矩形通道内CaCO3污垢特性研究.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—0001—06矩形通道内CaCO3污垢特性研究徐志明，徐欣，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，北京102206)摘要：采用数值模拟方法研究了矩形通道内CaCO。污垢的沉积过程，分析了CaCO溶液的浓度、速度、温度对污垢沉积率、剥蚀率与污垢热阻的影响。结果表明，CaCO在矩形通道内的沉积率、剥蚀率与污垢热阻随入口浓度的增大而增大，随着入口速

2、度的增大而增大，但是随人口溶液温度的增大而减小。关键词：矩形通道；CaCO污垢；数值模拟；沉积率；剥蚀率；污垢热阻中图分类号：TK124文献标识码iA污垢¨广泛存在于自然界、生产和生活等环境中，尤其是有热交换存在的情况下。在实际生活、生产中，绝大多数污垢是析晶污垢，其中又以CaCO。污垢居多。对于析晶污垢模型，Taborekl2等提出了一个预测冷却水系统的析晶污垢模型；Hasson等在没有剥蚀过程的前提下提出了一个考虑离子组分输运扩散的模型，并基于Kern—Seaton模型利用传质理论模拟了碳酸钙的结晶析出，得到了析晶污垢的分析模型；张进朝l4建立了一个光管内硫酸钙析晶污垢形成过程的

3、数学模型，这些学者的研究为后来学者对析晶污垢的研究奠定了理论基础。近几年，赵亮，邹勇等利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段研究了温度对碳酸钙析晶污垢形成类型与微观结构的影响，认为温度不但影响析出的碳酸钙污垢的类型，也影响析出相的晶格常数和析出粒子尺寸，但是没有讨论流体浓度和速度的影响。盛健等运用实验的方法研究CaCO，析晶污垢在黄铜和紫铜表面的生长特性，李隆键，董相禄等对不同摇摆工况下窄矩形通道流体的流动与传热特进行数值模拟，还有很多学者对污垢的沉积过程以及影响因素进行了研究，但是，对矩形通道内热流对析晶污垢沉积的影响的数值模拟，则很少有人研究。本文将针对这一问题进行深

4、入探讨，运用FLUENT软件对矩形通道进行三维模拟，通过改变过饱和CaCO溶液的浓度，温度和速度，对其污垢特性进行比较分析。1污垢模型1．1物理模型物理模型采用长1200mm，宽45mm，高30mm的矩形通道。管内工质为过饱和CaCO溶液。1．2数学模型若要实现析晶污垢的数值模拟，首先要得到管内充分发展的流场、温度场等的分布，根据工质流动特性，三维，无内热源，不可压缩流体，建立其对应的连续性方程、动量方程、能量方程和传质方程。这些方程均可以表示成一种简洁的通用形式：收稿日期：2014—03—10基金项目：国家自然科学基金资助项目(51076025)作者简介：徐志明(1959一)，男，

5、吉林省九台市人，东北电力大学能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．2东北电力大学学报第34卷+出++：旦(厂)+(厂)+旦(厂)+S。(1)addyada戈daaa其中：p为流体密度，为通用变量，I1为对u，，，k，￡，T，C扩散系数，5为各变量对应源项，其表达式在文献[15]中均可查找。运用FLUENT软件对矩形通道进行三维化数值模拟，对矩形通道的网格划分采用三角非结构化网格，方程离散采用二阶迎风差分格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法。由于本文所模拟的工况流体均为紊流，因此紊流模型采用标准k一模型，其参数列于表1

6、。不考虑重力因素，且壁面绝热。表1七一￡两方程模型系数[’]1．3污垢沉积模型由于CaCO在矩形通道内以其浓度梯度为其传输动力，则沉积率可表示为：md=。(CF—cs)，‘(2)其中：B为热膨胀系数。Konak的研究表明：表面析出晶体的反应与参与反应的Ca、CO，：离子数有关，所以沉积率又可表示为：md：kR·(cr—cs)，(3)其中：k是表面反应速率常数。它可以用阿仑尼乌斯定律方法计算：R=册-e-，(4)其中，k种为反应常数，E为反应的活化能，表示污垢层表面温度。c是饱和浓度。根据文献[20]中提供的实验数据，取值为k肿=7．07m／kgs，E=37143J／mol。假设所有传

7、输到相边界上的离子都参与了表面反应。则，将(2)和(3)联立，消去相界面的未知浓度c，之后，可求解沉积率：卢。{÷。+△c一[{‘()+。△c]_1}，(5)污垢的剥蚀率模型由下式给出：Km=··(1+·aT)·dP·(JD·77‘g)1‘·M，(6)其中，为流体的流速，计算中取流体主流速度；P描述了晶体间的附着力；K为常数，表示在污垢层内的错误点数量；d。为结晶体粒径；T1为流体动力粘度系数。p，是污垢层的平均密度。当已知单位面积污垢沉积质量m和污垢层厚