动态模拟试验装置的回顾与展望（二）

本文发表于《2020年中国工业水大会》，由于篇幅较长，分批给大家分享。

3【分析与讨论】

这些问题的背后有更深层次的技术因素根源，以下进行分项的讨论。

3.1 热交换强度

标准定义“冷却冷却水动态模拟试验方法是在试验室给定条件下，用常压饱和蒸汽加热模拟换热器……”，同时标准又规定“热介质为常压下饱和蒸汽，对于换热强度小的试验，也可以使用热水作为热介质”，但标准中未提到热水的温度控制的方法或要求。

据调查，实际在销售和使用的动态模拟装置，绝大部分都是用常压饱和蒸汽作为热介质，仅有自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所开发的SWD-2型海水循环冷却动态模拟试验装置使用热水作为热介质。

对比实际工况，火力发电企业的凝气器的蒸汽温度通常在40~50°C；而冷冻机的冷媒换热时温度50~70°C。常压饱和蒸汽的温度约在99~101°C之间，这将导致动态模拟装置试验管与冷却水接触的金属表面温度要比实际工况中高很多，靠近金属表面的冷却水薄层的局部温度升高，对化学结垢的行为影响很大。《GB/T 50050-2017 工业循环冷却水处理设计规范》中规定：设备传热面冷却水侧壁温不宜高于70 °C。动态模拟试验的初衷，是根据目的模拟需实际现场的换热强度。目前市售的动态模拟装置，在热交换强度选择的范围上相当狭窄，不能满足试验目的。

在常见的动态模拟试验中，进水温度约在25~30°C出水温度，换热器进出水温差在10~12°C。换热管单根内径Φ10mm×1mm或Φ19mm×2mm，有效换热长度多为50~65cm。试验管的数量通常为一根。在这样的配置下，试验管换热面积小，也无法进行对比试验，以减小偶然因素带来的影响。为了实现平行验证，有厂家推出了双路动态模拟装置，也有用户索性就购买两套单路系统使用。

3.2 冷却水入口温度调节精度

标准要求模拟换热器入口水温进行自动测控，其精度为±0.2 °C。我们查阅了在售的动态模拟装置的说明书，多数控制精度为±0.5°C，少量能达到±0.3°C，但并没有发现能达到标准要求的产品。我们收集到的6家用户的8个动态模拟试验报告中，仅有一个报告中给出的温度的实时数据，其它均以类似“冷却水进口温度32±1°C，冷却水进出口温差10±1°C”的描述给出的约定范围。

图2. 某动态模拟试验的实际温度记录

标准并未对冷却水出口温度的调节方式进行规定，但在其流程示意图中（图1），显示有安装在模拟冷却塔底部的电动风门，这也是绝大多数动态模拟装置所采用的温度调节方式。在我们的调查中，电动风门的有效性也是用户广为诟病，可调的范围小，故障率高。在恒定的气温条件下，通过风门调节可以带来的冷却水入口温度温度变化不超过2°C。考虑到大部分装置热介质为常压饱和蒸汽，温度不可调，冷却水入口温度通过电动风门调节能力弱，就造成了装置可模拟的温差范围狭小。图3以热介质温度和冷却水进出口温差组成的坐标系统展示了目前的动态模拟装置的工作空间与用户期望实际模拟的工作空间的对比。

图3. 动态模拟试验温度工作空间示意图

3.3 流速控制精度

标准要求对冷却水的流量进行自动控制，精度为流量的±1%。我们在调研过程中收集的8份动态模拟报告中有7份没有体现流量的实时数据，而是以一个预设值为计算依据；另有一份提供的瞬时流量数据显示，目标为180L/h，最大测量数据0.20m3/h，最小0.17m3/h，波动高达10%，甚至有个别数据为0.11m3/h。类似温度控制的情形，标准也没有规定流量控制的方式，但从结构示意图与市场可供的产品来看，主要采用电动调节阀来实现控制。

图4.由流速变化带来的热阻变化

冷却水与热介质在进行热交换过程中，除了金属管壁和污垢造成的热阻外，由于冷却水流速变化造成的不同湍流形态变化而产生的总热阻的贡献完全不可忽视。《GB/T 50050-2017工业循环冷却水处理设计规范》规定“设备传热面水侧污垢热阻值不应大于 3.44×10-4m2K/W”。如图2所示，当其它条件维持不变，冷却水流量从1200L/h增加到1300L/h，相应的流速由1.0m/s上升到1.08m/s，系统的总热阻下降了0.3×10-4m2K/W，占到了允许污垢热阻的9%。

这背后的原因是不同流速下，水膜的热阻在发生变化，如图5所示。

图5.换热管总热阻的构成[1]

很多用户提到试验中出现了负值的污垢热阻，更多的用户提到了污垢热阻的波动与非单调特性，如图6中的污垢热阻数据所示。

图6. 两个动态模拟实测的污垢热阻图

在动态模拟试验过程，特别是水质比较恶劣时，由于循环泵和管壁污垢、过滤器污堵可能导致流速下降，由此产生的总热阻变化是不容忽视的，切不能将此变化归结为污垢热阻。这些现象都与流量控制的有效性有很大的关系。提高动态模拟装置的流量控制精度，将有效地提高污垢热阻的测量精度。

另一个角度看，循环水对金属表面的腐蚀程度受到流速的影响非常大，《GB/T 50050-2017工业循环冷却水处理设计规范》规定循环冷却水管程流速应大于1.0m/s。目前检测的方案多数为单根径内径Φ10mm×1mm试验管的条件下，如果控制试验管内流速为1.0m/s，此安装条件的总流量仅为180L/H。而与之串联的挂片架管道多为DN25，冷却水流动速度经常流速只有0.2~0.5m/s，达不到常规要求的0.5~1m/s，还有些挂片直接安装在集水箱中，则流速更低。受到这些制约，也不能有效的模拟现场水处理所处在的流速条件，而造成过于保守的判断结果。

-未完待续-

关注我们的公众号，随时拨打400-6265-007，看看水云踪能为您做什么。

                                                                             水云踪智控

服务热线 400-6265-007

www.ShuiYunZong.com