超声波水处理性能的实验研究 孙双月.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143554 超声波水处理性能的实验研究 孙双月 陈永昌* 赵阳 马重芳 （北京工业大学 环境与能源工程学院 传热强化与过程节能教育部重点实验室， 传热与能源利用北京市重点实验室，北京100124） (Tel：010Email：) 摘要：本文采Ca2+的析出。 关键词：超声波；阻垢；； 在工业换热设备中，因水作为常用冷却工质而导致结垢现象十分普遍。污垢的存在不仅明显降低传热性能、增加能量消耗，而且缩短设备使用寿命，并引发安全事故。对换热设备进行有效的水处理，减少污垢的影响并抑制污垢的形成，对于换热设备的运行具有现实的意义。 目前，最成熟的抑制污垢的方法是投加化学试剂，但易对设备及环境造成二次污染。随着水资源的日益短缺和环境保护的需求，电磁水处理，超声波水处理等物理方法则应运而生。其中超声波水处理技术的研究和应用始于20世纪50年代，超声波具有低能耗、低成本、无污染等特点，目前在锅炉水处理、设备清洗等方面得到广泛应用刘翠芬[]对超声波的防垢机理进行了分析现场使用证明超声波防垢器既能防止积垢的生成又能破坏有积垢，具有较好的防垢效果。[2]通过研究证明超声波具有明显抑垢能力。20kHz的超声波对硬水进行2s处理，即可有效抑制碳酸钙在加热壁面的结垢，抑垢率达90%以上。傅俊萍等人[3]研究了超声波功率对阻垢、除垢的匹配关系，当超声波频率为28KHz时，功率在200W 以下具有抑垢效应，功率大于200W具有除垢效果，并且除垢效果与波声波功率成正比。马志梅等人[4]研究了超声波对循环水系统的影响，随着超声波处理时间的延长，溶液中钙离子浓度和总碱度逐渐降低，溶液PH略有增大，同时超声波对溶液中析出的CaCO3 晶体的形态有一定影响。张鹏[5]用超声波净化含油污水，证明当初始浓度较低时，污水的除油效果较好，且声强、辐照时间和频率是影响超声污水除油效果的主要因素。董贞君等[6]用超声波对某制造厂的污水及污泥进行处理得出超声波处理提高了沉池剩余污泥的沉降速度，其中经2860W、5s[7]进行了高炉循环冷却水的超声波处理研究，表明超声波频率的主要作用，并认为在超声频率30kHz，循环水流速0.6m/s，超声功率为400W时具有最好的处理效果。 超声波作为有效的清洗手段，已得到广泛应用，但其于工业冷却水的处理过程还缺 乏实验的可靠验证，作用机理也不够清楚。本文在已有研究的基础上，利用传热过程实时测量系统，以28KHz超声波作用于冷却水，实验考察超声波的作用对于传热过程的影响，以期为工程应用提供参考。 1实验装置 传热实时监测系统由换热段、冷水环路、热水环路、冷却系统和测控装置组成，如图1所示。 图1 污垢热阻动态监测装置示意图 Fig.1Schematic diagram of on-line monitoring apparatus of fouling resistance 传热部分采用套管式结构作为实验段，其有效换热管长0.7m。内管选用光滑铜管，外套管采用不锈钢，实验时热水(去离子水)和冷水(人工硬水)在实验段换热，之后于铜管外表面结垢，中间部分采用透明玻璃管，实现了结垢过程的可视化。冷水换热后进入热交换器，与来自地源热泵的冷冻水进行换热以维持实验段入口温度的恒定。实验系统的参数采集和控制由一套测控装置完成，详见文献[8]。 进行实验时，预先设定地源热泵的冷冻水温度，然后打开循环水泵及热水箱的加热电源。调整冷、热水流量和实验段冷、热水进口温度至预定值。达到稳定工况之后，向冷水箱中加入人工硬水(按CaC12和NaHCO3摩尔比1:2配制)，来进行不同水质，水温下超声波效果的分析比较实验。 根据测量数据，可计算得到污垢热阻： （1） 和分别为实验段结垢及清洁状态下的总传热系数，W/（m2·K）。 （2） 为水的比热容，J/（kg·K）为冷水的质量流量，kg/s；为冷水进出口温差，℃；为实验段中铜管的外表面积，m2；为实验段冷、热水进出口温度的对数平均温差，℃。 由此，可计算出相应的阻垢率： （3） 和分别为有、无超声波作用时的污垢热阻，m2·K/W。 2 实验结果及分析 实验中通过改变冷却水的硬度和温度，考察冷却水传热特性的