地热开采管道结垢过程数值模拟

发布时间：2020-09-11 21:58

　　近年来新能源开发成为热门课题,地热能作为典型的可持续能源备受关注。地热开采的过程中管道内极易沉积污垢,在造成能源浪费和经济损失的同时也会危害设备安全。污垢的形成机理十分复杂,实际工程中污垢沉积问题一直无法完全解决。本文采用计算流体力学(CFD)方法,选取地热开采管道中颗粒型污垢和析晶型污垢进行研究,对其沉积过程进行数值模拟和分析。开展的主要工作如下:(1)颗粒型污垢沉积机理分析和模拟。在确定参数时将颗粒型污垢沉积过程分为输运和沉积两个阶段得到了一套实用的参数确定方法。对于模拟过程中选取的几组较大粒径,采用两相流模型计算时考虑了颗粒间的碰撞,引入简化的颗粒动力学理论,依此得出的结论更为真实。(2)析晶型污垢沉积机理分析。将析晶型污垢(CaCO_3)沉积过程分为沉积和剥蚀两个同时发生的步骤,依此建立了析晶型污垢沉积速率、剥蚀速率、热阻及密度与垢层厚度和温度间的关系并给出了计算方法。数学模型选用标准k-ε模型确定管内流场;一级化学反应方程用以表征污垢生长;壁面表面反应模型用以近壁处理建立完整的模型。(3)两种污垢物理模型的建立。基于多次模拟计算实验确定2D直管和均匀网格适合作为两种污垢的物理模型并给出了具体原因。以阻力和Nu值为观测指标对析晶型污垢数值模拟的可靠性进行了检验,确认建立的模型符合工程要求。(4)颗粒型污垢数值模拟。利用FLUENT软件模拟了不同流体平均流速和不同颗粒粒径时颗粒型污垢在二维直管内的沉积情况,得到了固定截面处管道内沙相组分和沙相速度分布曲线并对曲线作出分析。(5)析晶型污垢数值模拟。利用FLUENT软件模拟了不同流体浓度和不同平均流速时析晶型污垢在直管内的沉积情况。结合模拟结果和实际沉积速率确定方法制作了不同流体浓度和平均流速时污垢沉积速率和剥蚀速率随时间变化曲线并对曲线作出分析。
【学位单位】：武汉轻工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU83
【部分图文】：

污垢,管道内壁,流体,物质

由于地热水中溶解了过饱和的盐类，当溶解度析出并附着在管道内壁，其中钙离子析出最常见4晶体。而析晶污垢被溶液剥蚀后随溶液流动可视污垢。是指流体中的某些物质相互间或与管逼物这类污垢多附着在内壁面和颗粒污垢表面，作为与反应。。管道中的铁元素容易与流体中的物质发生化学典型的腐蚀污垢。这种污垢的产生本身对管道就他化学反应污垢的形成。。流体中存在的微生物会附着在管道内壁逐步生长的物质形成泥状物质，而泥状物质又有利于生物管道系统前段温度较高不适合生物繁殖但管道系。各种类型的污垢在管道中进行混合，此外部分成分和形成机理复杂，沉积过程很难被定性定量

来源,晶体,污垢

生明显变化的地方，如管道横截面突然减小是污垢容易发生沉积。工程中还发现，沉积出的污垢颗粒尺寸有明显的相似性，即同一沉积地的污垢颗粒直径非常近似，但不同沉积处的颗粒大小又有明显不同，所以颗粒型污垢的沉积可能与颗粒的尺寸间存在关系。实际工程还发现当管道中流体流速降低时沉积型污垢也更容易发生沉积。本文将从这探究颗粒直径和管道流速改变对于颗粒型污垢沉积速率的影响。1.2.3 CaCO3污垢生成机理CaCO3是典型的无机化合物，质地坚硬且附着力强，基本不溶于水，但易溶于酸性溶液。富含钙离子的溶液在高温情况下容易析出 CaCO3。溶液中的 CaCO3多以水化物形式存在，所以通常不是纯白色。CaCO3分解温度为 898℃，所以 CaCO3晶体一旦形成，很难再分解成离子进入溶液。地热开采实际工况中地壳内的钙离子会与空气中的 CO2和水共同反应率先在较为粗糙的管道内表面生成 CaCO3晶体，其形状多为针状，多孔结构。

溶解度,污垢

图 3.3 CaCO3 溶解度图者乐钟研究 CaSO4.2H2O 污垢沉积机理，Bramson[12现单纯的 CaSO4晶体容易被流体冲刷剥蚀，但混入率明显降低，说明 CaCO3相比 CaSO4污垢而言结垢周知 CaCO3能与酸反应，所以酸性环境能有效降低响 CaCO3污垢生成的重要因素。除此之外还有那就是本文将要探讨的问题。拟研究进展外已有诸多学者对析晶型污垢开展了研究。Kern 和程并非单一沉积过程，而是沉积和剥蚀同时作用的-脱出速率，该理论被接受和运用到之后众多研究中污垢沉积的过程，对于模型的准确性有很大影响。论分析的方式建立了 CaSO4 析晶污垢剥蚀的物理模剥蚀过程存在影响。Krause[15]研究了 CaSO4 在水平

【参考文献】