直角弯管硫酸钙污垢沉积特性研究.pdf

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1、第34卷第3期东北电力大学学报Vo1．34．No．32014年6月JournalOfNortheastDianliUniversityJun．，2014文章编号：1005—2992(2014)03—0007—07直角弯管硫酸钙污垢沉积特性研究徐志明，朱宏娟，张一龙2(1．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012；2．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206)摘要：为了研究换热管内析晶污垢的成垢规律，对圆截面直角弯管内硫酸钙沉积特性进行了数值模拟，研究了不同入口速度、入口温度、溶液入口浓度和壁面温度对污垢沉积的影响

2、，得到了硫酸钙沉积率、剥蚀率与污垢热阻随时问的变化规律。关键词：弯管；入口参数；析晶污垢；数值模拟中图分类号：TK124文献标识码：A近年来，由于污垢的巨大危害，换热设备污垢研究已成为一个重要课题。Mayer和Bucko等¨对微热交换器析晶污垢进行了基础研究，得出了其热阻位于10～一10In·K·W之间的结论。P~iakkOnenRiihimaki【]等实验研究了碳酸钙析晶污垢的热阻，并用不确定性分析法分析了实验的不确定性。Flori—allAlbert，WolfgangAugustin等研究了析晶污垢中粗糙度对传热的影响，结果表明，在

3、可控粗糙度范围内，粗糙度的存在是可以提高传热效果的。刘义达，邹勇等研究了表面粗糙度对析晶污垢附着性的影响，他们指出，污垢在试样表面呈现出随机吸附的效果，且粗糙度对污垢的附着有一定的影响，但是这种影响不能本质上改变材料的抗垢性能。赵亮，邹勇等详细研究了温度对换热器析晶污垢的影响，得出了温度既影响析出污垢的类型，还影响析出相的晶格常数和析出粒子尺寸的结论。赵萍，盛健等_6研究了锯齿斜翅管表面析晶污垢初始阶段结垢特性，并与光管做了对比，结果表明，无论是在清洁状态下还是结垢状态下，锯齿斜翅管均比光管有更大的总换热系数、更小的污垢热阻。本文选取常

4、用的直角圆截面弯管换热器为物理模型，模拟了弯管人口参数及壁面温度对硫酸钙析晶污垢沉积特性的影响并详细分析了引起此种现象的原因。1物理模型直角圆截面弯管的物理模型如图1所示。弯管分为两个直管段和一个弯管段，弯管内径D为20mm，曲率半径取实验常用的Rc／D=2，直管段长度L=50mm，极角=90。。2数学模型基于不可压缩牛顿型流体，换热管内流体流动和传热必须满足的各守恒方程的通用形式如下]：(pu)+1·rP)=(ax)+1·(厂rar)+5，收稿日期：2014—03—10作者简介：徐志明(】959一)，男，吉林省九台市人，东北电力大学能

5、源与动力工程学院教授，博士，博士生导师，主要研究方向：节能理论与技术、换热设备的污垢与对策和强化换热．10东北电力大学学报第34卷实验相同的参数进行模拟计算，实验值由文献[13]提供，是在人口速度0．35m／s、人口温度300K、入口浓度1．2kg／m及壁面温度340K的条件下取得的。图4表示了模拟计算所得污垢的热阻值与实验测量．【∞N．昆_oH＼瓣蛙值的对比，图5表示了模拟计算值与实验拟合值之间的相对误差。从图353可3以3看3出3误3差值在开始阶段较大，但是随着污垢的不断增长相对误差逐渐减小，并最终将在10％以内。㈣》l。j}j】j

6、＼爱壤图4污垢热阻随时间的变化规律图5模拟值与实验值之间的相对误差6计算结果与分析6．1入口速度的影响选取四组间隔相等的入口速度，在相同的入口温度300K及入El浓度1．2kg／m、壁面温度340K工况下，得到的污垢沉积特性见图6。3O∞25鼠2．01．5I兰1．02＼基0,5囡《碾00O2040608O1(x】t／ht／ht／h(a】不同入口速度沉积率曲线(b1不同人口速度剥蚀率曲线)不同入口速度热阻曲线图6不同人口速度沉积特性曲线由图6(a)可以看出，即使入口速度之间的差值均匀变化，但是硫酸钙的沉积率却并不随之均匀变化。随着流体入口

7、速度的增加，硫酸钙的沉积率逐渐增加，且人口速度对沉积率的影响逐渐减小，当流体的入口速度增长至0．75m／s后，继续增大流体的人口流速对沉积率几乎没有影响。随着流体入口速度的增加，管壁面与流体的传热作用加强，管内近壁处流体的温度升高，因硫酸钙是反溶解度的硫酸盐，温度越高，饱和溶解度越低，故硫酸钙的溶解度随之下降，则管内主流区域与近壁处流体内硫酸钙的浓度差增加，这导致沉积率随之增大。但是速度继续增加时，受到入口浓度与壁面温度的限制，浓度差不会再发生大的变化，因此继续增大人口流速对沉积率的影响几乎不再发生变化。图6(b)、(c)分别是不同入口

8、速度对硫酸钙剥蚀率与污垢热阻的影响。由剥蚀率模型可以看出，硫酸钙的剥蚀率是流体流度U的1．46次方，因此随着人口速度的增加，剥蚀率的值是逐渐s~DiJ的。随着速度的增加，污垢热阻逐渐降低，这是因为净沉积率随