除垢的过程中一直监 测电阻和热流的数据并最终建立二者的关系。c h a n d y 等提出的光纤检测技术具 有较高的灵敏度。它运用了变折射率光强调制原理，折射率分辨率可达0 0 0 1 ， 但其传感器最大可测厚度不大于l m m ，垢厚超过此数值时，光纤传感器输出将出 现饱和现象。m a i r a l 等采用超声波技术在线监测了反渗透除盐膜上污垢的积聚， 发现超声信号对于硫酸钙污垢层的变化较为敏感。n e v i l l e 等提出了一种通过分析 恒电势控制下的旋转圆盘式电极表面氧减少反应来精确评估金属表面污垢积聚 程度的电化学方法p 2 3 引。 2 、国内污垢热阻在线监测技术发展的现状 国内的相关技术起步较晚，但起点很高。不少研究人员已经将计算机技术应 用到污垢在线监测技术中来。 钙离子浓度法通过测定补充水和循环冷却水中的钙离子浓度，考察循环冷却 水中的钙离子浓度是否按循环水浓缩倍数呈比例的增加来判断系统的结垢。这种 方法只针对难溶碳酸盐水垢，而对其他垢类无法进行监测。 东北电力学院王恭等人提出了一种通过污垢热阻评定铜管污垢状况的计算 方法，设计了基于单片机系统的污垢热阻在线测量系统，有助于实现胶球清洗系 统的在线优化、确定最佳清洗周期。采用了全新的污垢热阻计算方法，所需测量 的参数都是易测的温度和压力信号。系统采用了先进的在线测量技术，能够实时 监测铜管污垢状况； 华南理工大学孔庆军、刘金平等提出了污垢热阻研究的动态试验方法，取得 的冷却水不同流速下的污垢热阻试验数据与h t r f t e m a 推荐值比较，为冷水机 组冷凝器的设计、监控和清洗提供参考。 吴立峰等人利用热平衡理论和流体力学知识推导得出污垢热阻软测量模型 第1 章绪论 以及设计出在线监测装置。对监测的数据进行l o g i s t i c 拟合、多项式拟合和s 函数 拟合的比较，得到了换热管的污垢热阻随时间变化的数学模型。 严晓宇等研制了能模拟冷却水流动和传热状态并消除自腐蚀电位飘移和溶 液取降影响的冷却水污垢热阻及腐蚀速度在线监测装置。开发出的相应的软件使 整个测量和数据处理过程实现了计算机自动控制。 李彩东，张锁龙基于l a b v i e w 软件开发了污垢热阻实验装置系统，实现对 数据的自动采集、分析与处理。同时对装置系统进行了校正并与通用监测系统法 比较。对污垢理论研究具有推动作用【3 9 4 7 1 。 1 4 本文的研究内容 近几年来，污垢监测技术取得了显著的进展，诸如光纤、红外线、超声波以 及人工智能等新型技术不断应用于污垢的监测研究中，但这些技术和装置也都仅 仅局限于试验室和一些特殊对象，或有待于进一步研究其机理和完善其方法，而 真正能够实现在线检测的还为数不多。尤其是对于冷水机组而言，涉及的因素和 传统的水一水换热器有着很大的不同，运行负荷、流量、冷凝温度、不同状态的 相变换热、以及进出口温度等多种因素的影响。因此，开发实时、在线、使用方 便的冷水机组污垢现场检测技术和方法仍是我们努力的方向。本课题的研究受 “十一五”国家科技支撑计划课题建筑室内生物污染控制与改善关键技术研究 ( 课题编号：2 0 0 6 b a j 0 2 a 1 0 ) 资助完成。 本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 以传热学基本原理出发，建立污垢热阻的在线检测模型。根据模型各 部分组成及其影响因素，分析模型的特点，从而确定污垢热阻在线模型应用于现 场测试时应满足的条件。 ( 2 ) 模型建立后，根据模型包含的参数，确定现场需要采集的测试量。建 立现场测试的方案，选择各参数的测量仪器。建立现场监控和分析系统，以便快 速确定测试结果。 ( 3 ) 按照现场测量不确定度计算方法，