動態(tài)模擬試驗裝置的回顧與展望（二）

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

3【分析與討論】

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

3.1 熱交換強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)定義“冷卻冷卻水動態(tài)模擬試驗方法是在試驗室給定條件下，用常壓飽和蒸汽加熱模擬換熱器……”，同時標(biāo)準(zhǔn)又規(guī)定“熱介質(zhì)為常壓下飽和蒸汽，對于換熱強(qiáng)度小的試驗，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，實際在銷售和使用的動態(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發(fā)的SWD-2型海水循環(huán)冷卻動態(tài)模擬試驗裝置使用熱水作為熱介質(zhì)。

對比實際工況，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)致動態(tài)模擬裝置試驗管與冷卻水接觸的金屬表面溫度要比實際工況中高很多，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。動態(tài)模擬試驗的初衷，是根據(jù)目的模擬需實際現(xiàn)場的換熱強(qiáng)度。目前市售的動態(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?zāi)康摹?/span>

在常見的動態(tài)模擬試驗中，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，有效換熱長度多為50~65cm。試驗管的數(shù)量通常為一根。在這樣的配置下，試驗管換熱面積小，也無法進(jìn)行對比試驗，以減小偶然因素帶來的影響。為了實現(xiàn)平行驗證，有廠家推出了雙路動態(tài)模擬裝置，也有用戶索性就購買兩套單路系統(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)行自動測控，其精度為±0.2 °C。我們查閱了在售的動態(tài)模擬裝置的說明書，多數(shù)控制精度為±0.5°C，少量能達(dá)到±0.3°C，但并沒有發(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個動態(tài)模擬試驗報告中，僅有一個報告中給出的溫度的實時數(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. 某動態(tài)模擬試驗的實際溫度記錄

標(biāo)準(zhǔn)并未對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風(fēng)門，這也是絕大多數(shù)動態(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，通過風(fēng)門調(diào)節(jié)可以帶來的冷卻水入口溫度溫度變化不超過2°C。考慮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電動風(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)展示了目前的動態(tài)模擬裝置的工作空間與用戶期望實際模擬的工作空間的對比。

圖3. 動態(tài)模擬試驗溫度工作空間示意圖

3.3 流速控制精度

標(biāo)準(zhǔn)要求對冷卻水的流量進(jìn)行自動控制，精度為流量的±1%。我們在調(diào)研過程中收集的8份動態(tài)模擬報告中有7份沒有體現(xiàn)流量的實時數(shù)據(jù)，而是以一個預(yù)設(shè)值為計算依據(jù)；另有一份提供的瞬時流量數(shù)據(jù)顯示，目標(biāo)為180L/h，最大測量數(shù)據(jù)0.20m3/h，最小0.17m3/h，波動高達(dá)10%，甚至有個別數(shù)據(jù)為0.11m3/h。類似溫度控制的情形，標(biāo)準(zhǔn)也沒有規(guī)定流量控制的方式，但從結(jié)構(gòu)示意圖與市場可供的產(chǎn)品來看，主要采用電動調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)控制。

圖4.由流速變化帶來的熱阻變化

冷卻水與熱介質(zhì)在進(jìn)行熱交換過程中，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. 兩個動態(tài)模擬實測的污垢熱阻圖

在動態(tài)模擬試驗過程，特別是水質(zhì)比較惡劣時，由于循環(huán)泵和管壁污垢、過濾器污堵可能導(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量精度。

另一個角度看，循環(huán)水對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。目前檢測的方案多數(shù)為單根徑內(nèi)徑Φ10mm×1mm試驗管的條件下，如果控制試驗管內(nèi)流速為1.0m/s，此安裝條件的總流量僅為180L/H。而與之串聯(lián)的掛片架管道多為DN25，冷卻水流動速度經(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)場水處理所處在的流速條件，而造成過于保守的判斷結(jié)果。

-未完待續(xù)-

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