本文發(fā)表于《2020年中國(guó)工業(yè)水大會(huì)》，由于篇幅較長(zhǎng)，分批給大家分享。

3【分析與討論】

這些問(wèn)題的背后有更深層次的技術(shù)因素根源，以下進(jìn)行分項(xiàng)的討論。

3.1 熱交換強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)定義“冷卻冷卻水動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)方法是在試驗(yàn)室給定條件下，用常壓飽和蒸汽加熱模擬換熱器……”，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)又規(guī)定“熱介質(zhì)為常壓下飽和蒸汽，對(duì)于換熱強(qiáng)度小的試驗(yàn)，也可以使用熱水作為熱介質(zhì)”，但標(biāo)準(zhǔn)中未提到熱水的溫度控制的方法或要求。

據(jù)調(diào)查，實(shí)際在銷售和使用的動(dòng)態(tài)模擬裝置，絕大部分都是用常壓飽和蒸汽作為熱介質(zhì)，僅有自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所開(kāi)發(fā)的SWD-2型海水循環(huán)冷卻動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)裝置使用熱水作為熱介質(zhì)。

對(duì)比實(shí)際工況，火力發(fā)電企業(yè)的凝氣器的蒸汽溫度通常在40~50°C；而冷凍機(jī)的冷媒換熱時(shí)溫度50~70°C。常壓飽和蒸汽的溫度約在99~101°C之間，這將導(dǎo)致動(dòng)態(tài)模擬裝置試驗(yàn)管與冷卻水接觸的金屬表面溫度要比實(shí)際工況中高很多，靠近金屬表面的冷卻水薄層的局部溫度升高，對(duì)化學(xué)結(jié)垢的行為影響很大。《GB/T 50050-2017 工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：設(shè)備傳熱面冷卻水側(cè)壁溫不宜高于70 °C。動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的初衷，是根據(jù)目的模擬需實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的換熱強(qiáng)度。目前市售的動(dòng)態(tài)模擬裝置，在熱交換強(qiáng)度選擇的范圍上相當(dāng)狹窄，不能滿足試驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

在常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，進(jìn)水溫度約在25~30°C出水溫度，換熱器進(jìn)出水溫差在10~12°C。換熱管單根內(nèi)徑Φ10mm×1mm或Φ19mm×2mm，有效換熱長(zhǎng)度多為50~65cm。試驗(yàn)管的數(shù)量通常為一根。在這樣的配置下，試驗(yàn)管換熱面積小，也無(wú)法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以減小偶然因素帶來(lái)的影響。為了實(shí)現(xiàn)平行驗(yàn)證，有廠家推出了雙路動(dòng)態(tài)模擬裝置，也有用戶索性就購(gòu)買兩套單路系統(tǒng)使用。

3.2 冷卻水入口溫度調(diào)節(jié)精度

標(biāo)準(zhǔn)要求模擬換熱器入口水溫進(jìn)行自動(dòng)測(cè)控，其精度為±0.2 °C。我們查閱了在售的動(dòng)態(tài)模擬裝置的說(shuō)明書(shū)，多數(shù)控制精度為±0.5°C，少量能達(dá)到±0.3°C，但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品。我們收集到的6家用戶的8個(gè)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)報(bào)告中，僅有一個(gè)報(bào)告中給出的溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，其它均以類似“冷卻水進(jìn)口溫度32±1°C，冷卻水進(jìn)出口溫差10±1°C”的描述給出的約定范圍。

圖2. 某動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的實(shí)際溫度記錄

標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)冷卻水出口溫度的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行規(guī)定，但在其流程示意圖中（圖1），顯示有安裝在模擬冷卻塔底部的電動(dòng)風(fēng)門，這也是絕大多數(shù)動(dòng)態(tài)模擬裝置所采用的溫度調(diào)節(jié)方式。在我們的調(diào)查中，電動(dòng)風(fēng)門的有效性也是用戶廣為詬病，可調(diào)的范圍小，故障率高。在恒定的氣溫條件下，通過(guò)風(fēng)門調(diào)節(jié)可以帶來(lái)的冷卻水入口溫度溫度變化不超過(guò)2°C?？紤]到大部分裝置熱介質(zhì)為常壓飽和蒸汽，溫度不可調(diào)，冷卻水入口溫度通過(guò)電動(dòng)風(fēng)門調(diào)節(jié)能力弱，就造成了裝置可模擬的溫差范圍狹小。圖3以熱介質(zhì)溫度和冷卻水進(jìn)出口溫差組成的坐標(biāo)系統(tǒng)展示了目前的動(dòng)態(tài)模擬裝置的工作空間與用戶期望實(shí)際模擬的工作空間的對(duì)比。

圖3. 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)溫度工作空間示意圖

3.3 流速控制精度

標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)冷卻水的流量進(jìn)行自動(dòng)控制，精度為流量的±1%。我們?cè)谡{(diào)研過(guò)程中收集的8份動(dòng)態(tài)模擬報(bào)告中有7份沒(méi)有體現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而是以一個(gè)預(yù)設(shè)值為計(jì)算依據(jù)；另有一份提供的瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)顯示，目標(biāo)為180L/h，最大測(cè)量數(shù)據(jù)0.20m3/h，最小0.17m3/h，波動(dòng)高達(dá)10%，甚至有個(gè)別數(shù)據(jù)為0.11m3/h。類似溫度控制的情形，標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有規(guī)定流量控制的方式，但從結(jié)構(gòu)示意圖與市場(chǎng)可供的產(chǎn)品來(lái)看，主要采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

圖4.由流速變化帶來(lái)的熱阻變化

冷卻水與熱介質(zhì)在進(jìn)行熱交換過(guò)程中，除了金屬管壁和污垢造成的熱阻外，由于冷卻水流速變化造成的不同湍流形態(tài)變化而產(chǎn)生的總熱阻的貢獻(xiàn)完全不可忽視。《GB/T 50050-2017工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“設(shè)備傳熱面水側(cè)污垢熱阻值不應(yīng)大于 3.44×10-4m2K/W”。如圖2所示，當(dāng)其它條件維持不變，冷卻水流量從1200L/h增加到1300L/h，相應(yīng)的流速由1.0m/s上升到1.08m/s，系統(tǒng)的總熱阻下降了0.3×10-4m2K/W，占到了允許污垢熱阻的9%。

這背后的原因是不同流速下，水膜的熱阻在發(fā)生變化，如圖5所示。

圖5.換熱管總熱阻的構(gòu)成[1]

很多用戶提到試驗(yàn)中出現(xiàn)了負(fù)值的污垢熱阻，更多的用戶提到了污垢熱阻的波動(dòng)與非單調(diào)特性，如圖6中的污垢熱阻數(shù)據(jù)所示。

圖6. 兩個(gè)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)測(cè)的污垢熱阻圖

在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)過(guò)程，特別是水質(zhì)比較惡劣時(shí)，由于循環(huán)泵和管壁污垢、過(guò)濾器污堵可能導(dǎo)致流速下降，由此產(chǎn)生的總熱阻變化是不容忽視的，切不能將此變化歸結(jié)為污垢熱阻。這些現(xiàn)象都與流量控制的有效性有很大的關(guān)系。提高動(dòng)態(tài)模擬裝置的流量控制精度，將有效地提高污垢熱阻的測(cè)量精度。

另一個(gè)角度看，循環(huán)水對(duì)金屬表面的腐蝕程度受到流速的影響非常大，《GB/T 50050-2017工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定循環(huán)冷卻水管程流速應(yīng)大于1.0m/s。目前檢測(cè)的方案多數(shù)為單根徑內(nèi)徑Φ10mm×1mm試驗(yàn)管的條件下，如果控制試驗(yàn)管內(nèi)流速為1.0m/s，此安裝條件的總流量?jī)H為180L/H。而與之串聯(lián)的掛片架管道多為DN25，冷卻水流動(dòng)速度經(jīng)常流速只有0.2~0.5m/s，達(dá)不到常規(guī)要求的0.5~1m/s，還有些掛片直接安裝在集水箱中，則流速更低。受到這些制約，也不能有效的模擬現(xiàn)場(chǎng)水處理所處在的流速條件，而造成過(guò)于保守的判斷結(jié)果。

-未完待續(xù)-

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