运行工况对两种强化管内析晶污垢的影响

张一龙，王乐君，韩志敏，徐志明

(1.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012；2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

运行工况对两种强化管内析晶污垢的影响

张一龙1，王乐君1，韩志敏2，徐志明2

(1.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012；2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

摘要：为了研究运行工况对强化管内析晶污垢的影响。采用数值模拟方法研究了强化管内CaSO4析晶污垢的沉积过程。主要分析了两种强化管内CaSO4溶液的速度和壁面温度对污垢热阻的影响。结果表明，随着速度的增大污垢热阻值逐渐减小；随着壁面温度的增大污垢热阻值也是逐渐减小。综合对比两种强化换热管可知，内肋管的污垢热阻值小于缩放管的热阻值，即内肋管抑垢效果好于缩放管。

关键词：强化管；速度和壁温；数值模拟；析晶污垢

换热装置中的污垢产生是日常生产工作中经常遇到的问题。近年来，针对污垢的研究已经成为了工业生产研究的一个热门题目[1]；而换热通道经过强化换热技术处理之后，其内部流动过程中的温度场、速度场和浓度场均会发生改变。由于这三个参数都会对污垢沉积产生影响，因此强化换热技术同样会对污垢沉积有所影响。根据Webb[2]和Bergles[3]研究结果，强化换热可分为两大类主动强化技术和被动强化技术。对应各种强化换热方法，业内对于其污垢沉积特性同样进行了研究。于丹[4]根据全贞花建立的碳酸钙污垢的传热传质模型，对螺旋槽强化表面的结构情况进行了模拟研究，从析晶污垢沉积机理分析影响因素产生的原因。王建国[5-6]通过在换热管周围引入高频电磁场，研究碳酸钙污垢沉积形态以及抑垢效果。孙灵芳[7-8]在研究超声波对污垢抑制的基础上，根据超声波的反射与投射特性，研发了超声波对污垢的监测装置。张艾萍[9-10]以场协同理论为基础，对超声波的除垢和防垢效果进行了评价并且拟定了一个评价系数；该评价系数在考虑强化换热效果的基础上，对运行系统抑垢情况进行实时评价，且该过程不受运行工况和污垢类型的影响。徐志明[11-14]通过CFD软件实现了对圆管内的硫酸钙和碳酸钙析晶污垢沉积的数值模拟，得到了污垢沉积率、剥蚀率和污垢热阻随时间的变化曲线，将结果与实验数据进行对比，大部分误差均在10%以内。

虽然很多学者都对污垢的沉积过程以及影响因素进行了研究，但是大部分都是实验数据的研究。实验工况受制于各类客观条件，很难进行扩展，因此本文采用数值模拟的方法进行扩展研究；并且，强化管多用于传热方面的研究，而关于管内表面污垢沉积特性影响的研究就比较少，本文将针对这一问题进行深入探讨。

1模型的建立

1.1　物理模型的建立

本文针对交叉缩放管和内肋管这两类强化管进行数值模拟，各管的长度均为2 200 mm。为了能够使得各管进出口迅速充分发展，在缩放管和内肋管的进出口都接有内径为25 mm，长度为80 mm的直管段。各管的几何尺寸和物理模拟的具体形状如图1所示，其中图(a)缩放管的几何尺寸：内径为25 mm，外径为20 mm，l1为20 mm，l2为13 mm，l3为7 mm，α为20°，β为11°；图(b)内肋管的几何参数：横截面呈现正六边形，一周共3对肋，肋与轴向夹角为45°，相邻肋凸起呈对称分布，肋凸起长10 mm，宽4 mm，高1.5 mm。

图1　物理模型示意图

1.2　数学模型及边界条件

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，这就需要求解连续性方程、动量方程、能量方程、传质方程及湍流方程。

根据工质流动特性，二维，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、传质方程和k-ε方程。这些方程均可以表示成一种简洁的通用形式：

(1)

钙离子和硫酸根离子通过扩散从主流区运输到壁面附近。浓度梯度为其传输动力

(2)

(3)

kR为表面反应速率常数。它可以用Arrhenius方法计算：

(4)

其中，kR0为反应常数；E为反应的活化能，Tf为污垢层表面温度；cs为饱和浓度。假设所有传输到相边界上的离子都参与了表面反应，将式(2)和式(3)联立，消去相界面的未知浓度cf之后，可求解沉积率

(5)

污垢的剥蚀率模型由文献[14]给出：

(6)

其中，u为流体的流速，程序中取流体主流速度。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；ρf为污垢层的平均密度。当已知单位面积污垢沉积质量m和污垢层厚度xf时，可得污垢平均密度为

(7)

(1+δΔT)描述了污垢层的热应力。CaSO4析晶晶体的平均半径为36微米[16]。

污垢生长过程的净沉积率等于沉积率和剥蚀率之差：

(8)

若假定污垢的各成分及污垢特性在各方向是均匀分布的，则污垢热阻定义为

(9)

式(9)中，λf为污垢层导热系数。

边界条件的设置如下：由于本课题主要研究强化管在不同工况下的污垢特性，所以入口边界条件随各工况改变而改变。出口为自由流出出口条件。工况取值范围：壁面温度为340 K且入口温度为300 K时，入口速度分别为0.1 m/s、0.35 m/s、0.75 m/s、1 m/s。入口速度为0.35 m/s且入口温度为300 K时，壁面温度分别为320 K、340 K、360 K。

2数值模拟计算方法及网格无关性验证

本课题主要运用CFD软件进行模拟计算。解算器用Fluent三维双精度分离式求解器，采用Simple算法，连续、动量和能量方程采用二阶迎风格式离散。为考核网格的影响，保证计算所需精度。在Fluent后处理中使用网格自适应实现计算结果的网格独立性，结果表明网格数量保持在67万左右时计算精度不再发生变化。

图2　圆管内污垢沉积的实验验证

为了验证计算模型和数值方法的准确性，使用相同的尺寸建立了文献[17]实验中的流动模型并在相同工况条件下进行数据对比。实验在长2200 mm，内径22 mm的圆管内进行，选择入口速度0.35 m/s、入口温度300 K、入口浓度1.2 kg/m3及壁面温度340 K的工况下进行实验和模拟。将两组数据进行对比，得出如图3所示结果。图2(a)表示了模拟计算所得污垢的热阻值与实验测量值的对比，图2(b)表示了模拟计算值与实验拟合值之间的相对误差。由对比曲线可以看出误差值在开始阶段较大，而相对误差随着污垢的不断沉积而逐渐减小，最后维持在10%以内，这主要是因为本次模拟没有考虑污垢的诱导期。

3模拟结果与分析

3.1　流速的影响

缩放管和内肋管的污垢热阻在不同流速下随时间的变化分别如图3所示。在初始时刻，各个流速下两种管内的污垢热阻值均为零，然后随着沉积过程的进行而趋于稳定。两管的整体变化趋势相同，但是不同流速对应的污垢热阻渐进值的差值略有不同，内肋管的差值比缩放管的分布更加均匀，且在相同流速下，内肋管的热阻渐进稳定值小于缩放管的热阻渐进值。虽然两种管型均有强化换热的效果，但是缩放管的强化效果是由于规律性的缩放结构所致，而内肋管是由于表面肋槽所致。由图4的速度场云图可见，缩放管的涡流主要存在于缩放结构的顶端属于横向涡，而内肋管的涡流垂直于流动方向属于纵向窝。根据涡流理论，纵向窝的强化换热效果要小于横向窝，因此出现内肋管的热阻小于缩放管的热阻。在缩放管的速度场云图中涡流彼此独立，在两涡流之间会有边界层的存在；而在内肋管中纵向窝彼此相连形成连续涡流，边界层几乎被完全破坏，所以内肋管的热阻渐进稳定值之差较缩放管更加均匀。

图3　在不同流速下污垢热阻曲线

图4　在不同流速下速度场云图

3.2　壁面温度的影响

缩放管和内肋管的污垢热阻在不同壁温下随时间的变化如图5所示。从图中可以看出，在同一时刻，管内的污垢热阻随壁温的升高而减少。这是因为，当壁面温度不同时，管内的温度场和浓度场分布会发生变化，这种变化所造成的影响也是很大的，比如溶液过饱和浓度的变化，热流量的变化等，而这些变化都会对污垢在换热面上的沉积有一定的影响。另外，内肋管和缩放管的壁面温度随热阻的变化趋势一致，并且热阻渐进值的差值分布都很均匀。通过比较热阻的渐进稳定值发现，内肋管渐进稳定值小于缩放管，所以说明内肋管的阻垢的效果优于缩放管。

3.3　抑垢性能分析

为分析强化换热管的污垢抑制特性，现将两种换热管在壁面温度340 K，入口温度300 K，入口速度0.35 m/s情况下进行模拟，得出的污垢热阻结果如图7所示。由图可见，圆管的污垢热阻远远大于两种强化管的污垢热阻，可以得出两种强化管的抑垢效果要优于圆管。比较两种强化管可知，内肋管的污垢热阻渐进值小于交叉缩放椭圆管的渐进值。

图5　在不同壁温下污垢热阻曲线

图6　在不同壁温下温度场云图

图7　两种换热管污垢热阻曲线

强化管内部速度与温度分布是形成上述现象主要原因。图4和图6分别为缩放管和内肋管的速度云图和温度云图。

从缩放管的云图可见，在管内的不规则区域，流线比较密集，意味着该处的速度变化较大，从而造成很强烈的扰动，这种扰动可以消减换热的不均匀性，起到增强换热的效果。由于管壁呈现规律性收缩和扩张，收缩的部分对流体的流动会有一定的阻碍，流体的速度在这个方向上会比较大，这一部分受到的流体冲击力就比较大，因此在这些收缩的壁面上的污垢受到的剥蚀作用增强。由于扩张结构的影响，前面产生扰动会有一定程度的增强，因而在与之相连接的缩放管光滑壁面部分，污垢的剥蚀作用会增强。

从内肋管的云图可见，在管内的不规则区域会产生强烈的扰动，这种扰动可以消减换热的不均匀性，起到增强换热的效果。不连续双斜向内肋管的不规则区域的作用与缩放管的凸起部分的作用大同小异，不仅使污垢受到的剥蚀效用增强，也造成一定程度的扰动，从而减少污垢的沉积量，增强换热。

5结论

(1)相同工况条件下，两种强化管的污垢热阻随速度和壁温的变化规律一样，均是呈现渐近型曲线。

(2)相同条件下，两种强化管的污垢热阻都是随着速度的增大而减小，随着壁温的升高而增大。

(3)分析两管的抑垢性能可知，内肋管的污垢热阻渐进值小于交叉缩放椭圆管的渐进值，即内肋管的抑垢效果较缩放管要好。

参考文献

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Effect of Operating Conditions on the Strengthening Tube Crystallization Fouling

ZHANG Yi-long1，WANG Le-jun1，HAN Zhi-min2，XU Zhi-ming2

(1.School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Abstract：In order to study the operation condition to strengthen the influence of crystallization fouling inside.Study the deposition process intensification tube CaSO4crystallization fouling by numerical simulation.Analysis of the two main CaSO4solution speed and strengthen tube wall temperature effect on the fouling resistance.The results show that，fouling resistance decreases with the increase of velocity，with the increase of wall temperature fouling heat resistance is decreased gradually.Comprehensive comparison two kinds of improved heat exchange tube，ribbed tube fouling resistance within less than the thermal resistance of scaling tube，within the rib pipe good scale inhibition effect on scaling.

Key words：Enhanced tube；Speed and wall temperature；Numerical Simulation；Crystallization fouling

中图分类号：TK124

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0050-06

作者简介：张一龙(1983-)，男，黑龙江省哈尔滨市人，东北电力大学自动化工程学院讲师，博士，主要研究方向：节能技术及理论.

基金项目：国家自然科学基金项目(51476025)

收稿日期：2015-09-12