矩形通道内CaCO3污垢特性研究.pdf

第 3 4卷第 3期 2 0 1 4年 6月 东北电力大学学报 J o u r n a l Of N o r t h e a s t D ia n li Un iv e r s it y Vo 1 3 4 No 3 J u n， 2 0 1 4 文章编号 ： 1 0 0 5 2 9 9 2 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 0 1 0 6 矩形通道 内 C a C O3污垢特性研究 徐 志 明 ， 徐 欣 ， 张 一龙2 ( 1 东北电力大学 能源与动力工程学院 ， 吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2 华北 电力大学 ， 北京 1 0 2 2 0 6 ) 摘 要： 采用数值模拟方法研究了矩形通道内 C a C O 。 污垢的沉积过程， 分析了 C a C O 溶液的浓度 、 速度、 温度对污垢沉积率 、 剥蚀率与污垢热阻的影响。结果表明， C a C O 在矩形通道内的沉积率 、 剥蚀率 与污垢热阻随入口浓度的增大而增大， 随着入 口速度的增大而增大， 但是随人 口溶液温度的增大而 减小 。 关键词： 矩形通道； C a C O 污垢 ； 数值模拟； 沉积率； 剥蚀率； 污垢热阻 中图分类号 ： T K1 2 4 文献标识码 i A 污垢 广泛存在于 自然界 、 生产和生活等环境中， 尤其是有热交换存在的情况下。在实际生活、 生 产 中， 绝大多数污垢是析晶污垢 ， 其中又以 C a C O 。 污垢居多。对于析晶污垢模型， T a b o r e k l2 等提 出了一 个预测冷却水系统的析晶污垢模型 ； H a s s o n 等在没有剥蚀过程的前提下提出了一个考虑离子组分输 运扩散 的模型 ， 并基于 K e r n S e a t o n模型利用传质理论模拟 了碳酸钙的结 晶析出 ， 得到 了析晶污垢的分 析模型 ； 张进朝l4 建立了一个光管 内硫酸钙析晶污垢形成过程的数学模 型， 这些学者 的研究为后来学 者对析晶污垢 的研究奠定 了理论基础。近几年 ， 赵亮 ， 邹勇 等利 用 X射线衍射 ( X R D) 和扫描 电镜 ( S E M) 等手段研究 了温度对碳酸钙析晶污垢形成类型与微观结构 的影 响， 认为温度不但影 响析出的碳 酸钙污垢 的类型 ， 也影响析出相的晶格常数和析出粒子尺寸 ， 但是没有讨论流体浓度和速度的影响。盛 健 等运用实验的方法研究 C a C O ， 析晶污垢在黄铜和紫铜表面的生长特性 ， 李隆键 ， 董相禄 等对不 同摇摆工况下窄矩形通道流体的流动与传热特 进行数值模拟， 还有很多学者 对污垢的沉积过程 以及影响因素进行 了研究 ， 但是 ， 对矩形通道内热流对析 晶污垢沉积的影响 的数值模拟 ， 则很少有人研 究。本文将针对这一问题进行深入探讨 ， 运用 F L U E N T软件对矩形通道进行三维模拟 ， 通过改变过饱和 C a C O 溶液的浓度 ， 温度和速度 ， 对其污垢特性进行 比较分析 。 1 污垢模型 1 1 物 理模型 物理模型采用长 1 2 0 0 m m， 宽 4 5 m m， 高 3 0 m m的矩形通道。管内工质为过饱和 C a C O 溶液。 1 2数 学模型 若要实现析晶污垢的数值模拟， 首先要得到管内充分发展 的流场、 温度场等 的分布 ， 根据工质流动 特性 ， 三维， 无 内热源 ， 不可压缩流体 ， 建立其对应的连续性方程 、 动量方程 、 能量方程和传质方程。这些 方程均可 以表示成一种简洁的通用形式 ： 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 1 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 6 0 2 5 ) 作者简介 ： 徐志明( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 吉林省九台市人 ， 东北 电力大学能源与动力工程学院教授 ， 博士 ， 博 士生导 师 ， 主要研究方 向： 节能理 论与技术 、 换热设备 的污垢与对策和强化换热 2 东北 电力 大学学报 第 3 4卷 + 出 + + ：旦 ( 厂 )+ ( 厂 )+旦 ( 厂 )+S 。 ( 1 ) a d d y a d a 戈 d a a a 其 中： p 为流体密度 ， 为通用变量 ， I 1 为对 u ， ， ， k ， ， T ， C扩散系数 ， 5 为各变量对应源项 ， 其表达式在文 献 1 5 中均可查找。 运用 F L U E N T软件对矩形通道进行三维化数值模拟 ， 对矩形通道 的网格划分采用三角非结构化网 格 ， 方程离散采用二阶迎风差分格式 ， 压力速度耦合采用 S I MP L E算法。由于本文所模拟的工况流体均 为紊流， 因此紊流模型采用标准 k一 模型 ， 其参数列于表 1 。不考虑重力因素 ， 且壁面绝热。 表 1 七一 两方 程模型 系数 1 3 污垢 沉积 模型 由于 C a C O 在矩形通道 内以其浓度梯度为其传输动力 ， 则沉积率可表示为 ： md= 。 ( C Fcs )， ( 2 ) 其 中： B 为热膨胀系数。K o n a k的研究表明： 表面析出晶体的反应与参与反应 的 C a 、 C O ， ： 离子数有关 ， 所 以沉积率又可表示为 ： md：k R ( cr cs ) ， ( 3 ) 其 中： k 是表面反应速率常数。它可以用阿仑尼乌斯定律方法计算 ： R= 册- e- ， ( 4 ) 其中， k 种为反应 常数 ， E为反应的活化能 ， 表示污垢层表面温度 。c 是饱和浓度。根据文献 2 0 中提 供的实验数据 ， 取值为 k 肿 =7 0 7 m k g s ， E=3 7 1 4 3 J mo l。 假设所有传输到相边界上的离子都参与了表面反应。则 ， 将( 2 )和( 3 )联立 ， 消去相界面的未知浓 度 c， 之后 ， 可求解沉积率 ： 卢 。 。 + c一 ( ) + 。 c _1 ， ( 5 ) 污垢 的剥蚀率模型由下式给出 ： m = K ( 1+ a T ) d P( J D 7 7 g ) 1 M ， ( 6 ) 其 中， 为流体的流速 ， 计算中取流体主流速度 ； P描述 了晶体间的附着力 ； K为常数 ， 表示在污垢层 内的 错误点数量 ； d 。 为结晶体粒径 ； T 1 为流体动力粘度系数 。p ， 是污垢层 的平均密度。当已知单位面积污垢 沉积质量 m和污垢层厚度 ， 时 ， 可得污垢平均密度为 ： m ， ( 7 ) ( 1+B )描述了污垢层的热应力。 得 出沉积率和剥蚀率之后 ， 取两者之差即可得出净沉积率 ， 由式( 8 )所示 r =mdm ， ( 8 ) 如果假定污垢的成份和特性沿换热面和沿垢层厚度方向都是均匀分布的， 则 由物质热阻的定义有 ： 尺 ， =m z ( p s a ， ) ， ( 9 ) 其 中 为污垢层导热系数 。根据文献 1 9 中的计算方法将物性参数和其它已知量代入式( 1 )一( 9 )并 逐步迭代计算 ， 最后得沉积率 、 剥蚀率 以及污垢热阻随时间的变化规律 。 1 4网格无关性验证 物理模型网格无关性验证结果如图 1 ， 考察了工况为 C a C O ， 溶液入 口浓度 1 2 0 0 m g L ， 入 口温度 3 0 ， 入 口速度 0 1 m s时不同网格数对沉积率的影响。当划分网格数从 2 8 0 7 0 8增大到 6 7 8 8 2 6时， 求解 第3期 徐志明等 ： 矩形通道 内 C a C O 3污垢特 性研 究 3 精确度大大提升， 这说明网格加密对模拟结果有较大影响。当网格数大于等于 6 6 1 4 9 0时， 沉积率基本 不再变化， 即继续加密网格对计算精确性的提高没有影响。结合本文模型及上述考虑， 本文选择网格数 为 6 6 1 4 9 0 。 2 模拟结果分析 2 1浓度影响 图2 ( a ) 为 C a C O 析晶污垢在人口速度0 1 m s ， 温 度 3 0， 浓度变 化时表面 污垢沉 积率的 曲线。从 图 中可见 ， 当人口浓度从 8 0 0 m g L增至 1 2 0 0 m g L时， 沉 积率随浓度的增加而增大。这是由于在沉积开始发生 的阶段， 高的溶液浓度， 首先增加了流体主流区的浓度， 而由于边界浓度为饱和浓度且都相等 ， 所 以， 高入 口浓 度可以直接提升主流区与相界面的浓度差。导致在沉 积刚刚开始的阶段 ， 高浓度的沉积率要高于低浓度的沉 积率。随着污垢沉积的进行 ， 污垢沉积率都出现了不同 程度的下降。当入口浓度为 1 2 0 0 m g L时， 下降幅度约 为 0 1 4 x lO 1 k g m s ； 当人 口浓度为 8 0 0 m g L时 ， 下降 幅度约为 0 1 2 1 0 k 异 m s ， 可见入 口浓度 越高 ， 沉 积率曲线下降的速度越快。由于高浓度 的沉积率较 低浓度的大， 所以高浓度的单位时间沉积量要高于 低浓度 。因此 ， 浓度越高 ， 单位时间内污垢沉积的越 厚 。由于高浓度 的垢层增长速率要高于低浓度的沉 积增长速率 ， 所 以高浓度 的沉积率 曲线的下 降速度 要大于低浓度的沉积率 曲线的下降速度。 图2 ( b ) 为 C a C O 析晶污垢在入 口速度 0 1 m s ， 温 度 3 0， 浓度变化时表面污垢 剥蚀率 的曲线。从 图 中可见， 当人 口浓度 从 8 0 0 mg L增 至 1 2 0 0 mg L 时， 剥蚀率 随浓度的增加而增大 。这是 因为浓度增 大 ， 沉积率增大 ， 沉积量增多， 因此剥蚀率也就随着增 大， 且与沉积率有相同的趋势。图 2 ( c) 为 C a C O 析晶 污垢在入 口速度 0 1 m s ， 温度 3 0 q C 时， 不同浓度的污 垢热阻曲线。从图中可见， 当入 口浓度从 8 0 0 m g L增 至 1 2 0 0 mg L时， 污垢热阻随浓度的增加而增大。这是 因为， 人 口浓度增大， 导致沉积率增大， 壁面增厚， 因此 污垢热阻也就随着增大。 2 2流速影响 图3 ( a ) 为 C a C O 析晶污垢在人 口温度为 3 0 ， 浓度为 1 2 0 0 m g L ， 速度变化时表面污垢沉积率的曲 线。从图中可以看出 ， 随着速度 的增大 ， 沉积率不断 增大 ， 但沉积率增长幅度逐渐减小 ， 且 曲线变化 幅度 也逐渐减小 。图 3 ( b ) 为 C a C O 析 晶污垢在入 口温 一 目 苣 图 1 网格无关性验证 ( a ) 沉积率 0 5 O 1 o o 1 S O 2 0 ( ) h ( b)剥蚀率 U 5 0 l O U 1 5 0 2 U 【 】 t h ( c)热 阻 图 2 流速 0 1 m s ， 温度 3 O 时 ， 不同浓 度的污垢特性 曲线 5 4 3 2 1 O 5 4 3 2 1 0 。 v 善 一 丑 。 一 4 东北 电力大 学学报 第 3 4卷 度为 3 0 ， 浓度为 1 2 0 0 m g L， 速度变化时表面污垢剥蚀率 的曲线 。从 图中可 以看 出， 随着速度 的增 大， 剥蚀率不断增大。这是因为， 随着速度的增大， 离子运动剧烈， 所以沉积率增大， 从 0 1 m s 到 0 5 m s 增大幅度约为 0 3 2 1 0 k g m s ， 但是相对 的， 剥蚀率也在增大 ， 且增大幅度约为 0 3 1 1 0 k g m s ， 略小于沉积率 ， 即虽然沉积率随速度 的增大而增大 ， 但是增长量却逐渐减小 ， 因此沉积率 的变化 幅度减 小。图 3 ( c) 为 C a C O ， 析晶污垢在入 口温度为 3 0 ， 浓度为 1 2 0 0 m g L， 速度变化时表面污垢热 阻曲 线。从图中可以看 出， 随着速度 的增大 ， 污垢热阻不断增大 ， 但增大幅度逐渐减小。 昌 、， _ T 一 一， 一 _一， 一 1 一 L 一 1 1 一 V一 _一， 一，一 T一 一 一 _ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 产 ： ： l一0 1 m s 一 一 一 o _2 m f。 I 一O 3 m s j 卜 0 4 m s l 一0 -s m s 一 -刊一-一 一- i =i = = i =i 二_一 O 目 0 5 0 1 o o 1 5 0 2 o o O h ( a)沉积率 ( h)剥蚀率 皇 莹 5 0 1 0 0 1 5 O 2 o 0 h ( a)沉积率 O 50 1 ( ) o l5 0 2 0 0 h ( h)剥蚀 率 O 5 0 1 o o 1 5 0 2 O 0 t h ( c )热阻 图3 浓度 1 2 0 0 m g L ， 温度 3 0 ：E时 ， 不同速度的污垢特性曲线 图 4 浓 度 1 2 0 0 mg L， 速度 0 2 m s 时 ， 不同温度的污垢特性 曲线 2 3 温度影响 图 4 ( a ) 为 C a C O ， 析 晶污垢在人 口浓度为 1 2 0 0 mg L， 速度为 0 2 m s ， 温度变化时表面污垢沉积率 的曲线 。由图中可以看 出， 沉积率随温度 的升高而减小 ， 且仅变化入 口溶 液温度 ， 沉积率 的变化具 有相 同的趋势 。图4 ( b ) 为 C a C O 析晶污垢在人 口浓度为 1 2 0 0 mg L， 速度为 0 2 m s ， 温度变化时表面污垢 剥蚀率的曲线 。由图可以看 出， 剥蚀率也随温度的升高而减小 。根据沉积率模型 ， 沉积率变化的主要因 素是浓度差。温度变化导致流体温度场变化 ， 近壁面处溶液的饱和溶解度也会 随之变化。由于 C a C O 是具有反常溶解度 的碳酸盐 ， 人 口温度越高 ， 饱和溶解度越低 ， 所以伴随入 口温度升高 ， 浓度差会相应降 低 。相应的 ， 沉积率就会 随浓度差的降低而减小 ， 剥蚀率也会对应 的减小 ， 即沉积率与剥蚀率随人 口温 2 O 8 6 4 5 5 4 4 4 2 l 0 9 8 5 5 5 4 4 5 4 3 2 第 3期 徐志 明等 ： 矩形通道 内 C a C O 3污垢特性研究 度的升高而减小。图 4 ( C ) 为 C a C O 析晶污垢在人口浓度为 1 2 0 0 mg L， 速度为 0 2 m s ， 温度变化时表 面污垢热阻的曲线 由图可以看出， 污垢热阻也随温度 的升 高而减小 。这是因为沉积率随温度 的升高 而减小 ， 导致表面污垢沉积量随温度的升高而减小 ， 所以污垢热阻也就随之减小。 3 实验验证 为验证上述模拟模型的准确性 ， 对 C a C O 析 晶污垢在长 1 2 0 0 m m， 宽 4 5 m m， 高 3 0 m m的矩形通道 内， 工况为入 口浓度 1 2 0 0 mg L ， 入 口速度 0 1 7 8 m s ， 入 口温度 5 0时 ， 对光片上单位面积结垢量进行 为期 1 3 0小时的实验 ， 对上述模拟结果进行验证。如图 5所示 ， 通过误 差计算可知 ： 虽然沉积初始阶段 误差较大 ， 但随着时间的推移 ， 模型计算值与实验值之间的相对误差逐渐减小 ， 低于 2 0 。 鼍 0 0 2 0 船i 001 5 蜾 0 01 0 曼0 0 0 5 O 2 0 4 0 6 O 8 0 1 0 0 l2 O 1 4 0 t h ( a) 4 结 论 图 5 实验验证 ( b) ( I ) 溶液浓度为影响沉积的主要 因素， 对污垢热 阻影响最大。C a C O 析晶污垢在矩形通道 内的沉 积率与剥蚀率随浓度 的增加而增大 ， 并且随着时问的推移 ， 污垢热阻随浓度 的s D i ：i而增大。 ( 2 ) 溶液入 口速度对 C a C O 析晶污垢沉积的影响较小 ， 沉积率与剥蚀率随着速度 的增大不断增大 ， 但沉积率与剥蚀率的增长幅度逐渐减小 ， 且沉积率曲线变化幅度也逐渐减小 。随着速度的增大 ， 污垢热 阻不断增大 ， 但增大幅度也逐渐减小 。 ( 3 ) 由于入 口温度直接影响 C a C O 溶液的饱 和浓度 ， 所 以温度对污垢沉积也有较大影响。沉积率 与剥蚀率随温度的升高而减小 ， 导致污垢热阻也随温度的升高而减小。 参考文献 杨 善让 ， 徐 志明， 孙灵芳 换热设备 污垢与对策 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 4 ： 1 - 2 J T a b o r e k P r e d i ct i v e me t h o d s f o r f o u l i n g b e h a v i o r J C h e m E n g P r o g ， 1 9 7 2 ， 6 8 ( 7 )： 6 9 - 7 8 D Ha s s o n P r e ci p i t a t i o n f o u l in g M H e m i s p h e r e P u b C o r p， 1 9 8 1 ： 1 3 5 2 0 0 徐志明， 张进朝 C a S O 析 晶污垢形成过程 的数值模拟 J 东北 电力大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 ) ： 8 - 1 1 赵亮 ， 邹 勇， 刘义达 ， 等 温度对换热器析 晶污垢形成的影响 J 化工学报 ， 2 0 0 9 ， 6 0( 8 )： 1 9 3 8 1 9 4 3 盛健 ， 张华 ， 史雪菲 ， 等 C a C O 溶液 中黄铜和紫铜表面结垢特性 J 动力工程 学报 ， 2 0 1 2 ， 3 2( 5 ) ： 3 9 9 4 0 3 盛健 ， 张华 ， 史雪菲 ， 等 3 5 C a C O 溶液 中不锈 钢 3 0 4和 3 1 6表面结垢特性 J 热能动力工程 ， 2 0 1 2， 2 7 ( 4) ： 4 7 8 5 2 0 李隆键 ， 董相禄 ， 马建 ， 等 摇摆条件下窄矩形通道 内流动传热特性数值模拟 J 核 动力工程 ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 4 ) ： 8 4 - 8 8 石慧 ， 陈绍 文， 张辰 ， 等 基于动叶污垢沉积 的数值模拟 J 航空动力学报 ， 2 0 1 2 ， 2 7( 5 )： 1 0 6 1 1 0 6 7 徐志明 ， 王宇朋 ， 刘坐东 ， 等 翼型涡流发生器抑垢 性能的实验研 究 J 工程热物理学报 ， 2 0 1 2， 3 3 ( 1 1 ) ： 1 9 3 6 1 9 3 9 张冠敏， 李冠球， 李蔚， 等 板式换热器内颗粒污垢预测模型与实验 J 工程热物理学报， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 9 ) ： 1 7 1 5 - 1 7 1 8 李松 电磁场对换热管管侧碳酸钙垢的作用效果研究 D 吉林 ： 东北电力大学 ， 2 0 1 3 5 j j0 1 2 _一_I二 6 东北电力大学学报 第 3 4卷 姜鹏 ， 阎华 ， 关 昌峰， 等 内置转 子圆管 内 C a C O 3污垢 形成 过程的数值模 拟 J 北京化 工大学 学报 ： 自然科学 版 ， 2 0 1 3 ， 4 0( 3 )： 卜5 刘利超 电厂换热设备污垢影响及换热性能的数值模拟 D 北京： 华北电力大学， 2 0 1 2 3 陶文铨 数值传 热学 M 西安 ： 西安交通 大学 出版社 ， 2 0 0 1 ： 2 0 3 4 0 8 D Ha s s o n P r e cip it a t io n F o u lin g ln： E F C S o me r s ca le s ， J G Kn u d s e n， e d s Fo u lin g o f He a t T r a n s f e r Eq u ip me n t Wa s h in g t o n： He mis Ph e r e P u b Co r P， 1 9 81： 1 3 5 2 0 0 平 亚明 ， 孙奉 仲， 高明 结垢换热 面流体流动 特性对 于污垢热 阻 的影 响研究 J 水 动力学研 究与进展 ( A辑 )， 2 0 0 4 ， 1 9( 4 ) ： 4 5 8 46 1 F B r a h i m， W A u g u s t i n ， M B o h n e t N u me rica l S i mu la t i o n o f t h e F o u l i n g P r o ce s s J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f T h e r ma l S ci e n ce s ， 2 0 0 3， 4 2： 3 2 3- 3 3 4 程浩明 C a C O 3 污垢生长过程的数值模拟 D 吉林 ： 东北电力大学， 2 0 0 9 林 培滋 ， 黄世煜 ， 初惠萍 温度对碳 酸钙结垢过程的影响 J 石油与天然气化工 ， 1 9 9 9， 2 8 ： 1 2 8 1 2 9 孙灵芳， 姜德峰， 等 稀土合金水处理器阻垢性能评价实验研究 J 东北电力大学学报， 2 0 1 2 ， 3 2 ( 3 ) ： 5 9 6 3 I n v e s t ig a t io n o f Ca CO3 Fo u lin g Cha r a c t e r is t ics in t h e Re ct a ng ula r Cha nn e l XU Zh i- ming， XU Xin， ZHANG Yi- lo ng ( 1 E n e r g y R e s o u r ce s a n d P o w e r E n g in e e r i n g C o l le g e ， N o r t h e a s t D ia n li U n iv e r s i t y ， J i li n J i li n 1 3 2 0 1 2 ； 2 N o rt h C h i n a E l e ct r ic P o w e r U n i