强化换热管内污垢特性的数值研究*

张艾萍 王新灵 沈忠良

(东北电力大学能源与动力工程学院)

强化换热管内污垢特性的数值研究*

张艾萍**王新灵 沈忠良

(东北电力大学能源与动力工程学院)

运用FLUENT软件对CaCO3析晶污垢在圆管和强化换热管内不同工况下的污垢特性进行了数值模拟，计算出CaCO3溶液在各管内的温度场和浓度场，进而计算出CaCO3析晶污垢的沉积率和剥蚀率随时间的变化规律，并在不考虑诱导期的情况下，从污垢沉积质量出发计算出污垢热阻随时间的变化规律。通过比较分析发现：CaCO3析晶污垢在圆管及其强化换热管内的沉积率、剥蚀率与污垢热阻随入口浓度和入口速度的增大而增大，但是随入口溶液温度的增大而减小，强化换热管的抑垢效果要好于圆管。

换热器 强化换热管 CaCO3析晶污垢 沉积率 剥蚀率 污垢热阻

由于我国能源短缺，在未来的经济发展过程中，节能和提高能源使用效率将显得尤为重要。换热器作为一种传热设备，是工业生产中不可缺少的设备，然而，结垢问题会严重阻碍换热设备的正常运行，引起大量经济损失和资源浪费，因此，对于换热器内的污垢特性的研究就显得尤为重要。

当今世界上已研究出多种污垢模型，这些模型的提出大多数都以Kerm和Seanton提出的微分方程为基础[1]。Taborek J提出了一个析晶污垢的数学模型，其主体思想是从两个角度分别考虑污垢的形成过程，即污垢的沉积过程与剥蚀过程[2]。Hossain A等通过研究水平管道中颗粒物的沉积和扩散，提出颗粒的沉积率是颗粒直径、颗粒密度和流体速度的函数，并进一步研究了彼此对颗粒沉积和剥蚀的影响[3]。林培滋等通过实验研究了碳酸钙结晶沉淀过程在不同温度下晶核生成、晶粒长大速度和活化能大小[4]。徐志明等通过实验研究了过饱和与不饱和硫酸钙溶液的污垢特性，为数值计算提供了物性参数[5]。徐志明等建立了一个颗粒和析晶混合污垢热阻值的分析模型，该模型假设在换热面和颗粒表面上，颗粒污垢和析晶污垢独立存在，而结晶过程同时发生[6]。徐志明和张进朝还从传热传质角度创建了一个CaSO4析晶污垢模型，并模拟了圆管内沉积率、剥蚀率和污垢热阻随时间的变化规律[7]。文孝强等以光管作为实验对象，以污垢热阻作为表示参数，对换热器污垢特性进行了实验、建模和预测研究[8]。张仲彬等通过对比实验方法研究缩放管传热与污垢特性，证明缩放管具有良好的抗垢性，为数值计算提供了物理模型[9]。

由于科技的发展，数值模拟在工程实验中得到广泛的应用[10]，数值计算方法能以相对较低的成本和较短的时间来实现对较复杂或较理想的过程的模拟，因此广受青睐。笔者利用FLUENT软件分别对圆管、波纹管、横纹管和交叉缩放椭圆管进行数值模拟，对它们在不同的物质浓度、管内流速及管内温度等条件下进行设置，对各工况中各管型的沉积率、剥蚀率和污垢热阻进行模拟计算，并进行分析比较。

1 数值计算模型的建立

1.1物理模型的建立与网格划分

针对圆管、波纹管、横纹管和交叉缩放椭圆管4种管型建立三维物理模型，物理模型和结构尺寸如图1所示。其中圆管管内直径为20mm；波纹管的几何参数：D为25mm，d为21mm，s为30mm；横纹管的几何参数：φ1为25mm，φ2为21mm，L为30mm，R为0.5mm；交叉缩放椭圆管每段椭圆段的长度相同，椭圆长轴的长度为20.8mm，短轴为17.8mm。

图1 各种管型的物理模型和结构尺寸

笔者采用六面体非结构化网格，对圆管、波纹管、横纹管和交叉缩放椭圆管4种管型的三维物理模型利用ICEM软件进行了网格划分。各种管型的网格划分如图2所示。

图2 各种管型的网格划分

1.2数学模型的建立

笔者主要对CaCO3析晶污垢进行数值模拟，因此需要得到不同管内的速度场、温度场和浓度场的分布。选择SIMPLE算法来解决压力和速度的耦合问题，依据所选工质的流动特性和物理属性，在模拟过程中选择了相应的连续性方程、动量方程、能量方程、传质方程和湍流方程。这些方程均可写成以下通用的形式[3]：

(1)

其中，ρ为流体密度，φ为通用变量，Γ为扩散系数，u、v、w为x、y、z方向的速度，S为各变量对应源项，其表述形式均可在文献[8]中查找。

采用标准k-ε湍流模型，由于笔者主要研究强化换热管各个管型在不同工况下的污垢特性，所以入口边界条件随各工况的改变而改变。由于本课题流体为不可压缩流体，因此出口边界条件为流体自由流出，其他边界条件设为壁面绝热，流体无滑移，压力梯度为零，不考虑重力因素。近壁处理选择标准壁面函数。方程离散采用二阶迎风差分格式，提高精度。

1.3析晶污垢模型的建立

(2)

其中，cf为污垢层浓度，cs为饱和浓度，kR是表面反应速率常数，可以用Arrhenius方法计算：

(3)

式中E——反应的活化能，E=37143J/mol；

kR0——反应常数，kR0=7.07m4/(kg·s)；

Tf——污垢层表面温度。

(4)

式中dp——污垢颗粒直径；

g——重力加速度；

mf——污垢质量；

Tw——壁面温度；

u——流体主流速度；

β——对流传质系数；

μ——粘性系数；

ρ——密度。

污垢热阻Rf模型可表示为：

(5)

式中λf——污垢层导热系数；

ρf——污垢层平均密度。

2 数值模拟结果分析

每个时刻的沉积率由软件计算得到，将物性参数和其他已知量代入式(4)、(5)计算，即可得到沉积率、剥蚀率和污垢热阻随时间的变化规律。

2.1浓度影响

图3为CaCO3污垢在不同管型管内入口速度为0.2m/s，温度为35℃时，不同浓度下管内污垢沉积率曲线。可以看出，沉积率随入口浓度的增加而增大，且管内入口初始浓度越大管内污垢沉积率增加幅度越大。随着污垢在管内壁的不断沉积，管内壁的污垢沉积率的增加速率变缓，各管型内的沉积率具有相同的变化趋势。

图3 浓度变化时沉积率曲线

图4为CaCO3污垢在不同管型管内入口速度为0.2m/s，温度为35℃时，不同浓度下管内污垢的剥蚀率曲线。可以看出，剥蚀率随着浓度的增加而增大，而且浓度越大剥蚀率的增加幅度越大，各个管型内的剥蚀率基本具有相同的变化趋势。

图4 浓度变化时剥蚀率曲线

图5为CaCO3污垢在不同管型管内入口速度0.2m/s，温度35℃时，不同浓度下管内污垢热阻曲线。可以看出，污垢热阻随浓度的增加而增大，且浓度越大污垢热阻增幅越大，最后趋于稳定。

图5 浓度变化时污垢热阻曲线

2.2速度影响

图6为CaCO3污垢在不同管型管内入口温度为35℃，浓度为1 000mg/L时，不同速度下管内污垢沉积率曲线。可以看出，沉积率随速度的增加而增大，而沉积率增长幅度却随速度的增加而减小。

图6 速度变化时沉积率曲线

图7为CaCO3污垢在不同管型管内入口温度35℃，浓度1 000mg/L时，不同速度下管内污垢剥蚀率曲线。可以看出，剥蚀率随速度的增加而增大，而剥蚀率增幅却随速度的增加而减小。

图7 速度变化时剥蚀率曲线

图8为CaCO3污垢在不同管型管内入口温度35℃，浓度1 000mg/L时，不同速度下管内污垢热阻曲线。可以看出，污垢热阻随速度的增加而增大，但污垢热阻增幅却随速度的增加而减小。

图8 速度变化时污垢热阻曲线

2.3温度影响

图9为CaCO3污垢在不同管型管内入口浓度为1 000mg/L，速度为0.1m/s时，不同温度下管内污垢沉积率曲线。可以看出，随着温度的增加，各管型沉积率不断减小，且各管型沉积率具有相同的变化趋势。

图9 温度变化时沉积率曲线

图10为CaCO3污垢在不同管型管内入口浓度1 000mg/L，速度0.1m/s时，不同温度下管内污垢剥蚀率曲线。可以看出，随着温度的增加，剥蚀率不断减小，且各管型具有相同的变化趋势。

图10 温度变化时剥蚀率曲线

图11为CaCO3污垢在不同管型管内入口浓度为1 000mg/L，速度为0.1m/s时，不同温度下管内污垢热阻曲线。可以看出，随着温度的增加，各管型污垢热阻不断减小。

图11 温度变化时污垢热阻曲线

2.4圆管与强化换热管的抑垢性能比较

由于各管型污垢特性曲线趋势基本相同，因此需要比较不同管型间抑垢性的差异。取各管型中CaCO3析晶污垢在入口浓度为1 000mg/L，速度为0.1m/s，温度30℃，达到平衡时不同管道类型的热阻值列于表1。从表中可以看出，强化换热管与圆管相比，污垢特性都有明显的下降。说明使用强化换热管可以增强管内的抑垢性。

表1 不同管道类型热阻值×104/m2·K·W-1

3 结论

3.1CaCO3析晶污垢在强化换热管内的沉积率随入口浓度的增加而增大，剥蚀率随入口浓度的增加而增大，因此污垢热阻随入口浓度的增加而增大，且入口溶液浓度是影响污垢在管内生长的最主要的因素。

3.2CaCO3析晶污垢在强化换热管内的沉积率随入口速度的增加而增大，剥蚀率随入口速度的增加而增大，因此污垢热阻随入口速度的增加而增大。这是由于入口速度的增加，加快了管内离子反应速率，从而使污垢沉积率、剥蚀率增大，导致污垢热阻增大。

3.3CaCO3析晶污垢在强化换热管内的沉积率随入口温度的增加而减小，剥蚀率随入口温度的增加而减小，因此污垢热阻随入口温度的增加而减小。这是由于CaCO3是一种具有反常溶解度的污垢，入口温度越高，溶解度越低，从而使沉积率、剥蚀率减小，导致污垢热阻减小。

3.4强化换热管与圆管相比，污垢特性都有明显的下降，说明使用强化换热管可以增强管内的抑垢性。

[1] 杨善让，徐志明，孙灵芳.换热设备的污垢与对策[M].北京：科学出版社，2004：18～115.

[2] Taborek J.Predictive Methods for Fouling Behavior[J]. Chemical Engineering Progress，1972，68(7)：69～78.

[3] Hossain A，Naser J，Manus K M，et al.CFD Investigation of Particle Deposition and Distribution in a Horizontal Pipe[C].Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries.Melbourne：CSIRO，2003：10～12.

[4] 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，1999，28(2)：128～129.

[5] 徐志明，王磊，王景涛，等.过饱和与不饱和硫酸钙溶液污垢特性的实验研究[J].化工机械，2014，41(5)：581～584.

[6] 徐志明，张仲彬，郭闻州，等.微粒和析晶混合污垢模型[J].工程热物理学报，2006，27(2)：81～84.

[7] 徐志明，张进朝.CaSO4析晶污垢形成过程的数值模拟[J].东北电力大学学报(自然科学版)，2008，28(1)：8～11.

[8] 文孝强，苗庆龙，孙灵芳.换热器污垢特性的建模与预测[J].化工机械，2014，41(6)：699～704.

[9] 张仲彬，徐志明，张兵强.缩放管传热与污垢特性的实验研究[J].化工机械，2008，35(2)：65～68.

[10] 陶文铨. 数值传热学 [M].西安：西安交通大学出版社，2001：14～20，203～408.

NumericalStudyofFoulingCharacteristicsofIntensifiedHeatExchangeTubes

ZHANG Ai-ping, WANG Xin-ling, SHENG Zhong-liang

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,NortheastDianliUniversity,Jilin132012,China)

Through making use of FLUENT software, the characteristics of CaCO3crystallization fouling in both circular tube and the intensified heat exchange tube under different working conditions were simulated and the CaCO3solution’s temperature field and concentration field in these tubes were calculated, including the deposition rate and denudation rate of the CaCO3crystallization fouling which changing with the time; and starting with the fouling deposition quality, calculating the fouling resistance which changing with the time was implemented without regard to the induction period. Comparative results show that, the deposition rate, denudation rate and the fouling resistance of CaCO3crystallization fouling in tubes become increased with the rise of inlet concentration and inlet velocity and decreased with the increase of inlet solution temperature. The scale inhibition effect of intensified heat exchange tube outperforms that of the circular tube.

heat exchanger, intensified heat exchange tube, CaCO3crystallization fouling, deposition rate, denudation rate, fouling resistance

**张艾萍，男，1968年2月生，教授。吉林省吉林市，132012。

*国家自然科学基金项目(51076025)，东北电力大学博士科研启动基金项目(BSJXM-201207)。

TQ051.5

A

0254-6094(2016)05-0631-010

2015-04-15，

2016-09-05)

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