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换热表面污垢特性的研究

张仲彬  
【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Ⅱ)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CaCO_3污垢形成过程进行了数值模拟。根据CaCO_3的浓度变化,得到CaCO_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。


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