（工程热物理专业论文）几种强化管的传热特性及污垢特性的实验研究.pdf

摘要 摘要 强化管是提高换热能力的一种换热元件，在电力、化工、石油及海水淡化等 行业中得到了广泛的应用。有关强化管换热特性的研究较多，但关于污垢特性的 研究还很少。本文针对四种强化管( 弧线管、缩放管i 、缩放管1 i 和波纹管) 的三种 ( 流动、传热及污垢) 特性进行了实验研究。 首先，在冷态下，进行了四种强化管的流动阻力特性的实验研究；在热态下， 进行了传热特性的实验研究，得到了相关的特征曲线及关联式。实验结果表明， 强化管的结构不同是引起传热能力和流动阻力发生改变的主要原因：不同强化管 姗效率特性曲线差别很大。然后，采用对比实验的研究方法，利用m g o 颗粒或硬 度为8 0 0 m g l 的人工硬水作为工质，在相同的流速、水浴温度及入口温度条件下， 分别对四种强化管和对应光管，进行了不同状态下污垢特性的实验研究，得出各 自污垢热阻随时间的变化关系。实验结果证实了结垢程度与强化管的形状及工作 条件有关这一观点；四种强化管的阻垢性能均强于对应的光管。最后，以测量模 型所得的实验结果为准，对比分析了四种强化管和光管的污垢特性的差异，为强 化管的设计与选型提供十分重要的参考。 关键词传热特性；污垢；污垢热阻；流动特性；火罔效率 a b s t r a c t e n h a n c e dt u b e sc a ni n c r e a s e st h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e s a n da r ew i d e l yu s e d i np o w e r , c h e m i c a l p e t r o l e u ma n ds e ad e s a l tf a c t o r i e s m o r ep a p e r sa l eo nt h eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e so f e n h a n c e dt u b e s ，b u tf e wo n e sa l eo nt h ef o u l i n gc h a r a c t e r i s t i c s o ft h et u b e s i nt h i s p a p e r , e x p e r i m e n t a l s t u d i e sa r ec a r d e do u to nt h r e e p e r f o r m a n c e s ( f l o w , h e a tt r a n s f e ra n df o u l i n g ) o ft h ef o u re n h a n c e dt u b e s ( a l el i n et u b e ， c o n v e r g e n t d i v e r g e n tm b ei ，c o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b ei ia n dc o r r u g a t e dt u b e ) f i r s t l y , e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa l ec a r r i e do u to nt h ef l o wp e r f o r m a n c e so ft h ef o u r e n h a n c e dt u b e sa tc o l dp o s i t i o n ；m e a n w h i l e t h eh e a tt m n s f e rp e r f o r m a n c e so ft h e s e t u b e sa l et e s t e da tt h e r m a ls t a t e n 忙r e l a t e dp e r f o r m a n c ec u r v e sa n dt h ed i m e n s i o n l e s s c o r r e l a t i o na r eg o t 1 1 l ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w s 也a tt h ef i a m e w o r ko ft h ee n h a n c e d t u b e si st h ep r i m a r yr e a s o nf o rt h ec h a n g e so fh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n df l o w r e s i s t a n c e ；d i f f e r e n te n h a n c e dm h e sh a v ed i f f e r e n te x e r g ye m c i e n c y m o r e o v e r , t h e c o m p a r a t i v ef o u l i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb e t w e e nt h ea b o v ef o u rt y p e so f t u b e s a n dt h e i rr e s p e c t i v ec o r r e s p o n d i n gp l a i nt u b e s 硼坞e x p e r i m e n t a lw o r k i n gf l u i dw a s m a n m a d e8 0 0 m g lh a r d n e s sw a t e ro rm g op a r t i c l e s ，a n dt h ee x p e r i m e n t sw e r ed o n e u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es a l n el i q u l dv e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea tt h ew a t e rt a n ka n di n l e t t e m p e r a t u r eo ft h ew o r k i n gf l u i di n s i d e t h et u b e s t h er e l a t i o n sb e t w e e nf o u l i n g r e s i s t a n c e so fa l lt h e s et u b e sa n dt i m ew e r eg a i n e df r o mt h er e s u l t so ft h ec o m p a r a t i v e f o u l i n ge x p e r i m e n t n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h ev i e wt h a tf o u l i n gi sr e l a t e dt o t h ef r a m e w o r k so f t h ee n h a n c e dt u b e sa n dw o r k i n gc o n d i t i o n s ；t h ef o u re n h a n c e dt u b e s a r ea l lb e t t e rt h a nt h e i rr e s p e c t i v ec o r r e s p o n d i n gp l a i nt u b e si nt h ea n t i - f o u l i n g p e r f o r m a n c e s f i n a l l y , t h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i s a r eg i v e nb e t w e e nt h ef o u r e n h a n c e dt u b e sa n dt h e i rr e s p e c t i v ec o r r e s p o n d i n gp l a i nt u b e s a 1 lt h e s er e s u l t so f f e ra n i m p o r t a n tr e f e r e n c et ot h ed e s i g n i n ga n ds e l e c t i n gt y p e so f e n h a n c e dt u b e s k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ：f o u l i n g ；f o u l i n gr e s i s t a n c e ；f l o w p e r f o r m a n c e ：e x e r g ye f f i c i e n q - 东北电力大学硕七学位论文 4 p 4 气 主要符号表 拉丁字母符号 表面积m 2 定压比热容j ( k g k ) 管内径m 火用w 沿程阻力系数 重力加流速n 噼g s ) 差压计的水柱高m 对流换热表面传热系数w ( m 2 k ) 总传热系数w ( m 2 k ) 长度m 努塞尔( n u s e e l t ) 数 热量l 【j 流体的容积流量m 3 s 热阻m 2 k w 雷诺( r e y n o l d s ) 数 恒温热源的温度k 环境温度k 温度 流体流速m s 希腊字母符号 压差p a 对数平均温压 4 唧j e厂g七，m q吼r如r死，v 主要符号表 西 占 叩 五 | ， p 热流量w 相对误差 效率 导热系数w ( m 目 运动粘度m 2 $ 密度k g m 3 下角标 清洁状态 序号 弧线管 缩放管i 缩放管i i 波纹管 污垢；流体 流体入口 流体出口 内侧、入口 出口 光管 水浴 管壁 3 o 啦a 盯 c f n t 2 ； o p $ w 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉。 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：邳击越日期：曼埠年王月近日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：斟年j 月立缅 日期：塑1 2 年j i _ 月三三日 第】奇绪论 l ，1 课题的背景 第1 章绪论 换热设备是用来进行在不同温度下的不同介质流体之间传递热量的设备，是工 农业生产和日常生活广为使用的设备之一。s t e i n h a g e n 等对新西兰1 1 0 0 家企业的 3 0 0 0 台各类换热器的通信调查表明，9 0 以上的换热设备在运行过程中，都会出 现不同程度的污垢问题【l 】。所谓污垢，是指在与不洁净流体相接触的换热面上沉积 的那层固态物质，它通常是热的不良导体。其导热率一般只有换热面主要材料一 碳钢的数十分之一，和铜等热的良导体相比，差别就更大了。一旦换热面上有了 污垢，就在流体与换热面之间形成了附加传热热阻，称之为污垢热阻。污垢的存 在，使换热设备的传热能力降低、介质流动阻力增大，由此而造成了一系列的经 济损失，据v a nn o s l r a n d 等【2 】的估计，污垢使美国炼油工业每年损失达1 3 6 亿美 元。t h a c k e r y 3 】对英国1 9 7 7 年国民经济因污垢而增加的费用作了粗略估计，得出 的结果为3 到5 亿英镑。按杨善让等h l 所介绍的方法和文献【5 】所公布的数据，对 2 0 0 1 年我国各工业部门因污垢而造成的经济损失进行了估计，得出的结论是经济 损失为2 8 7 7 9 9 亿元。徐志明等 6 , 7 1 按照冗长面积造成锅炉体积和投资增加、附加 燃料费用和附加维护费用三方面进行了估算，2 0 0 0 年全国锅炉电站污垢造成的经 济损失约为1 0 0 0 8 亿元，约占当年g d p 生产总值的0 1 1 。电站凝汽器污垢造成 的损失是很大的，2 0 0 0 年污垢造成的经济损失为2 8 7 亿元。由此可见，污垢造成 的经济损失是惊人的，因而受到各国传热界的广泛关注。 强化换热技术是现代化能源综合高效利用的一种方式。由于生产和科学技术 发展的需要，强化换热技术在近3 0 年来获得了广泛的重视和发展。随着社会的进 步和经济的发展，对能源的要求越来越多，能源形势非常紧张。首先，世界面临 着能源短缺的局面。开发新能源和节约能源引起了世界各国有关部门的普遍关注。 其次，随着高科技及尖端技术发展，换热设备的体积小而功能加大，必须可靠而 经济地解决此问题。而各国发展的经验表明，能源需求的解决，一半要靠不断开 发节能技术，而节能技术问题约有半数发生在换热器中，所以有必要开发高效强 东北电力大学硕+ 学位论文 化换热设备，这也促使人们对强换热技术进行极为广泛的研究。 由于工业用途的不同，各种各样的新型高效换热器广泛地被应用。随着新型 换热器的应用，这绘换热器污垢研究者带来新的课题，特别是强化换热元件不同 结构的污垢特性如何，是一个非常需要解决的问题。污垢在强化换热设备表面的 形成是换热非常敏感的问题，一旦形成污垢，会大大降低传热效率，并且可能使 强化换热效果消失。因此，我们必须研究强化换热元件的污垢特性，为高效新型 换热器的设计提供参考依据，以便设计人员确定合理的设计方案，使换热器具有 良好的抗垢特性，从而保证换热器在设计工况下长期工作。经济效益是企业进行 生产的目的，设备的特性是企业发展的手段，于是让用户了解设备性能的差异是 非常必要的。所以，换热设备污垢阻值的差异以及结垢后的传热性能的差异是用 户必须了解的。因此，对强化换热元件不同结构的不同条件的污垢特性进行实验 研究是十分必要的。 1 2 文献综述一国内外相关技术的发展 污垢涉及领域之广无与伦比，从自然现象到日常生活，从一般换热设备到航 天航海器械都难免受其害。污垢是一种很早就被人们所注意的极为普遍的现象， 有关污垢的观察和研究直到1 9 5 9 年k e r n 和s e a t o n t 8 】提出了后来称作k e r n s e a , o n 模型的污垢预测模型，才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。污垢热阻随时间的变化可以分为：线性增长型、降率型、幂率 型和渐近型卜1 0 】。1 9 7 8 年，e p s t e i n t l 】对1 9 6 0 1 9 7 8 年间的1 7 0 多篇污垢研究文献， 作了全面系统的评述，并提出按支配污垢沉积的关键的物理化学过程，并提出按 支配污垢沉积的关键的物理化学过程，将污垢分为析晶、颗粒、化学反应、腐蚀、 生物和凝固六类。 后来，将上述六种污垢形成机制中的一种以上的几种机制同时发生而形成的 污垢一混合污垢，列为第七种污垢【1 2 1 。1 9 7 9 年召开了第一次换热设备污垢的国际 学术会议，基于e p s t e i n 的分类，集中研究了各类污垢的共同特性。发现用于解释 一种类型污垢的理论，实际上也可用来作为解释其他类型污垢的基础。 从二十世纪八十年代以后，由于强化换热技术的兴起，出现了各种各样的强 化换热元件，引起了人们对强化换热污垢特性的研究。采取强化换热技术的目的 - 2 - 第1 章绪论 是增大换热系数，阻止污垢的生成，减小污垢热阻。 在强化换热面结构的污垢特性方面，早在1 9 5 9 年，k n u d s e n 等【1 3 j 就发现横向 外肋片的碳酸钙污垢热阻较比光管要小。但强化换热面污垢特性研究的主要进展 是在近3 0 年。陈彦泽等 1 4 1 对波纹管和光管的污垢性能进行了对比实验。结果表明， 结垢稳定时光管的热阻比波纹管的高出8 0 左右。徐志明等口5 】采用松花江水对波 纹管和光管进行了污垢半工业性对比实验。结果表明，在实验范围内，相同流速 下，光管的污垢热阻是波纹管的3 6 倍。也就是说，波纹管的抑垢能力比光管强。 l i 等 1 6 , 1 7 1 给出了流经管内侧强化管的冷却水的长期污垢实验结果。实验工质为 8 0 0 p p m 钙硬度水，污垢机制为析晶污垢与颗粒污垢的混合污垢。采用了7 种不同 几何参数的内螺旋肋片管和一种光管进行了2 5 0 0 小时的实验。发现7 根强化管的 污垢热阻值均高于光管。他突出的贡献是发现随着头数和螺旋角的增加，结垢有 增加的趋势。金志浩等【ls 】通过实验研究了2 5 1 9 波纹管的传热特性结果表明， 波纹管具有良好的强化传热性能，传热系数比光滑直管大2 5 倍。田刚等【1 9 j 实验 研究了3 种不同外径的波纹管内的换热特性，得到了怒谢尔特数随雷诺数变化的 关系式。实验结果表明，波纹管形的流通通道能够强化换热，换热效果可达到光 管的2 5 0 。螺旋管换热器兼具管壳式换热器结构坚固，适应性广选材范围广， 易于制造，生产成本低等优点，李隆键等 2 0 1 对三维内肋扩展表面对螺旋管内的流 动换热有较好的强化效果。在测试的r e = 1 0 0 0 - , 8 5 0 0 的范围内，与光滑螺旋管相比， 两种三维内肋螺旋管的平均换热系数增加了7 1 和1 0 3 ，流阻系数增加了9 0 和 1 0 4 。徐志明等【2 i 2 3 1 对螺旋槽管的污垢特性进行了研究，清洁状态下螺旋槽管的 强化比为1 3 ，表明螺旋槽管有较好的传热性能。以相同硬度的人工硬水作为工质， 在相同流速相同管外水浴加热温度条件下，螺旋槽管的渐近污垢热阻值约为光管 的1 3 6 倍，表明螺旋槽管阻垢性能弱于光管。同样对横纹管的污垢特性进行了研 究，得到横纹管的强化比约为1 2 ，横纹管的渐近污垢热阻值约为光管的o 8 3 倍。 表明横纹管有较好的阻垢性能。同样方法还得到弧线管的强化比约为1 7 。也表明 弧线管有较好的传热性能。渐近污垢热阻值约为光管的o 6 2 倍，具有很强的阻垢 特性。张亚君等【2 4 】通过对光滑管普通缩放管和改进型缩放管的管内自然对流沸 腾换热的实验研究，相对于光滑管，在相同条件下，普通缩放管和改进型缩放管 具有较好的自然对流沸腾换热性能，其换热系数分别是光滑管的1 0 6 倍和1 2 5 倍。 改进型缩放管的性能优于普通缩放管，其强化倍数约为1 。1 8 倍，有较好的工程应 用前景。王建国等1 2 5 j 在流速0 3 4 r r d s ，管外水浴温度6 0 和相同管内工质入口温度 的条件下，分别在实验室进行了缩放管及其对应光管管内污垢的对比实验。实验 的污垢种类是浓度为1 0 0 0 m g l 的m 9 0 颗粒污垢，硬度8 0 0 m g l 的人工硬水作为工 质的c a c o ，析晶污垢和m g o 颗粒与c a c o 。析晶混合污垢。结果表明，缩放管具有较 好的阻垢性能，但诱导期小于对应光管的诱导期。哈尔滨工业大学的吴国辉等【2 6 j 对断续螺旋折流板与普通弓形折流板管壳式换热器的传热与流阻特性进行了实验 对比研究。结果表明，在相同条件下壳侧换热系数是弓形折流板换热器的1 3 9 , - - 1 6 7 倍，总传热系数是弓形折流板换热器的1 1 融1 3 7 倍，但阻力有所增加。b i p a n b a n s a l 等1 2 7 】研究表明，在相同条件下，板式换热器的热阻仅是管壳换热器热阻的2 0 ， 与双层管换热器相比，板式换热器的热阻可能更低。孟继安等1 2 8 研究表明，交叉 缩放椭圆管在压力作用下易于产生弹性变形，使污垢易于脱落，具有良好的抗垢 和除垢作用。交叉缩放椭圆管管内的流动在r e 5 0 0 即表现为湍流，换热强化效 果显著。 另外一些学者对流动介质进行特殊处理，改变流动介质的流动特性，从而增 强传热系数，达到延期污垢热阻的形成。f 6 r s t e r 等【2 9 】为了减小污垢的影响，提出 了两种方法。一种是改变换热器表面的几何形状和表面能，达到延长污垢的诱导 期；另一种是流体流动的调整。通过两种方法的结合，提出了种振动的技术抑 制了污垢的形成，取得了很好的效果；另外将9 种材料的表面能与污垢的诱导期 比较后推测，表面能与污垢特性没有直接关系。但却可将5 种材料的表面铺展系 数( s p r e a d i n gc o e 伍c i e n t s ) 与诱导期相关联。b i p a nb a n s a l 等1 3 0 通过在流体使用l 毫米的氧化铝颗粒，缩短了沉积时间，降低了沉积率，提高了剥蚀率。s t e r g i o s 等 3 1 】通过微小颗粒在平扳表面的实验研究，在流动特性和物理化学相互作用的传输 和吸附效应下，得到了颗粒粘性对污垢形成的影响。杨俊兰等 3 2 】采取扭带螺旋线 圈及绕花丝三种常用的管内插物强化换热技术，从综合强化性能来看，螺旋线圈 内插物比纽带效果好，绕花丝内插物是一种新综合强化换热技术，它优于前两种 内插物的特点是：可使流体在流动方向上做复杂的三维混合流动，产生的阻力非 常小。刑小凯等【3 习在自行设计的电磁抗垢实验装置上，对热态工况下低频电磁抗 垢( e a f ) 技术进行了实验考察。结果表明。在外加交变电磁场的情况下，总传热 系数及污垢热阻发生了明显的变化，实验结束时污垢热阻下降了6 1 。不同的电 磁场频率导致不同的抗垢效果，在本实验条件下，频率为7 0 0 h z 时抗垢效果最佳。 - - 4 - - 第1 章绪 论 张登庆等i j 4 j 通过对换热器内安置流体诱导机构件进行了传热和抗污垢性能的实验 研究，有内件时，管内侧换热系数的足值明显高于无内件管，且比较稳定，但小 流量是强化传热效果明显以错排对为佳。通过插入圆管内件使流体出现卡曼涡街 现象，彻底破坏壁面附近的层流层，可限制污垢在壁面附近的沉积，使污垢诱导 期延长，从而达到长期高效的目的。结垢诱导期对结垢具有特殊最重要的意义， 如能真正将结垢控制在诱导期内，实际上也就实现了抗垢的目的。 污垢的形成是一个动量传递、能量传递和质量传递相互耦合的极其复杂的物 理化学过程，影响因素很多，进行严格理论分析的难度很大，同时由于又缺乏可 靠的检测手段，使得污垢成为传热界至今一直没有解决的重大问题之一。换热器 材料表面特性对污垢的影响的发展还很慢，有待迸一步发展。在起始方面，长期 以来人们认为具有低表面能的材料可以减轻污染物的黏附。p a n c h a l 等【3 5 】发现在一 些污垢形成过程中存在阈值现象。k j a c t 等 3 6 】报告说低表面能的聚四氟乙烯或硅酮 涂层表面可以延缓污垢层的形成，且易于清洗。m e g u i r e 等【3 7 】调查了固体表面能 对牛奶宏观分子吸附的影响，提供了沉积率与表面能( 或表面张力) 的经验关联 式。z h a o 和m i i l l e r - s t e i n h a g e n 等 3 8 1 将渐近污垢热阻与表面能联系起来，通过7 种 材料的表面能和与渐近污垢热阻的比较，预测的结果与实验数据吻合良好。z h a o 等p 州得出了表面自由能的l w 相互作用的组成对在表面上细菌吸附规律有重要的 影响。在分级无电镀的n i p p t f e 表面，喜温的链球菌的吸附缩减到8 2 9 7 ，主 要依靠表面层中的p t f e 成分。y a a g 等l 钾】在c u - d s a 分子构成的单层薄层上，通 过实验测试了人工配制的冷却水系统中c a c 0 3 污垢的形成。获得结果表明，由于 疏水性两种改造的表面趋向引起气泡的吸附作用。在有气泡前提下，改造表面的 污垢率比铜表面的高，相反条件下很低。刘天庆等【4 l 】在1 7 种表面材料上进行的生 物垢形成过程的研究结果表明，不同表面材料上形成生物垢的诱导期及生物垢量 均有较大差异，表面材料对微生物的亲和性决定了生物垢形成的难易，丽这种亲 和性不能简单地使用材料的表面能等参数来表达。于瑞红等【4 2 】从固体材料表面性 质，探讨了材料的表面粗糙度，表面自由能。界面能以及材料与生物垢之间的界 面能对生物垢形成的影响。在1 3 1 8 0 m n m 内，固体材料与生物垢之间的界面能 对生物垢的形成存在一个极大值，此时的界面能约为3 4 m n m 。污垢的水溶液是 一种胶体溶液，污垢的形成就是胶体溶液的结晶过程，自由能的变化率决定着晶 东北电力大学硕士学位论文 i i 体的形成。唐睿康【4 3 】研究了界面现象与动力学的关系，表面能能控制晶体的生长。 l i u 等l 对c a c 0 3 在换热面上沉积过程中得到物质凝固越快换热面污垢的剥蚀力 越大，污垢的诱导期越短。同时，越光滑的表面晶体污垢的成核率越低。c a l l o w 等 4 5 1 研究海洋藻类得到，表面自由能的不同特性影响海藻生物粘结在一起的物理 化学反应，粘结层的直径受表面亲水性强烈影响。综上所述，增强强化换热技术 主要研究方向是表面几何结构，流动介质特性及材料表面特性。无论那种方式都 是防止污垢的形成，实质上就是延长污垢形成的时间，在污垢形成时间内通过有 效的方法除去污垢。目前人们对于换热设备的污垢特性的研究还处在初级阶段， 还十分不清楚。对不同的结构、材料、材料表面能对污垢有什么样的影响及存在 何种关系有待进一步的研究。另外，不同研究者所得到的实验结果有较大的差异， 甚至是相反的结论。因此，有必要根据实际情况进行具体的实验研究，提供可靠 的实验数据。 1 3 本课题所做的工作 ( 1 ) 根据实验要求，对现有实验台进行改造，以满足本实验目的； ( 2 ) 编制了强化管和光管冷态特性、传热特性及污垢特性实验系统的测量程序； ( 3 ) 利用该实验平台对以熟悉光管特性进行了验证，证实本实验系统的可靠性； ( 4 ) 利用该实验系统对所要实验的强化管( 弧线管、缩放管i 、缩放管i i 和波纹 管) 及光管进行了研究，为理论的推导提供可靠的实验数据； ( 5 ) 利用该实验系统对上述典型的强化管及对应的光管进行了污垢特性的对比实 验研究，得到了各自污垢热阻随时间的变化关系； ( 6 ) 对上述典型强化管及对应光管进行了结垢前后传热特性的对比实验分析； ( 7 ) 对该实验系统进行了误差分析。 第2 章测量原理及实验系统 2 ，1 测量原理 2 1 1 测量模型 本文的主要目的是考察强化管与其对应光管污垢特性的差异以及自身在不同 工况下的差异，而结垢是影响其传热特性的一个主要因素。为了对比它们结垢前 后传热特性的变化，这里有必要推导出管内对流换热系数的关系式。单位时间由 管壁传递给工质的热量，可由牛顿冷却公式求得： 毋= a 以( f 。一t f )( 2 1 ) 其中，管壁的内表面温度0 由三个测点的平均温度得出： t 。= ( f 。l + f w 2 + t 3 ) 3( 2 - 2 ) 这里，忽略了管壁的导热热阻，将测出的外表面温度近似作为内表面温度。而流 体的温度，可由流体进出口温度的平均温度得出： t f = 纯+ ) z( 2 - 3 ) 由热平衡方程可得： 垂= p 兀d 2 v c 。( f f o t a ) 4 ( 2 - 4 ) y ：萼( 2 5 ) 联立式( 2 一1 ) 和式( 2 4 ) 得管内对流换热表面传热系数： h = p 饥d 2 c ，( k t a ) ( 4 a ( ，一t r ) ) 由污垢热阻的定义式m ： r 。：! 一上 k k o 以光管内表面积为基准的总传热系数可由传热方程求得： k = 庐舷d i a t 。) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 东北电力大学硕士学位论文 将式( 2 4 ) 代入式( 2 8 ) 即得： 其中： | ：p d v c p ( t r o - t a ) 4 1 a t 。 耻盖鬻 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 清洁状态下的总传热系数同样由式( 2 9 ) 确定，只不过各参数的值均为清洁 状态下的值。最后，由式( 2 7 ) 便可得出污垢热阻。 由此可见，不同状态下所需测量的参数略有不同，为了达到实验的精度，我 们在实验过程中控制误差在允许范围内。 实验过程中流动压降测量公式： a p = p g hc l l l ) 沿程阻力系数计算公式： f ：2 9 d h 。 ，v 2 ( 2 1 2 ) 通过公式( 2 1 1 ) 和( 2 - 1 2 ) ，我们能够算出不同类型强化管的流动压降的变化，从 而能够计算出沿程阻力系数的大小，这样我们能够看出结构不同的强化管在强化 换热时所付出的代价。 2 1 2 测量模型的特点 ( 1 ) 需要先测量清洁状态下的传热系数值，然后进行测量加药快速污垢强化换热 的传热系数值，中间过程需要人员时时监控。 ( 2 ) 不能测量局部污垢热阻，只能得到换热面的平均污垢热阻。 ( 3 ) 完全从污垢热阻的原始定义出发，没有任何假设，应用范围广。 ( 4 ) 可以很方便地应用到各种强化换热管中。 ( 5 ) 从以前的实验经验来看，污垢热阻测量值的波动较小，测量稳定性与可靠性 较好。 2 2 实验系统 2 2 1 测量装置 实验系统如图2 - 1 所示，硬件的组成部分有：强化管、光管、水浴水箱、电加 热器、温控器、交流接触器、循环水泵、高位水箱、低位水箱、冷却水系统、管 道调节阀门、温度传感器、主机、数据采集器、数据通讯卡等。 该实验系统由两套完全独立的子系统组成，各子系统的主体是由一根强化管 或是光管所组成的单个管换热器。基于实验的环境要求，两套子系统公用一个水 浴，以保证管外工作条件一致。两套单管换热器平行对称安装在水浴水箱的两端 板上。 图2 - 1 污垢热阻动态测量系统示意图 水浴水箱的大小为2 2 m 0 ，2 5 m 0 3 m 。其外表面设有保温层，内表面为不锈 钢，防止生锈。水浴的热源是三根完全相同的长直状的管型电加热器，平行并对 一9 一 东北电力大学硕士学位论文 称布置在单管换热器的下方，以保证温度场的均匀。加热器同样安装在水浴水箱 两端板上。每根加热器的功率为3 k w ，分别接入三相交流电的一相，以保证电流 平衡，减少长时间运行时，电流不平衡导致停电。 水浴温度的稳定通过温控仪及交流接触器来控制。水浴温度的高低由温控仪 来设定。温控仪采用x m t a - 2 0 0 2 型数显温控仪，其精度为1 0 级，配用p t l 0 0 热 电阻探头，量程为0 1 0 0 。c 。交流接触器用来接收温控仪发出的信号来控制 电加热器的通断。采用l o n g l i v e 固态继电器2 2 0 d 0 4 与c j x 2 1 8 1 0 型交流接触器 配合使用，减少接触器的通断频率。 测量清洁状态传热特性时管内流动的工质为清洁的自来水；测量污垢热阻时 管内流动的工质为人工硬水或m g o 颗粒。运行时，循环水泵将工质从低位水箱送 到高位水箱。采用w i l o - - s t a r - r s 型管道泵，其参数零流量时扬程6 米，3 级手动 调速，转速范围1 1 0 0 - - 2 2 0 0 r m i n 。 高位水箱负责向实验段提供工质并通过溢流管保持恒定的水位高度从而使 得实验段中工质流速恒定。高位水箱至实验段之间安装有调节阀门，在实验段出 口处也安装调节阀门配合使用，用以调节工质流速，保证两子系统中工质流速一 致。低位水箱内装冷凝器，以维持相对较低的工质温度，保证换热管入口温度在 要求范围内。冷却水是自来水。两子系统中的冷却器采用并联方式连接，即从同 一入口引入冷却水，单管引出。这样做减小出口流速的耦合，减小人工调节阀门 的频率。冷却器与出口之间安装有一调节阀门，可以调节冷却水的各自流量，以 保证两子系统中的实验段工质的入口温度一致。 两实验段各安装有3 个壁温测点、1 个入口温度测点、1 个出口温度测点和2 个水浴温度测点。壁温由t 型热电偶来测量，出入口温度及水浴温度由p t l 0 0 热 电阻来测量，流量信号采用人工称重法来实现。所有测量信号经由传输电缆通过 数据采集卡送入计算机进行处理。 由于实验系统要求长期连续运行，主机要求能够在存在粉尘、高温、潮湿、 燥声、冲击、震动、各种电磁信号的干扰、辐射、腐蚀等情况下稳定工作，所以 在本测量系统中，选用e v 0 2 的f f 2 - 8 1 0 蝴i n t e lp 4 - 2 4 0 0 h z 2 5 6 4 0 g s o n y 5 2 x c d r o m ) 来存储数据并实时显示有关参数。 数据采集部分是采用i d c n 8 9 3 分布智能数据采集器前端( i d c n 一8 9 3 ) ，再由 计算机从采集器中读出数据。计算机通过数据通信卡来和前端通讯实验系统所配 套的软件采用b o r l a n dd e l p h i 6 0 结合p a r a d o x 7 0 数据库来编写的，可实现数据自 动采集、处理、显示、存储。 2 2 2 实验步骤 实验时，按下述操作： ( 1 ) 清洗水箱和管路系统。 ( 2 ) 更换新的实验段管路。 ( 3 ) 安装温度测点并使其紧固牢靠。 ( 4 ) 低位水箱、热水浴上水。并检查设备的密封性，若漏水，采取补救措施或 重新安装。 ( 5 )启动水泵。并检查水泵的工作情况，若工作异常，采取相应措施或启用备 用泵。 ( 6 ) 启动计算机和测量程序，测试各测点的工作情况，若工作异常，更换测点。 并检查8 9 3 各数据通道的工作情况，若工作异常，采取相应的措施。 ( 7 ) 用标准水银温度计校验各温度测点。 ( 8 ) 冷态情况下。进行流阻特性测试。 ( 9 )启动温控仪和电加热器使热水浴升温。 ( 1 0 ) 冷却器内通入冷却水。 ( 11 ) 待水浴温度达到设定温度后，进行清洁状态下传热特性测试。 ( 1 2 ) 配置人工硬度和m 9 0 颗粒，进行污垢特性测试。 ( 1 3 ) 待结构稳定后，停止实验。拆卸实验段并作标记，水箱和水浴放水并请洗 干净。 第3 章实验系统可靠性验证及实验误差分析 3 1 实验系统可靠性验证 本研究的主要目的是考察几种强化换热元件的传热特性和污垢特性，在比较 它们与光管污垢特性的差异之前，先要测量各自的传热特性。为了说明测量结果 的有效性，首先对实验系统进行实验验证。 3 1 1 验证的方法 将光管传热特性的实验结果与广泛承认的一个管内湍流换热实验关联式一格 尼林斯基( g n i e l i n s k i ) 公式【4 7 l - 进行比较。 此公式的具体内容见文献 4 8 。计算二者的相对误差公式如下： 相对误差= 塞堕案磊纂曩茎罢萎瓮荨；产z 。 c s 一， 3 ，1 2 验证的结果 在不同雷诺数范围内进行了一组实验。实验值及格尼林斯基公式的计算值如 图3 一l ，对应的相对误差见图3 2 。 图3 - 1 实验台的验证 鼬 图3 - 2 相对误差 从图3 2 可以看出，相对误差在1 0 以内。表明通过本实验系统进行传热特 性的测量是可靠的。因而，在传热特性基础上的污垢特性的测量，也可以认为是 可靠的。 3 2 实验误差分析 3 2 1 测量元件的有关误差 ( 1 ) 测量工质进出口温度的元件为p t l 0 0 热电阻，其测温范围2 0 0 + 6 5 0 。c ，等 级为：a 级，允许误差为：( o 1 5 + o 0 0 2lti ) 。 ( 2 ) 测量实验管的壁面温度的元件为t 型热电偶，其测温范围- 4 0 - + 3 5 0 c ，级别 为：i 级，允许误差为：0 4 t 。 ( 3 ) 测量流量采用容积称重法折算成相应的流速，即其允许相对误差为1 o 。 3 2 2 误差分析 本文按照文献 4 9 】所介绍的方法进行以下误差分析。 1 换热器污垢热阻测量的误差分析 换热器污垢热阻测量的相对误差为： 占：堡( 3 - 2 ) 占= o 墨 式( 3 2 ) 中的r ，可由式( 2 6 ) 计算，由此可得： 而 将式( 3 3 ) ( 3 5 ) 代入式( 3 2 ) 得： ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 一盟一1 蓐告寿专专 刮 = 一 鼬 魄瓦峨一坛 东北电力大学硕士学位论文 一 ll k k 式( 3 6 ) q b 的总传热系数t 可用式( 2 - 8 ) 计算，则是的传递误差为： 其中 ( 3 - 6 ) 跏士雁瓢霜孺， 由式( 2 5 ) 两边求导得： 彘咖，( k r f o ) a 04 ，( 一屯) ( 一k ) a k p 幽c 。 阮4 1 ( t h k ) 馘p 幽c 。 钆4 地一0 ) 丝：堕l i l 生玉 却4 j 0 一 西：去吼 兀d ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一l o ) ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 清洁状态下的总传热系数的传递误差瓯同样由式( 3 - 7 ) 一( 3 1 2 ) 确定，只不 过各参数的值均为清洁状态下的值。 将实验过程中采集的有关数据代入以上各式，最后通过式( 3 - 6 ) 便得出了污垢 热阻的相对误差。 2 换热器努塞尔数( n u s s e i t ) 测量的误差分析 n u s s e l t 数的表达式为 nu：丝013) 五 其中，管内对流换热表面传热系数由( 2 6 ) 确定，代入上式得： 航= 砺d 瓦3 p v 瓦c p ( t 瓦“- t 丽) ( 3 1 4 ) 4 4 a ( ，。一( + ) 2 ) 、 7 忽略导热系数等物性参数的微小变化对相对误差的影响，相对误差为： 其中： 6 n u s = 一on u 士 兀d 3 p v c p 魄一“) 4 爿i 旯( ，。一( t n + h , ) 2 ) ( 3 1 5 ) ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 瓦o n u = 高等 ( 3 _ 1 8 ) 一= = - - - - - - 一 ij - lo - 西64 4 i 五p ，一( f e + ) 2 】2 、。 一onu=砑nd醇3,oc丽p(tfo-tn)ov) 1 2 ( 3 - 1 9 )忡 l j 。l7 ， 4 4 伽，w 一( k + 】 。 面同样由式( 3 1 2 ) 求出。将实验过程中采集的有关数据代入以上各式，最后通过式 ( 3 - 1 5 ) 便得出了n u s s e l t 数的相对误差。 3 2 3 分析结果 根据上述计算方法及实验结果( 见第四章) ，便可以得出污垢热阻测量的相对误 差的绝对值随时间的变化关系( 见图3 - 3 1 圉3 - 9 ) 及n u s s e l t 数测量的相对误差的绝对 值随时间的变化关系( 见图3 1 0 图3 - 1 4 ) 。 蒉 以一一慕 i 堂钆 i m 堕一慕 业 t小时t小时 图3 - ：3 污垢热阻相对误差图3 - 4 污垢热阻相对误差 t 小时 图3 5 污垢熟阻相对误差 t 小时 t 小时 图3 - 6 污垢热阻相对误差 t 小时 图3 7 污垢热阻相对误差图3 8 污垢热阻相对误差 一1 6 一 t 小时f 分钟 图3 - 9 污垢热阻相对误差图3 一1 0 波纹管n u s s e l t 数相对误差 t 分钟 图3 1 2 缩放管in u s s e l t 数相对误差 图3 1 3 缩放管i i n u s s e l t 数相对误差 图3 1 4 弧线管n u s s e l t 数相对误差 一1 7 一 东北电力大学硕士学位论文 各实验的起始阶段由于污垢热阻值在0 附近，相对误差将失去意义，因此起 始阶段污垢热阻的相对误差不予考虑，仅考虑有较明显污垢产生以后的相对误差。 由图3 - 3 看出，同速同浓度污垢热阻达到渐近值时，弧线管污垢热阻测量的相对误 差约为4 左右；对应的光管污垢热阻测量的相对误差约为3 左右。由图3 - 4 看出，同浓度污垢热阻达到渐近值时，弧线管流速o 3 7 m s 的污垢热阻测量的相对 误差约为2 左右；弧线管流速0 4 9 m s 的污垢热阻测量的相对误差约为3 左右。由图3 - 5 看出，同速时，弧线管浓度1 2 0 0 m g l 的污垢热阻测量的相对误差 约为4 左右；9 0 0 m g l 的污垢热阻测量的相对误差约为2 5 左右。由图3 - 6 看出，污垢热阻达到渐近值时，弧线管污垢热阻测量的相对误差约为3 左右； 对应的光管污垢热阻测量的相对误差约为3 左右。由图3 7 看出，污垢热阻达 到渐近值时，波纹管污垢热阻测量的相对误差约为4 左右。 由图3 1 0 可以看出，波纹管n u s s e l t 数测量的相对误差，其值在1 0 2 0 之间。由图3 1 l 可以看出，光管n u s s e l t 数测量的相对误差不超过1 5 。由图 3 1 2 可以看出，缩放管in u s s e l t 数测量的相对误差不超过1 5 。由图3 1 3 可以 看出，缩放管l i n u s s e l t 数测量的相对误差不超过1 6 。由图3 1 4 可以看出，弧 线管n u s s e l t 数测量的相对误差不超过1 5 。 由误差分柝结果，可以看出在本实验系统上所进行的强化管及其对应光管的传 热特性及污垢特性测量，是可以被工