一种换热器污垢特性监测方法
一种换热器污垢特性监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料物理性质的研宄领域，尤其涉及换热器污垢特性监测技术。是一 种换热器污垢特性监测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，循环冷却水占整个工业用水的80%左右，而冷却水在循环过程中，因温度和 流速的变化而在换热器壁面上逐渐形成污垢，其直接后果是增大了传热和流动阻力。众所 周知，在相同传热量的前提条件下，污垢热阻会增大传热温差，降低所传递热能的利用率， 增加设备能耗；流动阻力的增大则直接增大了泵送能耗。因此，如何快速、准确地监测冷却 水污垢增长趋势，就自然成为节能减排的主攻目标之一。
[0003]对于污垢的监测方法和技术方面，较早就有了污垢沉积率和剥蚀率具体表达式， 这就是后来一直被本领域技术人员广泛采用的Kern-Seanton模型。然而，即使是该模型 也只提供了污垢特性的数学描述的框架，离揭示污垢形成机理还有距离。之后，陆续有了 基于换热效率理论的对象-属性-值结构污垢评估知识库专家系统，为换热器冗余面积设 计，去垢效果和换热器安全评估提供参考；基于非全连前向神经网络的用来预测海水冷却 冷凝器污垢性能的方法；套管式逆流换热器CaC03无量纲回归污垢热阻模型，等等。Bridger ScientificInc.依据美国Rohrhack公司开发了DATS系列在线污垢测试系统DATSTM。 Nalco化学品公司采用光学的方法对污垢进行了监测。韩国电力公司发明了一种监测污垢 热阻和管道清洁度的装置。Nalco公司发明了一种污垢监测系统，能够区分微生物污垢与 化学污垢。在国内，东北电力大学研制了换热器污垢在线自动监测装置，实验结果表明该装 置具有很高的实用性。由于一定的假设和传热学经验公式的引入，难免产生监测误差。华北 电力大学基于质量传递理论建立了污垢监测模型，用以计算流体流动生成的总污垢量。南 京工业大学基于所测定和记录的实验数据研发了污垢热阻在线监测系统。中国科学院金属 研宄所研制了工业冷却水腐蚀、热阻在线监测系统。北京化工大学提出了一种直观式腐蚀 污垢监测仪，用于冷却水系统的现场监测及冷却水化学处理中药剂的筛选、防垢除垢及传 热基础研宄等。尽管涌现出了众多污垢监测技术与方法，到目前为止，未见有报道给出最佳 的污垢监测方法。监测技术和方法的适用范围和限制条件阻碍了其进一步发展。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提出了一种换热器污垢特性监测方法，该方法仅 需要监测工质的出、入口温度和流速，代入工质元吸热方程，计算出换热器内工质元吸热 量，绘制出相应的曲线，便可以直观描绘出换热器内污垢生长趋势，具有方法科学合理，切 实可行，实际应用价值高，能够快速、准确的对换热器污垢特性进行监测。
[0005]解决其技术问题采用的方案是：一种换热器污垢特性监测方法，其特征是，它包含 如下步骤：
[0006] 1)人工硬水的配置：取清洁自来水，向其中添加CaCljPNa2C03药品，配置硬度为 800mg/L的硬水；
[0007] 2)水浴温度的建立：通过温度可控电加热管对实验水槽水浴进行加热，直至达到 预设温度，通常设定水浴温度为40°C;
[0008] 3)污垢实验：将实验系统中的下位水箱的人工硬水经变频泵由下位水箱底部抽 吸并送至上位水箱，再经上位水箱下部连接管上的手动调节阀调节水流流速，并将所述的 硬水送至实验管段。在实验管内，所述的硬水通过管壁吸收热量，硬水的温度升高；之后， 该硬水被送至空冷装置进行冷却，然后送回下位水箱。在下位水箱，利用水冷装置进一步冷 却，接着冷却后的硬水经由泵重新送至上位水箱，进入下一个循环，如此往复，在整个实验 过程中，始终保持下位水箱的温度为25°C;
[0009] 4)数据的测量：实验管出、入□温度及水浴温度由PtlOO热电阻来测量，其测 温范围：-200~650°C，等级为A级，允许误差为：±(0. 15+0.002|t|)°C;流量信号由 YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为1. 0级，即其允许相对误差为±1. 0%，所 有测量信号经893-IDCN分布式数据采集系统送入计算机进行相应的处理；
[0010] 5)工质元吸热量的计算
[0011] 计算步骤为：
[0012] 将实验所监测到的实验管出、入口温度以及流速代入基于能量守恒定律所推导出 的单位工质元吸热公式
[0013] AQ=c*Am*AT=c*Am* (H) (1)
[0014] 式中，AQ为单位工质元的吸热量，J;c为水的比热容，jAkg* °C) ;Am为单位 工质元，kg;AT为单位工质元的温升值，°C 分别为该工质元ti时刻、12时刻的温度 值，。C;
[0015] Am的计算公式为：
[0016] Am=pA1 (3iD2/4) (2)式中，P为水的密度，kg/m3;
[0017]A1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，A1〈〈L，m;
[0018] D为实验管的直径或等效直径，m;
[0019] 通常，值取为实验管段入口温度值Tp°C;此时T2的计算公式为：
[0021] 式中，T。为实验管段出口温度值，°C;
[0022] L为实验管长，m;
[0023] 1^为工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，m，
[0024]Q的计算公式为
[0025]L:=VAt(4)
[0026] 式中，V为工质的流速，m/s，At--为单位时间，s;
[0027] 6)更换实验管，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制不同类型的 实验管的污垢生长趋势，在此，共需进行两次更换，分别为由光管更换为弧线管，由弧线管 更换为缩放管，实验管材质皆为不锈钢，管长为2. 22m;
[0028] 7)改变实验工质的流速，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制实 验管不同流速下污垢生长趋势，在此，流速设定范围为0. 1-1. 〇m/s。
[0029] 本发明的一种换热器污垢特性监测方法，它基于能量守恒定律，将工质经由变频 泵送至上水箱，经过下降管后，流经实验管段，在该实验管段通过管壁进行热量的交换，工 质温度升高，之后对该工质进行冷却。实验过程中，监测工质流经实验管段入口温度和出口 温度，同时监测工质的流速。将温度、流速参数代入工质元吸热模型，计算工质元单位时间 内的吸热量，通过绘制吸热量曲线反应实验管段污垢的生长趋势。使用时，设定工质的硬 度，通过设定工质的流速，设定工质流经水槽的水浴温度，启动变频水泵，将工质送至不锈 钢材质的实验管段，之后进入该管式换热器进行热交换，吸收热量；同时，启动在线监测系 统，采集实验管入口温度、出口温度，流速等信号，将信号输入计算机，代入工质元单位时间 吸热方程，计算工质元吸热量。更换换热器类型，重复以上步骤，最终通过绘制工质元吸热 曲线反映对应换热器污垢生长趋势。该换热器污垢监测方法，仅需要实时测量换热器出、入 口温度及工质流速，这在实际现场是容易实现的，和众多国内外动辄几十万多则上百万元 的污垢监测设备相比，本发明的监测方法无疑降低了污垢监测成本。此外，该方法适用于监 测换热器任意点污垢变化情况，从而解决了换热器局部、区域性污垢无法准确监测的问题。 具有方法科学合理，切实可行，实际应用价值高，能够快速、准确的对换热器污垢特性进行 监测的特点。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明所搭建的实验系统示意图；
[0031] 图中：1出口温度测点，4入口温度测点，2水槽，3实验管，5手动可调阀门，6上位 水箱，7温度可控电加热管，8空冷装置，9冷却水进口水泵电机，11冷却水进口，10温度控制 器，12下位水箱，13变频泵，14超声波流量计。
[0032] 图2为本发明所用缩放管的结构示意图；
[0033]图中，Li= 7mm，L2= 20mm，L3= 13mm，d!= 25mm，d2= 20mm，0 = 11。，a= 20。，8 = 1. 5mm〇
[0034] 图3为本发明弧线管结构示意图；
[0035] 图中，li= 17mm，1 2= 8mm，d= 22mm，8 = 1. 5mm，e= 2. 5mm，r= 5mm〇
[0036] 图4为本发明工质元吸热原理图；
[0037] 图5为本发明所用弧线管内单位工质元的吸热量变化趋势曲线示意图；
[0038] 图6为本发明所用弧线管内污垢热阻的变化趋势曲线示意图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0040] 本发明的一种换热器污垢特性监测方法，包含如下步骤：
[0041] 1)人工硬水的配置：取清洁自来水，向其中添加CaCldPNa2C03药品，配置硬度为 800mg/L的硬水；
[0042] 2)水浴温度的建立：通过温度可控电加热管对实验水槽水浴进行加热，直至达到 预设温度，通常设定水浴温度为40°C;
[0043]3)污垢实验：将实验系统中的下位水箱的人工硬水经由钛龙/J-ZR1000/0. 8隔膜 变频泵，由下位水箱底部抽吸并送至上位水箱，再经上位水箱下部连接管上的手动调节阀 调节水流流速，并将所述的硬水送至实验管段。在实验管内，所述的硬水通过管壁吸收热 量，硬水的温度升高；之后，该硬水被送至空冷装置进行冷却，然后送回下位水箱。在下位水 箱，利用水冷装置进一步冷却，接着冷却后的硬水经由泵重新送至上位水箱，进入下一个循 环，如此往复。在整个实验过程中，始终保持下位水箱的温度为25°C;
[0044] 4)数据的测量：实验管出、入□温度及水浴温度由PtlOO热电阻来测量，其测 温范围：-200~+650°〇，等级为4级，允许误差为：±(0.15+0.002卜|)°〇；流量信号由 YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为1. 0级，即其允许相对误差为±1. 0%，所 有测量信号经893-IDCN分布式数据采集系统送入计算机进行相应的处理；
[0045] 5)工质元吸热量的计算
[0046 ] 计算步骤为：
[0047] 将实验所监测到的实验管出、入口温度以及流速代入基于能量守恒定律所推导出 的单
[0048] 位工质元吸热公式
[0049] AQ=c*Am*AT=c*Am* (H) (1)
[0050] 式中，AQ为单位工质元的吸热量，J;c为水的比热容，jAkg* °C) ;Am为单位 工质元，kg;AT为单位工质元的温升值，°C 分别为该工质元ti时刻、12时刻的温度 值，°C，Am的计算公式为：
[0051] Am=PA1(3iD2/4) (2)
[0052] 式中，P为水的密度，kg/m3;
[0053] A1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，A1〈〈L，m;
[0054] D为实验管的直径或等效直径，m。
[0055]通常，值取为实验管段入口温度值Tp°C;此时T2的计算公式为：
[0057] 式中，T。为实验管段出口温度值，。C;
[0058] L为实验管长，m;
[0059] 1^为工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，m。
[0060] 1^的计算公式如下
[0061] L:=VAt(4)
[0062] 式中，V为工质的流速，m/s，At为单位时间，s;
[0063] 6)更换实验管，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制不同类型的 实验管的污垢生长趋势，在此，共需进行两次更换，分别为由光管更换为弧线管，由弧线管 更换为缩放管。实验管材质皆为不锈钢，管长为2. 22m;
[0064] 7)改变实验工质的流速，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制实 验管不同流速下污垢生长趋势，在此，流速设定范围为0. 1-1. 〇m/s。
[0065] 参照图1-4,本发明的一种换热器污垢特性监测方法，它包含的具体步骤有：
[0066] (1)启动温度可控电加热管7,对水槽2水浴进行加热；
[0067] (2)当水槽2水浴温度达到40°C时，启动变频泵13将下位水箱12中的人工硬水 输送至上位水箱6 ;
[0068] (3)调节阀门5的开度，使上位水箱6中的人工硬水，以一定的流速流入实验管3， 经过空冷装置8后，返回下位水箱12 ;
[0069] (4)设定温度控制器10的温度值，并启动空冷装置8和冷却水入口电机9,对工质 进行充分冷却；
[0070] (5)实时记录实验管入口温度4和出口温度1，通过超声波流量计14测量工质的 实际流速，并将采集信号输送至计算机系统进行数据处理；
[0071] (6)将实验采集到的实验管的入口 温度，出口温度T。，实验管管长L，代入如下 公式计算工质元t2时刻的温度值：
[0073] 式中，1^为工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，的计算公式为：
[0074] L:=VAt(2)
[0075] 式中，V管内工质流速，m/s;
[0076] At为单位时间，s。
[0077] 采用如下公式计算单位工质元的质量：
[0078] Am=PA1 (3iD2/4) (3)
[0079] 式中，P为水的密度，kg/m3;
[0080]A1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，A1〈〈L，m;
[0081] D为实验管的直径或等效直径，m。
[0082] 再将公式（1)和公式（3)代入如下公式计算单位工质元吸热量公式：
[0083] AQ=c?Am*AT=c?Am* (^-T^ (4)
[0084] 式中，c为水的比热容，X/(kg?°C)
[0085]AT为单位工质元单位时间内的温升值，°C;
[0086] T为该工质元心时刻的温度值，此处，TTi，°C;
[0087] (7)改变实验管流速，获取不同流速下单位工质元单位时间吸热量，并绘制吸热量 曲线；
[0088] (8)改变实验管管型，获得不同类型实验管单位工质元吸热量，并绘制吸热量曲 线；
[0089] (9)对上述所有工况所得数据进行对比分析，通过与常规污垢监测方法的对比，以 评价该污垢监测方法的有效性。
[0090] 本实施例确定的实验参数如下：
[0091] 实验管3管型包括：光管，弧线管和缩放管，管材为不锈钢；
[0092] 水槽2的水浴温度为40°C;
[0093] 实验管3内工质的流速为0.lm/s-1.Om/s;
[0094] 实验管3温度测点由PtlOO热电阻来测量，其测温范围：-200~+650°C，等级为A 级，允许误差为：± (〇? 15+0. 002 111)°C;
[0095] 流量信号由YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为1. 0级，即其允许相 对误差为± 1. 〇% ;
[0096] 该实验监测系统，其采样时间间隔为10s~2min，可根据实验目的自由设定。
[0097] 本实施例实验过程中，启动温度可控电加热管7,对水槽水浴进行加热，当水槽水 浴温度达到40°C时，启动变频泵13将下位水箱12中的人工硬水输送至上位水箱6,调节阀 门5的开度，使上位水箱6中的人工硬水，以一定的流速流入实验管3,经过空冷装置8后， 返回下位水箱12。启动空冷装置8和冷却水入口电机9,对工质进行充分冷却。与此同时， 实时记录实验管入口温度4和出口温度1，通过超声波流量计14测量工质的实际流速，并将 采集信号输送至计算机系统进行数据处理。将实验测得的实验管的入口温度，出口温度， 流速及实验管管长、直径等参数代入工质元吸热公式，即可得工质元单位时间内的吸热量， 绘制吸热量随时间的变化曲线。图5和图6不难看出单位工质元的吸热量变化趋势曲线与 管内污垢热阻的变化趋势曲线近似呈相似对称。同样，可以较好地描述换热器内污垢随时 间的变化情况，故而通过换热器内单位工质元吸热量的监测便可以实时反应换热器内的结 垢状况，进而为换热器的清洗、优化换热器清洗周期提供理论依据。
【主权项】
1. 一种换热器污垢特性监测方法，其特征是，它包含如下步骤： 1) 人工硬水的配置：取清洁自来水，向其中添加 CaCldP Na2CO3药品，配置硬度为 800mg/L的硬水； 2) 水浴温度的建立：通过温度可控电加热管对实验水槽水浴进行加热，直至达到预设 温度，通常设定水浴温度为40°C ; 3) 污垢实验：将实验系统中的下位水箱的人工硬水经泵由下位水箱底部抽吸并送至 上位水箱，再经上位水箱下部连接管上的手动调节阀调节水流流速，并将所述的硬水送至 实验管段，在实验管内，所述的硬水通过管壁吸收热量，硬水的温度升高；之后，该硬水被送 至空冷装置进行冷却，然后送回下位水箱，在下位水箱，利用水冷装置进一步冷却，接着冷 却后的硬水经由泵重新送至上位水箱，进入下一个循环，如此往复，在整个实验过程中，始 终保持下位水箱的温度为25°C ; 4) 数据的测量：实验管出、入口温度及水浴温度由PtlOO热电阻来测量，其测温 范围：-200~650 °C，等级为A级，允许误差为：±(0. 15+0. 002 |t|) °C ;流量信号由 YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为I. 0级，即其允许相对误差为±1. 0%，所 有测量信号经893-IDCN分布式数据采集系统送入计算机进行相应的处理； 5) 工质元吸热量的计算 计算步骤为： 将实验所监测到的实验管出、入口温度以及流速代入基于能量守恒定律所推导出的单 位工质元吸热公式 AQ = c· Am· AT = c· Am· (T2-T1) (I) 式中，Δ Q为单位工质元的吸热量，J ;c为水的比热容，J/(kg *°C ) ; Am为单位工质元， kg ; Λ T为单位工质元的温升值，°C ;1\、T2分别为该工质元t i时刻、12时刻的温度值，°C ; Am的计算公式为： Am= P Δ I ( π D2/4) (2) 式中，P为水的密度，kg/m3; Δ 1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，Λ 1〈〈L，m ; D为实验管的直径或等效直径，m ; 通常，T1值取为实验管段入口温度值T i，°C ;此时T2的计算公式为：(3) 式中，T。为实验管段出口温度值，°C; L为实验管长，m ; L1S工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，m， L1的计算公式为 L1= VAt (4) 式中，V为工质的流速，m/s，Δ t--为单位时间，s ; 6) 更换实验管，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制不同类型的实验 管的污垢生长趋势，在此，共需进行两次更换，分别为由光管更换为弧线管，由弧线管更换 为缩放管，实验管材质皆为不锈钢，管长为2. 22m ; 7)改变实验工质的流速，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制实验管 不同流速下污垢生长趋势，在此，流速设定范围为〇. 1-1. 〇m/s。
【专利摘要】本发明是一种换热器污垢特性监测方法，其特点是，包含有：人工硬水配置、水浴温度的建立、污垢实验、数据的测量、工质元吸热量的计算、更换实验管和改变实验工质的流速等步骤，将不锈钢材质的实验管装入实验系统；启动变频水泵，将工质送至实验管段，进行热交换，吸收热量；将在线测得的工质的温度、流速等参数，连同实验管参数等代入工质元单位时间吸热方程，通过绘制工质元吸热量曲线，反映了该实验管污垢特性随时间变化的趋势。使用时，启动在线监测系统，采集实验管入口温度、出口温度，流速等信号，将信号输入计算机，计算工质元吸热量。具有方法科学合理，切实可行，实际应用价值高，能够快速、准确的对换热器污垢特性进行监测的特点。
【IPC分类】G01N25/20, G01N25/72
【公开号】CN104897725
【申请号】CN201510334166
【发明人】文孝强, 徐志明, 王建国, 孙灵芳, 曹生现, 张艾萍, 辛宏伟
【申请人】东北电力大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料物理性质的研宄领域，尤其涉及换热器污垢特性监测技术。是一 种换热器污垢特性监测方法。
【背景技术】
[0002] 目前，循环冷却水占整个工业用水的80%左右，而冷却水在循环过程中，因温度和 流速的变化而在换热器壁面上逐渐形成污垢，其直接后果是增大了传热和流动阻力。众所 周知，在相同传热量的前提条件下，污垢热阻会增大传热温差，降低所传递热能的利用率， 增加设备能耗；流动阻力的增大则直接增大了泵送能耗。因此，如何快速、准确地监测冷却 水污垢增长趋势，就自然成为节能减排的主攻目标之一。
[0003]对于污垢的监测方法和技术方面，较早就有了污垢沉积率和剥蚀率具体表达式， 这就是后来一直被本领域技术人员广泛采用的Kern-Seanton模型。然而，即使是该模型 也只提供了污垢特性的数学描述的框架，离揭示污垢形成机理还有距离。之后，陆续有了 基于换热效率理论的对象-属性-值结构污垢评估知识库专家系统，为换热器冗余面积设 计，去垢效果和换热器安全评估提供参考；基于非全连前向神经网络的用来预测海水冷却 冷凝器污垢性能的方法；套管式逆流换热器CaC03无量纲回归污垢热阻模型，等等。Bridger ScientificInc.依据美国Rohrhack公司开发了DATS系列在线污垢测试系统DATSTM。 Nalco化学品公司采用光学的方法对污垢进行了监测。韩国电力公司发明了一种监测污垢 热阻和管道清洁度的装置。Nalco公司发明了一种污垢监测系统，能够区分微生物污垢与 化学污垢。在国内，东北电力大学研制了换热器污垢在线自动监测装置，实验结果表明该装 置具有很高的实用性。由于一定的假设和传热学经验公式的引入，难免产生监测误差。华北 电力大学基于质量传递理论建立了污垢监测模型，用以计算流体流动生成的总污垢量。南 京工业大学基于所测定和记录的实验数据研发了污垢热阻在线监测系统。中国科学院金属 研宄所研制了工业冷却水腐蚀、热阻在线监测系统。北京化工大学提出了一种直观式腐蚀 污垢监测仪，用于冷却水系统的现场监测及冷却水化学处理中药剂的筛选、防垢除垢及传 热基础研宄等。尽管涌现出了众多污垢监测技术与方法，到目前为止，未见有报道给出最佳 的污垢监测方法。监测技术和方法的适用范围和限制条件阻碍了其进一步发展。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：提出了一种换热器污垢特性监测方法，该方法仅 需要监测工质的出、入口温度和流速，代入工质元吸热方程，计算出换热器内工质元吸热 量，绘制出相应的曲线，便可以直观描绘出换热器内污垢生长趋势，具有方法科学合理，切 实可行，实际应用价值高，能够快速、准确的对换热器污垢特性进行监测。
[0005]解决其技术问题采用的方案是：一种换热器污垢特性监测方法，其特征是，它包含 如下步骤：
[0006] 1)人工硬水的配置：取清洁自来水，向其中添加CaCljPNa2C03药品，配置硬度为 800mg/L的硬水；
[0007] 2)水浴温度的建立：通过温度可控电加热管对实验水槽水浴进行加热，直至达到 预设温度，通常设定水浴温度为40°C;
[0008] 3)污垢实验：将实验系统中的下位水箱的人工硬水经变频泵由下位水箱底部抽 吸并送至上位水箱，再经上位水箱下部连接管上的手动调节阀调节水流流速，并将所述的 硬水送至实验管段。在实验管内，所述的硬水通过管壁吸收热量，硬水的温度升高；之后， 该硬水被送至空冷装置进行冷却，然后送回下位水箱。在下位水箱，利用水冷装置进一步冷 却，接着冷却后的硬水经由泵重新送至上位水箱，进入下一个循环，如此往复，在整个实验 过程中，始终保持下位水箱的温度为25°C;
[0009] 4)数据的测量：实验管出、入□温度及水浴温度由PtlOO热电阻来测量，其测 温范围：-200~650°C，等级为A级，允许误差为：±(0. 15+0.002|t|)°C;流量信号由 YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为1. 0级，即其允许相对误差为±1. 0%，所 有测量信号经893-IDCN分布式数据采集系统送入计算机进行相应的处理；
[0010] 5)工质元吸热量的计算
[0011] 计算步骤为：
[0012] 将实验所监测到的实验管出、入口温度以及流速代入基于能量守恒定律所推导出 的单位工质元吸热公式
[0013] AQ=c*Am*AT=c*Am* (H) (1)
[0014] 式中，AQ为单位工质元的吸热量，J;c为水的比热容，jAkg* °C) ;Am为单位 工质元，kg;AT为单位工质元的温升值，°C 分别为该工质元ti时刻、12时刻的温度 值，。C;
[0015] Am的计算公式为：
[0016] Am=pA1 (3iD2/4) (2)式中，P为水的密度，kg/m3;
[0017]A1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，A1〈〈L，m;
[0018] D为实验管的直径或等效直径，m;
[0019] 通常，值取为实验管段入口温度值Tp°C;此时T2的计算公式为：
[0021] 式中，T。为实验管段出口温度值，°C;
[0022] L为实验管长，m;
[0023] 1^为工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，m，
[0024]Q的计算公式为
[0025]L:=VAt(4)
[0026] 式中，V为工质的流速，m/s，At--为单位时间，s;
[0027] 6)更换实验管，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制不同类型的 实验管的污垢生长趋势，在此，共需进行两次更换，分别为由光管更换为弧线管，由弧线管 更换为缩放管，实验管材质皆为不锈钢，管长为2. 22m;
[0028] 7)改变实验工质的流速，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制实 验管不同流速下污垢生长趋势，在此，流速设定范围为0. 1-1. 〇m/s。
[0029] 本发明的一种换热器污垢特性监测方法，它基于能量守恒定律，将工质经由变频 泵送至上水箱，经过下降管后，流经实验管段，在该实验管段通过管壁进行热量的交换，工 质温度升高，之后对该工质进行冷却。实验过程中，监测工质流经实验管段入口温度和出口 温度，同时监测工质的流速。将温度、流速参数代入工质元吸热模型，计算工质元单位时间 内的吸热量，通过绘制吸热量曲线反应实验管段污垢的生长趋势。使用时，设定工质的硬 度，通过设定工质的流速，设定工质流经水槽的水浴温度，启动变频水泵，将工质送至不锈 钢材质的实验管段，之后进入该管式换热器进行热交换，吸收热量；同时，启动在线监测系 统，采集实验管入口温度、出口温度，流速等信号，将信号输入计算机，代入工质元单位时间 吸热方程，计算工质元吸热量。更换换热器类型，重复以上步骤，最终通过绘制工质元吸热 曲线反映对应换热器污垢生长趋势。该换热器污垢监测方法，仅需要实时测量换热器出、入 口温度及工质流速，这在实际现场是容易实现的，和众多国内外动辄几十万多则上百万元 的污垢监测设备相比，本发明的监测方法无疑降低了污垢监测成本。此外，该方法适用于监 测换热器任意点污垢变化情况，从而解决了换热器局部、区域性污垢无法准确监测的问题。 具有方法科学合理，切实可行，实际应用价值高，能够快速、准确的对换热器污垢特性进行 监测的特点。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明所搭建的实验系统示意图；
[0031] 图中：1出口温度测点，4入口温度测点，2水槽，3实验管，5手动可调阀门，6上位 水箱，7温度可控电加热管，8空冷装置，9冷却水进口水泵电机，11冷却水进口，10温度控制 器，12下位水箱，13变频泵，14超声波流量计。
[0032] 图2为本发明所用缩放管的结构示意图；
[0033]图中，Li= 7mm，L2= 20mm，L3= 13mm，d!= 25mm，d2= 20mm，0 = 11。，a= 20。，8 = 1. 5mm〇
[0034] 图3为本发明弧线管结构示意图；
[0035] 图中，li= 17mm，1 2= 8mm，d= 22mm，8 = 1. 5mm，e= 2. 5mm，r= 5mm〇
[0036] 图4为本发明工质元吸热原理图；
[0037] 图5为本发明所用弧线管内单位工质元的吸热量变化趋势曲线示意图；
[0038] 图6为本发明所用弧线管内污垢热阻的变化趋势曲线示意图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0040] 本发明的一种换热器污垢特性监测方法，包含如下步骤：
[0041] 1)人工硬水的配置：取清洁自来水，向其中添加CaCldPNa2C03药品，配置硬度为 800mg/L的硬水；
[0042] 2)水浴温度的建立：通过温度可控电加热管对实验水槽水浴进行加热，直至达到 预设温度，通常设定水浴温度为40°C;
[0043]3)污垢实验：将实验系统中的下位水箱的人工硬水经由钛龙/J-ZR1000/0. 8隔膜 变频泵，由下位水箱底部抽吸并送至上位水箱，再经上位水箱下部连接管上的手动调节阀 调节水流流速，并将所述的硬水送至实验管段。在实验管内，所述的硬水通过管壁吸收热 量，硬水的温度升高；之后，该硬水被送至空冷装置进行冷却，然后送回下位水箱。在下位水 箱，利用水冷装置进一步冷却，接着冷却后的硬水经由泵重新送至上位水箱，进入下一个循 环，如此往复。在整个实验过程中，始终保持下位水箱的温度为25°C;
[0044] 4)数据的测量：实验管出、入□温度及水浴温度由PtlOO热电阻来测量，其测 温范围：-200~+650°〇，等级为4级，允许误差为：±(0.15+0.002卜|)°〇；流量信号由 YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为1. 0级，即其允许相对误差为±1. 0%，所 有测量信号经893-IDCN分布式数据采集系统送入计算机进行相应的处理；
[0045] 5)工质元吸热量的计算
[0046 ] 计算步骤为：
[0047] 将实验所监测到的实验管出、入口温度以及流速代入基于能量守恒定律所推导出 的单
[0048] 位工质元吸热公式
[0049] AQ=c*Am*AT=c*Am* (H) (1)
[0050] 式中，AQ为单位工质元的吸热量，J;c为水的比热容，jAkg* °C) ;Am为单位 工质元，kg;AT为单位工质元的温升值，°C 分别为该工质元ti时刻、12时刻的温度 值，°C，Am的计算公式为：
[0051] Am=PA1(3iD2/4) (2)
[0052] 式中，P为水的密度，kg/m3;
[0053] A1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，A1〈〈L，m;
[0054] D为实验管的直径或等效直径，m。
[0055]通常，值取为实验管段入口温度值Tp°C;此时T2的计算公式为：
[0057] 式中，T。为实验管段出口温度值，。C;
[0058] L为实验管长，m;
[0059] 1^为工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，m。
[0060] 1^的计算公式如下
[0061] L:=VAt(4)
[0062] 式中，V为工质的流速，m/s，At为单位时间，s;
[0063] 6)更换实验管，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制不同类型的 实验管的污垢生长趋势，在此，共需进行两次更换，分别为由光管更换为弧线管，由弧线管 更换为缩放管。实验管材质皆为不锈钢，管长为2. 22m;
[0064] 7)改变实验工质的流速，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制实 验管不同流速下污垢生长趋势，在此，流速设定范围为0. 1-1. 〇m/s。
[0065] 参照图1-4,本发明的一种换热器污垢特性监测方法，它包含的具体步骤有：
[0066] (1)启动温度可控电加热管7,对水槽2水浴进行加热；
[0067] (2)当水槽2水浴温度达到40°C时，启动变频泵13将下位水箱12中的人工硬水 输送至上位水箱6 ;
[0068] (3)调节阀门5的开度，使上位水箱6中的人工硬水，以一定的流速流入实验管3， 经过空冷装置8后，返回下位水箱12 ;
[0069] (4)设定温度控制器10的温度值，并启动空冷装置8和冷却水入口电机9,对工质 进行充分冷却；
[0070] (5)实时记录实验管入口温度4和出口温度1，通过超声波流量计14测量工质的 实际流速，并将采集信号输送至计算机系统进行数据处理；
[0071] (6)将实验采集到的实验管的入口 温度，出口温度T。，实验管管长L，代入如下 公式计算工质元t2时刻的温度值：
[0073] 式中，1^为工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，的计算公式为：
[0074] L:=VAt(2)
[0075] 式中，V管内工质流速，m/s;
[0076] At为单位时间，s。
[0077] 采用如下公式计算单位工质元的质量：
[0078] Am=PA1 (3iD2/4) (3)
[0079] 式中，P为水的密度，kg/m3;
[0080]A1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，A1〈〈L，m;
[0081] D为实验管的直径或等效直径，m。
[0082] 再将公式（1)和公式（3)代入如下公式计算单位工质元吸热量公式：
[0083] AQ=c?Am*AT=c?Am* (^-T^ (4)
[0084] 式中，c为水的比热容，X/(kg?°C)
[0085]AT为单位工质元单位时间内的温升值，°C;
[0086] T为该工质元心时刻的温度值，此处，TTi，°C;
[0087] (7)改变实验管流速，获取不同流速下单位工质元单位时间吸热量，并绘制吸热量 曲线；
[0088] (8)改变实验管管型，获得不同类型实验管单位工质元吸热量，并绘制吸热量曲 线；
[0089] (9)对上述所有工况所得数据进行对比分析，通过与常规污垢监测方法的对比，以 评价该污垢监测方法的有效性。
[0090] 本实施例确定的实验参数如下：
[0091] 实验管3管型包括：光管，弧线管和缩放管，管材为不锈钢；
[0092] 水槽2的水浴温度为40°C;
[0093] 实验管3内工质的流速为0.lm/s-1.Om/s;
[0094] 实验管3温度测点由PtlOO热电阻来测量，其测温范围：-200~+650°C，等级为A 级，允许误差为：± (〇? 15+0. 002 111)°C;
[0095] 流量信号由YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为1. 0级，即其允许相 对误差为± 1. 〇% ;
[0096] 该实验监测系统，其采样时间间隔为10s~2min，可根据实验目的自由设定。
[0097] 本实施例实验过程中，启动温度可控电加热管7,对水槽水浴进行加热，当水槽水 浴温度达到40°C时，启动变频泵13将下位水箱12中的人工硬水输送至上位水箱6,调节阀 门5的开度，使上位水箱6中的人工硬水，以一定的流速流入实验管3,经过空冷装置8后， 返回下位水箱12。启动空冷装置8和冷却水入口电机9,对工质进行充分冷却。与此同时， 实时记录实验管入口温度4和出口温度1，通过超声波流量计14测量工质的实际流速，并将 采集信号输送至计算机系统进行数据处理。将实验测得的实验管的入口温度，出口温度， 流速及实验管管长、直径等参数代入工质元吸热公式，即可得工质元单位时间内的吸热量， 绘制吸热量随时间的变化曲线。图5和图6不难看出单位工质元的吸热量变化趋势曲线与 管内污垢热阻的变化趋势曲线近似呈相似对称。同样，可以较好地描述换热器内污垢随时 间的变化情况，故而通过换热器内单位工质元吸热量的监测便可以实时反应换热器内的结 垢状况，进而为换热器的清洗、优化换热器清洗周期提供理论依据。
【主权项】
1. 一种换热器污垢特性监测方法，其特征是，它包含如下步骤： 1) 人工硬水的配置：取清洁自来水，向其中添加 CaCldP Na2CO3药品，配置硬度为 800mg/L的硬水； 2) 水浴温度的建立：通过温度可控电加热管对实验水槽水浴进行加热，直至达到预设 温度，通常设定水浴温度为40°C ; 3) 污垢实验：将实验系统中的下位水箱的人工硬水经泵由下位水箱底部抽吸并送至 上位水箱，再经上位水箱下部连接管上的手动调节阀调节水流流速，并将所述的硬水送至 实验管段，在实验管内，所述的硬水通过管壁吸收热量，硬水的温度升高；之后，该硬水被送 至空冷装置进行冷却，然后送回下位水箱，在下位水箱，利用水冷装置进一步冷却，接着冷 却后的硬水经由泵重新送至上位水箱，进入下一个循环，如此往复，在整个实验过程中，始 终保持下位水箱的温度为25°C ; 4) 数据的测量：实验管出、入口温度及水浴温度由PtlOO热电阻来测量，其测温 范围：-200~650 °C，等级为A级，允许误差为：±(0. 15+0. 002 |t|) °C ;流量信号由 YJF-YK-CSB-3000超声波流量计来测量，等级为I. 0级，即其允许相对误差为±1. 0%，所 有测量信号经893-IDCN分布式数据采集系统送入计算机进行相应的处理； 5) 工质元吸热量的计算 计算步骤为： 将实验所监测到的实验管出、入口温度以及流速代入基于能量守恒定律所推导出的单 位工质元吸热公式 AQ = c· Am· AT = c· Am· (T2-T1) (I) 式中，Δ Q为单位工质元的吸热量，J ;c为水的比热容，J/(kg *°C ) ; Am为单位工质元， kg ; Λ T为单位工质元的温升值，°C ;1\、T2分别为该工质元t i时刻、12时刻的温度值，°C ; Am的计算公式为： Am= P Δ I ( π D2/4) (2) 式中，P为水的密度，kg/m3; Δ 1为所选取的工质元沿实验管轴向的长度，Λ 1〈〈L，m ; D为实验管的直径或等效直径，m ; 通常，T1值取为实验管段入口温度值T i，°C ;此时T2的计算公式为：(3) 式中，T。为实验管段出口温度值，°C; L为实验管长，m ; L1S工质元Am沿实验管轴向单位时间内所流过的距离，m， L1的计算公式为 L1= VAt (4) 式中，V为工质的流速，m/s，Δ t--为单位时间，s ; 6) 更换实验管，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制不同类型的实验 管的污垢生长趋势，在此，共需进行两次更换，分别为由光管更换为弧线管，由弧线管更换 为缩放管，实验管材质皆为不锈钢，管长为2. 22m ; 7)改变实验工质的流速，其他实验条件不改变，重新实验，基于实验数据，绘制实验管 不同流速下污垢生长趋势，在此，流速设定范围为〇. 1-1. 〇m/s。
【专利摘要】本发明是一种换热器污垢特性监测方法，其特点是，包含有：人工硬水配置、水浴温度的建立、污垢实验、数据的测量、工质元吸热量的计算、更换实验管和改变实验工质的流速等步骤，将不锈钢材质的实验管装入实验系统；启动变频水泵，将工质送至实验管段，进行热交换，吸收热量；将在线测得的工质的温度、流速等参数，连同实验管参数等代入工质元单位时间吸热方程，通过绘制工质元吸热量曲线，反映了该实验管污垢特性随时间变化的趋势。使用时，启动在线监测系统，采集实验管入口温度、出口温度，流速等信号，将信号输入计算机，计算工质元吸热量。具有方法科学合理，切实可行，实际应用价值高，能够快速、准确的对换热器污垢特性进行监测的特点。
【IPC分类】G01N25/20, G01N25/72
【公开号】CN104897725
【申请号】CN201510334166
【发明人】文孝强, 徐志明, 王建国, 孙灵芳, 曹生现, 张艾萍, 辛宏伟
【申请人】东北电力大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
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