不锈钢管内结垢机理及对管内表面传热影响机理研究

发布时间：2020-11-23 20:33

　　 污垢是影响能源利用率的主要因素之一,研究污垢的形成过程和生长机理,可有效提高能源的转化效率,缓解能源危机,有利于节能减排和保护环境。本文采用实验和数值模拟两种手段,探索了碳酸钙结晶污垢在换热壁面上的生长及其对传热的影响,观测了不同生长阶段碳酸钙结晶污垢在换热壁面上的形貌、大小及其分布特征,分析了碳酸钙污垢在换热表面上的生长规律。实验研究以套管换热器的管程作为实验对象,选取316L不锈钢圆管作为试验管,工质是100 mg/L的碳酸钙溶液,工质进口温度为55±0.5℃,热水入口温度为77±0.5℃,管内流速为0.13 m/s(Re=1800)。实验结果表明总传热系数随时间的变化呈先增大后减小再增大的变化趋势,污垢热阻的变化规律则恰好相反;热阻在整个结垢过程可分正热阻区、负热阻区、污垢渐进生长区三个区域;晶体的数量、大小随着时间的增加逐渐增大,直至晶体完全覆盖换热面;在污垢渐进生长区,污垢层表面会发生二次成核,结垢速率迅速增大,而剥蚀率随时间缓慢增大,沉积量和剥蚀量最终会达成一个动态平衡,污垢热阻呈渐近线型变化;在结垢过程中,晶型由起初的不稳定的颗粒转变为稳定的方解石状。根据结晶污垢在换热壁面上的分布进行统计结果,建立物理模型和数学模型,研究管内碳酸钙污垢对传热特性的影响。数值模拟结果表明:晶体的出现增大了流体的扰动,强化了对流换热过程;晶体尺寸越大,扰流作用越大,对换热的强化效果也越明显;同时,晶体是热的不良导体,阻碍热量的传递,随着晶体尺寸的增大,晶体占的管壁面积增大,阻碍作用逐渐增强;模拟所得Nu/Nu_0随时间的变化与实验测得K/K_0随时间变化的规律相同。
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沉积率随着硫酸钙溶液浓度的增大而增大，净沉积l[42]发现结垢过程中努塞尔数随导热率呈渐近线变化，普朗特数对垢层表面的温度有显着影响；朱芬[43]数值模拟了汽液两相流中的对传热有极大的阻碍作用，换热面上污垢的沉积大幅度降低了[44]对传热面上碳酸钙污垢的结晶结垢过程进行了数值研究，文中新型组合；张艾萍[45]用数值分析方法研究了强化管内的结垢过程越大，两种管内碳酸钙污垢的沉积率、热阻和剥蚀率越大，且强对传热影响机理研究现，当循环溶液流经换热面时，换热面上的污垢热阻变化规律主1.1 所示。其中，1 为线性增长型；2 为降率型；3 为幂律型；4 为，得到的变化曲线，一般并不如上述曲线 1 至 4 那样光滑，而是曲线。同时，有些实验中还发现从一开始就有污垢热阻出现，而时间之后才有污垢热阻出现，这段时间叫作粗糙度诱导期。

2 结垢实验台介绍及数据分析在研究换热面上的结垢过程时，通常采用实验研究的方法。实验研究是指在实验室条件下模拟换热设备在实际生产中的运行工况，通过改变一些可控过程参数，如流速、循环工质的浓度、温度、换热表面粗糙度等，加快污垢的形成进而缩短实验时间，提高污垢研究的效率。为了研究 CaCO3污垢在的生长规律及晶体的生长过程，本文设计了污垢的沉积实验装置。2.1 实验台简介2.1.1 实验系统介绍本实验台由三套独立的循环系统共同组成，分别是循环溶液系统、循环加热系统和循环冷却系统，如图 2.1 所示。实验系统的硬件组成部分主要有：实验测试管、电加热恒温水箱、温控仪、冷却水箱、循环冷却水泵、循环热水泵、溶液桶、冷却水箱、搅拌器、温度传感器、电脑、数据采集器、流量计、蠕动泵等。

兰州交通大学硕士学位论文电加热恒温水箱的大小为 54 cm×37 cm×34 cm，水箱内壁选用不锈钢材质，防止水箱内壁生锈。在水箱底部对称布置两个加热器，作为恒温水箱的热源。在水箱内布置一个温度传感器，温度控制系统通过接收传感器的反馈信息调节加热器的功率，使水箱内的温度保持恒定，电加热恒温水箱如图 2.2 所示：
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