（热能工程专业论文）换热表面污垢特性的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文 摘要 换热设备污垢是工业生产中普遍存在的问题。由于污垢形成过程极其复杂，影响因 素众多，而且污垢严重影响传热效率，造成能源的极大损失和浪费。因此，成为传热学 界十分关注而又没能完全解决的主要问题之一。本文对换热表面的碳酸钙污垢进行了较 为系统的研究。概括起来主要有以下几方面工作： 首先，建立了污垢实验台，采用对比实验的研究方法，测试了四种强化管( 弧 线管、波纹管、缩放管i 和缩放管i i ) 在清洁状态下的传热特性和阻力特性，分别得 出管内强制对流换热关联式和阻力关联式。然后利用配置不同硬度的人工硬水或添 加氧化镁颗粒的溶液作为循环工质，在相同流速、管外水浴温度、管内工质入口温 度的条件下，分别对上述四种强化管与各自对应光管进行了污垢特性的对比实验， 得出了各自污垢热阻和诱导期随时间的变化关系。实验结果表明，四种强化管具有 结垢速度慢、诱导期长、污垢热阻渐近值小等优点，而且在结垢前后都具有良好的 强化传热性能。 其次，本文对几种材料表面的粗糙度、接触角、表面能、材料表面与液体之间 的界面能进行了测量和计算。考察了上述几种表面特性参数对污垢形成的影响。同 时，对几种不同固体材料表面在清洁和结垢条件下作了图像分析。研究结果表明材 料表面特性对污垢形成有较大影响，材料的表面能越低，污垢沉积量越小。而粗糙 度、接触角、固体材料与液体间的界面能对污垢形成的影响没有找到明显规律。 最后，本文应用计算流体力学软件，对圆管内的c a c 0 3 污垢形成过程进行了数 值模拟。根据c a c 0 3 的浓度变化，得至u c a c 0 3 析晶污垢的沉积率、剥蚀率随时间的 变化规律。在不考虑污垢诱导期的情况下，得到污垢热阻随时间的变化规律。模拟 结果和实验数据吻合得较好，证实了模拟结果的可靠性。 关键词：换热表面，污垢，强化管，表面特性，数值模拟 华北电力大学博士学位论文 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e rf o u l i n gi sac o m m o np r o b l e mi ni n d u s t r y f o u l i n gd e p o s i t i o ni s u s u a l l yv e r yi n t r i c a t ep r o c e s s ，a st h e r e a r el o t so ff a c t o r s a f f e c t i n gt h ef o u l i n g a c c u m u l a t i o n i ta f f e c t so nh e a tt r a n s f e r ，a n dc a u s e st h ee x t r e m ew a s t eo fe n e r g ya n d e c o n o m i cl o s s e s s of o u l i n gh a sa r o u s e dp e o p l e s a t t e n t i o n si nt h ed o m a i no fh e a t t r a n s f e rb u ti ss t i l la nu n s o l v e dp r o b l e m t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dt h ef o u l i n gp r o c e s s o fc a l c i u mc a r b o n a t eo nh e a tt r a n s f e rs u r f a c e as e r i e so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l s t u d i e sw e r ec a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l yi n t h i sw o r k t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h e d i s s e r t a t i o na r ea sf o l 】o w s ： f i r s t l y , a n o n l i n e m o n i t o r i n ga p p a r a t u s o f f o u l i n g t h e r m a lr e s i s t a n c ew a s d e v e l o p e d t e s t s h a db e e n u n d e r g o n et o a c h i e v et h eh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o n p e r f o r m a n c e s o f f o u r t y p e s o fe n h a n c e dt u b e s ( a r cl i n e t u b e ，c o r r u g a t e dt u b e ， c o n v e r g e n t d i v e r g e n tt u b e sia n dc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b e si i ) u n d e rc l e a nc o n d i t i o n s d i m e n s i o n l e s sc o r r e l a t i o n sf o rf o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nf a c t o ri n s i d e t h ea b o v ef o u rt y p e se n h a n c e dt u b e sw e r eo b t a i n e df r o mt h et e s tr e s u l t s m o r e o v e r ，t h e c o m p a r a t i v ef o u l i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u tb e t w e e nt h ea b o v ef o u rt y p e s e n h a n c e dt u b e sa n dt h e i rr e s p e c t i v ec o r r e s p o n d i n gp l a i nt u b e s t h e e x p e r i m e n t a l w o r k i n gf l u i dw a sm a n m a d eh a r d n e s sw a t e ro rm g op a r t i c l e ss o l u t i o n ，a n dt h e e x p e r i m e n t sw e r ed o n eu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h es a m el i q u i dv e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea t t h ew a t e rt a n ko u t s i d et h et u b e sa n di n l e tt e m p e r a t u r eo ft h ew o r k i n gf l u i di n s i d et h e t u b e s t h er e l a t i o n sb e t w e e nf o u l i n gr e s i s t a n c e so fa l lt h e s et u b e sa n dt i m ew e r eg a i n e d f r o mt h er e s u l t so ft h ec o m p a r a t i v ef o u l i n ge x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d t h a tf o u re n h a n c e dt u b e sh a dl o w e rd e p o s i t i o nr a t e ，l o n g e ri n d u c ep e r i o da n ds m a l l e r a s y m p t o t i cf o u l i n gt h e r m a lr e s i s t a n c e s m o r e o v e r ，f o u re n h a n c e dt u b e ss i g n i f i c a n t l y e n h a n c e dt h eh e a tt r a n s f e ru n d e rb o t hc l e a na n df o u l e dc o n d i t i o n s s e c o n d l y , t h ef o r m a t i o no ff o u l i n gi sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a t t r a n s f e rs u r f a c e s ot h ep a r a m e t e r so fs u r f a c e ，s u c ha ss u r f a c er o u g h n e s s ，c o n t a c ta n g l e ， s u r f a c ee n e r g ya n di n t e r f a c i a le n e r g yw e r em e a s u r e da n dc a l c u l a t e d t h ee f f e c t so fa l l t h e s ep a r a m e t e r so nt h ef o r m a t i o no ff o u l i n gw e r es t u d i e db yt h ef o u l i n ge x p e r i m e n t so f s e v e r a ld i f f e r e n tt y p e sc o a ts u r f a c e s a tt h es a m et i m e ，t h es e m m i c r o g r a p h so fs u r f a c e s w e r ea n a l y z e do nc l e a na n df o u l e dc o n d i t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e i i i a b s t r a c t w a sa ni m p o r t a n ti m p a c to ft h em a t e r i a l ss u r f a c ee n e r g yu p o nf o u l i n gf o r m a t i o n ，b u t t h e r ew a sn o td i s t i n c tr e g u l a r i t yi no t h e rp a r a m e t e r s o v e r a l l ，l o ws u r f a c ee n e r g yo fc o a t s u r f a c e sh a da d v a n t a g ei na n t i f o u l i n ge f f e c t f i n a l l y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc a c 0 3f o u l i n gw a sc a r r i e do u tb yu s i n gt h e c f ds o f t w a r et op l a i nt u b e ba s eo nt h ec h a n g eo fc a c o ac o n c e n t r a t i o n ，t h ed e p o s i t i o n r a t ea n dt h er e m o v a lr a t eo ft h ec a c 0 3 f o u l i n gw i t ht i m ew e r ea c h i e v e d b yi g n o r i n gt h e i n d u c t i o np e r i o d ，t h ef o u l i n gr e s i s t a n c ew i t ht i m ew a sa l s oo b t a i n e df r o mt h ef o u l i n g s e d i m e n tm a s s a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oc o n f i r mt h ec o r r e c t n e s so ft h ec o m p u t e d r e s u l t s ，t h ee x p e r i m e n t a lc o n f i r m a t i o nw a sc a r r i e do u t ，a n dp r e d i c t e dv a l u e sa g r e e dw i t h t h ec o m p u t e dr e s u l t s k e y w o r d s ：h e a tt r a n s f e rs u r f a c e ，f o u l i n g ，e n h a n c e dt u b e ，c h a r a c t e r i s t i cs u r f a c e s ， n u m e r i c a ls j m u l a t i o n i v 华北电力大学博士学位论文 拉丁字母符号 主要符号表 面积，i n 2 指数前因子 热扩散率，m 2 s 源项 浓度，m g l 主流浓度，m g l 热边界层浓度，k g m 3 定压比热容，j ( k g k ) 饱和浓度，k g m 3 扩散系数，m 2 s 内径，m 活化能，j m o l ；火用，w 对流强度 沿程阻力系数；质量力 重力加速度，m s 2 差压计的水柱高，m 表面传热系数，w ( m 2 k ) 传质系数，r r d s 湍流强度 b o l t z m a n 常数 逆向反应速率常数 总传热系数，w ( m 2 k ) ；系数 表面反应速率常数 正向反应速率常数 路易斯数 i x 长度，m 摩尔质量，k g m o l 第f 种物质的分子量 质量净存速率，k g ( m 2 s ) 质量沉积速率，k g ( m 2 s ) 质量剥蚀速率，k g ( m 2 s ) 污垢质量，k g 努塞尔数 轮廓度，p m 普朗特数 热量，k j 流体的容积流量，r n 3 s 半径，m ；摩尔气体常数 粗糙度，i x m 雷诺数 热阻，m 2 k w 轮廓总高度，i t m 微观不平度十点高度，1 t m 控制方程的源项 温度，k 环境温度，k 温度，；时间，s 柱坐标下的速度分量，m s 流体流速，m s 波纹度，p m ， m 廊 坼嬲 砌 n q 吼尺 舭 肫 研m 姗s 丁 乃 ， 一 v 讹 a 如 口 厶 c 钾 卯 唧 幺 d d e f ， b o 可 庇 k ， 风，七 奴 如 主要符号表 希腊字母符号 口 松弛因子 夕热膨胀系数，k - 1 ，表面张力，m n m ，固体表面自由能，m n m p 压差，p a 对数平均温压， 万 涂层厚度，m 玉污垢层厚度，m 8 湍流耗散率，m 2 s 2 ；误差， 口 接触角，o k 湍流脉动动能，m 2 s 2 a 导热系数，w ( m k ) 砖污垢层导热系数，w ( m k ) 化学势 上下角标 清洁状态 序号 极性分量 临界值 扩散力部分 污垢；流体 流体入口 流体出口 非极性分量 液相 x 系数 扩展压力，m n m 密度，k g m 3 污垢层平均密度，k g m 3 剪切应力，n m 2 热流量，w 沉积率，m k n 剥蚀率，m k n 湍流脉动动能，m 2 s 2 效率 运动粘度m 2 s 垢层强度函数 特性因素 内侧、入口 出口 极性力部分 固相 水浴 气相 管壁 电子受体分量 电子给体分量 f 万 户 肼 研 痧 少 痧 k 叩 v y e j i o 尸 s 盯 v w + 一 3 ， 2 召 ， w o 姚 船 c d f 丘 佑 肌 ， 华北电力大学博士学位论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文换热表面污垢特性的研究，是 本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 特此声明。 签名：雌日期：掣i l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：符占明 华北电力大学博士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章引言 污垢是一种极为普遍的现象，它广泛存在于自然界、日常生活和各种工业生产 过程中。换热设备是工业生产中最常见的热工设备，它广泛应用于国民经济的各个 部门，所涉及的行业包括动力、化工、石油、冶金、核能、食品等。由于换热设备 不仅是保证工艺流程和条件而被广泛使用的设备，也是开发利用工业二次能源，实 现热量回收和节约能源的主要设备。长期以来，换热设备的结垢问题一直困扰着人 们，据调查9 0 以上的换热设备都存在不同程度的污垢问题。污垢所带来的危害 十分巨大，主要体现在： ( 1 ) 恶化传热性能污垢通常是热的不良导体，其导热性能一般只有碳钢的 1 3 0 1 5 0 。污垢一旦在换热面上形成，就会使传热表面的热阻明显增大，其传热性 能被严重恶化。据夏新民 2 】对碳钢管油冷却器的估算，存在2 m m 的水垢时将比新制 无垢时的运行效率下降3 0 ；即使冷却水水质达到国际水平，按国际通用的t e m a 污垢热阻数值计算，也降低效率2 0 以上。 ( 2 ) 增加能量消耗污垢在管道上的沉积还将减小流通面积、增加流动阻力， 使流体输送设备功耗增加。 ( 3 ) 威胁设备安全污垢的沉积常常引起设备局部过热或超温而导致机械性 能的下降，引发鼓包、爆管等事故；污垢还常常使金属换热面出现垢下腐蚀和热点 腐蚀，严重威胁着换热设备的安全运行。 ( 4 ) 增大初始投资为了补偿污垢对换热设备出力的影响，在设计阶段不得 不增加换热面积，使得金属耗量增大。据美国换热器制造商提供的数据表明【3 】：污 垢使换热设备面积增加1 0 5 0 0 ，其幅度取决于换热设备的结垢程度，平均值为 3 0 4 0 。再加之因污垢而采用昂贵替代材料、提高结构要求、增设清洗和备用设 备等措施，都使得初始投资大大增加。 ( 5 ) 增大运行维护费用为清除污垢而增设的附属设备增加了系统的复杂性， 加上清洗药品以及人工的消耗，因清洗而带来的生产能力和质量的下降，都增加了 换热设备的运行维护费用。 ( 6 ) 限制新技术发展污垢的存在限制了各种强化传热技术效果的充分发挥， 如密集型热交换器和集成过程设备等新技术的发展就遭遇了污垢这一障碍物【4 5 】。 由于以上危害，换热设备污垢在各国所造成的经济损失是巨大的，目前还难以 第一章引言 准确计算。但对于2 0 0 7 年发达国家各国工业部门因污垢造成的损失进行了粗略估 计( 见表l 1 ) ，美国、德国、英国及日本因污垢而增加的费用均约占当年g n p 的 0 2 5 ，全世界污垢损失大约占g n p 总值的0 2 。我国是能源消耗大国，而且能源 利用率及节能状况与发达国家有很大差距【6 】。徐志明 7 - 9 1 等估算了我国火电厂由于污 垢所造成的经济损失就超过我国国民生产总值0 1 。而且我国是发展中国家，换热 设备的生产工艺和制造水平都相对落后，污垢所造成的经济损失远高于发达国家。 因此，我国在减轻污垢危害以及节能环保方面还有很大潜力。 表1 12 0 0 7 年发达国家污垢损失 由于换热设备污垢广泛存在，危害巨大，而且又较为分散、隐蔽，难以引起人 们对其重视。因此，对于建设节约型社会的我国，污垢研究具有重要的现实意义， 主要表现在： ( 1 ) 是保障国家战略需求的重要方面。提高产品竞争力是我国近期主要战略 需求之一。导致我国产品竞争力不高的原因较多，其中又以高能耗、高物耗、高污 染、低效益、低质量最为突出。而这“三高两低”中都有相当比例的污垢“贡献”。 ( 2 ) 是国家当前高新技术产业化的六大重点技术方向【l 川之一的新能源与节能 技术的重要组成部分，而且还与二十一世纪经济和社会发展所面临的三大问题中的 资源和环境问题密切相关。污垢研究的任何原创性成果都会直接或间接有利于上述 诸高新技术的发展，有益于节能、降耗、节水、环保的进步，是促进经济和社会可 持续发展的不可缺少的一环。 ( 3 ) 是拓展学科交叉融合的理想领域。从污垢现象的多样性、复杂性来看， 污垢模型的建立，除传热传质学外，还要涉及到化学动力学，胶体化学、统计力学、 微生物学、表面科学和非线性科学等基础或应用基础学科的相关知识，同时还需借 助于计算机技术、现代检测技术、人工智能技术等( 实验) 技术科学进行实验研究。 此外，还要应用现代生物技术、纳米技术、微电子技术、膜分离技术等用以开发更 有效且环境友好的污垢对策技术。因此，可以说污垢研究是进行学科交叉融合的理 想领域。 2 华北电力大学博士学位论文 ( 4 ) 是培育新技术新产业的沃土温床。历史上由于抑垢的需要，兴起了水处 理行业。抑垢不果，出现了除垢的需要，又催生了一个清洗行业。近些年来，随着 污垢研究的进一步展开和深入，表面改性防垢技术1 1 】、绿色清洗技术 1 2 , 1 3 、利用微 生物处理污水的生物技术1 4 1 ，物理法和化学法相结合的a m t 技术1 5 】、用于污垢检 测的新型传感器【1 6 - 2 1 以及软测量技术 2 2 , 2 3 1 等新技术如雨后春笋。这一切都雄辩地证 明，污垢研究是催生新技术、新产业的沃土温床。 ( 5 ) 污垢研究可能产生的经济效益和社会效益都十分巨大。以高能耗行业之 一的火力发电为例【2 4 】：污垢研究可能产生的经济效益和社会效益十分巨大。以电力 工业为例：如果有效的污垢对策使火电煤耗降低1 克标煤千瓦时，按2 0 0 4 年我国 火电发电量2 1 7 3 5 7 0 = 1 5 2 1 4 5 亿千瓦时计，可节约标煤约1 5 2 万吨，这将减少粉 尘排放5 5 0 0 吨，减少c 0 2 排放2 3 0 万吨，减少s 0 2 排放2 3 万吨。这对减轻环境污 染的作用十分明显。 1 2 污垢研究的发展简史 早在二十世纪二十年代以前，就有关于污垢的观察和研究。二十世纪三十年代， 由于换热器设计的需要，s i e d e r 2 5 】提出了污垢系数( 即污垢热阻) 的概念。1 9 4 1 年， 污垢系数被列入美国管式换热器制造商协会( t e m a ) 标准。1 9 5 9 年k e r n 和 s e a t o n 2 6 , 2 7 指出结垢是由沉积和剥离两个过程共同作用的结果，提出了著名的污垢 分析模型。1 9 6 0 年美国传热研究公司( h t r i ) 组织指导传热学各领域的研究工作 时，污垢被列作了主要研究领域之一，开始了管壳式换热器冷却水侧污垢问题的研 究计划。开发了一种污垢测量技术，并用它获得冷却塔水、海水和原油的污垢特性 数据，1 9 6 2 年，h a s s o n 2 8 , 2 9 提出了预测c a c 0 3 结晶的数学模型。自从1 9 6 9 年英 国w i nf i r t h 原子能研究所开始了污垢研究计划以来，在世界范围内开始了对污垢 的结构化学组成和形成过程的比较系统的研究，1 9 7 1 年发表了关于锅炉和燃气轮 机的沉积和腐蚀的经典性文献 3 0 1 。此后，污垢研究的文献显著增多。但直到二十世 纪七十年代初，污垢仍然被称作“传热学中未解决的主要问题”。对于这以前的污垢 研究的进展，s o m e r s c a l e s t3 l 】作了比较详细的评述。 第六届国际传热大会上，e p s t e i n 3 2 】对1 9 6 0 1 9 7 8 年间的污垢研究成果作了全面 的阐述。接着，1 9 7 9 年召开了第一次换热设备污垢的国际学术会议，基于e p s t e i n 的 分类，集中研究了各类污垢的共同特性，为发展一个统一的污垢理论奠定了基础。 污垢的研究在1 9 8 7 年的n a t o 会议上继续取得进展，文献【3 3 】将污垢研究状况进行 了评述，对污垢研究的发展大有帮助。此后，还召开了各种专题讨论会。1 9 9 5 年， 在美国召开了有关污垢的国际学术会议 3 4 , 3 5 】，研究的重点是减缓污垢。1 9 9 7 年， 3 第一章引言 在意大利又召开了一届国际学术会议，继续关注于污垢的处理和监测技术 3 6 , 3 7 。 1 9 9 9 年，加拿大的国际学术会议关注的焦点是新的监测技术、表面处理技术和新的 污垢对策 3 8 , 3 9 】。以后每两年一届污垢会议都围绕这一主题。 现在的污垢研究基本上是沿着三个方向向前发展的【4 0 】：一是对污垢的形成过程 进行理论分析和实验研究，试图为换热设备的设计者和运行人员提供一个通用的准 确而又便于应用的预测模型；二是污垢监测技术的开发研究；三是污垢的对策研究。 1 3 国内外污垢研究的进展 1 3 1 污垢形成过程及分类 换热面结垢既可出现于沸腾蒸发和冷却过程中，如锅炉、蒸发器和冷凝器的结垢， 又可发生于非相变液体的加热和冷却过程中，如具有逆溶解度性质的盐类在加热过程的 结垢。换热面的结垢过程一般可分为以下五个阶段【4 l 】： ( 1 ) 起始阶段起始阶段是指污垢在洁净的换热面上的形成过程的第一阶段，当 换热面被污垢组分完全覆盖时为起始阶段的结束。在此阶段内，污垢热阻值接近零。因 此，要想达到防垢的目的，可尽量延长起始过程。 ( 2 ) 输运阶段污垢物质从流体到换热面的输运是由布朗运动或分子扩散、对流 扩散、外力场引起的输运和物质粒子惯性等几种作用的结果。 ( 3 ) 附着阶段穿过流动边界层输运到固体表面的污垢物质粒子，通常不会全部 附着于换热面形成污垢，其中一部分粒子往往又从表面反弹出来。到达表面的粒子是附 着还是反弹完全是随机的。因而关于附着的模型多是以粒子附着于表面的概率来描述。 所谓附着概率是指到达壁面的粒子中能够附着于壁面的比率。由于影响附着概率的因素 很多( 如液体作用于粒子上的各种力，粒子的尺寸、弹性表面条件以及壁面材料、壁面 粗糙度) 而且十分复杂，目前对这方面的研究还很不够。 ( 4 ) 剥蚀阶段剥蚀是指沉积在换热面上的污垢重新脱离换热面或污垢层被流动 流体带走的过程。污垢的剥蚀过程可分为三类：溶解，磨蚀和剥落。溶解是指污秽物质 以离子形态脱离固体表面。磨蚀是指污秽物质以微粒形式脱离固体表面的过程。影响磨 蚀的因素为：流体速度、污垢微粒大小、壁面粗糙度和污垢与壁面的结合力。剥落是污 垢组分以大块或成片的形式脱离固体表面的过程。剥落取决于在传热过程中形成的热应 力、污垢在结垢过程中的掺杂物所引起的应力、热效应所引起的污垢结构的变化以及污 垢与壁面结合状况等因素。其中最后一个因素，可由污垢形成过程中，污垢与换热壁面 处温度变化而引起。 ( 5 ) 老化阶段污垢老化从污垢开始形成就已经开始，而且随着结垢过程进 4 华北电力大学博士学位论文 行越来越严重。老化表现为：( 1 ) 晶体结构的变化；( 2 ) 沉积物质的聚合作用；( 3 ) 热应力的发展；( 4 ) 污垢与换热面界面处发生的溶解过程；( 5 ) 换热面释放出的腐 蚀产物造成的微生物中毒；( 6 ) 微生物的饥饿死亡。老化的进行使沉积物的特性发 生变化，因而剥蚀过程也会随之改变。 大量观测表明，清洁换热面和不洁净流体接触后，污垢热阻随时间的变化曲线不外 乎如图1 1 所示的几种形式 4 2 铂】。其中，i 为线性增长型；2 为降率型；3 为幂律型；4 为渐近型。但实际测量的污垢随时间的变化，一般并不如上述曲线l 至4 那样光滑，而是 像曲线5 那样的锯齿型。观察还发现，有的清洁换热面和不洁净流体接触后，几乎立即 就可观测到污垢热阻的出现，而更多的情况则是在接触后的一段时间内，没有观测到明 显的污垢热阻，这段时间通常称作诱导期。 r f 1 a 2 a s i 1 i z r 诱导期 于 图1 1污垢热阻随时间变化的形式 在污垢的形成过程中，一方面污垢物质会沉积到换热面上，使污垢热阻增大，但另 一方面也存在污垢物质被流体冲击而剥离，使污垢热阻减小的现象，而观测到的污垢热 阻随时间的变化则是这两个现象形成结果的叠加。由于污垢的形成过程是质量交换、热 量交换和动量交换的动态综合，是多种十分复杂过程的同时作用，因而影响这一过程的 因素很多，如流体性质、换热表面温度、流体与换热面问的温度梯度、流体流速、换热 表面状况等等。这些因素不同，形成的污垢特性也各不相同。但是所有各类污垢的形成 一般都要经历起始、输运、附着、剥蚀和老化五个阶段。 污垢的分类方法众多，可以根据工艺过程、工质状态、污垢形成的主要物理化学过 程、有无相变等的不同进行分类。其 e p s t e i n 3 2 】第六届国际传热大会上提出的按照引起 污垢形成的最主要过程分类方法，由于有利于污垢特性的研究和认识，因而被国际科技 工程界所接受。 5 第一章引言 按照引起污垢沉积的主要物理化学过程，污垢可分为如下七类： ( 1 ) 析晶污垢在流动条件下呈过饱和的溶液中溶解的无机盐在换热面上的析晶 体，因而又称作结晶污垢。当流体是冷却水或是蒸发设备中的液体时，这种污垢又称作 水垢。一般正常溶解度的盐类沉积在冷却面上，而具有反常溶解度的难溶或微溶盐类沉 积在加热面上。 ( 2 ) 微粒污垢悬浮在流体中的固体微粒在换热面上的积聚。 ( 3 ) 化学反应污垢由化学反应形成在换热面上的沉积物。 ( 4 ) 腐蚀污垢换热面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。 ( 5 ) 生物污垢由宏观生物体和微生物体附着于换热面上而形成的污垢。 ( 6 ) 凝固污垢纯净液体或多组分溶液的高溶解组分在过冷的换热面上凝固而形 成的物质。 ( 7 ) 混合污垢：若在某换热过程中，上述六种污垢形成机制中的一种以上的几种 机制同时发生而形成的污垢，则称作混合污垢。在混合污垢的形成过程中，常常出现同 时发生的几种机制之间相互作用而互惠的现象，即所谓的混合污垢的协同效应。实际工 业冷却水系统中的污垢多为混合污垢。 1 3 2 污垢预测模型 由上述污垢形成的基本过程和影响因素分析可以看到，各类污垢的形成虽有共同的 方面，但却有各自的特色，而且某些过程的机制也不很清楚，因而目前还难以进行严格 的理论分析以提出一个普适的，精确表征污垢特性的理论模型。另一方面，由于污垢本 身特性数据不足( 如污垢沉积层的密度、热导率、养分扩散系数等) ，即使有了满意的 模型也无法得到很好的应用。面对污垢研究的现状和换热设备设计、运行实际需要，一 些简化的，可以估计污垢对换热设备性能影响的实用方法便应运而生，这些方法多是在 一些简化前提下，根据污垢形成过程中起主要作用的物理、化学因素的分析，结合一些 实测数据而提出的。 目前几种预测模型都是以下述简化假定为基础的： ( 1 ) 各类污垢都是独立存在的，因而有可能只针对一类污垢分析其特性； ( 2 ) 污垢沉积层诸特性参数在各个方向上都是相同的，且均匀分布： ( 3 ) 污垢表面粗糙度的影响可以忽略； ( 4 ) 流体物理性质在污垢形成过程中的变化可以略去； 6 华北电力大学博士学位论文 ( 5 ) 换热面的初始状态- - j 不考虑。 污垢的模型可分为三类：质量平衡模型；扩散反应模型和表面反应模型【4 5 】。 ( 1 ) 质量平衡模型 1 9 5 9 年，k e r n 和s e a t o n 在质量平衡的基础上，提出结垢过程是沉积过程和剥蚀 过程同时作用的结果 2 6 , 2 7 】。下面方程表示了污垢随时间的变化，即净结垢速率为沉 积速率和剥蚀速率的差值： 譬= 晚一m r ( 1 1 ) 言2 一 u 。j 若以污垢热阻的变化来衡量结垢程度，则结垢速率表示为： 警= 鑫= 雨d i n e d t= 箐p = 或二q 2 ) d t kp e k d te k 。l 式中，m s 单位换热面上沉积污垢的质量，k g m 2 ；t h d 为质量沉积速率，k g ( m 2 s ) ；魄 为质量剥蚀速率，k g ( m 2 s ) ；足为污垢热阻，m 2 k w ；f 为时间，s ；暝为污垢层厚 度，m ；, o f 为污垢密度，k g m 3 ； 为污垢的导热系数，w ( m k ) ；或为沉积率， m k n ；唾为剥蚀率，m k n 。 k e r n s e a t o n 模型假定沉积速率为常数，而剥蚀速率同沉积层厚度成正比，垢层 的导热系数为恒定值，则有： 譬：午k 2 r f ( 1 _ 3 ) 出 1 积分得到t r = 善【1 一e x p ( - 心f ) 】= 碍【1 一e x p ( _ 砭f ) 】( 1 - 4 ) 式中，碍为渐近污垢热阻，m 2 影w ；墨、k 2 为常数。 对于微粒污垢，k e m s e a t o n 模型假定沉积速率与污垢物质在主流中的平均浓度及流 体速度有关： 或= f l c b u ( 1 - 5 ) 式中，c b 为污垢物质在主流中的平均浓度，k g m 3 ；m 为流体速度，m s 。而剥蚀率 同沉积层厚度及壁面切应力有关： 或= 当2 丢q = f 3 掰2 r s ( 1 6 ) 式中，瓦为壁面切应力，n m 2 。 7 第一章引言 将( 1 - 5 ) 、( 1 6 ) 代入( 1 2 ) ： 式中，五、幺、厶为常数。 墨= 等 1 一e x p ( - ( 3 u 2 t ) ( 1 7 ) k e r n s e a t o n 模型的提出，具有重要的意义，并为众多学者所接受，此后的许多 模型都是以此为基础推导而来。 ( 2 ) 扩散反应模型 h a s s o n 等4 6 1 模型提出了一个模型，该模型考虑了离子组分从主流到表面的扩 散。对于c a c 0 3 污垢，他们假设没有剥蚀过程，且 i d - 坐塑等型坐 ( 1 - 8 ) 其中 1 4 k z k r c a 抖】 a = 一 k l k 6 = 婴+ 4 k 2 k r h c o ； d - 关 【c a 抖】k k m c a 2 + 】 ，一k 2 k ， h c 0 3 一k s p k r c 0 2 k k m c a 2 + 】 c a 2 + 式中各个常数可以按下式确定： i n k = 一r 4 10 4 1 0 4 1 7 一l o g k s p = 0 0 1 1 8 3 ( t 一2 7 3 2 ) + 8 0 3 一l o g k = 罕- i - 2 1 5 2 1 1 0 9 t 一0 1 2 6 7 5 t - 5 4 5 5 6 一l o gk 2 ：2 9 0 j 2 - 3 9 + 0 0 2 3 7 9 7 6 4 9 8 m f i l l e r s t e i n h a g e n 和b r a n c h 4 7 1 建议在计算传质系数k 时，特征尺度取管子的当 量盲径。 堕：卑：一kmca2+(1+4acb)。5_llb(1-9) d t p t k2 a p t k 8 华北电力大学博士学位论文 ( 3 ) 表面反应模型 1 9 7 2 年t a b o r e k 等4 8 1 提出了结垢是由表面反应控制的而不是溶液向传热壁面的质 量传递。 沉积率或表示为： 吼= 口1 只q “e x p ( - e r t ) ( 1 1 0 ) 式中，为常数；只为概率函数；q 为水的特性因素；e 为活化能；r 为通用气体 常数。 剥蚀率煎表示为： 唾= ( t y ) 掣 ( 1 1 1 ) 式中，y 为垢层强度的函数，受流速和水质的影响；口：为常数。 推导后得出如下方程： g f - a 3 p a o 、e x p 广( - e 一r t ) ( 1 一1 2 ) 式中，1 ，为运动粘度，m 2 s ；、b 为常数。 除了上述理论模型外，在实际应用上还总结一些经验模型，如降率模型，线性 增长模型和渐近型模型，为建立一个通用模型作了十分有意义的工作。 1 3 3 强化换热面抑垢研究 由于生产和科学技术发展的需要，强化换热技术在近3 0 年来获得了广泛的重 视和发展。在世界面临着能源短缺的局面条件下，开发新能源和节约能量消耗引起 了世界各国有关部门的普遍关注，设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和 利用能源的最重要手段，这对于动力、石油、冶金、化工、制冷及食品等工业部门 都有着极为重要的意义。正是这些新型高效换热器广泛应用到工业中，又给换热器 污垢研究者带来新的研究课题，例如各种强化换热表面的抗垢特性如何，这是一个 非常实际的问题。由于强化换热表面对结垢特别敏感，一旦出现结垢，可能会大大 降低传热特性，并且可能会失去其强化效果。因此，对不同结构的强化换热元件在 不同条件的污垢特性进行实验研究是十分必要的。很多学者采用对比实验的研究方 法，研究了强化管与光管污垢特性的差异。 w e b b 等【4 9 】认为不同类型强化管的微粒污垢的结垢速率基本上是高于光管，而 且与强化管的结构形式有关。w e b b t 5 0 】总结了前人有关强化管污垢方面的工作，发现 有代表性的强化管中加速污垢的实验数据表明：强化管结垢比光管快，而且结垢速 9 第一章引言 率取决于内表面的几何参数。 y i a n t s i o s 5 l 】提出悬浮颗粒的存在可能影响析晶污垢的速率，而且改变析晶污垢 的紧密性，物理性质，甚至沉积的几何形状。同时认为强化管对光管渐近污垢热阻 比率是传热系数与表面剪切力之比。 c h a m r a 等【5 2 1 认为光管的表面剪切力远大于强化管，在相同运行速度条件下光管 比强化管有更高的污垢沉积速率，并且强化管的渐近型污垢热阻比光管大。同时给 出了预测强化管液侧污垢的半经验公式，包括非常广的粒径分布范围和污垢浓度， 是第一个试图预测粗糙表面扩散和惰性范围的污垢模型。该模型能预测不同浓度、 速度、粒径强化管的渐近型污垢热阻。 c h a m r a 5 3 】通过试验研究发现强化管比光管结垢速度快。在低浓度时，强化管与 光管的结垢速率相同，渐近型污垢热阻随浓度，雷诺数增加和粒径减小而增加。 w a t k i n s o n 等【5 4 】比较了强化管与光管的污垢特性。对于扩展内肋片管，当面积 增加系数为2 4 时，在模拟冷却塔系统中，污垢热阻大约是光管的1 2 倍。对于扩 展纵向肋片管，总面积扩大比率为3 4 时，在发生析晶污垢的设备中，污垢热阻与 光管相同。对于扩展径向肋片管，总面积扩大比率为2 4 时，石油冷却系统中，污 垢热阻是光管的6 0 。对于强化管，传热面积没有增加，在管侧冷却水系统中，污 垢热阻与光管相同。对于扩展表面，清洁系数( 污垢状态下的总传热系数与清洁状 态下总传热系数的比值) 通常超过光管，因此随着污垢的增长，扩展表面与光管之 间的相对特性增加，而对于强化管来说是减小的。 k i m 等【5 5 】采用三根重复肋片管和一个光管，在1 4 0 0 0 s r e $ 2 6 0 0 0 情况下，用 f e 2 0 3 和a 1 2 0 3 作为颗粒，进行加速微粒污垢实验。发现微粒污垢没有诱导期，在血 数低时，污垢热阻比光管高；在船数高时，污垢热阻与光管大致相等。 l i 等 5 6 , 5 7 1 给出了流经管内侧强化管的冷却塔水的长期污垢实验结果。实验工质 为8 0 0 p p m 钙硬度的水，污垢机制为析晶污垢与微粒污垢的混合污垢。采用了7 种 不同几何参数的内螺旋肋片管和一种光管进行了2 5 0 0 小时的实验。发现7 根强化 管的污垢热阻值均高于光管。通过研究发现随着头数和螺旋角的增加，结垢有增加 的趋势。 还有一些学者不仅研究强化管与光管传热特性，还关注了结垢后强化管与光管 传热特性。 帅志明等 5 8 , 5 9 1 研究发现在流速、加热蒸汽温度、进水温度和溶液浓度等相同 条件下，当流速大于1 5 m s ，螺旋槽管抗垢能力较光管强；当流速小于0 8 m s ，同 样结垢厚度，螺旋槽管对流换热系数降幅较大，在结垢达到渐近值时，仍高于光管。 1 0 华北电力大学博士学位论文 k a t s m a n 等【6 0 1 认为螺旋槽管结垢速率比光管快l 1 5 倍。不过，经过几年的运 行，传热特性依然高于光管。 r a b a s 等 6 1 , 6 2 1 采用河水作为污垢物质，在电厂凝汽器上进行了工业实验，给出 了1 2 个电厂凝汽器螺旋槽管