换热设备循环冷却水结垢状态的动力学仿真

王建国，何芳

(东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012)

在工业生产过程中，循环冷却水结垢对于现场的换热设备影响和危害极大，同时也会带来一系列的技术经济问题［1－4］。目前，化学加药法为主的水处理技术相对比较成熟，而物理法中变频电磁水处理技术的相关抑垢机理尚属研究阶段。本文基于水处理技术阻垢及缓蚀性能在线评价实验台［5］，采用Fluent流体动力学软件对不同换热管段内部工质的流动状态进行了仿真，分析了在外加电磁场作用下换热设备内部污垢的附着程度，映射污垢形成过程。

1 仿真方法与分析

换热设备内部工质流动作为一种管道流动，在工业生产过程中十分常见［6］，依据水处理技术阻垢及缓蚀性能在线评价实验台，配制1 000 mg/L的CaCO3溶液以0.4 m/s的速度从入口到出口流动，根据不同管内各点处的速度及压力数据，进行了仿真，为分析换热设备内部污垢的生成过程及附着程度提供基础性依据。

1.1 换热工况

图1中(a)为水处理技术阻垢及缓蚀性能在线评价实验台的换热管段的工况简图，半径r=2.2 cm，管道厚度为h=0.2 cm，长度为L=220.0 cm;(b)为改进的电磁抑垢实验平台与评价系统的换热管段的工况简图，直管部分半径r=2.2 cm，管道厚度为h=0.2 cm，直管部分长度为L=220.0 cm，U型管部分半径R=20.0 cm。

图1 实验换热管段的工况简图

1.2 实验管道仿真

Fluent是商用CFD软件包，基于数值模拟及经典流体动力学，在工业生产上应用广泛，特别是热传递、流体等，通过求解质量和动量守恒方程实现对所有流动的建模计算。Fluent数值模拟过程中重点有前置模块Gambit和Fluent求解器。Tecplot是实现后处理功能的数据可视化软件，也就是说流体工况经过Gambit前处理，Fluent过程求解，最后可选择Tecplot进行进一步处理，得到图形效果［7］。

利用Gambit前处理、Fluent求解器建模，学习有关Copy、Move、Split、Unite及面网格、体网格划分等命令，在Tecplot后视觉处理中，利用Pathlines(流线)的动画显示，直观清楚地观察了初始速度为0.4 m/s情况下管道流体流动情况［8］。

2 结果分析

2.1 圆管三维流体流动仿真

进行半径2.2 cm，厚度0.2 cm，长度220.0 cm的直管段内部水溶液的流动、速度场仿真，下面是过程显示图例，在图2(a)中的网格数要满足在各位置网格不重叠，本仿真网格数选为40，(b)中为设定入口流速为0.4 m/s的管道出口处的速度场，红色表速度值较大，可见循环工质刚出管道出口时速度很大，其他区域稍小，(c)、(d)从笛卡尔坐标系的角度表现工质循环过程中管道内部速度场，红色线条及网络清晰流畅，工质流动很均匀。

图2 圆管三维流体流动仿真图

2.2 U型管三维流体流动仿真

进行直管部分直径4.8 cm，长度220.0 cm，U型管部分半径24.8 cm的管段内部水溶液的流动、速度场、压力场仿真，下面是过程显示图例，图3(b)中，当满足精度要求时迭代终止，本仿真迭代50次即满足，(c)中，红色区域表示速度值稍大一些，可见工质随管道形状流动状态改变使得速度有一定冲击值，(d)中红色端为管道出口，即出口处压力值较大，而在U型管部分内侧压力值明显较小，说明工质随管道形状改变流动状态时由于冲击对管壁内侧影响偏小，(e)、(f)的笛卡尔坐标表示下工质充满整个换热管道，换热过程充分，压力和速度值较大区域对污垢有一定的冲刷力，影响其沉积，污垢量较少，整个仿真流程映射出各处污垢依附管壁状态。

图3 U型管三维流体流动仿真图

3 结论

本文基于水处理技术阻垢及缓蚀性能在线评价实验台，在Fluent流体动力学软件环境下对不同实验管段内部循环冷却水流动状态及各处速度场、压力场参数进行预测，影射换热设备内部污垢附着管壁的程度。本实验工况下，工质流动环境稳定不变时较易结垢，当有方向等外界物理性条件变化时出现污垢分布不均。

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［5］王建国，张学孟，冯研.高频电磁场抑垢效果的实验研究［J］.化工自动化及仪表，2010，37(12):83－85.

［6］张兵强，李云，徐志明.CaCO3析晶污垢成垢过程影响因素的实验研究［J］.东北电力大学学报:自然科学版，2008，28(1):49－55.

［7］韩占忠，王敬，兰小平.Fluent流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2008:228－249.

［8］王瑞金，张凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例［M］.北京:清华大学出版社，2007:79－90.