粗糙壁面上CaCO3污垢局部生长特性研究

作     者：张宏宇 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩志敏

授予年度：2024年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：局部污垢热阻 粗糙元 CaCO3析晶污垢 数值模拟 

摘      要：在工业生产中,换热器作为一种热量传递的工业设备,在城市供热、化工、采矿、机械、建筑等行业应用十分广泛。由于实际中大多数的换热壁面并非绝对光滑,工业加工过程中的裂纹、变形等缺陷,会使壁面变得粗糙,粗糙壁面会增强近壁面流体扰动以及污垢与壁面间的相互作用,会在粗糙面局部产生析晶污垢对设备性能造成影响。为了研究粗糙壁面上的污垢生长特性,很多学者采用布置粗糙元结构来简化粗糙壁面的方法,所谓粗糙元结构就是在换热表面按照一定的规律人为地设置一些具有特定形状和尺寸的扰流装置。目前国内外对于粗糙壁面影响传热的研究很多,但是缺乏对粗糙壁面局部污垢的生长特性的相关研究。因此有必要对粗糙壁面CaCO3污垢局部生长特性进行深入研究。 目前许多学者对换热面上钙类析晶污垢在沉积特性方面研究较多,但是对钙类析晶污垢的研究仍停留在对换热面整体分析阶段,缺乏对粗糙换热面等局部区域的分析方法。本文针对粗糙壁面的局部污垢沉积情况,首先构建了适用于粗糙壁面的CaCO3局部污垢数学模型,该模型可以分析局部污垢沿管段的分布情况,并且得出局部污垢热阻极值。之后对构建的数学模型进行实验验证,验证误差在合理范围之内,证明局部污垢模型精度良好,可以应用于实际数据分析。 其次,对不同形状的粗糙元进行分析计算,分析矩形、梯形和三角形粗糙元在不同工况下对通道内污垢热阻的影响。结果表明,三角形粗糙元的抑垢性能是三种形状粗糙元中最好的,梯形次之,矩形最差。之后对带有三角形粗糙元的通道内不同工况下的局部污垢生长特性进行研究,发现在通道内的局部污垢热阻平均值随着入口速度的增加而减小,但随着碳酸钙浓度和壁面温度的增加而增加。并且通过局部污垢法分析了沿管段的局部污垢热阻分布规律,得到了局部污垢热阻极值,为以后管道局部除垢提供了参考。 最后,选取抑垢效果最好的三角形粗糙元,对其相对间距、相对高度和相对宽度三种不同参数下的局部污垢热阻分布进行了模拟研究。结果表明,局部污垢热阻随着粗糙元相对间距的增加而增加,流动阻力随着相对间距的增加而减小,并且综合考虑污垢热阻和流动阻力,当相对间距在0.11-0.15范围较好。局部污垢热阻随着相对高度的增加而减小,流动阻力随着相对高度的增加而增加,并且综合考虑污垢热阻和流动阻力,当相对高度在0.35-0.45范围较好。局部污垢热阻随着相对宽度的增加而增加,流动阻力随着相对宽度的增加而减小,并且综合考虑污垢热阻和流动阻力,当相对宽度在0.0125-0.0175范围较好。并且通过使用不同结构的粗糙元可以改变换热壁面的抑垢特性,提高设备的经济性和安全性。