（工程热物理专业论文）恒热流条件下振动圆管外结垢特性实验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 换熟设备是工业生产中通用的工艺设备，9 5 以上的换热设备都存 在不同程度的污垢问题，污垢的存在会使换热面的传热性能下降，流动阻 力增加，由此而造成一系列的经济损失，且污垢的存在是强化换热技术所 面i 旌的难题之一 本文建立了圆管污垢特性实验台，利用氯化钙、碳酸氢钠、氢氧化钠 配置的人工硬水，在恒热流条件下进行了静止和振动圆管的结垢及振动强 化传热实验研究 在圆管静止条件下，通过实验得到不同加热功率下污垢热阻随着时间 的变化规律。实验结果表明，污垢热阻随时间变化曲线为典型的渐近线型， 且随着壁面温度的升高，污垢的结垢速率增加。 在圆管振动条件下，得到了在不同的振动振幅和频率下污垢生长曲线， 并且拟合出了渐近污垢热阻值和振动雷诺数的关联式。实验结果表明，振 动条件下的污垢熟阻随时间变化曲线也为典型的渐近线型，且渐近污垢热 阻随着振动雷诺数的增加而呈指数形式减小。相同工况条件下，圆管振动 时的渐近污垢热阻较静止时的小 本文对圆管先振动再变为静止进行了结垢实验研究，得到了整个过程 中污垢的生长曲线。实验结果表明，最后的渐近污垢热阻比圆管振动时增 加了3 5 ，说明圆管振动较静止时的剥蚀力大，振动具有更好的抑垢效果。 本文还围绕圆管振动强化传热进行了研究，测得了管外平均对流换热 系数随振动频率和振幅的变化关系，得到管外对流换热的拟合公式，可作 为圆管外流体与壁面间传质强弱的参考。同一振动r e 数下的高频低振幅振 动要比低频高振幅振动对管外对流换热的强化效果要好。 本文对振动圆管外污垢溶解过程和剥落过程作了模型分析，分析指出：， 圆管振动造成的传质增强能加速污垢的溶解，而圆管振动时造成壁面剪应 力的反复改变可以更有效的造成污垢剥落。 上述研究结果对了解振动条件下污垢的生成规律具有指导意义。 关键词：振动，污垢，强化传热 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e r sa r eu s e dw i d e l vi 丑i n d u s t r y f o u l i n gp r o b l e me x i t si n m o r et h a n9 5p e r c e n to fh e a te x c h a n g e r s ，i td e c l i n e st h ep e r f o r m a n c eo fh e a t 缸a n s f e z8 t l r r f a c ea n di u c r 黜f l o wr e s i s t a n c e t h e r e f o r ei n d u c eas e r i e s0 f e c o n o m i cl o s s a n df o u l i n ge n t i t yi so u co ft h em o s td i 丘i c u l tp r o b l e m si nh e a t u a n s f o re n h a n c e m e n t t h i sp a p e re s t a b l i s h e se x p e r i m e n tp l a t f o r mo nt h er o u n d 诅b e f o u l i n gj l s e sm a n u a lh a r dw a t e r , w h i c hi sm a d eo fc a l c i u mc h l o r i d i z e ，s o d i u m b i c a r b o n a t ea n ds o d i mh y d r o x i d e ，a se x p e r i m e n t a lm a t t e r , a n dm e a s u r e st h e s t i l l n e s sa n dt h ev i b r a t i o np i p e sf o u l i n gg r o w t hc h a r a c t e ra n dv i b r a t i o nh e a t 扛a n s f e re n h a n c e m e n ti nt h ec o n d i t i o no fc o n s t a n th e a tf l u x 乃ee x p e r i m e n tp l a t f o r mo l l $ t i l l n e 踌r o u n dt u b ef o u l i n gi se s t a b l i s h e dt o t e s tt h el a wo ff o u l i n gr e s i s t a n c ea n dt h n e t h er e s u l t ss h o w st h a tf o u l i n g g r o wc u mi sr e p r e s e n t a t i v ea s y m p t o t e b e s i d e s t h ef o u l i n gg r o w t hr a t e i i i c l e a sw h i l es u r f a c et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m0 1 1v i b r a t i o nr o u n df o u l i n gi se s t a b l i s h e dt o o b t a i nf o u l i n gg r o w t hc m - v e sw h e nt h ev i b r a t i o na m p l i t u d ea n df r e q u e n c yi s d i f f e r e n ta n dt h ee x p r e s s i q rb e t w e e nt h ea s y m p t o t i cf o u l i n gt h e l m a lr e s i s t a n c e a n dv i b r a t i o nr e y n o l d sn u m b e r t h cr e s u l t ss h o w st h a tt h ef o u l i n gg r o wc l e v e i sr e p r e s e n t a t i v ea s y m p t o t e ，a l s o 。a n dt h a tt h ei n c r e a s eo fv i b r a t i o nr e y n o l d s n u m b e rs h o u l dr e d u c et h ea s y m p t o t i cf o u l i n gr e s i s l 3 n c ei ne x p o n e n t i a lf o r m ， a n dt h a tt h e 、i b r a f i o na s y m p t o t i cf o u l i n gr e s i s t a n c ei sl e s st h a ns t i l l n e s s a s y m p t o t i cf o u l i n gr e s i s t a n c e w h e nt h ec o n d i t i o n s a 玛8 a m e l l e s s ( t h e c o n c e n 扛a t i o no ft h ec a l c i u mc h l o r i d i z ea n d8 0 d l u u lb i c a r b o n a t e ，t h ep hv a l u e ， t h eh e a t e dp o w e r , t h ef l u i dv e l o c i t va c r o s st h ep i p e ) 1 1 砖f o u l i n ge x p e r i m e n ti sd o n ew h e nt h et u b ec h a n g e sf r o mv i b r a t i o nt o $ t i l l u e s st oo b t a i nt h ef o u l i n gg r o w t hc u r v ei nt h ew h o l ep r o c e s s t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ef i n a lf o u l i n gt h e r m a lr e s i s t a n c ei n c r e a s e 3 5p e r c e n tt h a nt h a tw h e nt h ep i p es t o p sv i b r a t i n g i ts h o w st h a tt h e d e n u d a t i o nf o r c eo ft h ev i b r a t i o np i p ei sm o r et h a nt h es t i l l n e s sp i p e ，a n d f u r t h e r m o r ev a l i d a t e st h a tv i b r a t i o nc a np r e v e n tf o u l i n gw e l l t h i sp a p e ra l s oi n p e s t i g a t e st h ev i b r a t i o nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t , l l l e a s u r e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea v e r a 【g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h e v i b r 。t i o nf z e q u e n c y , t h ea m p f i t u d e 。a n dg a i n st h ed r a f t e de x p r e s s i o no fh e a t u a n 8 f o r e i t h e rt h ef r e q u e n c yi sh i 吐o rl o w w i t ht h es a l n ev i b r a t i o nr e y n o l d s n u m b e r , b e t w e e nt h eh i g hf r e q u e n c yl o wa m p l i t u d ev i b r a t i o na n dt h el o w 丘e q u e n c yh i g ha m p l i t u d eo n e ，t h ef o r m e r i n f l u e n c et h eh e a tt r a n s f e e n h a n c e m e n tm o r ei n t e n s i v e l yt h a nt h el a t t e r t h i sp a p e ra n a l y s e st h em o d e lo fd i s s o l u t i o na n dd e s q u a m a f i o no ft h e v i b r a t i o np i p e sf o u l i n g ，t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h ee n h a n c e m e n to fm a s s t r a n s f e rb e c a u s eo ft h ev i b r a t i o no fr o u n dt u b es h o u l da c c e l e r a t et h e m 山东大学硕士学位论文 d i s s o l u t i o no ft h ef o u l i n g ，b e s i d e s ，t h ev i b r a t i o no fr o u n dt u b ec h a n g e st h e s h e a r i n gm e n g t h , a sar e s u l t ，m a k e st h ef o u l i n gd e s q u a m a t e t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sm a k es e n s et ok n o wt h er e g u l a t i o no ff o u l i n g g r o w t hw h e nv i b r a t i n g k e yw o r d s ：v i b r a t i o n ，f o u l i n g ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t i v 山东大学硕士学位论文 符号对照表 振动振幅，衄或传熟面积，m 2 振动频率，h z 传热管直径，r a m 单位换热面上沉积污垢的质量，幻m 2 沉积率，妇( r e 2 s ) 剥蚀率，幻，( 小2 j ) 污垢沉积层热阻，m 2 k i w 渐近污垢热阻，研2 k w 沉积层与流体界面处污垢物质的浓度，始i m 3 垢分物质的平均浓度，冶，肼 活化能，材i ( k g m o o 换热器的传热速率，w 热流密度，w ，m 2 平均壁温， 主流流体平均温度， 管壁温度， 主流流体温度， 管壁表面温度， 换热面的最大振动速度，m s 振动雷诺数 主流流体雷诺数 v a ， 吃 吩 嘞 晦 乃 巧 g q e q 霉 一0 0 0 吒 k 山东大学硕士学位论文 c w j b 努塞尔数 普朗特数 反应速率常数，妇“m 3 m - 2 ，j 运动粘度，m 2 i s 导热系数( 热导率) ，w ( m 置1 对流换热系数，w ，( m 2 置) 流体在固体表面的剪切应力，i r a 2 流动速度，m l ， 垢层厚度，m 密度，坛，m 3 诱导期，矗或s 污垢导热系数，w i ( r n 置) 传质系数，m l j 下角标 洁净状态 污染状态、污垢物质或液体 壁面 。 表面 主体( 平均) m n y a 口 0 毋 o p 0 k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：屋拯杰：e l 期： o f 户6 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留：使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逮立导师签名：超葭查篁日期： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 1 引言 换热设备是工业生产中通用的工艺设备，据统计，冶金、建材、石化 等高能耗行业中，换热器的投资通常占总投资的3 0 - 4 0 ，而火电厂，包 括锅炉在内的换热器投资约占总投资的7 0 【l l 。调查表明，9 5 以上的换 热设备都存在不同程度的污垢问题印，污垢的存在会使换热面的传热性能 下降，流动阻力增加，由此而造成一系列的经济损失 提高产品竞争力是我国建设节约型社会的主要战略需求之一，而由于 污垢引起的高能耗、高物耗、高污染、低效益、低质量降低了产品的竞争 力 新能源与节能技术是高新技术产业化的重要组成部分，污垢研究有益 于节能、降耗、节水的进步，从而促使经济和社会可持续发展。 污垢研究牵涉到多学科的交叉融合，从污垢现象的多样性、复杂性来 看，污垢模型的建立，除传热传质学外，还要涉及到化学动力学、胶体化 学、表面科学和非线性科学等基础或应用基础学科的相关知识，同时还需 借助于计算机技术、现代检测技术、人工智能技术等( 实验) 技术科学进 行实验研究。此外，还要应用现代生物技术、纳米技术、微电子技术、膜 分离技术等开发更有效且不污染环境的污垢对策技术。学科交叉的研究可 为各行业问相互学习借鉴提供机会。 近年来，随着污垢研究的进一步展开和深入，表面改性防垢技术【司、 绿色清洗技术嗍嘲、利用微生物处理污水的生物技术婀，物理法和化学法 相结合的a m t 技术们、用于污垢检测的新型传感器【3 1 以及软测量技术 m 1 习等新技术发展很快 1 - 2 污垢的分类 污垢是指在与不洁净流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层 山东大学硕士学位论文 固态物质，通常以混合物的状态存在。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、生长过程，常被称之为积垢或污染。 按照引起污垢沉积的最主要过程，液侧污垢可分为如下六类“6 1 ： ( 1 ) 析晶污垢：指流体在流动过程中温度发生变化时，溶解物质因 溶解度变小，析出后附着在换热面上的晶体，称作析晶污垢。 当流体是冷却水或蒸发设备中的热水时，这种污垢又称作水垢 或锈垢。正常溶解度的盐类淀析在冷却面上，而具有反常溶解 度的盐类则淀析在加热面上。 ( 2 ) 化学反应污垢：换热面本身并不参与的化学反应在换热面上形 成的沉积物。化学反应污垢的例子如碳氢化合物的聚合和裂化 时在反应器上的积聚。 ( 3 ) 腐蚀污垢：换热面材料本身参与了化学反应，产生的腐蚀物积 聚在换热表面上，称腐蚀污垢。这种污垢不但能污染换热面， 而且造成换热表面形态的改变，为其他的污秽物质附着于换热 面创造更好的条件。 ( 4 ) 微粒污垢：由悬浮在流体中的固体微粒积聚在换热面上形成的 污垢，其中包括沉淀污垢和胶体粒子沉积物。 ( 5 ) 凝固污垢；由多组分溶液中的高溶解度成分或纯净液体在过冷 的换热面上凝固而形成的。 ( 6 ) 生物污拓：由流体中的宏观生物体和微生物体附着于换热面上 而形成的。生物污垢可能产生粘泥，粘泥反过来又为生物污垢 的生长提供了条件。 1 3 污垢的形成过程 大量观察表明，清洁换热面与不洁净流体接触后，污垢热阻随时间 的变化可分为线性增长型、降率型、渐近型( 如图1 - 1 ) 。而实际测得污 垢随时间的变化，一般并不像上述三种曲线那样光顺，而是如图1 - 1 所示 一韵锯齿型。 同时还发现j 有的清洁换热面和不清洁流体接触后，几乎立即可观 2 山东大学硕士学位论文 测到污垢的出现，如图1 1 各虚线所示那样而更多的情况则是在接触后 的一段时间内，没有观测到明显的污垢热阻，这段时间通常称作诱导 期或延迟时间。 一0 n 一 运行时间8 图l - l 污垢热阻随时间的变化曲线 由图i - i 的锯齿型曲线，人们不难想象在污垢的形成过程中，一方面 污秽物质会沉积到换热面上，从而增加热阻，但另一方面也存在污垢物质 不断被流体冲击后剥离，使污垢热阻减小的现象，这两种现象共同作用的 结果使得观测到的污垢热阻随时间的变化呈现明显的锯齿形状。 污垢的形成过程是质量交换、热量交换和动量交换的动态综合，是多 种十分复杂过程的同时作用，因而影响这一过程的因素也很多，这些因素 不同，形成的污垢特性也各不相同。但是所有各类污垢的形成过程一般都 要经历的下述五个阶段或过程。即：起始、输运( 传递) 、附着、剥蚀和 老化。在污垢生长过程中，这四个阶段发生的顺序也可能有所交叉，例如 污垢在刚生成时，老化过程已经开始了 ( 1 ) 起始。污垢形成的起始阶段也称诱导期或延迟时间，这是指从 换热面与污染流体接触起到形成可观测到的污垢的一段时间。 ( 2 ) 输运。输运过程是污垢形成各阶段中研究的最为充分的一个过 程1 7 堋目前已被确认的输运机制有以下几种模型：布朗扩散或 分子扩散，湍流扩散，化学反应率支配的输运，惯性碰撞，热 泳，电泳，扩散泳，重力。 3 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 附着。穿过流动边界层被输运到固体表面的污垢物质粒子，一 部分粒子附着于表面而形成污垢，而另一部分粒子又从表面反 弹出来。到达表面的粒子是否附着完全是随机的，因而关于附 着的模型多是以粒子附着于表面的概率进行描述。 ( 4 ) 剥蚀。剥蚀是指沉积在换热面上的污垢重新脱离换热面或污垢 层被流动流体撕裂后碎片被夹带的过程。实际上这个过程可分 为同时存在的两个部分：1 污垢物质从流体和固体交界面上脱 ， 。 离的过程；2 污垢物质从流固交界面输运到主流流体中的过程。 观察发现污垢物质脱离表面的形态基本分为三种；离子形式， 颗粒形式和大块。按照污垢物质脱离的这些形态特点，研究者 们提出了相应的三种剥蚀机制：溶解、磨蚀和剥落。 a 溶解：指污垢物质以离子形态从固体表面脱离并被输运离开壁 面。 b 磨蚀：污垢物质以微粒形式脱离固体表面的过程，称作磨蚀。 c 剥落：指污垢物质以大块或成片的形状从固体表面上剥落的过 程。 ( 5 ) 老化。污垢沉积的老化，当它在换热面上刚形成时就开始了， 老化过程主要表现为：晶体结构的变化，沉积物质的聚合作 用，热应力的发展，污垢与换热界面处发生的溶解过程，换热 面释放的腐蚀产物造成的微生物中毒死亡，微生物的饥饿死 亡 1 4 污垢影响因素 在换热器内，影响污垢生长的因素主要包括运行参数、换热器参数、 流体性质。 ( 1 ) 运行参数。运行参数主要包括流体流动速度、换热面温度、流 体温度等。 a 流体速度：流体速度对污垢的影响主要表现在对污垢沉积( 输 运、附着) 的影响和对污垢剥蚀的影响。大量研究发现，所有 4 山东大学硕士学位论文 各类污垢的增长率函帷，i d o 均随流动速度的增大而减小 b 温度：到目前为止，温度对污垢的影响规律还需要很多的工作 来探讨温度对化学反应污垢和析晶污垢起非常重要的作用。 换热面温度对污垢的影响，主要表现在促进沉积物内部附加晶 体化过程方面。 ( 2 ) 换热器参数换热器的一些参数对污垢的形成有着明显影响， 这些参数包括：换热面材料、换热面状态、换热面的型式以及 几何尺寸 ( 3 ) 流体性质。这里所说的流体性质对污垢的影响，实际上包括流 体本身的性质和不溶于流体或被流体夹带的各种物质的特性 对污垢的影响。实验研究表明，这两者对换热面上的污垢特性 及其形成过程有明显的影响。 1 5 国内外研究现状 污垢所带来的经济损失巨大，必然引起各国科技人员的关注，污垢研 究的文献也很多，污垢研究在二十世纪8 0 年代以后基本上沿着三个方向 发展：1 对污垢的形成过程进行理论分析与实验研究，力图为换热设备内 污垢的生长提供一个通用而又准确的预测模型；2 污垢监测技术的开发研 究，对换热设备内污垢的生长过程密切监视；3 污垢对策的研究，对换热 设备内的污垢抑制或清除。 预测模型的研究过程中，虽然不断有研究者提出新的污垢分析模型， 但由于污垢形成过程过于复杂、形成过程的微观机理还未得到完整的认识， 因此至今还没有一个能够普遍适用的模型，即使广为引用的k e r n - - s e a t o n 模型也只提供了污垢生长过程大致的数学描述，污垢形成过程的五个阶段 中，对起始和老化过程研究的很少，机理不清，因而现有的污垢机理分析 还不能考虑上述两因素对整个形成过程的影响近些年来，徐志明、杨善 让聊重新定义了污垢的诱导期。扬传芳等嗍等提出了一个预测饱和水系统 中碳酸钙析晶垢沉积率预测模型。z h a o 和m u l l e r - s t e i n h a g e n t 2 、v i s 嘶和 j e 伽血出习、f o r s t m - 等 2 3 - 2 6 1 、r o s m a n i n h o 等嘲、d a h l s 仃咖嘲、o l g a t 2 a l 、 5 山东大学硕士学位论文 y c b m i 栅、d a i p l l 、t i m o l 3 2 j 、k u k u i k a t 3 刃等的研究均发现表面特性，特别是 表面能对污垢的形成过程有决定性影响，如d l c c d i a m o n dl i k ec a r b o n ) 涂层 表面具有很长的诱导期 2 2 1 。而刘天庆和王兴涮蚓、剧金兰等 3 5 1 、邹海涛婀、 马学虎和任春生口刀的研究表明表面改性可以改变表面能。a l b e r t o 等人d 4 0 】 则探讨了模拟求解管式聚合反应器中的污垢问题。程林【4 1 1 研究了一种复杂 非线性传热元件的污垢特性。h a s s o nd 等响、b a m a lb 等 4 3 1 、l 【r 矗s 【卅、 m o r th 等嘲研究表明，表面温度和流体流速对渐近值有重要影响，随着表 面温度的升高，渐近值增大。b o h n e tma n da u g u s t i nw 【蛔、邢晓凯等嘲研 究表明，不清洁液体的p h 值越大，渐近污垢热阻越大。k r a u s es 嗍研究表明 渐近污垢热阻随浓度和温度的增大而增大。 对污垢的监测方面，光纤、红外线、超声波以及人工智能等新技术不 断应用到污垢的监测研究中陆埘，但这些技术和装置或仅局限于实验室以 及一些特殊对象的检测，或者测量机理和方法有待于进一步的完善。因此 目前真正能够实现在线监测污垢的成熟技术还不是很多。 对污垢对策的研究中，防垢技术进展最慢，除按照t e m a 标准在换 热器中预留冗余面积外，还未找到合理的解决方案；抑垢和除垢技术近二 十年来取得了巨大进展，邢晓凯等嗍研究的电磁抗垢技术；俞秀民等 4 9 - 5 0 研究的斜齿纽带自动清洗技术；杨善让等5 1 1 研制了螺旋线型除垢强化器， 首次将强化传热技术和除垢技术结合实施。但在抑垢、除垢机理和策略方 面的研究还不够充分。 污垢研究经过几十年的努力，积累了许多有价值的资料与数据，对污 垢形成的过程有了基本的了解，对一些运行参数对污垢进程的影响有了初 步的认识。东北电力学院杨善让、徐志明出版了比较完善的一本关于污垢 的中文著作换热设备内的污垢与对策j 对国内污垢研究起了很大的推 动。从目前研究现状看，污垢生长的特性仍然很难预测。而对防垢、抑垢 和除垢( 这是直接而有效的污垢对策) 的研究进展却是最缓慢的，目前基 本上还是化学清洗与机械清洗两种方法占主澍“。 6 山东大学硕士学位论文 1 6 本文的工作 本文建立圆管污垢特性实验台，利用氯化钙、碳酸氢钠、氢氧化钠配 置的人工硬水，在恒热流条件下进行静止和振动圆管的结垢及振动强化传 热实验研究具体包括以下方面： 1 在圆管静止条件下，通过实验测得不同加热功率下污垢热阻随着时 间的变化规律。 2 在圆管振动条件下，在不同的振动振幅和频率下进行结垢实验，得 到不同振动参数下的污垢生长曲线。 3 对圆管先振动再变为静止进行了结垢实验研究，得到整个过程中污 垢的生长曲线。 4 在研究振动对污垢影响的同时，对圆管振动条件下强化传热也进行 了实验研究。测得管外平均对流换热系数随振动频率和振幅的变化关 系，为圆管外的传质系数提供参考。 5 对振动圆管外污垢溶解过程和剥落过程的模型进行探讨和分析。 7 山东大学硕士学位论文 2 1 实验系统 2 实验台的建立及误差分析 图2 1 实验系统图 实验系统由实验段、圆管振动系统、水循环系统、实验数据的采集与 处理系统、电加热系统等四个部分组成，如图2 1 所示，具体说明如下； 1 实验段。本实验以外径1 2m m ，壁厚为2 m m 的铜管加工成测试段，加热段 的长度为2 5 0 m m 。实验段的具体结构如图2 。2 所示。实验段各个部分的 用途如下； 图2 2 实验段结构图 8 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 铜管：铜管为一端封闭，另一端开口结构，作为传热和污垢的 生长表面。 ( 2 ) 绝缘材料：为了防止加热电阻丝和铜管内表面接触，使铜管表面 带电。 ( 3 ) 加热棒：加热电阻丝均匀地缠绕在陶瓷芯上，为实验提供恒热流 热源，其最大加热功率为8 0 ( h w 实验段是纵向放置，如图2 3 描述了实验段的放置状态。4 根螺纹立柱 焊接到底面碳钢板上；下部平台、中部平台和螺纹立柱由多个螺帽固定到 一定水平高度，因而可以根据实验段浸没在水中的要求上下移动下部平台 的高度，下部平台起支撑实验段的作用，中部平台起加固螺纹立柱的作用， 使整个实验段固定装置在振动过程中能够保证稳定；圆柱平台和螺柱同心 焊接在起；长方板和圆柱平台同心焊接在起；弹簧片和长方板用4 个螺 丝联接；套管和圆柱平台之间焊接；实验段放入套管中，并用两个螺丝卡 紧固定 - ji l - 当啦瞍，争落藐承培。争矗坟童拄。幸- 喜管争 二 啕撞平分铲缸施r - i l l 垃p 弹簧危 - j l f i l i 。 髦 蓑。舻下舒平台，l l q 争挺平台 莲 糯k ，“，舰，o 口，i 嘞 栅，础。缸竹“4 ht | + i 韶，矿 i 喈女 图2 3 实验段固定图 2 圆管振动系统 圆管振动系统如图2 4 所示，包括变频器、电机、偏心轮、轴承、轴承 9 钐zt。_一，f，t；。l-。一，。一。， 山东大学硕士学位论文 套圈、曲柄连杆机构、套管、实验段、 介绍如下： 弹簧片等。它们的具体结构和用途 ( 1 ) 变频器：可改变电机的转速，变频器可变的频率范围为o _ 5 0 赫兹。 ( 2 ) 电机；电机的功率是1 2 0 w , 转速最大为3 0 0 0 转，分，三相四线制， 为实验段振动提供动力来源。 ( 3 ) 偏心轮：通过改变偏心轮的偏心距改变实验段振动的振幅，本实 验采用偏心轮的偏心距为0 5 m m 和l m m 。偏心轮和电机主轴问 用键槽固定，使偏心轮和电机主轴连成一体，没有相对滑动 ( 4 ) 轴承；轴承和偏心轮之问通过过盈配合连接，通过轴承把偏心轮 的转动动作传递给连杆机构，从而带动实验段往复振动。 ( 5 ) 轴承套圈：轴承套圈和轴承过盈配合，轴承套圈和曲柄连杆的长 方钢焊接在一起，其作用是连接轴承和曲柄连杆机构。 ， 广3 = 弋亡， 岫p 憎 1 ， ；。崽 。弋 ： 脚 ， l - j 厂拿 严 f t 2 a f 1 0 巨7 、+ ： 坛， 厂竖l b 。 日 l 电机，2 - 偏心轮，3 - 轴承，4 轴承套圈，5 - 长方钢，6 一销子， 7 槽钢，i ，1 0 - 套管，9 实验段，1 1 圆柱平台，1 2 弹簧片， 1 3 - 长方板，1 4 螺柱，1 5 。下部平台，1 6 中部平台，1 7 - 上部 平台，1 8 底面板，1 9 螺纹立柱，2 0 - 溢流水箱箱体 l o 山东大学硕士学位论文 图2 - 4 圆管振动系统图 ( 6 ) 连杆机构：包括长方钢、销子、槽钢三个部分。长方钢和槽钢通 过销子连接后，可用来抵消偏心轮的上下运动，使实验段仅在水 平方向上振动。 ( 7 ) 套管：用来连接实验段和连杆机构。套管和槽钢之间焊接在起； 在套管上开两个螺纹孔，用两个螺丝顶住实验段，使实验段和套 管连接为一体。 ( 8 ) 实验段：为结垢和振动强化传热提供了热源。同时可以铜管加热 段上布置热电偶，测量实验段壁面温度的变化。 ， ( 9 ) 弹簧片；由壁厚l m m 的碳钢板制成，实现实验段下部和下部平 台固定端的连接。由于具有较好的弹性，不致在长时间的振动过 程中断裂，但在实验过程中仍然出现了一次断裂 0 0 ) 长方板；两个长方板分别和两个圆柱平台相焊接，和弹簧片螺拴 连接。起到固定弹簧片的作用。 ( 1 1 ) 螺柱：通过上下两个螺母固定在下部平台上，螺柱和圆柱平台焊 接在一起，圆柱平台和长方板焊接在一起，起到固定实验段的目 的。 ( 1 2 ) 下部平台：在下部平台上开了很多的小圆孔，形成匀流板，使流 经实验段的工质流速比较均匀。同时起到支撑实验段的目的。根 据实验加热段浸没在水中的原则，上下移动下部平台即可实现。 ( 1 3 ) 中部平台：用来加固整个振动实验系统 ( 1 4 ) 上部平台：在上部平台上开了四个孔，用来固定电机。上部平台 和四角的螺柱固定在一起，这样整个振动过程的作用仅发生在平 台的框架内。 螺柱、圆柱平台、长方板同心焊接在一起，用螺母固定在下部平台上。 再把长方板、圆柱平台、套管同心焊接在起，两个长方板和弹簧片螺栓 连接。然后把实验段插入套管中，在套管上开两个螺纹孔，用两个螺丝顶 住实验段，使实验段和套管连接为一体。然后依次固定好中部平台，上部 平台，在上部平台中心处开了一个跑道形状的孔，使实验段能够露出上部 l l 山东大学硕士学位论文 平台适当的距离，以便能够用两个螺丝和套管连接为一体。最后将电机固 定在上部平台上，将轴承、轴承套圈装配在一起，轴承套圈和长方钢焊接 在一起，轴承、轴承套圈、长方钢就成为一个整体，轴承和偏心轮过盈配 合在一起，把偏心轮固定在电机主轴上，然后槽钢和长方钢用销子连接在 一起，根据连杆机构和电机主轴在同一水平面上的原则，上下移动实验段 上部套管的位置，调好位置后将套管固定在实验段上。调整下部平台的水 平高度，使加热段能够正好完全浸没在水中。最后打开变频器，设定好实 验段的振动频率，使整个振动系统空运彳亍：z 4 d , 时( 为防止装配不好，发生 故障) ，若工作正常，就可以启动水循环系统，进行振动圆管的结垢实验。 3 水循环系统。 该系统由蓄水箱、阀门、水泵、调节阀门、流量计、溢流水箱等组 成工作回路，自来水入口管道及排水管道等辅助回路。具体的水循环路 线如图2 1 所示。循环主回路中的主要设备及用途介绍如下： ( 1 ) 蓄水箱。起着蓄水作用，保持系统水循环的稳定性。同时能够保 证系统内水的温度波动不大。蓄水箱中布置了1 5 k w 加热器，通 过电加热控温系统为整个系统提供可调节的热源。 ( 2 ) 循环泵。其作用是为整个系统的水循环提供动力。 ( 3 ) 调节阀门。安装与流量计的正下方，结合流量计，用来调节经过 溢流水箱的水流量。 ( 4 ) 流量计，用来测量经过溢流水箱的水流量。 ( 5 ) 溢流水箱。为实验段提供结垢和传热的外部环境。为了能使流经 实验段的工质流速分布比较的均匀，在伸入溢流水箱的入口管道 上开了一个直径l o m m 的圆孔，沿管子圆周方向均匀地开了4 个 2 0 1 5 r a m 的长方孔。同时把下部平台制作成匀流板。为了能让 溢流水箱的水流到下面蓄水箱中，使溢流水箱的一侧低于其它三 侧，在较低的一侧外焊接一个小的水箱，通过管子流到下面蓄水 箱中。 4 电加热系统 电加热系统包括蓄水箱中水的加热系统和实验段加热系统两部分。 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 蓄水箱中水的加热系统。本系统是为了能够控制流经实验段的水 温始终保持恒定，即必须把蓄水箱中的水控制在恒定的温度，使 整个系统的加热量和散热量相等。蓄水箱中水的加热系统主要包 括温度控制器、可控硅、可控硅触发板、断路器。如图3 1 所示。 主电路包括断路器、可控硅、加热器；二次回路即控制回路包括 p t l 0 0 热电阻、可控硅触发板、温度控制器。其主要的温度控制 原理为：事先给温度控制器一个设定温度值，本实验设定为4 0 ，p t t o o 热电阻传递给温度控制器当前温度值，温度控制器根 据设定值和当前值，通过p d 运算后，给可控硅触发板一个调节 信号，可控硅触发板再触发可控硅工作温度控制器的输出信 号大，则主电路中的电压值就大，从而加热器的加热功率就大， 相反，加热器的加热器的加热功率就小 ( 2 ) 实验段加热系统。本实验在每一种工况下控制实验段恒热流。实 验段加热系统主要包括断路器、变压器、功率表、实验段中的加 热电阻丝。断路器起防止电流过大，保护电路的作用；变压器主 要用来结合功率表的显示功率值改变实验段的加热功率；功率表 用以显示实验段的加热功率；实验段的加热电阻丝给实验段的结 垢和传熟提供稳定的热源， 5 实验数据的采集及记录系统 在实验中需要测量的物理量包括温度和水的流量及实验段的加热 电压值。温度的测量包括实验段的壁面温度、蓄水箱出口的水温、溢流 水箱入口的温度。其中实验段的壁面温度、溢流水箱的入口温度的测量 采用铜康铜热电偶作为传感器来测量温度，每根热电偶都有标号，以 备记录和区分方便。热电偶是由0 2 r a m 的铜、康铜丝采用电弧法焊接而 成。利用惠普数据采集仪和标准温度计，采用恒温水浴对热电偶进行校 验，发现自制的热电偶准确度在+ 0 5 1 2 左右。 热电偶的电信号由惠普3 4 9 7 0 a 数据采集仪采集。3 4 9 7 0 a 是美国惠 普公司生产的当今世界上最先进的网络型数据采集设备之一。网络型数 据采集系统是将网络化的硬件和软件有机的结合在一起的迅速、简易的 山东大学硕士学位论文 数据采集系统，它可以同时测量各种不同的信号并且有信号变送功能， 使用时不需要另加信号变送器。对于热电偶信号，它自动进行冷端补偿， 而且可以利用其通道的简单换算关系修正热电偶，直接输出修正后的温 度，这样可以使测量系统的连接更加简洁。该设备还提供了基于 m i c r o s o f t w i n d o w s 的操作平台一h pb e n l i n kd a t al o g g e r ，可将采集的 数据实时的显示并存储，图形和数据可经过剪贴送往文字处理软件，使 得实验人员对数据的分析、判断更加直观。 本次实验采用了一台惠普数据采集器组成测量系统，可同时扫描1 6 x 3 个通道的给定参数。对于t 型热电偶测温范围在o - 1 5 0 时，慢速 采集时仪表的误差为o 0 4 。 蓄水箱出口的水温采用p t l 0 0 热电阻测量温度，p t l 0 0 热电阻的测量 范围在1 9 9 c - 6 5 0 。c 之间。蓄水箱出口水温显示在温度控制器上，温度 控制器根据p t l 0 0 给的信号及控制器的设定温度值来输出调节量，从而 使流经实验段的工质温度稳定在4 0 左右。 流量通过转子流量计进行测量，流量的调节通过流量计前的阀门实 现。 2 2 实验内容 本实验旨在研究圆管表面静止和振动条件下的结垢特性。在实验段静 止时，测量加热功率分别为6 0 0 w , 4 0 0 w 时圆管外污垢热阻随时间的变化规 律；在实验段振动时，保持相同外部条件下( 溶液中氯化钙和碳酸氢纳的 浓度、p h 值以及加热段功率、冲刷圆管的流体速度) ，对振幅为0 5 m m ，频率 分别为1 5 t t z ，2 5 h z ，3 5 h z 以及振幅为1 0 r a m ，频率分别为l o h z ，2 0 h z ，3 0 h z 的 振动圆管进行结垢实验，得到不同振动情况下的污垢生长曲线。 在研究振动对污垢影响的同时，对圆管振动条件下强化传热也进行了 实验研究。主要研究振动圆管外对流换热系数随振动频率及振幅变化的规 律。在振动振幅为0 5 m ，频率分别为l o h z ，2 0 h z ，3 0 h z ，4 0 h z ，5 0 h z 时以及振 - 幅为1 o 皿缸，频率分别为l o i i z ，1 5 h z ，2 0 h z ，2 5 h z 下测量恒热流条件下管外 的平均对流换热系数，探讨振动强化管外对流换热的效果。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 3 实验原理 二十世纪7 0 年代以后，污垢的实验研究和监测技术有了很大发展。 为了测量不同条件下的污垢数据，研制了各种各样的实验研究设备和监测 方法这些实验研究设备若按沉积表面的几何特性分，有：管内壁套管环 形表面、球表面、u 形管外表面、金属条或板表面、多孔管表面、细线表 面、复杂几何形状表面( 如管壳式换热器壳侧表面) 和螺旋管表面。按换 热面的加热方式分，有：利用流体显热加热、利用蒸汽汽化潜热、实验段 自身电阻加热、问接电加热。按对沉积物的监测手段分，有热学法和非传 热量的污垢监测法。热学法中又可以分为热阻表示法和温差表示法两种； 非传热量的污垢监测法又有直接称重法、厚度测量法、压降测量法、放射 性技术、时间推移电影法、显微照相法、电解法和化学法。这些监测方法 中，对于换热设备而言，最直接而且与换热设备性能联系最密切的莫过于 热学法。 表示换热面上污垢沉积量的特性参数有：单位面积上的污垢沉积质量 m ，污垢层平均厚度力和污垢热阻弓，这三者之间的关系如下 墨= 熹= 丢务( 2 - i ) j p o f 1 或吗2 等2 i d 。 ( 2 - 2 ) 其中，所污垢密度，坛m 3 ； 七，污垢导热系数，w ( m k ) ； 式( 2 2 ) 这种微分形式能较好地反映污垢特性沿沉积层厚度方向的 变化，而式( 2 - i ) 则可认为是假定污垢特性沿沉积厚度方向均匀分布， 或者如果考虑到污垢层的实际结构时，式( 2 一1 ) 中乃和可看作是相对 于整个沉积层厚度的平均值。值得指出的是，同样的沉积质量增量西帷， 由式( 2 - 2 ) 可见，如果结构不同贝生成乃，不同的两种污垢，其污垢 热阻将不相同，也就是说，同样的污垢质量对传热过程的影响是不同的。 山东大学硕士学位论文 而热学法则可避开这一影响，因此测量污垢热阻较之测量污垢沉积质量更 具优越性。 ， 污垢热阻法是热学法中经常使用的一种方法。其原理如下。 设传热过程是在热流密度窖为常数情况下进行的。假定换热面只有一 侧有污垢存在，那么我们需要确定这一侧的污垢热阻，假设如下： 1 热流密度恒定，即满足恒热流条件。 2 换热表面结垢前后( 结垢前为圆管壁和流体交界面，结垢后为污 垢和流体交界面) 的管外对流换热系数认为不变