不锈钢管内结垢机理及对管内表面传热影响机理研究

摘要

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/Nu0随时间的变化与实验测得K/K0随时间变化的规律相同。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 污垢研究方法的介绍

1．3 污垢的基本介绍

1．3．1 污垢的形成

1．3．2 污垢的分类

1．4 污垢生长机理的国内外研究现状

1．4．1 析晶污垢生长机理研究

1．4．2 影响结垢速率的实验研究

1．4．3 污垢的数值模拟研究

1．4．4 污垢对传热影响机理研究

1．5 本课题研究的内容

2 结垢实验台介绍及数据分析

2．1 实验台简介

2．1．1 实验系统介绍

2．1．2 实验所需药品

2．2 污垢热阻动态测量原理

2．2．1 实验中总传热系数的确定

2．2．2 实验中污垢热阻的确定

2．2．3 流量计中流量的确定

2．2．4 努塞尔数Nu的确定

2．3 溶液的配制及溶液浓度的测定

2．3．1 溶液的配制

2．3．2 CaCO3溶液浓度的测定

2．4 实验过程中的热平衡状况

2．5 实验不确定偏差估计

2．6 实验操作步骤

2．7 本章总结

3 结垢机理的实验研究

3．1 结垢过程中总传热系数的变化规律

3．1．1 加入碳酸钙溶液前后温度的变化

3．1．2 总传热系数的变化规律

3．2 结垢过程中污垢热阻的变化规律

3．3 污垢在不锈钢管壁上的分布特征

3．3．1 在同一位置的取样观察

3．3．2 在不同位置的取样观察

3．4 不同生长阶段的结垢机理分析

3．4．1 正热阻期的结垢机理

3．4．2 负热阻期的结垢机理

3．4．3 渐近线生长期的结垢机理

3．5 换热面上晶体个数统计

3．6 本章小结

4 污垢对传热影响的数值分析

4．1 析晶污垢沉积模型

4．1．1 物理模型

4．1．2 网格划分

4．1．3 基本参数

4．2 结垢过程中的数学模型

4．3 数值计算方法

4．4 晶体尺寸确定

4．5 数值计算结果及分析

4．5．1 晶体周围流场的分布

4．5．2 晶体周围温度场的分布

4．5．3 晶体对传热系数的影响分析

4．6 晶体大小对传热的影响

4．7 数值计算结果与实验结果相比较

4．8 本章小结

总结

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果