張艾萍 王新靈 沈忠良

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院)

強化換熱管內(nèi)污垢特性的數(shù)值研究*

張艾萍**王新靈 沈忠良

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院)

運用FLUENT軟件對CaCO3析晶污垢在圓管和強化換熱管內(nèi)不同工況下的污垢特性進行了數(shù)值模擬，計算出CaCO3溶液在各管內(nèi)的溫度場和濃度場，進而計算出CaCO3析晶污垢的沉積率和剝蝕率隨時間的變化規(guī)律，并在不考慮誘導(dǎo)期的情況下，從污垢沉積質(zhì)量出發(fā)計算出污垢熱阻隨時間的變化規(guī)律。通過比較分析發(fā)現(xiàn)：CaCO3析晶污垢在圓管及其強化換熱管內(nèi)的沉積率、剝蝕率與污垢熱阻隨入口濃度和入口速度的增大而增大，但是隨入口溶液溫度的增大而減小，強化換熱管的抑垢效果要好于圓管。

換熱器 強化換熱管 CaCO3析晶污垢 沉積率 剝蝕率 污垢熱阻

由于我國能源短缺，在未來的經(jīng)濟發(fā)展過程中，節(jié)能和提高能源使用效率將顯得尤為重要。換熱器作為一種傳熱設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備，然而，結(jié)垢問題會嚴重阻礙換熱設(shè)備的正常運行，引起大量經(jīng)濟損失和資源浪費，因此，對于換熱器內(nèi)的污垢特性的研究就顯得尤為重要。

當(dāng)今世界上已研究出多種污垢模型，這些模型的提出大多數(shù)都以Kerm和Seanton提出的微分方程為基礎(chǔ)[1]。Taborek J提出了一個析晶污垢的數(shù)學(xué)模型，其主體思想是從兩個角度分別考慮污垢的形成過程，即污垢的沉積過程與剝蝕過程[2]。Hossain A等通過研究水平管道中顆粒物的沉積和擴散，提出顆粒的沉積率是顆粒直徑、顆粒密度和流體速度的函數(shù)，并進一步研究了彼此對顆粒沉積和剝蝕的影響[3]。林培滋等通過實驗研究了碳酸鈣結(jié)晶沉淀過程在不同溫度下晶核生成、晶粒長大速度和活化能大小[4]。徐志明等通過實驗研究了過飽和與不飽和硫酸鈣溶液的污垢特性，為數(shù)值計算提供了物性參數(shù)[5]。徐志明等建立了一個顆粒和析晶混合污垢熱阻值的分析模型，該模型假設(shè)在換熱面和顆粒表面上，顆粒污垢和析晶污垢獨立存在，而結(jié)晶過程同時發(fā)生[6]。徐志明和張進朝還從傳熱傳質(zhì)角度創(chuàng)建了一個CaSO4析晶污垢模型，并模擬了圓管內(nèi)沉積率、剝蝕率和污垢熱阻隨時間的變化規(guī)律[7]。文孝強等以光管作為實驗對象，以污垢熱阻作為表示參數(shù)，對換熱器污垢特性進行了實驗、建模和預(yù)測研究[8]。張仲彬等通過對比實驗方法研究縮放管傳熱與污垢特性，證明縮放管具有良好的抗垢性，為數(shù)值計算提供了物理模型[9]。

由于科技的發(fā)展，數(shù)值模擬在工程實驗中得到廣泛的應(yīng)用[10]，數(shù)值計算方法能以相對較低的成本和較短的時間來實現(xiàn)對較復(fù)雜或較理想的過程的模擬，因此廣受青睞。筆者利用FLUENT軟件分別對圓管、波紋管、橫紋管和交叉縮放橢圓管進行數(shù)值模擬，對它們在不同的物質(zhì)濃度、管內(nèi)流速及管內(nèi)溫度等條件下進行設(shè)置，對各工況中各管型的沉積率、剝蝕率和污垢熱阻進行模擬計算，并進行分析比較。

1 數(shù)值計算模型的建立

1.1物理模型的建立與網(wǎng)格劃分

針對圓管、波紋管、橫紋管和交叉縮放橢圓管4種管型建立三維物理模型，物理模型和結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。其中圓管管內(nèi)直徑為20mm；波紋管的幾何參數(shù)：D為25mm，d為21mm，s為30mm；橫紋管的幾何參數(shù)：φ1為25mm，φ2為21mm，L為30mm，R為0.5mm；交叉縮放橢圓管每段橢圓段的長度相同，橢圓長軸的長度為20.8mm，短軸為17.8mm。

圖1 各種管型的物理模型和結(jié)構(gòu)尺寸

筆者采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對圓管、波紋管、橫紋管和交叉縮放橢圓管4種管型的三維物理模型利用ICEM軟件進行了網(wǎng)格劃分。各種管型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 各種管型的網(wǎng)格劃分

1.2數(shù)學(xué)模型的建立

筆者主要對CaCO3析晶污垢進行數(shù)值模擬，因此需要得到不同管內(nèi)的速度場、溫度場和濃度場的分布。選擇SIMPLE算法來解決壓力和速度的耦合問題，依據(jù)所選工質(zhì)的流動特性和物理屬性，在模擬過程中選擇了相應(yīng)的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、傳質(zhì)方程和湍流方程。這些方程均可寫成以下通用的形式[3]：

(1)

其中，ρ為流體密度，φ為通用變量，Γ為擴散系數(shù)，u、v、w為x、y、z方向的速度，S為各變量對應(yīng)源項，其表述形式均可在文獻[8]中查找。

采用標(biāo)準k-ε湍流模型，由于筆者主要研究強化換熱管各個管型在不同工況下的污垢特性，所以入口邊界條件隨各工況的改變而改變。由于本課題流體為不可壓縮流體，因此出口邊界條件為流體自由流出，其他邊界條件設(shè)為壁面絕熱，流體無滑移，壓力梯度為零，不考慮重力因素。近壁處理選擇標(biāo)準壁面函數(shù)。方程離散采用二階迎風(fēng)差分格式，提高精度。

1.3析晶污垢模型的建立

(2)

其中，cf為污垢層濃度，cs為飽和濃度，kR是表面反應(yīng)速率常數(shù)，可以用Arrhenius方法計算：

(3)

式中E——反應(yīng)的活化能，E=37143J/mol；

kR0——反應(yīng)常數(shù)，kR0=7.07m4/(kg·s)；

Tf——污垢層表面溫度。

(4)

式中dp——污垢顆粒直徑；

g——重力加速度；

mf——污垢質(zhì)量；

Tw——壁面溫度；

u——流體主流速度；

β——對流傳質(zhì)系數(shù)；

μ——粘性系數(shù)；

ρ——密度。

污垢熱阻Rf模型可表示為：

(5)

式中λf——污垢層導(dǎo)熱系數(shù)；

ρf——污垢層平均密度。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

每個時刻的沉積率由軟件計算得到，將物性參數(shù)和其他已知量代入式(4)、(5)計算，即可得到沉積率、剝蝕率和污垢熱阻隨時間的變化規(guī)律。

2.1濃度影響

圖3為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口速度為0.2m/s，溫度為35℃時，不同濃度下管內(nèi)污垢沉積率曲線?？梢钥闯?，沉積率隨入口濃度的增加而增大，且管內(nèi)入口初始濃度越大管內(nèi)污垢沉積率增加幅度越大。隨著污垢在管內(nèi)壁的不斷沉積，管內(nèi)壁的污垢沉積率的增加速率變緩，各管型內(nèi)的沉積率具有相同的變化趨勢。

圖3 濃度變化時沉積率曲線

圖4為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口速度為0.2m/s，溫度為35℃時，不同濃度下管內(nèi)污垢的剝蝕率曲線。可以看出，剝蝕率隨著濃度的增加而增大，而且濃度越大剝蝕率的增加幅度越大，各個管型內(nèi)的剝蝕率基本具有相同的變化趨勢。

圖4 濃度變化時剝蝕率曲線

圖5為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口速度0.2m/s，溫度35℃時，不同濃度下管內(nèi)污垢熱阻曲線。可以看出，污垢熱阻隨濃度的增加而增大，且濃度越大污垢熱阻增幅越大，最后趨于穩(wěn)定。

圖5 濃度變化時污垢熱阻曲線

2.2速度影響

圖6為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口溫度為35℃，濃度為1 000mg/L時，不同速度下管內(nèi)污垢沉積率曲線。可以看出，沉積率隨速度的增加而增大，而沉積率增長幅度卻隨速度的增加而減小。

圖6 速度變化時沉積率曲線

圖7為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口溫度35℃，濃度1 000mg/L時，不同速度下管內(nèi)污垢剝蝕率曲線。可以看出，剝蝕率隨速度的增加而增大，而剝蝕率增幅卻隨速度的增加而減小。

圖7 速度變化時剝蝕率曲線

圖8為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口溫度35℃，濃度1 000mg/L時，不同速度下管內(nèi)污垢熱阻曲線。可以看出，污垢熱阻隨速度的增加而增大，但污垢熱阻增幅卻隨速度的增加而減小。

圖8 速度變化時污垢熱阻曲線

2.3溫度影響

圖9為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口濃度為1 000mg/L，速度為0.1m/s時，不同溫度下管內(nèi)污垢沉積率曲線?？梢钥闯觯S著溫度的增加，各管型沉積率不斷減小，且各管型沉積率具有相同的變化趨勢。

圖9 溫度變化時沉積率曲線

圖10為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口濃度1 000mg/L，速度0.1m/s時，不同溫度下管內(nèi)污垢剝蝕率曲線?？梢钥闯?，隨著溫度的增加，剝蝕率不斷減小，且各管型具有相同的變化趨勢。

圖10 溫度變化時剝蝕率曲線

圖11為CaCO3污垢在不同管型管內(nèi)入口濃度為1 000mg/L，速度為0.1m/s時，不同溫度下管內(nèi)污垢熱阻曲線?？梢钥闯?，隨著溫度的增加，各管型污垢熱阻不斷減小。

圖11 溫度變化時污垢熱阻曲線

2.4圓管與強化換熱管的抑垢性能比較

由于各管型污垢特性曲線趨勢基本相同，因此需要比較不同管型間抑垢性的差異。取各管型中CaCO3析晶污垢在入口濃度為1 000mg/L，速度為0.1m/s，溫度30℃，達到平衡時不同管道類型的熱阻值列于表1。從表中可以看出，強化換熱管與圓管相比，污垢特性都有明顯的下降。說明使用強化換熱管可以增強管內(nèi)的抑垢性。

表1 不同管道類型熱阻值×104/m2·K·W-1

3 結(jié)論

3.1CaCO3析晶污垢在強化換熱管內(nèi)的沉積率隨入口濃度的增加而增大，剝蝕率隨入口濃度的增加而增大，因此污垢熱阻隨入口濃度的增加而增大，且入口溶液濃度是影響污垢在管內(nèi)生長的最主要的因素。

3.2CaCO3析晶污垢在強化換熱管內(nèi)的沉積率隨入口速度的增加而增大，剝蝕率隨入口速度的增加而增大，因此污垢熱阻隨入口速度的增加而增大。這是由于入口速度的增加，加快了管內(nèi)離子反應(yīng)速率，從而使污垢沉積率、剝蝕率增大，導(dǎo)致污垢熱阻增大。

3.3CaCO3析晶污垢在強化換熱管內(nèi)的沉積率隨入口溫度的增加而減小，剝蝕率隨入口溫度的增加而減小，因此污垢熱阻隨入口溫度的增加而減小。這是由于CaCO3是一種具有反常溶解度的污垢，入口溫度越高，溶解度越低，從而使沉積率、剝蝕率減小，導(dǎo)致污垢熱阻減小。

3.4強化換熱管與圓管相比，污垢特性都有明顯的下降，說明使用強化換熱管可以增強管內(nèi)的抑垢性。

[1] 楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設(shè)備的污垢與對策[M].北京：科學(xué)出版社，2004：18～115.

[2] Taborek J.Predictive Methods for Fouling Behavior[J]. Chemical Engineering Progress，1972，68(7)：69～78.

[3] Hossain A，Naser J，Manus K M，et al.CFD Investigation of Particle Deposition and Distribution in a Horizontal Pipe[C].Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries.Melbourne：CSIRO，2003：10～12.

[4] 林培滋，黃世煜，初惠萍.溫度對碳酸鈣結(jié)垢過程的影響[J].石油與天然氣化工，1999，28(2)：128～129.

[5] 徐志明，王磊，王景濤，等.過飽和與不飽和硫酸鈣溶液污垢特性的實驗研究[J].化工機械，2014，41(5)：581～584.

[6] 徐志明，張仲彬，郭聞州，等.微粒和析晶混合污垢模型[J].工程熱物理學(xué)報，2006，27(2)：81～84.

[7] 徐志明，張進朝.CaSO4析晶污垢形成過程的數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，28(1)：8～11.

[8] 文孝強，苗慶龍，孫靈芳.換熱器污垢特性的建模與預(yù)測[J].化工機械，2014，41(6)：699～704.

[9] 張仲彬，徐志明，張兵強.縮放管傳熱與污垢特性的實驗研究[J].化工機械，2008，35(2)：65～68.

[10] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué) [M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001：14～20，203～408.

NumericalStudyofFoulingCharacteristicsofIntensifiedHeatExchangeTubes

ZHANG Ai-ping, WANG Xin-ling, SHENG Zhong-liang

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Through making use of FLUENT software, the characteristics of CaCO3crystallization fouling in both circular tube and the intensified heat exchange tube under different working conditions were simulated and the CaCO3solution’s temperature field and concentration field in these tubes were calculated, including the deposition rate and denudation rate of the CaCO3crystallization fouling which changing with the time; and starting with the fouling deposition quality, calculating the fouling resistance which changing with the time was implemented without regard to the induction period. Comparative results show that, the deposition rate, denudation rate and the fouling resistance of CaCO3crystallization fouling in tubes become increased with the rise of inlet concentration and inlet velocity and decreased with the increase of inlet solution temperature. The scale inhibition effect of intensified heat exchange tube outperforms that of the circular tube.

heat exchanger, intensified heat exchange tube, CaCO3crystallization fouling, deposition rate, denudation rate, fouling resistance

**張艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

*國家自然科學(xué)基金項目(51076025)，東北電力大學(xué)博士科研啟動基金項目(BSJXM-201207)。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)05-0631-010

2015-04-15，

2016-09-05)

2017年《過濾與分離》征訂啟事

《過濾與分離》雜志1991年創(chuàng)刊，由中國分離機械專業(yè)委員會主辦，是我國過濾與分離行業(yè)唯一的國際性專業(yè)期刊、國家火炬計劃期刊、光盤再版期刊、專業(yè)核心期刊、Ei摘錄期刊、優(yōu)秀科技期刊，是全球三家《過濾與分離》同名期刊之一。全文入編《中國期刊網(wǎng)》、《中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫》、《中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫》、《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫》、《中國萬方期刊網(wǎng)群數(shù)據(jù)庫》。內(nèi)容涵蓋目標(biāo)物料提純凈化的過程與裝備，是聯(lián)通過濾相關(guān)行業(yè)，開辟分離學(xué)術(shù)論壇，交流過濾分離技術(shù)，傳播專業(yè)綜合信息，推廣應(yīng)用科技成果，促進行業(yè)技術(shù)進步的技術(shù)園地。本刊辟有過濾分離工藝與設(shè)備的發(fā)展動態(tài)、基金項目、試驗研究、科技成果、開發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)工藝、推廣應(yīng)用、綜合信息等欄目。

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