張一龍，王樂君，韓志敏，徐志明

(1.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

運行工況對兩種強化管內(nèi)析晶污垢的影響

張一龍1，王樂君1，韓志敏2，徐志明2

(1.東北電力大學(xué) 自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

摘要：為了研究運行工況對強化管內(nèi)析晶污垢的影響。采用數(shù)值模擬方法研究了強化管內(nèi)CaSO4析晶污垢的沉積過程。主要分析了兩種強化管內(nèi)CaSO4溶液的速度和壁面溫度對污垢熱阻的影響。結(jié)果表明，隨著速度的增大污垢熱阻值逐漸減??；隨著壁面溫度的增大污垢熱阻值也是逐漸減小。綜合對比兩種強化換熱管可知，內(nèi)肋管的污垢熱阻值小于縮放管的熱阻值，即內(nèi)肋管抑垢效果好于縮放管。

關(guān)鍵詞：強化管；速度和壁溫；數(shù)值模擬；析晶污垢

換熱裝置中的污垢產(chǎn)生是日常生產(chǎn)工作中經(jīng)常遇到的問題。近年來，針對污垢的研究已經(jīng)成為了工業(yè)生產(chǎn)研究的一個熱門題目[1]；而換熱通道經(jīng)過強化換熱技術(shù)處理之后，其內(nèi)部流動過程中的溫度場、速度場和濃度場均會發(fā)生改變。由于這三個參數(shù)都會對污垢沉積產(chǎn)生影響，因此強化換熱技術(shù)同樣會對污垢沉積有所影響。根據(jù)Webb[2]和Bergles[3]研究結(jié)果，強化換熱可分為兩大類主動強化技術(shù)和被動強化技術(shù)。對應(yīng)各種強化換熱方法，業(yè)內(nèi)對于其污垢沉積特性同樣進(jìn)行了研究。于丹[4]根據(jù)全貞花建立的碳酸鈣污垢的傳熱傳質(zhì)模型，對螺旋槽強化表面的結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行了模擬研究，從析晶污垢沉積機理分析影響因素產(chǎn)生的原因。王建國[5-6]通過在換熱管周圍引入高頻電磁場，研究碳酸鈣污垢沉積形態(tài)以及抑垢效果。孫靈芳[7-8]在研究超聲波對污垢抑制的基礎(chǔ)上，根據(jù)超聲波的反射與投射特性，研發(fā)了超聲波對污垢的監(jiān)測裝置。張艾萍[9-10]以場協(xié)同理論為基礎(chǔ)，對超聲波的除垢和防垢效果進(jìn)行了評價并且擬定了一個評價系數(shù)；該評價系數(shù)在考慮強化換熱效果的基礎(chǔ)上，對運行系統(tǒng)抑垢情況進(jìn)行實時評價，且該過程不受運行工況和污垢類型的影響。徐志明[11-14]通過CFD軟件實現(xiàn)了對圓管內(nèi)的硫酸鈣和碳酸鈣析晶污垢沉積的數(shù)值模擬，得到了污垢沉積率、剝蝕率和污垢熱阻隨時間的變化曲線，將結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，大部分誤差均在10%以內(nèi)。

雖然很多學(xué)者都對污垢的沉積過程以及影響因素進(jìn)行了研究，但是大部分都是實驗數(shù)據(jù)的研究。實驗工況受制于各類客觀條件，很難進(jìn)行擴展，因此本文采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行擴展研究；并且，強化管多用于傳熱方面的研究，而關(guān)于管內(nèi)表面污垢沉積特性影響的研究就比較少，本文將針對這一問題進(jìn)行深入探討。

1模型的建立

1.1　物理模型的建立

本文針對交叉縮放管和內(nèi)肋管這兩類強化管進(jìn)行數(shù)值模擬，各管的長度均為2 200 mm。為了能夠使得各管進(jìn)出口迅速充分發(fā)展，在縮放管和內(nèi)肋管的進(jìn)出口都接有內(nèi)徑為25 mm，長度為80 mm的直管段。各管的幾何尺寸和物理模擬的具體形狀如圖1所示，其中圖(a)縮放管的幾何尺寸：內(nèi)徑為25 mm，外徑為20 mm，l1為20 mm，l2為13 mm，l3為7 mm，α為20°，β為11°；圖(b)內(nèi)肋管的幾何參數(shù)：橫截面呈現(xiàn)正六邊形，一周共3對肋，肋與軸向夾角為45°，相鄰肋凸起呈對稱分布，肋凸起長10 mm，寬4 mm，高1.5 mm。

圖1　物理模型示意圖

1.2　數(shù)學(xué)模型及邊界條件

若要實現(xiàn)析晶污垢的數(shù)值模擬，首先要得到管內(nèi)充分發(fā)展的流場、溫度場等的分布，這就需要求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、傳質(zhì)方程及湍流方程。

根據(jù)工質(zhì)流動特性，二維，無內(nèi)熱源，不可壓縮流體，建立其對應(yīng)的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、傳質(zhì)方程和k-ε方程。這些方程均可以表示成一種簡潔的通用形式：

(1)

鈣離子和硫酸根離子通過擴散從主流區(qū)運輸?shù)奖诿娓浇?。濃度梯度為其傳輸動?/p>

(2)

(3)

kR為表面反應(yīng)速率常數(shù)。它可以用Arrhenius方法計算：

(4)

其中，kR0為反應(yīng)常數(shù)；E為反應(yīng)的活化能，Tf為污垢層表面溫度；cs為飽和濃度。假設(shè)所有傳輸?shù)较噙吔缟系碾x子都參與了表面反應(yīng)，將式(2)和式(3)聯(lián)立，消去相界面的未知濃度cf之后，可求解沉積率

(5)

污垢的剝蝕率模型由文獻(xiàn)[14]給出：

(6)

其中，u為流體的流速，程序中取流體主流速度。P描述了晶體間的附著力；K為常數(shù)，表示在污垢層內(nèi)的錯誤點數(shù)量；ρf為污垢層的平均密度。當(dāng)已知單位面積污垢沉積質(zhì)量m和污垢層厚度xf時，可得污垢平均密度為

(7)

(1+δΔT)描述了污垢層的熱應(yīng)力。CaSO4析晶晶體的平均半徑為36微米[16]。

污垢生長過程的凈沉積率等于沉積率和剝蝕率之差：

(8)

若假定污垢的各成分及污垢特性在各方向是均勻分布的，則污垢熱阻定義為

(9)

式(9)中，λf為污垢層導(dǎo)熱系數(shù)。

邊界條件的設(shè)置如下：由于本課題主要研究強化管在不同工況下的污垢特性，所以入口邊界條件隨各工況改變而改變。出口為自由流出出口條件。工況取值范圍：壁面溫度為340 K且入口溫度為300 K時，入口速度分別為0.1 m/s、0.35 m/s、0.75 m/s、1 m/s。入口速度為0.35 m/s且入口溫度為300 K時，壁面溫度分別為320 K、340 K、360 K。

2數(shù)值模擬計算方法及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

本課題主要運用CFD軟件進(jìn)行模擬計算。解算器用Fluent三維雙精度分離式求解器，采用Simple算法，連續(xù)、動量和能量方程采用二階迎風(fēng)格式離散。為考核網(wǎng)格的影響，保證計算所需精度。在Fluent后處理中使用網(wǎng)格自適應(yīng)實現(xiàn)計算結(jié)果的網(wǎng)格獨立性，結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)量保持在67萬左右時計算精度不再發(fā)生變化。

圖2　圓管內(nèi)污垢沉積的實驗驗證

為了驗證計算模型和數(shù)值方法的準(zhǔn)確性，使用相同的尺寸建立了文獻(xiàn)[17]實驗中的流動模型并在相同工況條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。實驗在長2200 mm，內(nèi)徑22 mm的圓管內(nèi)進(jìn)行，選擇入口速度0.35 m/s、入口溫度300 K、入口濃度1.2 kg/m3及壁面溫度340 K的工況下進(jìn)行實驗和模擬。將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出如圖3所示結(jié)果。圖2(a)表示了模擬計算所得污垢的熱阻值與實驗測量值的對比，圖2(b)表示了模擬計算值與實驗擬合值之間的相對誤差。由對比曲線可以看出誤差值在開始階段較大，而相對誤差隨著污垢的不斷沉積而逐漸減小，最后維持在10%以內(nèi)，這主要是因為本次模擬沒有考慮污垢的誘導(dǎo)期。

3模擬結(jié)果與分析

3.1　流速的影響

縮放管和內(nèi)肋管的污垢熱阻在不同流速下隨時間的變化分別如圖3所示。在初始時刻，各個流速下兩種管內(nèi)的污垢熱阻值均為零，然后隨著沉積過程的進(jìn)行而趨于穩(wěn)定。兩管的整體變化趨勢相同，但是不同流速對應(yīng)的污垢熱阻漸進(jìn)值的差值略有不同，內(nèi)肋管的差值比縮放管的分布更加均勻，且在相同流速下，內(nèi)肋管的熱阻漸進(jìn)穩(wěn)定值小于縮放管的熱阻漸進(jìn)值。雖然兩種管型均有強化換熱的效果，但是縮放管的強化效果是由于規(guī)律性的縮放結(jié)構(gòu)所致，而內(nèi)肋管是由于表面肋槽所致。由圖4的速度場云圖可見，縮放管的渦流主要存在于縮放結(jié)構(gòu)的頂端屬于橫向渦，而內(nèi)肋管的渦流垂直于流動方向?qū)儆诳v向窩。根據(jù)渦流理論，縱向窩的強化換熱效果要小于橫向窩，因此出現(xiàn)內(nèi)肋管的熱阻小于縮放管的熱阻。在縮放管的速度場云圖中渦流彼此獨立，在兩渦流之間會有邊界層的存在；而在內(nèi)肋管中縱向窩彼此相連形成連續(xù)渦流，邊界層幾乎被完全破壞，所以內(nèi)肋管的熱阻漸進(jìn)穩(wěn)定值之差較縮放管更加均勻。

圖3　在不同流速下污垢熱阻曲線

圖4　在不同流速下速度場云圖

3.2　壁面溫度的影響

縮放管和內(nèi)肋管的污垢熱阻在不同壁溫下隨時間的變化如圖5所示。從圖中可以看出，在同一時刻，管內(nèi)的污垢熱阻隨壁溫的升高而減少。這是因為，當(dāng)壁面溫度不同時，管內(nèi)的溫度場和濃度場分布會發(fā)生變化，這種變化所造成的影響也是很大的，比如溶液過飽和濃度的變化，熱流量的變化等，而這些變化都會對污垢在換熱面上的沉積有一定的影響。另外，內(nèi)肋管和縮放管的壁面溫度隨熱阻的變化趨勢一致，并且熱阻漸進(jìn)值的差值分布都很均勻。通過比較熱阻的漸進(jìn)穩(wěn)定值發(fā)現(xiàn)，內(nèi)肋管漸進(jìn)穩(wěn)定值小于縮放管，所以說明內(nèi)肋管的阻垢的效果優(yōu)于縮放管。

3.3　抑垢性能分析

為分析強化換熱管的污垢抑制特性，現(xiàn)將兩種換熱管在壁面溫度340 K，入口溫度300 K，入口速度0.35 m/s情況下進(jìn)行模擬，得出的污垢熱阻結(jié)果如圖7所示。由圖可見，圓管的污垢熱阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩種強化管的污垢熱阻，可以得出兩種強化管的抑垢效果要優(yōu)于圓管。比較兩種強化管可知，內(nèi)肋管的污垢熱阻漸進(jìn)值小于交叉縮放橢圓管的漸進(jìn)值。

圖5　在不同壁溫下污垢熱阻曲線

圖6　在不同壁溫下溫度場云圖

圖7　兩種換熱管污垢熱阻曲線

強化管內(nèi)部速度與溫度分布是形成上述現(xiàn)象主要原因。圖4和圖6分別為縮放管和內(nèi)肋管的速度云圖和溫度云圖。

從縮放管的云圖可見，在管內(nèi)的不規(guī)則區(qū)域，流線比較密集，意味著該處的速度變化較大，從而造成很強烈的擾動，這種擾動可以消減換熱的不均勻性，起到增強換熱的效果。由于管壁呈現(xiàn)規(guī)律性收縮和擴張，收縮的部分對流體的流動會有一定的阻礙，流體的速度在這個方向上會比較大，這一部分受到的流體沖擊力就比較大，因此在這些收縮的壁面上的污垢受到的剝蝕作用增強。由于擴張結(jié)構(gòu)的影響，前面產(chǎn)生擾動會有一定程度的增強，因而在與之相連接的縮放管光滑壁面部分，污垢的剝蝕作用會增強。

從內(nèi)肋管的云圖可見，在管內(nèi)的不規(guī)則區(qū)域會產(chǎn)生強烈的擾動，這種擾動可以消減換熱的不均勻性，起到增強換熱的效果。不連續(xù)雙斜向內(nèi)肋管的不規(guī)則區(qū)域的作用與縮放管的凸起部分的作用大同小異，不僅使污垢受到的剝蝕效用增強，也造成一定程度的擾動，從而減少污垢的沉積量，增強換熱。

5結(jié)論

(1)相同工況條件下，兩種強化管的污垢熱阻隨速度和壁溫的變化規(guī)律一樣，均是呈現(xiàn)漸近型曲線。

(2)相同條件下，兩種強化管的污垢熱阻都是隨著速度的增大而減小，隨著壁溫的升高而增大。

(3)分析兩管的抑垢性能可知，內(nèi)肋管的污垢熱阻漸進(jìn)值小于交叉縮放橢圓管的漸進(jìn)值，即內(nèi)肋管的抑垢效果較縮放管要好。

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Effect of Operating Conditions on the Strengthening Tube Crystallization Fouling

ZHANG Yi-long1，WANG Le-jun1，HAN Zhi-min2，XU Zhi-ming2

(1.School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：In order to study the operation condition to strengthen the influence of crystallization fouling inside.Study the deposition process intensification tube CaSO4crystallization fouling by numerical simulation.Analysis of the two main CaSO4solution speed and strengthen tube wall temperature effect on the fouling resistance.The results show that，fouling resistance decreases with the increase of velocity，with the increase of wall temperature fouling heat resistance is decreased gradually.Comprehensive comparison two kinds of improved heat exchange tube，ribbed tube fouling resistance within less than the thermal resistance of scaling tube，within the rib pipe good scale inhibition effect on scaling.

Key words：Enhanced tube；Speed and wall temperature；Numerical Simulation；Crystallization fouling

中圖分類號：TK124

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2992(2015)06-0050-06

作者簡介：張一龍(1983-)，男，黑龍江省哈爾濱市人，東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院講師，博士，主要研究方向：節(jié)能技術(shù)及理論.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51476025)

收稿日期：2015-09-12