超聲式蒸發(fā)器除垢性能的研究

　　[摘 要]蒸發(fā)器應(yīng)用廣泛。而蒸發(fā)設(shè)備結(jié)垢，不僅增大了設(shè)備的熱阻，降低了設(shè)備的傳熱效率，而且污垢會腐蝕設(shè)備壁面，導(dǎo)致穿孔，造成物料泄露和損失，嚴(yán)重時甚至?xí)�產(chǎn)生爆炸隱患。本文采用超聲式蒸發(fā)器，利用超聲波的多種效應(yīng)達(dá)到強化傳熱的目的。
　　[關(guān)鍵詞]超聲式蒸發(fā)器;強化傳熱;除垢;最佳效果
　　中圖分類號：TQ051 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）24-0235-02
　　超聲波的主要作用之一就是空化效應(yīng)。超聲波的能量對被處理流體介質(zhì)直接產(chǎn)生大量空穴和氣泡，當(dāng)這些空穴和氣泡破裂和擠壓時，產(chǎn)生一定范圍的強大壓力峰，成垢物質(zhì)在壓力峰作用下，粉碎懸浮于水中，并使已生成的垢層破碎使其易于脫落，這樣達(dá)到超聲波除垢的目的。
　　1、實驗部分
　　1.1 實驗試劑的選定
　　綜合考慮各種因素，碳酸鎂和硫酸鈉垢質(zhì)在不銹鋼上結(jié)垢效果最好。其結(jié)垢垢物豐富，質(zhì)地較為堅硬，附著效果最好，因此在選用結(jié)垢物料時選用碳酸鈉與硫酸鎂溶液混合制備的污垢與同時析出的硫酸鈉析晶體作為實驗物料模擬高含鹽廢水進(jìn)行實驗。
　　1.2 實驗條件選取
　　需要確定的實驗變量為不同溶液濃度下的結(jié)垢天數(shù)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，采用質(zhì)量濃度為4%的碳酸鈉與硫酸鎂溶液混合碳酸鎂溶液浸泡天數(shù)達(dá)到4天以上，在不銹鋼表面即形成厚度可觀質(zhì)地堅硬的垢層，將結(jié)垢后的不銹鋼管材采用流速20ml/h的水流沖洗，垢層難以清洗，加入外力清洗后垢層亦有所殘留，因此采用此條件下生成的垢物進(jìn)行超聲波蒸發(fā)器除垢實驗。
　　1.3 實驗儀器
　　本實驗采用由課題組成員設(shè)計研發(fā)的超聲式蒸發(fā)器，將超聲波發(fā)生器與中央循環(huán)管蒸發(fā)器相結(jié)合的一種新型蒸發(fā)器。
　　1.4 實驗方法
　　在實驗過程中，均采取平均傳熱系數(shù)作為蒸發(fā)器傳熱性能的標(biāo)準(zhǔn)。
　　本實驗為了獲得結(jié)垢前后超聲波蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨各操作參數(shù)：進(jìn)料流量、蒸發(fā)溫度、傳熱溫差、超聲波功率密度等的變化情況，以及超聲蒸發(fā)器的強化傳熱效率，除垢的效果采用重復(fù)實驗測得的數(shù)據(jù)平均值計算傳熱系數(shù)作為實測值，其計算方程如下：
　　式中：hav—蒸發(fā)器的平均傳熱系數(shù)，（W/m2·℃）;
　　Q—單位時間內(nèi)蒸發(fā)壁面所傳遞的熱量，（J）;
　　A—蒸發(fā)器的總傳熱面積，（m2）;
　　△t—平均傳熱溫差，即蒸發(fā)管內(nèi)壁溫度Tw減去蒸發(fā)溫度Tsat再減去溫差損失之差，（℃）;
　　T—蒸發(fā)時間，（s）;
　　m—10min內(nèi)冷凝水質(zhì)量，（kg）;
　　r—飽和水蒸汽汽化熱，（kJ·kg-1）;
　　在其它條件相同的情況下，超聲波功率密度為0和W（W≠0）所對應(yīng)的傳熱系數(shù)分別為h0和hw，在此定義超聲波作用于自來水蒸發(fā)過程的強化效率J為：
　　h0—超聲波功率密度為0時所對應(yīng)的傳熱系數(shù)，（W/m2·℃）;
　　hw—超聲波功率密度為W時所對應(yīng)的傳熱系數(shù)，（W/m2·℃）。
　　實驗過程中需要測量的實驗數(shù)據(jù)如下：
　　鍋爐的壓力、溫度及水位、物料的進(jìn)料溫度、進(jìn)料流量、通、二次蒸汽冷凝量和加熱蒸汽冷凝量、管內(nèi)壓力和蒸發(fā)溫度。
　　（1）不加超聲，不同蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)器結(jié)垢前后傳熱系數(shù)變化
　　上圖1按從左向右，從上至下順序依次為分別為：（1）蒸發(fā)溫度為65℃，有無結(jié)垢情況下傳熱系數(shù)對比;（2）蒸發(fā)溫度為70℃，有無結(jié)垢情況下傳熱系數(shù)對比;（3）蒸發(fā)溫度為75℃，有無結(jié)垢情況下傳熱系數(shù)對比;（4）蒸發(fā)溫度為80℃，有無結(jié)垢情況下傳熱系數(shù)對比;（5）蒸發(fā)溫度為85℃，有無結(jié)垢情況下傳熱系數(shù)對比;（6）無垢時蒸發(fā)溫度85℃、進(jìn)料流量為40L/h蒸發(fā)器無垢時傳熱系數(shù)隨超聲波功率密度變化情況。
　　上圖（1）-（5）為不加超聲波情況下，不同進(jìn)料溫度下，蒸發(fā)器結(jié)垢前后傳熱系數(shù)隨進(jìn)料流量的變化。無垢的傳熱系數(shù)均在有垢的上方，說明在未結(jié)垢時，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)基本隨著進(jìn)料流量和蒸發(fā)溫度的增加而增加。由于壁面發(fā)生結(jié)垢，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)均比無垢時降低，傳熱系數(shù)的下降率均在5%以上，下降率最大的可達(dá)到64%。在80℃，有垢和無垢傳熱系數(shù)隨著進(jìn)料流量增大到一定程度反而降低，85℃時，無垢的傳熱系數(shù)歲進(jìn)料流量增大基本處于平緩，而有垢情況下當(dāng)進(jìn)料流量達(dá)到一定程度下降非常明顯，這是由于溫度越高使壁面處的污垢層質(zhì)地密集，遠(yuǎn)離壁面地方的垢層質(zhì)地稀疏，沉積在蒸發(fā)器壁面的垢質(zhì)與壁面的結(jié)合程度比低溫度下結(jié)合牢固，使得在高蒸發(fā)溫度進(jìn)料流量增大的情況下，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)下降較大。說明即使增大流量增加溫度也不會使垢物去除。
　�。�2）無垢時，超聲波功率密度對傳熱系數(shù)的影響
　　圖（6）所示為無垢時蒸發(fā)溫度85℃、進(jìn)料流量為40L/h蒸發(fā)器無垢時傳熱系數(shù)隨超聲波功率密度變化情況。隨著超聲波功率密度的增加，蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)由822.4W/m2·℃逐漸增大至最大值1080.4W/m2·℃，然后又減小至962.7W/m2·℃，蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨功率密度的變化出現(xiàn)一個峰值，在此工作條件下，為最佳工作點。
　�。�3）結(jié)垢條件下，85℃，不同流量下功率密度對傳熱系數(shù)的影響
　　上圖2按從左向右，從上至下順序依次為分別為：（1）不同進(jìn)料流量下蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨功率密度的變化;（2）不同蒸發(fā)溫度下蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨功率密度的變化;（3）三種情況下蒸發(fā)器傳熱系數(shù)對比;（4）傳熱系數(shù)強化效率。
　　上圖（1）為有垢條件下，85℃，不同進(jìn)料流量下傳熱系數(shù)隨超聲波功率密度變化情況。（因為在圖6發(fā)現(xiàn)有垢條件下85℃的時候達(dá)到最大傳熱系數(shù)。故選擇85℃）
　　同蒸發(fā)器無垢時一樣，傳熱系數(shù)隨著超聲波功率的增加先增加，達(dá)到一個最大值后再減小。蒸發(fā)器無垢時，當(dāng)超聲波功率為0.9W/cm2時得到最大傳熱系數(shù);當(dāng)蒸發(fā)管壁上存在污垢時，傳熱系數(shù)在0.6W/cm2時達(dá)到最大，之后隨著超聲波功率的增加逐漸減小趨勢或有輕微波動。有污垢時達(dá)到的最大傳熱系數(shù)小于無垢的最大傳熱系數(shù)。

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