（控制理论与控制工程专业论文）热水器污垢在线监测及其优化清洗.pdf

摘要 摘要 热水器是现代家居普遍使用、耗能巨大的电气设备之一。当前和今后一个 时期，中国能源安全问题的形势十分复杂。自2 0 0 3 年开始，中国。电荒”，“水 荒”，“燃气能源紧张”，席卷了大半个中国之后。中国在“开源”和“节流” 两个层面，特别是“节流”方面更是倾注全力，以缓解能源对经济社会发展的 制约。众所周知，热水器是家电产品的能源消耗大户，其换热器污垢所造成的损 失作为节能的重点对象之一尤为广大消费者和生产企业所重视。但由于污垢产 生条件、影响因素及作用机理的复杂性，目前很难用一个数学模型对其进行准 确的描述。因此研究一种对热水器污垢进行实时监测的方案来减轻热水器污垢 危害这一问题显得尤为重要。 导师及其课题组通过在d e l p h i 7 0 平台上成功地实现了热水器换热面污垢热 阻自动在线监测和实时数据显示。基于这些数据的整理分析，从而获取热水器 换热面污垢非线性特征，这对于揭示污垢形成机理、改进污垢的在线监测技术、 寻求最佳对策都是极其有意义的。本文的主要工作便是针对上述需求而确定的。 本文主要内容为： 。 1 本文通过对一使用8 年的旧热水器换热面传热热阻的实测结果进行分析， 发现热水器换热面的污垢并不如人们原先想象的“家用热水器用的是自来水， 污垢问题可不必考虑”那样；为了能以最简便易行的方法定量显示热水器换热 面污垢的变化，本文利用大空间自然对流换热的实验关联式和污垢热阻定义式， 建立起储水式热水器加热面污垢热阻随热水器远端温度变化的关联式，以此关 联式为据，通过热水器远端温度的在线监测来显示加热器表面的污垢的积聚状 态，相应将上述关联式称作“储水式热水器加热面污垢热阻监测模型”；水质 和垢样的对比分析则可揭示污垢增长速率与水质参数间的定量关系。 2 基于储水式热水器加热面污垢热阻监测模型，利用工业控制计算机或单 片机对热水器远端温度进行周期性数据采集和数据处理，研制了“热水器换热 面污垢热阻监测系统”。 东北电力大学硕士学位论文 3 基于热水器加热面污垢热阻实时检测数据，建立了热水器加热面污垢能 耗数学模型；根据热水器能耗监测确定了热水器加热面污垢的最佳清洗时间， 并进而据以估算热水器污垢对策的潜在节能价值。 关键词：热水器加热面污垢热阻热水器能耗 a b s t r a c t 1 1 1 ew a t e rh e a t e ri so n eo f t h eu n i v e r s a l l yh o m eu s e de l e c t r i c a le q u i p m e n t , w h i c h c o n s u m e sh u g ee n e r g y c u r r e n ta n dt h en e x tt i m e ，t h es e c u r i t yp r o b l e mo fe n e r g y s o u r c e so fc h i n aw i l lb ee x t r e m e l yc o m p l e x s i n c e2 0 0 3 ， t h ee l e c t r i c i t ys h o r t a g e ”， t h ew a m rs h o r t a g e ”，a n d ”t h ef u e lg a se n e r g ya b s e n c e ”，h a v es p r e a dt h r o u g hm a j o r i t y o fc h i n a i n ”b r o a d e ns o n r c e so fi n c o m ea n dr e d u c ee x p e n d i t u r e ”t w os i d e s ， e s p e c i a l l yi n t h et h r o t t l e ，c h i n ad o e si t sb e s tt oa l l e v i a t et h er e s t r i c t i o nt h a tt h e e n e r g yd o t ot h ed e v e l o p m e n to f t h ee c o n o m i cs o c i e t y e v e r y o n ea l lk n o w s t h ew a t e r h e a t e ri se l e c t r i c a le q u i p m e n tt h a tc o n s u m e sh u g ee n e r g y t h ef i l t hi nt h eh e a tt r a n s f e r o fw a t e rh e a t e rm a k e st h ee l e c t r i cq u a n t i t yl o s sa m o n gt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n , w h i c hi s e s p e c i a l l yt h o u g h tm u c ho fb yt h eg e n e r a lc o n s u m e r sa n dt h ep r o d u c t i o n e n t e r p r i s e s b u tb e c a u s et h ef o u l i n gc r e a t e sc o n d i t i o n ，t h ei n f l u e n c ef a c t o ra n dt h e a c t i o nm e c h a n i s mc o m p l e x i t y , i ti sv e r yd i f f i c o l tt oc a r r yo nt h ea c c u r a t ed e s c r i p t i o n w i t ham a t h e m a t i c a lm o d e l t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c has o r to f s c h e m e , w h i c hc a r r i e so nt h er e a l - t i m eo n l i n em o n i t o rt ot h ew a t e rh e a t e rf o u l i n g , t o r e d u c et h eh a r mo f w a t e rf o u l i n g m y d i r e c t o ra n dt h ep r o j e c tg r o u ph a v es u c c e s s f u l l yr e a l i z e dt h ef o u l i n gi nt h e s u r f a c eo fh e a tt r a n s f e ro fw a t e rh e a t e rr e s i s t a n c ea u t o m a t i co n l i n em o n i t o ra n dt h e r e a l - t i m ed a t ad e m o n s t r a t i o ni nt h ed e l p h i 7 0p l a t f o r m b a s e do nt h e s ed a t a r e o r g a n i z a t i o na n a l y s i s ，g a i nt h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co f w a t e rh e a t e rh e a tt r a n s f e r s u r f a c ef o u l i n g ，w h i c hh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od i s c l o s u r ef o u l i n gf o r m i n g m e c h a n i s ma n di m p r o v e m e n tf o u l i n go n l i n em o n i t o rt e c h n o l o g y ，a n dt os e e kt h eb e s t c o u n t e r m e a s u r e t h ep r i m et a s ko ft h i sa r t i c l ei sd e c i d e da c c o r d i n gt ot h ed e m a n d s a b o v e n i sa r t i c l e p r i m a r yc o n t e n t sa r e ： ( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et e s tr e s u l to fw h i c hi ti su s eo fa n8y e a r so l d w a t e rh e a t e rh e a t i n gh e a tr e s i s t a n c e ，f i n dt h a tt h ew a t e rh e a t e r sh e a t i n gf o u l i n gi sn o t a sp e o p l et h o u g h t “d o m e s t i cw a t e rh e a t e r su s et a pw a t e rs of o u l i n gq u e s t i o nw i l lb e n on e e dc o n s i d e r i n g ”t oa s c e r t a i nt h em o s tc o n v e n i e n tw a yt ot h ew a t e rh e a t e r s h e a t i n gs u r f a c ef o u l i n gc h a n g e s ，t h i sa r t i c l eu s e t h eb i gs p a t i a ln a t u r a lc o n v e c t i o nh e a t m 东北电力大学硕士学位论文 t r a n s f e rd e f m i t i o nf o r m u l aa n dt h ef o u l i n gr e s i s t a n c ed e f i n i t i o nf o r m u l at oe s t a b l i s h t h ew a t e rh e a t e rh e a t i n gs u r f a c ef o u l i n gr e s i s t a n c ea l o n gw i t ht h ew a t e rh e a t e rf a r - e n d t e m p e r a t u r ec h a n g i n gc o n n e c t i o nf o r m u l a a c c o r d i n gt o t h i sc o n n e c t i o nt h a tc a n d e t e r m i n et h eh e a t e rs u r f a c ef o u l i n ga c c u m u l a t e ds t a t et h r o u g ht h ew a t e rh e a t e r f a r - e n dt e m p e r a t u r eo n l i n em o n i t o rf o u l i n gr e s i s t a n c e t h i sc o n n e c t i o nf o r m u l ai s e n t i t l es t o r a g e - t y p ew a t e rh e a t e r sh e a t i n gs u r f a c ef o u l i n gr e s i s t a n c em o n i t o r i n gm o d e l c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fw a t e rq u a l i t ya n df o u l i n gq u a l i t yc a l ld i s c l o s et h ef o u l i n g i n c r e a s i n gr a t ea n dt h ew a t e rq u a l i t yp a r a m e t e rr e l m i o n ( 2 ) b a s e do nt h ew a t e rh e a t e rh e a t i n gs u r f a c ef o u l i n gr e s i s t a n c em o n i t o rm o d e l ， u s ei n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ro rt h em o n o l i t h i cc o m p u t e rt oc a r r yo u tt h e i n t e r m i t t e n c ed a t ac o l l e c t i n ga n dt h ed a t ah a n d l i n go nt h ew a t e rh e a t e rf a re n d t e m p e r a t u r e ，h a v i n ge x p l o i tw a t e rh e a t e rh e a t i n gf o u l i n gr e s i s t a n c em o n i t o rs y s t e m ( 3 ) b a s e do nt h ew a t e rh e a t e rh e a t i n gf o u l i n gr e a l - t i m ed e t e c td a t a ，p u t t i n g f o r w a r dt h ew a t e rh e a t e rh e a t i n gs u r f a c ef o u l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nm a t h e m a t i c a l m o d e l ，h a v i n gb u i l tw a t e rh e a t e rh e a t i n gf o u l i n ge l e c t r i cq u a n t i t yl o s sm o n i t o r st o a s c e r t a i nw a t e rh e a t e rf o u l i n gc l e a n i n gt i m e a n da c c o r d i n g l ye s t i m a t ew a t e rh e a t e r f o u l i n gc o u n t e r m e a s u r ep o t e n t i a le n e r g yc o n s e r v a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：w a t e rh e a t e rh e a t i n gs u r f a c e ；f o u l i n gt h e r m a lr e s i s t a n c e ；w a t e r h e a t e re n e r g yc o n s u m p t i o n 主要符号表 拉丁字母符号 主要符号表 努赛尔数实验关联式系数 比热容为k j ( k g k ) 直径，m 单位面积上的沉积质量增量，k g 重力加速度，m s 2 对流换热系数w ( m 2 k ) 常数 污垢导热系数，w ( m 2 k ) 沉积率，k g ( m 2 s ) 单位面积上的污垢沉积质量，妇 剥蚀率，k g ( m 2 s ) 努赛尔数实验关联式指数 努塞尔g n u s s e l t ) 数 热水器额定功率，k w p r a n d t l 数 热流密度，w m 2 对流热阻，m 2 k w v c 勺d 砌， g 七 辞吒 豫 甜 疗 盹 p 抑 g 恐 东北电力大学硕士学位论文 雷诺数 污垢沉积层热阻，m 2 k w 流体总体温度( 按体积平均) ，k 污垢沉积层与流体界面处的温度，k 流体总体温度( 按体积平均) ，k 总传热系数，w ( m 2 k ) 希腊字母符号 口 体积膨胀系数，k - 1 磊 污垢层平均厚度，r a 名 导热系数( 导热率) ，w l ( m k ) y 运动黏度，k g ( m s ) p 密度，k g m 3 , o f 污垢密度，k g m 3 臼时间，h 或s v i 勋 彤乃 乃 乃 u 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名；i ! 蕴日期：兰! ! !年兰月兰厶日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名； 导师签名； 日期：呈竺! 年三月卫日 日期：曼! ! z 年三一月兰；乙日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 所谓污垢是指在与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态或软 泥状物质，它通常以混合物的形态存在。固体表面从清洁状态到被污垢覆盖的过 程，也就是污垢的积聚过程，人们常称之为结垢或污染【i 】。污垢是一种极为普遍的 现象，它广泛存在于自然界、日常生活和各种工业生产过程中。它是个非常 复杂的物理、化学过程，是能量、动量和质量传递的综合。在很多情况下，它 还包含有化学动力学、碳酸盐的形成及溶解、材料的腐蚀以及微生物的繁殖， 再加上不同形态污垢之间的相互作用，这些使得污垢是多种参数的随时间而变 化的函数。 换热设备是工业生产中最常见的热工设备之一。它不仅是保证工艺流程和 条件所广泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实现热回收和节约能源 的主要设备。它广泛应用于国民经济的各部门，涉及的行业包括动力、化工、 石油、冶金、核能、航天航空、食品、纺织、供暖、制冷等等。据调查9 0 以 上的换热设备都存在不同程度的污垢问题。由于污垢通常是热的不良导体，其 热导率一般只有碳钢的几十分之一，它的存在使换热设备的传热能力降低、流 动阻力增加，由此造成一系列经济损失。同时，换热面上污垢的积聚，还常常 引起局部过热或超温而导致机械性能的下降；污垢的形成还会使金属设备的表 面形成氧浓差电池，造成金属垢下腐蚀乃至穿孔。这些都严重地威胁着换热设 备的安全运行。 纵观当今工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重的，据美、英和新西兰的调 查，换热设备污垢给工业发达国家所造成的损失平均占国民生产总值的o 3 。如 果按照这个比例计算，2 0 0 5 年欧盟的国民生产总值为1 2 9 5 5 3 7 亿美元，美国国民 生产总值为1 2 4 8 6 6 2 4 亿美元，我国国民生产总值为1 7 7 2 7 2 4 亿美元。则污垢带 给这几个国家的损失分别高达3 8 8 6 6 1l 亿美元，3 7 4 6 亿美元和5 3 2 亿美元。对 东北电力大学硕七学位论文 我国这样的发展中国家，由于许多换热设备相对比较落后，环境污染对冷却介质 的污染严重，污垢造成的实际损失可能更高些。为了抵消或减小污垢对换热设备 的不利影响，人们采取了一系列的措施，但这些措施的实施不可避免地增加了 换热设备的总投资：初期投资的增加，需要增加冗余面积、备用容量，提高材 料要求和结构要求，增设清洗设备；能量消耗增加，污垢的影响引起燃料消耗 的增加；维护清洗费用增加；产品产量降低等。 污垢造成的危害是如此之大，促使各国学者们进行了多方面的研究。目前 虽然污垢方面的研究有了长足的发展，在污垢的形成机制和预测模型、污垢监 测技术和设备的开发、污垢的对策研究上取得了很多成果，但是由于污垢产生 条件、影响因素及作用机理的复杂性，目前很难用严格的理论分析以提出一个 普适的、精确表征污垢特性的理论模型。另一方面，由于污垢特性的可靠数据 不足( 如污垢沉积层的厚度、密度、成分、熟导率和它与壁面的附着力等) ，即 使有了满意的模型也无法得到很好的应用。本人通过研究储水式热水器污垢形 成机理。测得了大量污垢热阻增长数据，从已知数据和试验结果中寻求污垢的 规律提出了储水式热水器污垢监铡系统和经济清洗技术。这对储水式热水器的 节能有很大的知道意义，也为换热面污垢特性的在线监测提供了有价值的参考。 本文的选题便是针对上述需求而确定的。 1 2 国内外污垢研究的发展现状 早在二十世纪二十年代以前，就有关于污垢的观察和研究。二十世纪三十 年代。由于换热器设计的需要，s i e d e r 提出了污垢系数( 即污垢热阻) 的概念 2 】。 1 9 4 1 年，污垢系数被列入美国管式换热器制造商协会( 骶! m a ) 标准。1 9 5 9 年 k e r n 和s e a t o n 提出了结垢是由沉积和剥离两个过程共同作用的结果，提出了著 名的污垢分析模型 3 , 4 1 。1 9 6 0 年美国传热研究公司( h t r i ) 组织指导传热学各领 域的研究工作时，污垢被列作了主要研究领域之一，开始了管壳式换熟器冷却 水侧污垢问题的研究计划；开发了一种污垢测量技术，并用它获得冷却塔水、 海水和原油的污垢特性数据。1 9 6 2 年，h a s s o n 提出了预测c a c 0 3 结晶的数学模 型p j 。此后，污垢研究的文献显著增多。但直到二十世纪七十年代初，污垢仍然 被称作“传热学中未解决的主要问题”。对于这以前的污垢研究的迸展，1 9 9 0 第1 章绪论 年，s o m e r s c a l e s 作了比较详细的评述。他将换热设备污垢作了一个较为严格的定 义：换热面上妨碍传热和增加流体流过换热面时的阻力的沉积物【6 】。这一定义列 举了换热面污染的两个基本属性：对传热的阻碍和增加流体流动的阻力前者可 用热阻来量化。因为污垢通常都是热的不良导体，其导热率一般只有换热面主要 用材碳钢的数十分之一和铜等热的良导体相比，差别就更大了。一旦换热面上 有了污垢流体与换热面之间的传热热阻的增加称之为附加热阻或者称为污垢热 阻。 第六届国际传热大会上，e p s t e i n 对1 9 6 0 1 9 7 8 年间的污垢研究成果作了全 面的阐述 7 1 。接着，1 9 7 9 年召开了第一次换热设备污垢的国际学术会议，基于 e p s t e i n 的分类，集中研究了各类污垢的共同特性，为发展一个统一的污垢理论 奠定了基础。污垢的研究在1 9 8 7 年的n a t o 会议上继续取得进展，文献【s 】将污 垢研究状况进行了评述，对污垢研究的发展大有帮助。此后，还召开了各种专 题讨论会。1 9 9 5 年，在美国召开了有关污垢的国际学术会议【9 】，研究的重点是减 缓污垢。1 9 9 7 年，在意大利又召开了一届国际学术会议，继续关注于污垢的处 理和监测技术【姗。1 9 9 9 年，加拿大的国际学术会议关注的焦点是新的监测技术、 表面处理技术和新的污垢对策【“】。 现在的污垢研究基本上是沿着三个方向向前发展的【l 】：一是对污垢的形成过 程进行理论分析和实验研究，试图为换热设备的设计者和运行人员提供一个通 用的准确而又便于应用的预测模型；二是污垢监测技术的开发研究；三是污垢 的对策研究。 污垢的理论分析和实验研究方面：1 9 5 9 年，k e r n 和s c a t o n 提出了k e r n s e a t o n 污垢分析模型 3 , 4 1 。他们用常微分方程来描述污垢热阻随时间的变化这一现象是 由沉积率和剥蚀率决定的，只要给出沉积率和剥蚀率，以及各影响因素的表达 式，就可准确地预测污垢随时间的变化。他们的工作将污垢研究引上了科学的 轨道。但这个模型基于如下假定：污垢成分和特性沿换热面和沿污垢层厚度方 向分布均匀。实际上，污垢的形成是一个很复杂的随机过程，实际换热设备中 各处的流场、温度场和表面特性的差异，必然会导致污垢的成分和特性分布的 不均匀，所以这种假设在一定程度上导致了模型与实际情况的差异。目前很难 以严格的理论分析提出一个普适的，精确表征污垢特性的理论模型。通常的办 东北电力大学硕十学位论文 法是在k e r n s e a t o n 模型基础上，做一些简化假设，所不同的是沉积率和剥蚀率 的表达式2 】。其中有污垢热阻随时间线性增长模型，它是在假定热流密度不变 的情况下导出的：幂律污垢模型，它假定污垢沉积率与温差的盯次幂成正比；降 率污垢模型：它通常发生在沉积率大于剥蚀率的情况，是在假设热流恒定的情 况下导出的；在假定沉积率为常数，剥蚀率与污垢沉积量成正比的前提下导出 的k e m s e a t o n 渐进污垢模型等许多模型。 杨传芳指出k e r n s e a t o n 模型的缺点是在微观机制上不能用来解释污垢的形 成过程【1 3 】。徐志明利用湍流猝发理论导出一个微粒污垢的分析模型【1 4 1 ，该模型 与g u d m u n d s o n 提出的基于k e m s e a t o n 方法模型【1 5 】相似，但所包含的待定系数 少，所需要测取的参数易于测量，更易于使用。 但是研究污垢的这种确定性的方法不能真实反映易于结垢换热器的状况。 决定诸多内外因的复杂性使得很难准确应用这些确定性模型预测污垢的增长。 而且在理论和在实验室及工业实际应用中观察到的结果有实质上的偏差。并且 在应用这些模型时有如下几方面的限制【1 6 , 1 7 ：在许多传输和化学动力过程中缺少 必要的信息，尤其当涉及剥蚀机制时，特别是没有反应率，粘附力，传质率， 和污垢沉积特性如沉积密度、热导率和营养扩散的精确的信息；再者这些模型 本身的相互关系易于简化假设( 以至于得到数学方程) ，造成在换热器的设计和 运行等实际应用上犯实质性预测上的错误。 z u b a i r ( 培】等进行了多次重复性的实验研究，终于在这个问题上有所突破 2 5 1 ： 这种矛盾现象是由于过程的不确定性引起的。并阐明污垢热阻是一个随机过程 应以风( 0 = 妒( 4 ，b ，f ) 的形式来描述，所不同的是所有不确定的累积影响都隐含 在整个模型的参数中。污垢模型的这种描述给研究污垢模型提供了一个简单的 概率方法，也解决了上述问题，有重大的实用价值。 污垢热阻随时间的分布的这种演变可以被污垢热阻的样本分布函数所确 定，每个样本函数都表示这个过程的一个实现。为理解这一概念考虑换热器有 多根管，管的污垢热阻现象有显著的分散。这种分散或者说随机性，是由几种 原因造成的，其中一些原因如下【1 9 】：换器流体流动分布紊乱；流速在额定值上 下变化和波动；压力在额定值上下变化和波动；表面温度在额定值上下变化和 波动；化学污染物的扰动；环境因素的波动；管材金属特性的变化；表面层的 _ 4 第1 章绪论 变化：由于制造和组装，换热嚣管初始质量特性的波动。 因此很明显，每个换热管都有它自己的污垢增长曲线。然而，由于如上面 所描述的随机性的原因，污垢模型中的参数被视为具有随机性。 b e 提出了一种基于概率统计的数学模型，用这个模型可预测污垢的生长过 程【2 0 l 。这个模型主要优点就是可在污垢形成过程中根据情况来调整修正任何热 力参数的值。 a n j o r i n 和f e i d t 提出一个熵标准f 2 1 1 ，不仅考虑了污垢对传热的影响同时考 虑了对压降的影响。 s y l v a i nl a l o t 和s t e p h a n el e c o e u c l e 提出了一种耦合的神经网络来监测污垢热 阻瞄】。分析过程分为两步：第l 步为在线识别，第2 步为分类。其中每一步都要用 一个神经网络，并且第1 个网络的连接权值是第2 个网络的输入。在在线识别的 过程中运用了一个多输入单输出( m i s o ) 神经网络，并用神经网络输出差模型 ( n n o e ) 确定网络结构。在分类的过程中采用了具有无监督、自组织学习能力的 改进c d l 神经网络对可能出现的1 7 种情况划分，即正常工况，4 个结垢阶段，4 个流体粘度改变情况以及8 种结垢和粘度改变的组合情况。这种神经网络不仅可 7 以根据输入参数确定当前换热器结垢情况，还可以分辨出总传热系数降低是由 于污垢引起的还是由于粘性作用引起的。 p r i e t o mm 等提出用一种非全连的前向神经网络来预测海水冷却的电厂冷凝 器性能( 即换热量q 、总传热系数嘲洁净系数f c ) 的方法1 。洁净系数是结垢状 态的总传热系数与清洁状态总传热系数之比，因此可以通过监测洁净系数来监 测冷凝器中污垢发展情况。研究表明，用这种网络预测的换热量q 的均方误差 。很小，对总传热系数泖洁净系数民预测的均方误差分别为1 7 f d 】8 。这些误 差相对于其他原因引起的误差水平是可以接受的，因此这种网络应用在冷凝器 热性能评估中是可行的。 k h a n ms 等根据实验数据提出了以a 1 2 s 1 3 1 6 不锈钢为材料的套管式逆流换 热器为研究对象，以时间、管内径、管子表面温度和雷诺数为参数的c a c 0 3 无量 纲回归污垢热阻模型 2 4 , 2 s 。通过对实验数据和模型预测数据的残差分析确定了在 实验参数的范围内( r e = 9 0 0 1 7 0 0 ，t s = 3 3 8 1 5 3 5 8 1 5 k ，d = 0 0 0 6 4 0 0 1 2 7 m ) 该模型的高度可靠性。此外，还发现在实验范围内管表面温度、雷诺数 东北电力大学硕士学位论文 和管内径对c a c 0 3 结垢诱导期无影响。但微溶c a t 0 3 的浓度以及管子粗糙度对 诱导期有显著影响。 z u b a i r 等和s h e i k h 等从新的视角来研究污垢问题，分析了污垢热阻随时间的 变化规律，这种关系可归纳为线性、幂律、降率和渐近污垢增长。并引入概率 方法，分析污垢增长模型 2 6 - 2 引。这使得污垢研究从纯理论向工业应用迈出了一 大步。z u b a i r 等还进一步简化了上述关系1 2 9 ，导出了它的4 种关系的通用表达式。 并分析了风险系数p 和分散参数a 对管壳式换热器性能的影响。 吴双应等从热力学第二定律的角度出发，在恒壁温工况下分析了污垢对管 内对流换热过程热力学性能的影响；提出了反映污垢对管内对流换热过程热力学 性能影响的指标一单位热量的熵增率f 3 0 】。该指标可以更加全面、综合地反映污 垢对换热传热性能的影响。 程伟良等提出了一种基于质量传递理论的监测模型【3 1 1 ，通过对管内壁温、 出入口压差、流体温度及浓度的测量，进而计算出流体流动生成的总污垢量。 侯迪波等针对间歇换热设备的周期性结垢现象提出了一种基于模糊神经网 络的周期性结垢预测方法口2 1 。把间歇换热设备的周期性结垢分解为可逆垢和不 可逆垢，通过两个多入单出四层模糊神经网络分别学习结垢的短周期可逆垢和 长周期不可逆垢增长趋势，并由两者的组合得到污垢热阻预测值。 齐连惠和张家骅则将人工神经网络方法应用到水质的预测和结垢判断上， 从成垢的主要影响因素出发，建立了比较符合实际运行状况的a n n 模型【3 3 1 。 从污垢模型研究的新进展可以看出，对于污垢问题的研究方法己趋向于多 元化，近年来，应用神经网络、模糊技术和概率统计的方法对污垢进行监测和 预测成为研究的一个新方向。关于污垢机理的研究尽管取得了很大发展，但仍 难用于对实际工业生产的指导。一般的研究都是针对某一种污垢进行的， s h e i k h o l e s l a m i 则对各种污垢问相互影响作了阐述1 3 4 阀。众所周知，事物的准确 预测多基于现象机制的清晰理解和准确把握之上。可是换热设备污垢的形成是 在影响因素众多，动量、能量、质量传递甚至有生物活动同时存在的多相、多 组分流动过程中进行的，其理论基础除传热传质学外，还涉及到化学动力学、 流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、非线性科学以及界面科 学等相关知识，是一个典型的多学科交叉的高度复杂问题，因而机制的清晰理 - 6 - 第1 章绪论 解和准确把握将是一项极为艰深的任务，短期内难以奏效。 1 3 污垢监测技术的发展现状 国内研究者对污垢研究的兴趣主要集中在除垢、抗垢以及污垢监测方法的 实用性研究，对污垢结垢机理和模型的研究则较少。美国传热研究所( h t ri ) 是 最早进行污垢监测研究的机构，其后也有一些研究者开发了污垢监测设备。对 于这些设备，文献【1 】曾做过全面细致的评述。其中多以模拟换热器污垢特性代 替真实设备的结垢情况，且在线的装置不多，其中不用模拟换热器的代表为杨 善让等开发的在线污垢热阻智能监测器【3 6 】。后来，杨善让等在污垢热阻智能监 测器的基础上，开发了动态模拟实际换热器冷却水的流态、水质、金属材质、 换热强度、冷却水进出口温度等主要参数的在线自动监测装置【3 1 ，并用该装置 对多种型号的电磁式水处理器的实时阻垢率进行了评价。结果表明该装置具有 很高的实用性。该监测技术应用了一定的假设和传热学经验公式，难免引入一 定的监测误差。孙灵芳为考察其监测模型的不确定性，应用时间序列分析法对 监测装置在某工况下所得污垢热阻数据的分析、建模和检验，从而论证了该监 测技术的精确性【3 羽。此外，杨善让等人在污垢的形成机理和污垢的预测模型方 面也作了较多工作。如对波纹管的污垢特性的研究【3 9 】，通过对波纹管和光管进 行结垢对比试验表明，在试验范围内，相同的流速下，光管的污垢热阻是波纹 管污垢热阻的3 6 倍，即波纹管的抑垢能力比光管强。对管式换热器内微粒污 垢积聚特性的研究1 4 0 ，通过实验表明积灰随时间呈现渐近特性，并且没有发现 诱导期。同时也考察了流体速度、颗粒直径和浓度对渐近污垢热阻的影响。杨 善让等还用概率方法导出具有初始污垢热阻的污垢预测模型，并用实验验证了 该模型的可用性【4 i 4 2 】。 自从h t r i 开发了第一台污垢实验测量装置以来，由于计算机应用技术的发 展，污垢的监测技术、数据采集系统也有了长足进步，推出了多种类型的污垢 监测装置。对于上世纪8 0 年代之前的一些装置，k n u d s e n ，m e l o 和p i n h e r o 等 曾先后作过细致的介绍和恰当的评述 4 3 】。其后，杨善让、徐志明和孙灵芳在其 2 0 0 4 年出版的专著中对此前的监测技术和装置做了更为详细的分类和介绍【l 】。 近年来，又有一些新的监测技术和装置推出。h o w a r t h 等人描述了一种由英 东北电力大学硕十学位论文 国国家工程实验室( n e l ) 研制的基于模拟换热器热平衡原理的过程监测器，提 出了旨在用于新型装置设计和计算优化清洁周期的污垢监测技术l 辨j 。n o l a n 和 s c o t t 开发了一种旁路监测器( s i d es t r e a mm o n i t o r ，s s m ) ，并已被用于监测核电 站冷却水中的微生物污垢 4 s l 。h a y s 和k n u d s e n 贝l j 对d r e wi n d u s t r i a ld i v i s i o no f c h e m i c a l c o m p a n y 推出的o n g u a r dc f m1 0 0 0 型污垢监测器和p - u - l - s e 分 析仪以及n e d e f l a n d sn o r m a l i s a t i e i n s t i t u t 为建立荷兰的冷却水处理标准而研制的 实验室使用的k ir i g 型污垢监测器进行了描述和评价，指出了各自的适用范围 m 。c h r i s t i a n i 等人介绍了一种专门用于监测生物污垢和氧化物残留浓度的电化 学装置 4 7 1 。b o t t 等人利用近红外线通过生物粘膜的吸收系数不同，在实验室和现 场分别进行了粘膜污垢的监测研究 4 8 , 4 9 。t a m a c h k i a r o w a a f lf l e m m i n g 利用光纤反 射光强度的变化进行了水系统生物粘膜厚度的测量【5 0 挪】，但这种传感器对初始阶 段少量污垢的形成反应不够灵敏，c h a n d y 和s c u l l y 研究的应用变折射率光强调制 原理的光纤监测技术则具有较高的灵敏度，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 ，当超过此数量级光纤传感器输出将出现饱和现象 5 2 , 5 3 。m a i r a l 等人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酬。s a n d e r s o n 等则利用超声波技术 分别监测尼龙微滤膜上的微粒污垢和膜上的有机垢，并且后者得到了与实际观 测结果吻合较好的监测模型【巧闹。n e v i l l e 等人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 5 7 , 5 司。f l e m m i n g 等人利用两台浊度仪设计了一种差分浊度测量装置，并对 某造纸厂不锈钢水循环管路的污垢进行了监测研究【5 9 1 。g l e n 等人利用垢量测管 监测气侧污垢取得了较好效果，并在此基础上研制出了用于高温下测量盐的凝 结垢的垢量测管吲。t e m u 等研制了一种适合监测热流密度和气相横向交叉流场 中圆柱体前、后面污垢积聚的污垢探针，其测试结果与其它一些文献试验数据 具有较好的吻合性【6 l 】。a f g a n 和c a r v a l h o 基于面向对象的理论基础结构，设计开 发了工业换热器污垢评价专家系统和锅炉污垢评价专家系统 6 2 , 6 3 ，来实现结垢过 程的监控、污垢清除的评估和换热器安全性的描述，其完善和丰富可以作为提 高换热器效率和可用性的一种工具。 应该说近十年来污垢监测技术取得了显著的进展，诸如光纤、红外线、超 - 8 一 第1 章绪论 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 置或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监测的还为数不多。因此，开发实时、在线、使用 方便的污垢监测技术和装置仍是我们努力的方向。杨善让等人基于对污垢的多 年研究，提出了污垢在线监测理论，提出了一种以易测参数确定污垢热阻的在 线监测技术【l 】，只需测取所研究流道段上的出入口流体温度、流动压降和壁温即 可确定污垢热阻。这种方法简单易行，所需参数都是易于测取的。 1 4 本文所做的工作 针对一台使用8 年的储水式热水器的大量实验研究，经对测得的污垢热阻 数据进行的分析研究，建立了热水器换热面污垢热阻监测模型，从而对储水式 热水器换热面污垢积聚状态，储水式热水器污垢能耗监测方案都进行了较深入 的分析研究。 、 1 基于大空间自然对流换热的实验关联式和污垢热阻定义式，建立了储水 式热水器加热面污垢热阻随热水器远端温度变化的关联式，该式可作为储水式 热水器污垢热阻的监测模型。 2 在热水器污垢热阻预测模型的基础上制定了相应的热水器污垢热阻在 线监测仪表的软硬件结构。 3 基于换热面污垢在线监测的数据分析，提出了热水器加热器表面污垢能 耗的监测模型，并对换热面污垢导致的热水器能耗增加做出了定量估计。 东北电力大学硕士学位论文 第2 章热水器污垢热阻在线监测模型建立 2 1热水器污垢监测原理 根据所谓污垢是指在与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态 或软泥状物质，它通常都是以混合物的形态存在。污垢的形成是一个很复杂的 动量、能量和质量的综合传递过程【l l o 污垢特性的纯理论分析、预测难度极大， 因而实验研究其形成机理和在线监测技术，成为现阶段的主要发展方向。 污垢热阻在线监测的基本原理是： 通常，表征换热面上污垢沉积量的特征参数有：单位面积上的污垢沉积质 量、污垢层平均厚度岛i 污垢密度乃，污垢热阻碍和污垢导热系数之间 的关系由下式表示【1 l ： 驴告= 6r(2-i) 3 p 每| k f 1 或嘏，= 器= 古哆 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 这种微分形式能较好反映污垢特性沿沉积层厚度方向的变化，而式 ( 2 1 ) 则可认为是假定污垢特性沿沉积层厚度方向均匀分布，或者如果考虑到污 垢层实际结构时，式( 2 1 ) 中的p ，和弓可看作是相对于整个沉积层厚度的平均值。 值得指出的是，同样的沉积质量增量d 加，由式( 2 2 ) 可见，若与壁面接触的介质 参数不同，则会有p ，毒，r ，参数不同的污垢层。 为简便计，设传热过程是在热流密度目为常数情况下进行的，图2 1 a ) 为换 热面两侧处于清洁状态下的温度分布，其总的传热热阻为： l u c = 写。+ 凡+ 足。 ( 2 - 3 ) 第2 章热水器污垢热阻存线监测模型建立 j 壁 凰 t ，洁净 图2 - 1 清洁和