换热面上颗粒污垢成垢机理的数值模拟与实验研究

摘要

能源与环境问题是制约人类可持续发展的严重问题。城镇原生污水作为一种低品位清洁能源得到了广泛应用。城镇污水经二级处理后，仍存在颗粒污垢在换热面上积聚的问题，这会导致传热性能恶化，运行耗费增加等。所以对颗粒污垢在换热管内壁面上的成垢机理进行研究具有重要意义。本文通过数值模拟和实验方法，系统研究了热泵工况下颗粒粒径、浓度、种类，管内流速，入口温度，管壁粗糙度，流体粘度等因素对圆管内壁面上颗粒污垢热阻大小与结垢速率的影响。同时对混合颗粒污垢的元素组成以及形态进行了分析，探究了不同粒径、不同种类的颗粒以及不同类颗粒间协同作用的成垢机理。建立了渐近型颗粒污垢预测模型，为进一步提出有效的除垢方法提供指导。 设计搭建了颗粒污垢生长实验台，通过污垢热阻法探究了圆管内壁面上的颗粒污垢生长情况。改变不同实验变量进行多组实验，研究不同颗粒粒径、浓度、种类，管内流速以及入口温度下的颗粒污垢生长机理以及不同种类颗粒污垢间的协同作用。 选取一段三维圆管作为物理模型，并分别针对流体相和颗粒相建立了流体流动、颗粒沉积与剥蚀数学模型。通过模拟计算得到颗粒的沉积率和剥蚀率，得到颗粒净沉积率，结合颗粒污垢的各物性参数，求得颗粒污垢热阻值。 选取颗粒污垢的主要组成成分CaCO3、MgO、CaSO4以及SiO2四种颗粒为研究对象。通过对模拟和实验结果进行对比分析，可知颗粒的沉积与剥蚀会使颗粒污垢存在一个渐近值。对颗粒污垢热阻值有显著影响的因素是工作流体流速，颗粒浓度、粒径和种类，同时不同种类颗粒间的协同作用也起着重要作用。流速的增加引起污垢热阻渐近值减小，颗粒浓度以及颗粒粒径的增加引起污垢热阻渐近值增加；不同种类颗粒污垢孔隙率由小到大依次是CaCO3、MgO、SiO2和CaSO4，但SiO2的污垢热阻渐近值最大，MgO最小；不同颗粒污垢间表现出的协同作用使得混合污垢形态更紧实、污垢孔隙率减小。尽管非清洁流体入口温度的增加引起污垢热阻渐近值的微小减小，管壁粗糙度和流体粘度的增加引起污垢热阻渐近值的微小增加，但影响程度弱于工作流速、颗粒浓度和粒径。减缓结垢速率可以通过增大流速、管壁粗糙度和流体粘度，减小颗粒浓度、入口温度和颗粒粒径。 渐近型污垢预测模型提出了一种污垢热阻时间常数以及渐近值参数的测量方法，可以在较短的周期内测量颗粒污垢的时间常数和渐近值，从而为渐近型颗粒污垢生长的测量和预测提供参考。

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学术硕士学位论文

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1能源问题现状

1.1.2换热设备中的污垢问题

1.2颗粒污垢的研究现状

1.2.1颗粒污垢基本理论

1.2.2颗粒污垢的研究现状

1.3 主要研究内容及解决的问题

1.4 本章小结

能源与环境问题是制约人类可持续发展的严重问题。城镇原生污水作为一种低品位清洁能源能够有效节约能源，保

第二章 颗粒污垢成垢机理的实验研究

2.1 实验原理

2.2 实验系统

2.3实验设备及仪器

2.3.1测量系统

（3）颗粒重量及颗粒污垢物性测量

2.3.2数据采集系统

2.4实验方案及步骤

2.5实验误差分析

2.6本章小结

第三章颗粒污垢成垢机理的数值模拟

3.1 物理模型

3.2 数学模型

3.2.1流体相方程

3.2.2颗粒沉积模型

3.2.3颗粒剥蚀模型

3.3 计算参数设定

上述参数设置完毕后，初始化便可进行计算。随着迭代步数的增加，统计记录每一时间步长内壁面捕捉颗粒数，从

3.4本章小结

4.1 数值模拟与实验之间的误差分析

4.2实验曲线的拟合

4.3不同因素对污垢热阻的影响

4.3.1流速对颗粒污垢热阻的影响

4.3.2颗粒浓度对污垢热阻的影响

4.3.3入口温度对污垢热阻的影响

4.3.4颗粒粒径对污垢热阻的影响

4.3.5管壁粗糙度对污垢热阻的影响

4.3.6流体粘度对污垢热阻的影响

4.3.7颗粒种类对污垢热阻的影响

（1）单一种类颗粒污垢的生长规律

（2）不同种类颗粒混合颗粒污垢

4.4本章小结

第五章 颗粒污垢生长预测模型的建立

5.1污垢积聚预测模型

5.2渐近型污垢预测模型的建立

5.2.1渐近型污垢热阻的时间常数

5.2.2时间常数和污垢热阻渐近值的求解方法

5.2.3渐近线型颗粒污垢热阻预测模型的验证

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

附录：

攻读学位期间的研究成果

致谢

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