（机械设计及理论专业论文）换热器管程组合转子强化传热研究与结构改进.pdf

换热器管程组合转子强化传热研究与结构改进 摘要 管壳换热器广泛应用于过程工业众多领域，而其自身的结垢问题一直 没能得到有效地解决，从而造成能源的巨大浪费。管程组合转子强化技术 具有强化传热与在线自动清洗功能，其灵活的结构和材料设计能够满足各 种管壳换热器的工况及装配要求，为管壳式换热设备污垢问题的解决提供 了方案。因此，对管程组合转子的性能、作用机理和结构改进展开研究， 具有重要的工程应用价值。本文借助实验手段，研究管程组合转子的扰流 特性、传热及阻力特性，进而分析其作用机理并提出结构改进方案。 通过可视化实验、转子转速测试和p i v 流场测试，对管程组合转子 扰流的冷态流场特性进行了从定性到定量地分析。理论推导出转子转速公 式，认为影响转子转速的因素包括几何、质量属性( 流体和转子的密度) 和粘性因素。提出在管程存在无旋流，并通过p i v 测试结果得到了初步 验证。进而分析认为，管程的轴向速度分布与转子旋转相结合，决定了流 体的流动状态分布，如径向混流、湍流强度、涡量等。将相邻两组转子之 间的空隙定为滞流区，并对滞流区的流动特性进行了详细分析。总结冷态 实验，可得出如下结论：( i ) 管程组合转子对流体造成不同程度、甚至不 同方向的旋流，从而强化了流体层间剪切效应，促进流体的径向混合和边 界层剪切变薄；( 2 ) 滞流区的流动状态复杂无序，湍流强度更大；( 3 ) 管 程局部有纵向涡产生。管程组合转子扰流的流动特性有利于传热强化。 北京化工大学博士学位论文 通过传热及阻力实验，对特征长度的选取原则进行了讨论和验证。结 合各无量纲特征数的物理意义和实验数据，认为对于管程动态扰流技术， 应选取换热管内径进行实验数据的处理和计算，得到的结果能更准确地表 征其实际传热强化程度及综合性能。基于这一原则，对管程组合转子的传 热及阻力特性进行实验研究。以油为工质的实验表明：在r e = 5 0 0 8 0 0 0 的层流区和转捩区，管程组合转子可不同程度地提高传热性能，同时也不 可避免地增大阻力损失；增大转子外径对传热强化的贡献微弱，阻力系数 却明显增大；增大转子螺旋角度对传热强化的贡献显著，同时阻力也有较 大增长；螺旋角度最大的一种转子实验数据出现断层，分析是转子运动状 态突变所致；其它4 种规格的转子实验数据没有出现断层，很可能是由于 其导程较大，转子一直处于停转状态；性能综合评价表明，导程最小的转 子具有最佳综合性能。可见，强化层流对流传热，主要是要增强管程流体 的径向混合。以水为工质的实验表明：在r e = 1 0 4 - 1 0 5 的旺盛湍流区，管程 组合转子可不同程度地提高传热性能，同时也不可避免地增加阻力损失； 增大转子外径对传热强化的贡献明显，而阻力系数略有增大；增大转子螺 旋角度对传热强化的贡献微弱，却造成阻力的较大增长；性能综合评价表 明，导程较大、外径较大的转子具有最佳综合性能。可见，强化湍流对流 传热，主要是要加强对管程流体流动边界层和热边界层的扰动。因此，应 根据流体的流动状态( 层流、过渡流或湍流) 选择转子的结构参数。对于 火力发电厂的凝汽器，其流动多处于旺盛湍流区，在安装条件允许的情况 下，应尽可能选择外径较大、螺旋角度较小的转子。 针对传统结构的转子在阻垢性能、扰流特性、传热及阻力特性方面存 i i 摘要 在的一些问题，提出镂空型转子、转片式转子和边界层剪切型转子三种结 构改进方案。对前两种方案进行了可视化实验和以水为工质的传热及阻力 实验验证。可视化实验表明：镂空型转子的硬质颗粒污垢抵抗能力有很大 程度提高，但仍不能满足颗粒浓度大或长时间运行的工况要求；转片式转 子独特的结构设计，彻底避免了硬质颗粒污垢堵塞，可满足阻垢性能要求。 传热及阻力实验表明：镂空型结构虽然可以一定程度降低阻力，但其传热 性能也由于流体向镂空中心的汇聚效应而下降，其综合性能甚至不如传统 结构转子；转片式转子在降低阻力的同时，保持传热性能不下降，因此其 综合性能得到显著提升。可见，强化湍流对流传热，最重要的仍是扰动和 减薄边界层。中心流体的径向混合对传热强化的贡献不大，反而徒增阻力。 因此，提出边界层剪切型转子，其结构能够将流体中心区的能量向边缘传 递，造成对边界层的剪切扰动。 关键词：管壳换热器，管程组合转子，强化传热，流场，p i v ，结构改进 北京化i ：大学博十学位论文 i n v e s t i g a t i o no f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t a n ds t r u c t u r em o d i f i c a t i o no ft u b es i d e a s s e m b l e dr o t o r sf o rh e a te x c h a n g e r s a b s t r a c t s h e l l - a n d t u b eh e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l yu s e di nm a n yp r o c e s si n d u s t r y f i e l d sa n dp r o n o u n c i n gt r e m e n d o u sw a s t eo fe n e r g yf o rr e m a i n i n gu n r e s o l v e d f o u l i n gp r o b l e m t u b es i d ea s s e m b l e dr o t o r s ( t s a r ) c a na c h i e v eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n do n l i n e c l e a n i n g ，w i t hf l e x i b l ed e s i g n o fs t r u c t u r e sa n d m a t e r i a l st om e e tt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fv a r i o u ss h e l l a n d t u b ee x c h a n g e r s ， l i g h t i n gu pt h eh o p ef o rc o n q u e r i n gs c a l ef o r m a t i o n t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t i m p o r t a n c et os t u d yt h ep e r f o r m a n c e ，m e c h a n i s ma n ds t r u c t u r em o d i f i c a t i o n o ft u b es i d ea s s e m b l e dr o t o r s i nt h i sp a p e r , m a n ye x p e r i m e n t a lm e t h o d sw e r e e m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h ed i s t u r b e df l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，h e a tt r a n s f e ra n d f r i c t i o n l o s so ft s a rt o a n a l y z e i t sm e c h a n i s m m o r e o v e r , m o d i f i e d s t r u c t u r e sw e r ep u tf o r w a r da i m i n gf o rb e t t e rp e r f o r m a n c e v i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t ，r o t a t es p e e dm e a s u r e m e n ta n dp i vt e s tg a v ea n e x h i b i t i o no fd i s t u r b e df l o wf i e l db yt s a rf r o mq u a l i t a t i v e l yt oq u a n t i t a t i v e l y i v 摘要 r o t a t es p e e do fr o t o r sw a st h e o r e t i c a l l yd e d u c e d ，c o n s i d e r i n gg e o m e t r i c a l ， m a s sa n dv i s c o u sf a c t o r s an o n r o t a t i n gf l o wv e l o c i t yw a sb e l i e v e dt oe x i s t s o m e w h e r ei nt h et u b e ，w h i c hw a sp r i m a r i l yp r o v e db yp i vt e s t a x i a lf l o w v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f t u b es i d ec o m b i n e dw i t hr o t a t i o no fr o t o r s ，d e t e r m i n e d t h ef l o ws t a t e ，s u c ha sr a d i a lm i x i n g ，t u r b u l e n ti n t e n s i t ya n dv o r t i c i t y t h e i n t e r s p a c eb e t w e e nt w oa d ja c e n tg r o u p so fr o t o r sw a sn a m e ds t a g n a n ts e c t ， f l o wc h a r a c t e r i s t i c si nw h i c hw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t os u mu pt h ec o l dt e s t o ft s a r , s e v e r a lc o n c l u s i o n sa r er e a s o n a b l ea sf o l l o w s ：( 1 ) t s a rc r e a t e d s w i r lf l o ww i t hd i f f e r e n te x t e n ta n de v e nd i f f e r e n td i r e c t i o n ，w h i c hi n t e n s i f i e d r a d i a lm i x i n ga n ds h e a re f f e c tb e t w e e nf l u i dl a y e r s ，a t t e n u a t i n gt h eb o u n d a r y l a y e r ( 2 ) ac o m p l i c a t e df l o ws t a t ee x i s t e di n t h es t a g n a n ts e c t ，i n d u c i n g s t r o n g e rt u r b u l e n ti n t e n s i t y ( 3 ) l o n g i t u d i n a lv o r t e x e ss o m e t i m e so c c u n e di n t u b es i d e i ti se x c i t i n gt h a ta l lt h e s ef e a t u r e sa r eg o o df o rh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t p r i n c i p l ef o rs e l e c t i n gc h a r a c t e r i s t i cl e n g t hw a sa d v a n c e da n dv a l i d a t e d b a s e do nh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nl o s se x p e r i m e n t c o n s i d e r i n gt h ep h y s i c a l s i g n i f i c a n c eo fe a c hc h a r a c t e r i s t i cn u m b e rc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n td a t a , i t w a sm a d ec o n c i s et h a tt h ei n n e rd i a m e t e ro ft h et u b es h o u l db eu s e di nd a t a d e d u c t i o nf o rd y n a m i ct u b es i d ef l o wd i s t u r b i n gt e c h n i q u e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sc a l c u l a t e di nt h i sw a yr e v e a l e da c t u a lh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c em u c h b e a e r t h u s ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sw e r ec a r r i e do u tt oe v a l u a t et h eh e a t t r a n s f e ra n df r i c t i o nl o s sp e r f o r m a n c eo ft s a r t h eo i le x p e r i m e n ti n d i c a t e d ： v 北京化工大学博一f ：学位论文 i nt h el a m i n a ra n dt r a n s i t i o nr e g i o nw i t hr e = 5 0 0 8 0 0 0 ，t s a ra u g m e n t e dh e a t t r a n s f e ra n di n e v i t a b l yi n c r e a s e df r i c t i o nl o s s ；b i g g e rr o t o rd i a m e t e rh a r d l y c o n t r i b u t e dt oh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tb u tl e a dt om u c hm o r ef r i c t i o nl o s s ； g r e a t e rr o t o rp i t c ha n g l eb r o u g h ta b o u tm o r er e m a r k a b l eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n da l s om o r ef r i c t i o n l o s s ；e x p e r i m e n td a t ac o n c e r n e dw i t h r o t o r sw i t hb i g g e s tp i t c ha n g l ed i s p l a y e dad i s l o c a t i o n ，w h i c hw a sa s s u m e d d u et ok i n e s t a t em u t a t i o no fr o t o r s ；e x p e r i m e n td a t ac o n c e r n e dw i t ho t h e rf o u r t y p e so f r o t o r sw e r ec o n t i n u o u s ，w h i c hm i g h ti m p l yt h a tt h e s er o t o r sw e r e a l w a y sa ts t a t i o n a r ys t a t ef o rt h e i rs m a l l e rp i t c ha n g l e ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n i n d i c a t e dt h a tr o t o r sw i t hb i g g e s tp i t c ha n g l eb e h a v e db e s t i tc a nb e c o n c l u d e d t h a tr a d i a l m i x i n go ff l u i d s h o u l d b et h e p r i n c i p a lc h o i c e f o re n h a n c i n g l a m i n a rc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r t h ew a t e re x p e r i m e n ti n d i c a t e d ：i nt h e t u r b u l e n tr e g i o nw i t hr e = 10 4 10 5 ，t s a ra u g m e n t e dh e a tt r a n s f e ra n d i n e v i t a b l yi n c r e a s e df r i c t i o nl o s s ；b i g g e rr o t o rd i a m e t e ro b v i o u s l yc o n t r i b u t e d t oh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dl e a dt on o tm u c hf r i c t i o nl o s s ；g r e a t e rr o t o r p i t c ha n g l eb r o u g h ta b o u ta l m o s tn o t h i n gf o rh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tb u t g a i n e dm o r ef r i c t i o nl o s s ；p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t e dt h a tr o t o r sw i t h b i g g e s td i a m e t e ra n ds m a l l e s tp i t c ha n g l eb e h a v e db e s t i tc a nb ec o n c l u d e d t h a ta t t e n u a t i o no fb o u n d a r yl a y e rs h o u l db et h ep r i n c i p a lc h o i c ef o re n h a n c i n g t u r b u l e n tc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r t h e r e f o r e ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r so fr o t o r s s h o u l d b ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ef l o wr e g i o no ff l u i d ( 1 a m i n a r , t r a n s i t i o n o rt u r b u l e n t ) w i t hr e g a r dt oc o n d e n s e r so fp o w e rp l a n t s ，r o t o r sw i t hb i g g e r v i 摘要 d i a m e t e ra n ds m a l l e rp i t c ha n g l ea r ep r e f e r r e dp r o v i d i n gi n s t a l l a t i o nc o n d i t i o n p e r m i t s ，b e c a u s et h et u b es i d ef l o ww a su n d e rf u l l yd e v e l o p e dt u r b u l e n c e a c c o r d i n g t os o m ei n s u f f i c i e n c i e so ft r a d i t i o n a lr o t o r sd e t e c t e di n a n t i f o u l i n gp e r f o r m a n c e ，f l o wd i s t u r b i n gc h a r a c t e r i s t i c ，h e a tt r a n s f e ra n d f r i c t i o nl o s s p e r f o r m a n c e ，t h r o u g h c a r v e dr o t o r ，r o t a r y - v a n e r o t o ra n d b o u n d a r yl a y e rs h e a r i n gr o t o rw e r ei n v e n t e dt of i xt h ep r o b l e m v i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n tt o g e t h e rw i t hh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nl o s se x p e r i m e n tw i t hw a t e r a s w o r k i n gf l u i d w e r el a u n c h e dt oe x a m i n et h r o u g h c a r v e dr o t o ra n d r o t a r y - - v a n er o t o rv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n ti n d i c a t e d ：t h r o u g h - c a r v e dr o t o r s p r o v i d e db e t t e rr e s i s t a n c ea g a i n s th a r dp a r t i c l ef o u l i n gt h a nt r a d i t i o n a lr o t o r s ， b u ts t i l l s t e p p e df a rb e h i n dt h er e q u i r e m e n to fh i g hc o n c e n t r a t i o na n dl o n g r u n n i n g ；r o t a r y v a n e r o t o r sa v o i d e d b l o c k a g e o fh a r d p a r t i c l ef o u l i n g s u c c e s s f u l l yd u et op a r t i c u l a rs t r u c t u r ed e s i g n h e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nl o s s e x p e r i m e n ti n d i c a t e d ：t h r o u g h c a r v e ds t r u c t u r er e d u c e df r i c t i o nl o s st os o m e e x t e n t ，b u ta l s ow e a k e n e dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ef o rt h ei n f l u xo ff l u i dt o t h r o u g h c a r v e dv o i d ，w i t ha no v e r - a l lp r o p e r t ye v e ni n f e r i o rt ot r a d i t i o n a lo n e s ； r o t a r y v a n e r o t o r sr e d u c e df r i c t i o n l o s sw h i l e m a i n t a i n i n gc o n s t a n t h e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，t h u sa c h i e v i n gm u c hb e t t e ro v e r - a l lp r o p e r t y i tc a nb e c o n c l u d e dt h a ta t t e n u a t i o no fb o u n d a r yl a y e rs h o u l db et h ep r i n c i p a lc h o i c ef o r e n h a n c i n gt u r b u l e n tc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r f o rt u r b u l e n tc o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e r , r a d i a lm i x i n go ff l u i dh a r d l yc o n t r i b u t e st oh e a tt r a n s f e ra u g m e n t a t i o n b u t i n c r e a s e sf r i c t i o n l o s st on op u r p o s e c o n s e q u e n t l y , b o u n d a r yl a y e r 北京化i ：大学博士学位论文 s h e a r i n gr o t o rw a sp r o m o t e dt os e t t l et h ec o n f l i c t i tw a sd e s i g n e dw i t ha p a r t i c u l a rc o n f i g u r a t i o nw h i c hc a l lt r a n s f e rt h ek i n e t i ce n e r g yo fc e n t r a lf l u i d t ot h ee d g ea n dm a r g i n ，s h e a r i n g ，d i s t u r b i n ga n da t t e n u a t i n gb o u n d a r yl a y e r k e yw o r d s ： s h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e r , t u b es i d ea s s e m b l e dr o t o r s ， h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，f l o wf i e l d ，p i vs t r u c t u r em o d i f i c a t i o n v 1 1 i 符号说明 符号说明 流通面积，m 2 ； 换热管内表面换热面积，m 2 ； 换热管外表面换热面积，m 2 ： 壳程经验公式系数，无量纲； 壳程经验公式常数项，m 2 k w ； 管程流体比热，j k g k ； 换热管外径，m ； 环隙水利直径，m ； 特征长度，m ； 圆管内径，m ； 当量直径，i t i ； 达尔西阻力系数，无量纲； 对流换热系数，w m - z k ； 管程对流换热系数，w m k ； 环隙对流换热系数，w m k ； 总传热系数，w m - 2 k ； 努寨尔数，无量纲； 普朗特数，无量纲； 对流换热速率，w ； 热传导换热速率，w ； 雷诺数，无量纲； 管壁热阻，k w 一； 温度，k ； 管程平均流速，m s ； 流体介质密度，k g m ； 流体介质运动粘度，m 2 s ； 无旋流速，m f 1 ； 导热系数，w m 一k 1 ； 压力降，p a 。 彳4 以q q以巩d巧以厅砖吃kn g矿贴凡， 材 p d 力印 北京化工大学位论文原创性声明 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 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 驴7 、石厂 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 能源是国民经济可持续发展的重要保证，但一直作为主流能源的化石能源在造成 着人类生存环境极大污染的同时也正面临自身的枯竭。我国而对能源短缺与环境污染 的双重压力，节能不仅成为一项长远的战略方针，也是一项现实的紧迫任务。能源资 源的开发利用促进了世界的发展，同时也带来了严重的生态环境问题，化石燃料的使 用是c 0 2 等温室气体增加的主要来源。科学观测表明，地球人气中c 0 2 的浓度已从工 业革命前的2 8 0 p p m v 上升到了目前的3 7 9 p p m v ( 见图1 1 ) ；全球平均气温也在近百年 内升高了0 7 4 c ( 见图1 2 ) ，特别是近3 0 年来升温明显。全球变暖对地球自然生态系 统和人类赖以生存环境的影响总体上是负面的，需要国际社会认真对待。从中国情况 看，能源结构长期以煤炭为主，煤炭生产使用中产生的s 0 2 、粉尘、c 0 2 等是大气污 染和温室气体的主要来源。解决好能源问题，彳仅要注重供求、| ，衡，也要关注由此带 来的生态环境问题i 。国民经济和社会发展第十一个五年规划中提出了单位国内生产 总值能源消耗降低2 0 和主要污染物排放总量减少1 0 的两个重要指标，其核心就是 节能。电力、冶金、石油化工是主要的高耗能行业，也是“节能减排”任务艰巨和潜力 巨大的行业。在这些高耗能行业的牛产过程中充分利用高效热交换技术和设备是提高 能源利用率，实现“节能减排”的重要途径。凶此，必须进一步加强研究开发并推广应 用高效换热技术和设备，以确保“节能减排”战略目标的实现。 3 7 0 3 6 0 ，3 5 l j 囊3 4 0 蛰l3 3 0 孽3 2 0 83 1 0 3 0 0 2 9 0 7 、 1 8 6 0 1 8 8 0l 吼x 1 9 2 01 9 4 0 1 9 6 0 1 9 8 02 0 1 1 0 年份 图i - 11 5 0 年来人气中c 0 2 浓度变化“j f i g 1 - lc h a n g e so f t h ec 0 2 c o n c e n t r a t i o ni nt h ea t m o s p h e r eo v e rt h ep a s t15 0y e a r s 作为一种重要的过程发备，管壳式换热器广泛应用于电力、石化、冶金、轻工等 行业。尽管在不同的应用场合，管壳式换热器以不同的名称或形式出现，如凝汽器、 蒸发器、冷却器等，但它们基本上具有相同的功能。考虑到管壳式换热器在过程工业 中的重要地位，广火科研工作者和工程技术人员对其开展了广泛而深入的研究，以期 提高其性能及稳定性。然而不幸的足，污垢总足逐渐地覆盖管壳式换热器的换热表面， 进而减少流通面积并增人流动阻力。最坏的情况下，甚至产生垢下腐蚀从而导致整个 北京化= 大学博l ? 学位沦文 设备的损坏和失效。积污结垢造成的传热效率低下和巨大浪费是这些工业领域节能降 耗中普遍存在的顽症，也是热能传递与转化领域的研究课题。早在l9 7 2 年，t a b o r e k j 就指出污垢是换热器中不可避免的老大难问题【4 1 ；m a b u z a i d 在2 0 0 0 年的时候声称 污垢是传热过程中不可避免的一种副产品【5 j ；然而今天的情况可能已经有所不同，因 为研究人员已经针对这一问题进行了长期的研究并达成了一致共识，即理想的强化传 热技术应同时具有两个特征：强化传热与在线自动清洗。研究管壳式换热器强化传热 和在线自动清洗，寻求具有工业应用前景的新方法，为高耗能行业发展节能新技术， 切实将单位g d p 的能耗指标降下来，是我国当前面临的紧迫问题，意义十分重大。 图i - 2 近百年伞球平均气温变化【3 】 f i g 1 - 2c h a n g e so f t h eg l o b a la v e r a g et e m p e r a t u r eo v e rt h ep a s t10 0y e a r s 针对管壳式换热设备的结垢和传热效率问题，在线自动清洗强化传热技术是解决 问题的有效途径，其研究与开发离不开理论的指导和研究手段的辅助。国内外的研究 者和工程技术人员在污垢研究、强化传热机理、流动状态、传热性能评价、强化传热 技术等方面开展了卓有成效的研究。所采用的研究手段主要有理论分析、实验研究、 数值模拟等。接下来将对本文研究所涉及领域的最新研究进展进行综述和归纳，为本 文研究的顺利开展提供理沦和技术支持。 1 2 影响传热面结垢的因素 防垢、阻垢及在线清洗技术的研发离不开对污垢分类、污垢形成机理、污垢形成 过程以及影响污垢特性的主要参数的深入了解。按照形成机理和过程的不同，污垢大 致分为微粒污垢、析品污垢和混合污垢，针对不同的污垢类型，近年来，国内外关于 污垢的实验、模型及预测研究取得了不少令人振奋的成果。 国内方面，张仲彬、徐志明、邱振波采用对比实验的方法，以c a s 0 4 微粒垢为研 究对象，研究了换热表面特性及工质流动特性对结垢诱导期的影响。在其它实验条件 相同时，实验结果表明不同材料的换热表面与污垢颗粒间附着力大小不等，使得其结 垢诱导期也不相等，但其污垢热阻渐近值差别较小；工质循环流速增大使得壁面剪切 力增大，其结垢诱导期延长，污垢热阻渐近值减小；管内流场的湍流程度大小会影响 污垢诱导期和污垢热阻渐近值【6 】。毕月虹l 7 】等实验研究了微粒粒径、表面涂层类型、 第一章绪论 悬浮液温度等囚素对微粒污垢沉积率的影响，通过对实验结果进行理论分析，证实了 在某一悬浮液温度微粒污垢沉积率最大，并推导出了微粒污垢沉积率最大时的悬浮液 温度与换热表面自由能之间的关系式，对于特定的悬浮液温度，可通过合理选择换热 面降低微粒污垢沉积率。徐志明等在分别研究微粒污垢和析晶污垢的基础上，假设【8 】 微粒和析晶污垢独立存在，而结晶过程同时发生在换热表面和微粒表面，据此建立了 一种微粒和析晶混合污垢热阻值的分析模型，通过m g o 微粒污垢和c a c 0 3 析晶污垢实 验进行了验证，污垢实验值与分析预测值的对比如图1 3 至图1 5 所示。他们进一步对 比试验研究了【9 ，lo j 换热管内循环水的流速、温度以及微粒直径和浓度对混合污垢特性 的影响，结果表明，添力h m g o 微粒牛成的混合污垢热阻值比纯粹的c a c 0 3 析晶污垢的 热阻值大，且具有较小粒径的微粒更容易沉积成垢；换热管内循环水的流速增大，混 合污垢热阻值减小；微粒浓度增大，混合污垢热阻值增大，但当浓度达剑某一值 ( 1 0 0 0 m g l ) 时，混合污垢渐近值基本维持某一常数；在试验温度范围内( 6 0 7 0 ) ， 水浴温度对混合污垢热阻值影响较小，而温度对于不同的析晶污垢和小粒径的微粒污 垢有着不同程度( 甚至相反) 的影响。昝成、史琳、欧鸿飞等】在热泵工况下对污垢 热阻及流动压降进行了现场全周期监测，并着重考查了温度和板间流速对污垢初始形 成过程的影响，实验结果表明温度对于混合污垢形成的影响呈单调性，温度较高，污 垢生长速率较大，反之较小，温度对污垢起始期的长短有影响，温度较高，起始期较 短，反之，起始期较长；板间流速决定了“生长”和“剥离”两种作用在污垢形成过程中 的竞争关系，流速对于结垢特性的影响呈非单调性，存在极限流速值( 该研究中极限 流速值在0 4 8 - 0 6 6 m s 之间) ，当实际流速小于极限流速时，实际流速的提升将促进污 垢生长，反之，实际流速的提升将抑制污垢生长，流速对于污垢起始期的长短有影响， 当实际流速小于极限流速时，流速的提升将使得起始期缩短，反之，流速的提升将使 得起始期延长。全贞花等i l2 j 对强制对流条件下，c a c 0 3 在换热表面的结垢特性进行了 实验研究，考察了流体流速、硬度、碱度、温度及壁面温度等对污垢行为的影响。流 速减小、硬度和碱度增大、流体温度和换热面温度升高使得结垢速率和污垢热阻增大， 使得污垢诱发期缩短。 图l - 3 微粒污垢实验值与模型值对比 f i g 1 - 3e x p e r i m e n t a la n dp r e d i c t e dd a t ao fp a r t i c l ef o u l i n g 北京化工大学博l ：学位论文 参 业 之 时同h 图i - 4 析晶污垢实验值与模型值对比 f i g 1 - 4e x p e r i m e n t a la n dp r e d i c t e dd a t ao f c r y s t a lf o u l i n g 0 0 0 o 肿0 2 鼍 毒0 , 0 0 0 1 拶 z o弼稍 6 0 翱 时网h 图l - 5 混合模型预测值与实验值比较 r i g 1 - 5e x p e r i m e n t a la n dp r e d i c t e dd a t ao f m i x e df o u l i n g 国外方面，d a v i db u t t e r w o r t h t 3 l 考虑局部温度和流速对污垢的影响，将污垢形成 过程分为起始期、渐进生长期和形成期，基于e b e r t 和p a n c h a 针对原油提出的污垢生长 模型，采用包迹法对换热器进行设计。q z h a o 等【1 4 】针对以海水作为冷却介质的换热设 备管线中存在的生物污垢和析晶污垢问题，开发出一种自催化的n i c u p p t f e 涂覆 层，该涂覆层具有防腐蚀性能，并可以通过调整涂层中p t f e 的含量改变涂层的表面自 由能，从而有效地抑制生物污垢的附着和矿物质垢的沉积。d a v i dj k u k u i k a 和m o h a n d e v g u n r 研究【1 5 1 了以湖水为工作介质的工业换热设备中，温度和流速作为关键参数对污 垢特性的影响，对比考察了不同材料换热表面的污垢生长情况，试图得到表面粗糙度 与污垢之间的关系。提出可通过改变换热表面属性和流体流动参数有效缓解换热器结 垢。a h e r z 等【1 6 1 研究了水溶液对流传热条件下不锈钢表面粗糙度对析晶污垢的影响， 以a i s i3 0 4b a 不锈钢为研究对象，表面粗糙度范围从0 1 8 “m 到1 5 5 p m ，研究不同的 体积浓度和热流量条件下的污垢特性。实验结果表明，具有很大粗糙度( 1 5 5 p m ) 的 传热表面其传热系数较0 5 4 p m 粗糙度传热表面的传热系数下降要快得多，主要有以下 3 方面的原因：( 1 ) 表面的异相成核率增大；( 2 ) 凹处的局部剪切削弱；( 3 ) 当粗糙 突起超出粘性底层时，表面的晶体剥离率降低。a h e l a l i z a d e h 等1 1 7 j 首次对c a s 0 4 和 c a c 0 3 混合析晶污垢进行了大量的实验研究，考察了流速、热通量、温度、浓度等参 数对结垢的影响，并结合电镜晶相照片对污垢特性进行了详细的分析，为混合析晶污 4 r ， 第一章绪论 垢机理的阐释和模型的建立提供了翔实的实验数据。电厂汽轮机凝汽器作为一种重要 的冷端设备，其性能的优劣直接关系到系统的效率。然而，凝汽器也总是遭受结垢的 困扰。e n e b o t 等l l8 j 对以海水作为冷却水的一种凝汽器的污垢特性进行了研究，建立 了动态的污垢评价预测模型，该模型充分考虑了冷却水流速和换热管材料对污垢特性 的影响，具有明确的物理意义。实验表明，污垢热阻渐进值随着流速增大而降低；对 于凝汽器的一年四季全运