（工程热物理专业论文）强化换热内表面冷却水污垢热阻的实验研究.pdf

摘要 换热设备是工农业生产和日常生活中广泛使用的设备。据调查，9 0 以上的 换热设备都存在着不同程度的污垢问题。结垢的形成，降低了换热效率，增加了 流动阻力，由此造成了一系列的经济损失。因而受到各国传热学界和工程技术界 的广泛关注，成为换热设备的设计、运行、维护的一个重要研究方向。但由于换 热设备污垢是在动量、热量、质量传递同时存在的多相流动过程中形成的，其影 响因素众多，往往涉及流体力学、传热学、化学反应，甚至化工动力学、胶体化 学、统计力学乃至表面科学等多学科的基础理论知识，这使换热设备污垢研究十 分复杂，给研究工作带来了很大困难。迄今为止，虽然也取得了一些可喜的进展， 但离预期目标却仍然相当遥远，换热壁面的污垢仍然是传热学中未真正解决的主 要问题之一。 本文分析了污垢热阻研究的现实意义，并对国内外在污垢方面的研究成果进 行综述，在此基础上提出本课题的研究内容和方法。 本文阐述了铜管内表面结垢情况，首先通过对比珠江水、泥沙颗粒污垢、湖 水混和泥沙三种污垢热阻实验结果，得到珠江水污垢热阻在1 o 2 o x1 0 - 4 m 3 k w 之间；泥沙颗粒因为颗粒粒径较大，没有产生污垢，并且大粒径颗粒冲刷管内壁 破坏了边界层，增加了湍流度，从而强化了对流换热；湖水和泥沙混和实验中， 微生物与细小泥沙结合形成胶体，极易形成微生物污垢，黏附在铜管内壁，使污 垢热阻增大，流速较低时污垢更容易黏附，一旦流速增加污垢又被剥离了，大颗 粒冲刷铜管内表面，强化了对流换热。其次，运用正交试验表设计硅酸铝颗粒污 垢热阻实验，进行了3 因素2 水平的实验：管内流速分别为0 9 m s 和1 2 m s 、 颗粒浓度分别为0 7 k g m 3 和1 4 k g m 3 、管型分别为内光滑管和内螺纹管，得出的 污垢热阻不明显。最后针对广州发电厂结垢和堵塞严重的情况，到现场调研记录， 利用2 0 0 3 年全年运行日志，进行了污垢热阻的计算，得出其平均污垢热阻约为 0 8 2 0 1 0 “m ? k w ，与冷水机组实验得出的结果相符合。 本文还搭建了单管对比实验台。在该实验台，共进行了泥沙污垢热阻、泥沙 微生物混合污垢热阻两种实验，阐述了微生物在流动系统中的黏附机制，并分析 了泥沙与微生物的相互作用过程。泥沙和微生物的相互作用，形成粘泥，更容易 附着在材料表面。 本文进行了泥沙长周期实验，经过两个多月，约1 4 0 0 小时的运行，拆丌实验 铜管，我们可以清楚的看到实验铜管内表面沉积了不少泥沙，对比冷水机组的实 验结果，我们得出该实验的诱导期为9 5 0 小时。但是污垢热阻值较小，约为0 5 华南理上大学硕士学位论文 1 0 - 4 m 2k w 。这是因为，泥沙颗粒直径在小于l1 1m 时才附着在换热面e ，而大 直径颗粒则不断地冲刷铜管内表面，破坏边界层，增加了对流换热，因此，虽然 换热表面有污垢的存在，但由于对流换热系数的增加，使得换热能力增强，反映 在污垢热阻值就显得偏小了。 本文最后讨论了流体一颗粒系统的流动状态，分析了粒子在管内流体中的受 力情况，接着又分析了粒子在表面的附着与沉积在表面上的粒子受力。通过具体 的实例计算分析了沉积在壁面上的粒子重力、粘附力、s a f f m a n 升力、m a g n u s 升 力和流体阻力随粒径的变化关系。定性得出了各种力在不同流速下的附着与剥离 的作用。 关键词：生物污垢；泥沙颗粒污垢；混和污垢；硅酸铝颗粒污垢 二! ：! ! ! ：! 一 _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ 一 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l yu s e d i np r o d u c t i o no fi n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r ea n do u rd a i ly1 i f e a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o n ，f o u l i n g r e s i s t a n c ep r o b l e me x i s t si nmore f o r m a t i o no ff o u l i n gr e s i s t a n t ew i l l e f f i c i e n c ya n dt h ei n c r e m e n to ff l o w t h a n9 0 o fh e a te x c h a n g e r s t h e c a u s et h er e d u c t i o no fh e a tt r a n s f e r r e s i s t a n c e ，w h i c hw i l lc a u s es e r i e s o fe c o n o m i cl o s s e s s oi tb e c o m e sa ni m p o r t a n ts t u d ys u b j e c t i v ei nh e a t e x c h a n g e r s d e s i g n ，o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，w h i c hh a sa t t r a c t e dm a n y r e s e a r c h e r s i n t e r e s t s b e c a u s et h ef o u li n gr e s i s t a n c eisf o r m e di nt h e m u l t i p h a s ef l o wt h a tc o n t a i n sm o m e n t u mt r a n s f e r ，h e a tt r a n s f e ra n dm a s s t r a n s f e r ，i tisi n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r si n v o l v i n gf l u i dm e c h a n i c s ，h e a t t r a n s f e r ，c h e m i c a lr e a c t i o n ，c o l l o i dc h e m i s t r y ，s t a t is t i c a lm e c h a n i c sa n d s oo n 。t h em e r i t i o n e da b o v em a k e si tv e r yd i f f i c u l tf o rt h er e s e a r c h s o f a r 。s o m ep r o g r e s sh a sb e e nm a d e ，b u ti ti ss t i l lf a rf r o mt h ee x p e c t e d o b j e c t i v e t h ef o u l i n gr e s is t a n c e o nh e a t e x c h a n g e rw a l l iss t i l la n u n s o l v e dp r o b l e mi nh e a tt r a n s f e r t h ea c t u a ls i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n gf o u l i n gr e s i s t a n c eisa n a l y z e da n d t h er e s e a r c hr e s u l to nf o u l i n kr e s i s t a n c ei ss u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h e d o m e s t i ca n dt h ef o r e i g ns t u d yi nt h i sf i e l d a c c o r d i n gt ot h e s es t u d i e s ， t h ec o n t e n ta n dm e t h o do fo u rs u b j e c ti sp u tf o r w a r d t h i sp a p e rp r e s e n t st h es c a li n gp r o c e s so nt h ei n n e rs u r f a c eo fc o p p e r t u b e f i r s t l y ， c o n t r a s tt h er e s u l t so ft h r e e f o u l i n g r e s i s t a n c e e x p e r i m e n t su s i n gp e a r lr i v e rw a t e r ，s i l tp a r t i e l ea n dl a k ew a t e rb l e n d i n g w i t hs i l tr e s p e c t i v e l y t h ec o a c l u s i o n sa r e ：t h ef o u l i n gr e s i s t a n c eo f p e a r lr i v e rw a r e rw a sb e t w e e n1 0 i o 一1 m 2a n d2 0 xi 0 4 m 2 s i l t p a r t i c l e d i d n tf o r mf o u l i n gb u ti n c r e a s e dt u r b u l e n c ya n de n h a n c e dh e a tt r a n s f e r ， b e c a u s ep a r t i c l e sw i t hl a r g e rd i a m e t e r s c o u r e dt h es u r f a c ea n dd e s t r o y e d t h eb o u n d a r yl a y e r t h em i c r o b i o l o g i c a lf o u l i n ge a s i l yf o r m e db e c a u s eo f t h ec o m b i n a t i o no fm i c r o b ea n ds m a l ls i l t ，w h i c he a s i l ya d h e r e do nt h ei n n e r s u r f a c eo fc o p p e rt u b ea n di n c r e a s e dt h ef o u l i n gr e s is t a n c ea tal o wf l o w f a t e ：w h i l et h ef l o wr a t ei n c r e a s e d ，t h em i c r o b i o l o g i c a lf o u l i n gw a sp e e l e d o f f t h e1 a r g ed i a m e t e rp a r t i c l es c o u r e dt h ei n n e rs u r f a c ea n de n h a n c e d 华南理工人学硕十学位论文 t h eh e a tt r a n s f e r s e c o n d l y ，u s i n go r t h o g o n a lt e s td e s i g n e dt h ea l u m i n i u m s i l ic a t ef o u l i n gr e s i s t a n t ee x p e r i m m e n ta n dt h r e e f a c t o r a n d t w o l e v e l e x p e r i m e n tw a sc a r r i e d ：t h ef l o wr a t e si nt u b e sw e r e0 9 1 1 1 s a n d1 2 m m s ： t h ep a r t i c l ec o n s i s t e n c e sw e r e0 ，7 9 m 1a n dl 。4 9 m l ：t h et u b et y p e sw e r e i n t e r n a lp l a i np i p ea n ds c r e w e dp i p e a t1 a s t w ei n v e s t i g a t e da n dr e c o r d e d t h ed a t ao fo u a n g z h o up o w e rp l a n tb e c a u s eo fi t ss e v e r es c a li n ga n db l o c k i n g p h e n o m e n o n w ec a l c u l a t e dt h ef o u l i n gr e s is t a n c eu s i n gt h e2 0 0 3a n n u a l o p e r a t i o nj o u r n a l t h ea v e r a g ef o u l i n gr e s is t a n c eis0 8 2 0 x1 0 - 4 1 1 1 2 k w w h i c ha c c o r d e dw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l to fw a t e rc h i l l i n gu n i t w ea l s ob u i l tas i n g l e - t u b ec o n t r a s te x p e r i m e n tr i g t w oe x p e r i m e n t s i n c l u d i n gs i l tf o u l i n gr e s i s t a n c e ，s i l tm i x e dw i t h1 1 1 i c r o b i o l o g i c a lf o u l i n g r e s i s t a n c eh a v eb e e nd o n e t h i sp a p e rp r e s e n t st h ea d h e s i o nm e c h a n is mo f m i c r o b i o l o g i c a ti nf l o ws y s t e ma n da n a l y z e st h ei n t e r a c t i o hb e t w e e ns il t a n dm i c r o b i o l o g i c a l b e c a u s eo ft h ei n t e r a c t i o n ，s l i m ef o u l i n gw a sf o r m e d t h a tc a r ta d h e r eo nt h es u r f a c em o r ee a s i l y l o n gp e r i o de x p e r i m e n tw i t hs i l t h a sb e e nd o n e a f t e ra b o u t1 4 0 0 h o u r s o p e r a t i o n ，d i s c o n n e c t i n gt h et e s tc o p p e rp i p e ，w ef o u n dt h a ts o m e s i l t sd e p o s i t e do nt h ei n n e r s u r f a c eo ft h et e s tc o p p e rt u b e w eg o tt h e i n d u c t i o np e r i o do ft h i se x p e r i l m e n tw a s9 5 0h o u r sc o n t r a s t i n gw i t ht h e r e s u l to ft h ew a t e rc h i l l i n su n i te x p e r i m m e n t b u tt h ef o u l i n gr e s i s t a n c e w a sr e l a t i v i t ys m a l l ，a b o u t0 5 1 0 4 m 2k w t h er e a s o ni st h a tt h es i l t p a r t i c l ea d h e r e so nt h es u r f a c eo n l y w h e ni t sd i a m e t e rl e s st h a n1 m w h i le p a r t i c l ew i t hl a r g e rd l a m e t e re n h a n c e sh e a tt r a n s f e rb e c a u s ei ts c o u r st h e s u r f a c ea n dd e s t r o y st h eb o u n d a r yl a y e r t h o u g ht h ef o u l i n ge x i s t so nt h e s u r f a c e ，t h ev a l u eo ft h ef o u l i n gr e s i s t a n c ei sr e l a t i v e l y s m a l lb e c a u s e o ft h ee n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e r t h i sp a p e rd i s e u s s e st h ef l o w a g eo ff l u i d p a r t i c l es y s t e m ，a n a l y z e s t h ep a r t i c l es t r e s su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ：i nt u b e f l u i d ，a d h e r i n g a n dd e p o s i t i n so nt h es u r f a c e w ec a l c u l a t ea n da n a l y z eg r a v i t a t i o n a lf o r c e a d h e s iv ef o r c e ，s a f f l l l a nf o r c e ，m a g n u sf o r c ea n df l u i dr e s i s t a n t eu n d e r d i f f e r e n t p a r t i c l ed i a m e t e r sw i t hap r a c t i c a le x a m p l e w ee d u c et h e a d h e s i o na n da b r a s i o ne f f e c t so fd i f f e r e n tf o r c e su n d e rd if f e r e n tf l o w r a t e sq u a l i t a t i v e l y k e yw o r d s ：m i c r o b i o l o g i c a lf o u l i n g ：k a o l i np a r t i c u l a t ef o u l i n g ：m i x e d f o u l i n g ：a 1 u m i n as i l i c a t ep a r t i c l ef o u h n g i v 兰兰矍主至主l 茎一 主要符号表 r e ：雷诺数 卢：物性系数，旷n ( m 6 k 3 s ) p r ：普朗特数 沙：热流密度，w m 2 d 。：外径，m m ，：粒子质量，k g d ：内径，n l凡：无限远处的流体压强，n m 2 d ，：肋管外径，m屹：无限远处的流体速度，m s 疏：肋基厚度，m p ：球面上的流体压强，n m 2 j ，：肋尖厚度，mk 。：颗粒运动的初速度，m s 艿，：平均肋厚，ma 。：颗粒运动的加速度，m 2 s j 。：换热管壁厚，mv ：球面上的流体速度，m s p ：肋节距，m v f ：流体的速度，m s ：换热管根数岛：流体的密度，k g m 3 ：管长，m v 口：颗粒的速度，m s h ：肋高，ms ：颗粒的迎风面积，m 2 b ：壁厚，m c d ：阻力系数 t ，：冷凝温度，k ：粘附系数 五：导热系数，w ( m k )y ，：粒子相对于流体的速度，m s p ：冷却水流速，m sf 。：粒子重力，n ，：肋管修正系数f 。：粒子的粘附力，n ，：管束修正系数 f 。：m a g n u s ( 马格努斯) 升力，n ：冷却水体积流量，1 1 1 3 hf s a f f m a n ( 萨夫曼) 升力，n c 。：冷却水比热，j k g f 。：流体作用力，n f ：冷却水进出口温差，f 。：表面剪切应力，n m 2 p 。：冷却水密度，k g m 3c ，：范宁摩擦系数 r 。：污垢热阻，即污垢层形成的附加热阻，m 2 k w k ：换热管在有污垢状态下的总传热系数，w ( i l l 2 k ) k ：换热管在洁净状态下的总传热系数，w ( 皿2 k ) 口。：冷水机组冷凝器冷却水侧强迫对流换热系数，w ( m 2 k ) 口。：制冷剂r 2 2 蒸汽在水平肋管管束上的冷凝换热系数，w ( 2 k ) 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注弓i 用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：魏编肇日期：弘口r 年月o 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密臼。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 魏编军 日期：渺r 年f 月d 日 日期：q 士年名月d 日 第一章绪论 第一章绪论 污垢是一种极为普遍的现象，它广泛存在于各种传热过程中，是许多换热设 备经常遇到的问题。根据s t e i n h a g e n 对新西兰1 1 0 0 家企业的3 0 0 0 台各种类型 换热起的调查表明，9 0 以上的换热都存在不同程度的污垢问题。综观当今工业 界，结垢造成的浪费和损失是很严重的，据荚、英、新西兰的调查，换热设备污 垢给工业发达国家所造成的损失平均占国民生产总值的o 3 ，据 g a r r e t t - p r i c e “1 1 9 8 5 年的估计，美国在换热器的污垢方面蒙受的经济损失每年 达8 0 亿1 0 0 亿美元。对我国这样的发展中国家，由于许多换热设备相对比较落 后，污垢造成的实际损失还可能更高些。在运行效率方面，原机械部兰州石油机 械研究所换热器研究室发表的专题调研报告我国换热器研究及其工业化进程 中说，污垢使我国换热器的运行效率平均下降5 0 。这与美国e x x o n 公司的测算 结果”1 ( 由于传热面上的污垢需使传热面积增加一倍以上) 大体一致。由于换热 设备中温度梯度的存在，使换热面上的污垢形成机制更为复杂，污垢所带来的危 害更为强烈，所以备受科学界和工程技术人员的广泛关注，是涉及国民经济众多 产业和部门的一个急需解决的问题。 1 1 研究的背景及意义 1 1 1 污垢的定义 所谓污垢是指与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态或软泥状 物质，它通常以混合物的形式存在“1 。固体表面从洁净状态到被污垢覆盖的过程， 也就是污垢的积聚过程人们常称之为结垢或污染。 污垢是热的不良导体，其热导率一般只有碳钢的数十分之一，不到不锈钢的 1 l o 。一旦换热面上有了污垢，按串联热阻的观点，流体与换热面之间的传热热 阻( 为了简单，换热面以平面计) 就增加为： r ：土+ r ，( 1 一1 ) 口 式中r ，一一污垢热阻，即污垢层形成的附加热阻，m 2 k w ； r 一一总传热热阻，m 2 k w ； o 一一传热系数，w ( m 2 k ) 。 换热设备的性能取决于传热能力即传热系数的大1 、，因此，产生了很多种提 华南理t 大学硕士学位论文 高传热系数的方法。但是，如下式所知，由于污垢的附着增厚导致总传热系数显 著降低，使换热设备不能发挥设定的性能，而必须抑制污垢的附着或者将其除去。 土；j 一+ 鱼+ j 一+ 尺，( 1 - - 2 ) k 仅。元。i 。 、 式中k 一总传热系数，w ( m 2 k ) ； 。、n 、一分别为壁面两侧流体的传热膜系数，w ( m 2 k ) ； b 一一壁厚，n l ： x 一一壁面材料的导热率，w ( m 2 k ) 。 1 1 ，2 污垢对换热设备及其系统的影响 由式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 可知，总传热系数k 随污垢热阻的增加而减少， 清洁条件下的k 愈高，则污垢热阻的影响也愈大。因此设计换热器时必须额外增 加传热面积，以补偿污垢热阻的影响。 由于污垢热阻值具有某些不确定性，设计者往往采用较保守的值以增加安 全系数，这使传热面积更加不必要地增大。 由于污垢是热的不良导体，污垢沉积在设备表面提高了壁温，影响了传热 效果，降低了生产效率。 污垢聚积在设备的表面，使局部腐蚀加剧，产生点腐蚀造成穿孔。 污垢在管内沉积使管内流体的流通截面积变小，增大了流动阻力，导致泵 或风机的消耗功率增加，再加上自动清洗设备的动力消耗，使设备的总能量消耗 增加。 由于污垢而引起的停车清洗，降低了设备连续运转的周期，造成产品产量 下降。同时在设备起、停期间内，运行条件达不到规定要求，引起产品质量下降 或设备不稳定而造成损失。 1 1 3 污垢的分类 了解污垢的分类，更有助于人们了解换热设备污垢的特性。污垢的分类方法 很多。按换热类型可分为相变换热污垢( 沸腾换热污垢，如蒸发器、再沸器等； 凝结换热污垢，如冷凝器等) 、无相变换热污垢( 加热换热污垢和冷却换热污垢) 和带化学反应的换热污垢；也可以按流体类型分为水溶液污垢，石油馏分污垢， 烟气污垢等。总之，换热壁面结垢类型与换热工质、结垢过程性质以及换热壁面 特性和状况有关。按控制结垢形成的主要沉积机理，e p s t e 、 n 将液侧污垢分为六 类“。 析晶污垢，指在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐淀析在换 第一章绪论 热面上的结晶体，例如，过饱和溶液中溶解的无机盐 如c a c o 。、c a s o t 等 在换热 面上结晶、附着而形成的污垢，就称为析晶污垢。当流体是冷却水或是蒸发设备 中的液体时，这种污垢又称作水垢或锈垢。 化学反应污垢，指液体中各组分之间发生化学反应而形成的沉积在换热面 上的物质。此时换热面不参加反应，但可作为化学反应的一种催化剂。如石油加 工过程中，碳氢化合物的聚合和裂解反应，若含有少量杂质，则可能发生链反应， 从而导致表面沉积物形成。 微粒型污垢，指悬浮在流体中的回体微粒在换热壁面上积聚形成的污垢。 这种污垢包括较大固体颗粒在水平换热面上的重力沉淀即所谓“沉淀污垢”和以 其他机制形成的附着在倾斜换热面上的胶体颗粒沉积物。 腐蚀型污垢，指具有腐蚀性的流体或者流体中含有腐蚀性的杂质对换热表 面材料腐蚀产生的腐蚀物积聚所形成的污垢。通常腐蚀程度取决于流体中的成分、 温度和被处理流体的p h 值。换热面本身参与了化学反应。腐蚀性污垢不仅垢化了 换热表面，而且可能促使其他污物附着于换热面形成污垢。 生物型污垢，这是由微生物体和宏观有机物体附着于换热面上而形成的污 垢。除海水冷却装置外，一般生物污垢均指微生物污垢。它可能产生污泥，而污 泥反过束又为生物污垢的繁殖提供了条件，这种污泥对温度非常敏感，在适宜的 温度条件下，生物污垢可形成可观测厚度的污垢层。 凝固型污垢，这是指清洁液体或多组分溶液的高溶解度组分在过冷换热面 上凝固而形成的污垢。例如，当水温低于冰点而在换热面上凝固成冰。温度分布 是否均匀对这种污垢影响很大。 需要指出的是，在实际换热面上的污垢，常常是几种污垢混合在一起的，如 析晶污垢和腐蚀污垢，就是常常混合而共存于同一换热面的，并且换热壁面上往 往同时生产几种污垢而且相互影响。另外，上述分类方法中的每一类只是标明这 个过程对形成这类污垢是最主要的过程，而不一定是支配这种污垢沉积效率的最 乇要的过程。 1 2 国内外污垢的研究现状 2 0 世纪7 0 年代，特别是8 0 年代后期以来的能源危机，伴随着资源利用效 率和环境要求的不断提高，s o m e r s c a l e s 所抱怨的“污垢研究一直没能得到足够 关注”的状况开始有所转变。进a 2 0 世纪9 0 年代以后，污垢研究在其他相关学科 的发展，特别是计算机应用技术飞速发展的推动下，借助国际合作研究的良好氛 围，在预测、监测和对策三个发展方向上都蓬勃开展起来。 华南理工大学硕士学位沦文 1 2 1 管内污垢热阻的研究 颗粒污垢沉积方面，e p s t e i n 评述了2 0 世纪8 0 年代中期以来的进展，并提 议将粒子的附着作为与粒子传递相串联的过程速率来考虑。r b l o c h l 和 h m u e rs t e i n h a g e n ”，调查研究了在显著对流热交换器粒子尺寸对污垢率的影 响。实验采用的是尺寸大小为0 0 6um 1 5pm 的氧化铝颗粒悬浮在各种浓度范围 的有机溶剂所组成的悬浮液。观察到的粒子尺寸对渐近污垢热阻的影响与 w a r k i n s o f l e p s t e i n 模式的预测值相比较，对比的结果表明，除了随着粒子尺寸 增大的质量传递效率的变化之外，减少粒子与壁面之间的粘附力和增加它们之间 的剥离力也被计算进去了。另外作者还调查研究了不同的粒子和流体组成的影响， 实验选用了氧化铝颗粒分别与异丙醇、异丁醇、水组成的悬浮液：高岭土颗粒和 水组成的悬浮液。d k a f t o r i ，g h e t s r o n i 和s b a n e r j e e 等”8 1 在水槽中利用流动 可视化技术对湍流边界层内的固体粒子靠近壁面时的运动进行了研究。粒子是直 径范围1 0 0 9 0 0um 的聚苯乙烯( 密度约为1 0 5 k g m 3 ) ，结果表明：夹带和沉积 过程的粒子运动是由相关的壁面结构产生的漏斗形涡流来控制的。粒子的行为是 和这些涡流的运动和作用相容的。这些涡流引起颗粒条带的形成，为颗粒夹带创 造合适的条件，同时也把粒子从外层流体运输到壁面区，使颗粒沉积下来。 d k a f t o r i ，g h e t s r o n i ，和s b a n e r j e e 等人还认为，固体粒子常在低流速区集结， 这与壁面结构有关，那么粒子平均速度低于流体的速度。粒子和周围流体的实际 相对速度常常是很小的。另外，实验数据表明当剪切率增加，粒子通量剖面渐近 地达到某一形状，该区域在边界底层存在很大的通量梯度，此时相对恒定地存在 较大升力，这个现象可以归为壁面结构间的相互作用。s g y i a n t s i o s 和 a j k a r a b e l a s ”研究了粒子从流体悬浮液中沉积在光滑表面的运输和粘附的步 骤。粒子的传送受粒子的布朗扩散和惯性影响，而粘附时水动力和物理化学力相 比较的结果。在各种文献中，微米级粒子的传送是取决于布朗扩散系数的大小的。 但是，就算在这个级别( 胶体粒子) 范围，重力或某向沉积表面的恒力对沉积过 程有很大的作用。在水平排列装置微米粒子悬浮液湍流流体中沉淀作用的影响也 可能很重要。这些效果需要仔细的实验验证。粘附对沉积的影响，在目前还没有 能确切地从污垢研究中分离出来，在当前的文献中通常只提到宏观的污垢热阻测 量。当水力剪切力超过某一临界值时，粘附过程就开始影响沉积率，涉及到粘力 和水动力的竞争。g z i s k i n d ，m f i c h m a n 和c g u t f i n g e r “1 描述了在微粒靠近 水平表面时剪切力对它影响。这些影响可完全描述湍流中粒子靠近静止壁面的动 力学，得到粒子重夹所需要的条件。运动方程是从现存的水力升力和拉力作用在 微粒解析描述中得到的。由靠近粒子表面剪切力产生的升力是两部分组成的，一 是取决于粒子的相对速度，二是由固体表面决定。为了评价线性分析解的准确性， 第一章绪论 他们又用r u n g e k u t t a 方法对粒子运动全方程进行了数值计算，结果相吻合。线 性化分析可以判断给定流动条件粒子的运动是否稳定。不稳定性是由于粒子大小， 流动剪切率，流体粘度，流体和粒子的密度，和粒子离壁面的距离决定的。粒子 运动不稳定意味着粒子很快就脱离表面进入主流。 在混合污垢方面，s o m e r s c a l e s “23 在评述研究进展时，特地对腐蚀污垢与生物 污垢、颗粒污垢、析晶污垢以及腐蚀污垢与析晶和颗粒混合污垢的相互关系作了 评价：s h e i k h o l e s l a m i “”的综述则着重于生物污垢与无机物污垢的相互作用。这 都为混合污垢特性研究的开展作了极有意义的引导和准备。t u r n e r 和k i i m a s “ 的协同作用模型指出，生物污垢的存在使颗粒沉积率增加的原因是黏膜增大了粒 子附着的有效面积，但离准确定量描述的目标尚远。g r a n t 和b o t t “”的研究显示， 微生物附着于表面可增大表面的腐蚀速率，其原因不仅是微生物在表面创造了不 同的有氧区( 原电池) ，而且还因为很多细菌排放的酸侵袭了表面( 形成点蚀) 的 缘故。b o t t 还和 i e l o ”6 1 合作研究了黏膜中粒子和细菌的相互作用。李香琴和刘天 庆等“7 1 对模拟工业水系统中荧光假单胞菌与碳酸钙在固体壁面上形成混合垢的过 程进行了实验研究，考察了在不同碳酸钙饱和程度及主体流速下混合垢在不同材 料表面上的结垢行为，获得了不同材料表面上混合垢随时间的生长曲线。结果表 明：平均混合垢量少于平均生物垢量：在碳酸钙不饱和水体中，平均混合垢量极 少：在碳酸钙饱和水体中，随碳酸钙过饱和程度及主体流速的增大，平均混合垢 量减少，混合垢生长的诱导期缩短；非金属表面上的平均混合垢量多于金属表面 上的；碳酸钙颗粒首先吸附到材料表面上，然后是微生物的黏附生长：碳酸钙的 存在抑制微生物与材料表面的结合，而微生物的生长繁殖又抑制了碳酸钙的沉积。 m j v i e i r aa n dl f m e l o “”对比了在含有高岭土和不含高岭土的湍流不同情况下 荧光假单胞菌生物膜的形成结果。结果表明：混合高岭土颗粒导致了生物膜的积 聚更多，当底层抑制时生物膜也具有更高的稳定性，悬浮细胞具有更高的呼吸效 率，整个生物膜厚度的质量传递率也随着增加了。他们认为高岭土颗粒增强了微 生物在生物膜中的活动性，可引起生物膜物理结垢的变化，使它变得更坚固和有 吸附性。 随着强化换热技术的应用，各种类型的强化换热管开始应用在换热设备之中， 如波纹管、螺旋槽管、肋管等，改变换热管的几何形状能够提高换热系数，然而， 换热系数越大，污垢对其影响也会越大，因此污垢对强化换热设各的影响也引起 了更广泛的关注。在强化换热面的污垢特性研究方面，早在1 9 5 9 年，k n u d s e n 等m - 就发现横向外肋片管的碳酸钙污垢热阻比参比光管要小。但强化换热面污垢特性 研究的主要进展是在近三十年。这些研究主要集中在各种肋片管“”2 “、螺旋槽管 ”5 “”和波纹管”3 “。这些实验研究的研究对象均为液侧污垢，且实验条件各不相 同，评价指标也不统一，有的采用结垢速率，有的采用污垢热阻比：实验结果相当 华南理上人学硕士学位论文 分散，有的甚至结论相反。如p a n c h a l 等”的实验表明，海水流过强化管所产生的 生物腐蚀污垢与强化管的几何参数、流道形状无关。而w e b b 等”5 则认为不同类 型强化管的颗粒污垢的结垢速率与强化方式有关，且取决于强化管内表面的几何 参数，并都高于参比光管；s o m e r s c a l e s 等”7 1 的结垢也与k i m ”“、c h a m r a ”的结论 柏反；r a b a s “9 1 | j 指出b o y d ”“的数据与长期实验结果不符。后柬，r a b a s “”还广泛 比较了不同研究者在不同条件下所得强化管与参比光管的结垢速率之比在1 2 5 范围内。可见目前人们对于强化管的污垢特性研究还不充分，数据之间多不具备 可比性，还未见有强化几何结构参数与污垢特性的相关性研究。因此可以说，目 前人们对于强化换热元件的污垢特性的研究还很不充分，实验研究结果分歧较大 甚至相反：新型强化换热面的开发也缺乏必要的理论指导。 1 2 2 污垢热阻的预测模型 本世纪3 0 年代，由于换热器设计的需要，s i e d e r 提出了污垢系数的概念，用 以代替清洁系数。1 9 4 1 年，污垢系数被列入了美国管式换热器制造商协会( t e m a ) 标准( 第一版) 。但是，总的看来，在5 0 年代末以前，关于污垢研究的报道还很少。 1 9 5 9 年k e r n 丰f l s e a t o n “提出了后来称作k e r n s e a t o n 模型的污垢分析模型，将污垢 研究引上了科学的轨道，成为污垢科学研究中的一个重要里程碑。1 9 6 2 年h a s s o n ”“ 提出了预测c a c o 。结晶的数学模型。 近1 0 年来，基于污垢形成机理认识的逐步深入，污垢的预测和模拟都取得了 明显进展。然而换热设备污垢形成的影响因素众多，是在动量、能量、质量传递以 及生物活动同时存在的多相、多组分流动过程中进行的，其理论基础除传热传质学 外，还涉及到化学动力学、流体力学、胶体化学、热力学与统计物理、微生物学、 非线性科学以及表面科学等相关学科，是一个典型的多学科交叉的高度复杂问题， 因而对其机理的清晰理解和准确把握仍是一项极为艰巨的任务。在2 0 世纪8 0 年代 中期，e p s t e i n “曾以矩阵形式对污垢形成过程的理论分析和实验研究作了形象 的概括，指出了发展趋势；p i n h e r o “”则比较了当时已有的各预测模型，找出其共 同点，为建立一个通用模型做了十分有意义的工作；而且，m e l o 也对这期阳j 的进 展做了出色的概括和评述。 徐志明等“基于湍流猝发理论，提出了一个以易测参数表述的污垢热阻预测 模型，其形式类似于基于k e r n s e a t o n 模型得到的结果，但待定系数少、所需参量 更易测量。这一模型得到了煤灰粒子与空气的实验数据的支持。g a r o n $ 口a n d r e 。7 ： 研究了表面上的单层粒子在流体作用下重新悬浮的统计特性，进而确定了颗粒污 垢中粒子重央时某些参数，如流速、粒子与表面的附着力，粒子问的黏附力的临界 值，对进一步揭示颗粒污垢的剥离机制有参考价值。a d o m e i t 和r e n z 采用数值模拟 第一章绪论 方法预测非等温湍流流动中亚微米粒子的沉积率和剥蚀率，结果与实验值吻合，他 们还用这种数值模拟研究和精心控制实验条件的实验研究相结合的办法研究了温 度、温度梯度( 热泳) 和流速对亚微米粒子沉积率和剥蚀率的影响。e p s t e i n “j 归 纳出颗粒污垢的“自阻滞”现象的三个通用机理。实际上，早在1 9 7 9 年，r o d l i f f 和m e a n s 就曾观察到自阻滞现象，并用以解释磁粒子接近壁面时沉积的减小。赵晓 彤、杨善让等“”以分形描述自然堆积颗粒的几何结构，运用导热与逾渗的类比， 建立了均匀散体导热热阻的逾渗模型。张海林、杨善让等”设法提高了重整化群 精度并利用它来改变粗视化程度以确定散体热导率的变化，进而应用于具有一定 颗粒分布的灰层污垢热阻的确定，可望为颗粒污垢热阻的预测提供一个以可测参 数表述的计算模型。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，寻求对污垢形成机理的理解，定量预测污垢增长 率，为换热设备的设计者和运行人员提供一个可信而适用的预测模型的努力仍然 历艰而弥坚，尽管不断有研究者提出新的污垢分析模型，但遗憾地说至今还没有一 个被普遍接受的模型。其原因是污垢的形成过程过于复杂，对污垢形成的微观机 理还没有完全认识清楚。即使广为使用的k e r n s e a t o n 模型也只提供了污垢特性的 数学描述的框架，离揭示污垢形成机