两种柱形涡流发生器CaSO4析晶污垢特性实验研究

徐志明， 刘坐东， 王宇朋， 张仲彬

（东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林132012）

污垢广泛存在于各种换热设备中，而CaSO4是传热表面污垢的主要成分之一.据调查，90%以上的换热设备都存在着污垢问题［1］，已有不少学者对换热器强化传热性能进行了实验和数值计算方面的研究［2－3］.涡流发生器是基于被动式强化传热技术基础上发展起来的一种强化传热元件.经研究表明：涡流发生器具有优良的强化传热性能［4－6］.迄今为止，国内外对加装涡流发生器传热表面的污垢特性研究相对比较少.笔者在涡流发生器强化传热性能的基础上，重点研究和分析了涡流发生器对传热表面结垢的影响.

根据主流在经过涡流发生器时的变化可以将涡流发生器分为两个区域：滞止区和分离区.在滞止区，主流受到诱导产生纵向涡，低速流体在纵向涡的带动下发生边界层分离，向远离壁面的方向运动；在分离区，产生的纵向涡旋流继续向下游传递，增加了主流在垂直壁面方向的二次流，促进了主流和边界层内热量和能量的交换.有研究表明，CaSO4结垢过程受工质速度场和温度场的影响较大［7］.在低流速下，CaSO4结垢阻力主要来自对流传质阻力，主流和边界层的互动强化了传热，减小了CaSO4向壁面的输运阻力，污垢颗粒到达壁面的几率增加，但同时壁面受到的近壁流体剪切力增大，污垢剥蚀作用加强.此外，不同尺寸和形状的涡流发生器产生的纵向涡强度以及在通道内传递的距离也不相同，因而间接造成了污垢生长曲线的差异.

1 实验系统与方法

1.1 实验系统与实验方法

图1为实验系统示意图.从图1可知：实验系统由上水箱、下水箱、矩形流道、循环水泵、流量计、加热器以及温度控制器等主要部件组成.运行时，循环水泵将工质从下水箱送至上水箱，上水箱负责向实验段提供水源并通过溢流板保持恒定水位.

实验工质是质量浓度为2 100mg／L的CaSO4过饱和溶液，工质流速为0.1m／s，工质温度维持在50℃，每次实验采用4组试片，分两列沿轴线对称并排放置，排列间距为30mm，以保证主流速度对试片的冲刷.每列纵向放置10个试片，流道和渐扩段均用PP板焊接加工而成.

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

实验选用浮点型和楞型两种涡流发生器（见图2）.涡流发生器及间距的大小由模具冲压而成，实验时将涡流发生器做成挂片，然后将挂片架挂在实验段，每隔一定的时间取出一片，再采用离线称重法测出在不同实验运行工况下CaSO4析晶污垢的生成量，并绘制出试片表面污垢的生长曲线图.

1.2 实验数据的处理方法

采用直接称重法测量出不同时间下试片表面的污垢沉积量.浮点型试片表面积的计算公式为：

图2 两种涡流发生器Fig.2 Two kinds of vortex generators

楞型试片表面积的计算公式为：

试片单位面积污垢沉积量为：

式中：S0为试片表面积，m2；l为试片长度，m；l0为楞型试片投影长度，m；d为试片宽度，m；m0为试片单位面积污垢沉积量，m；m1为实验前试片的质量，g；m2为运行一段时间后试片的质量，g.

将式（1）代入式（3）中，得到浮点型试片单位面积污垢沉积量为：

式中：dr为浮点型和楞型试片的直径，m

将式（2）代入式（3）中，得到楞型试片单位面积污垢沉积量为：

所有试片的单位投影面积可表示为：

2 实验结果与分析

实验采用正交的方式，主要分析涡流发生器尺寸和排列间距这2个因素对表面CaSO4污垢生成量的影响.

2.1 试片表面结垢状态分析

通过实验可以观察到：污垢大部分沉积在涡流发生器迎流一侧，而在背流侧沉积量则很少，这是因为流体在涡流发生器迎流一侧受到的流动阻力较大，流动状况较差，从而为污垢沉积提供了有利条件；而在背流侧，流体产生的纵向旋涡使得近壁流场湍流度增大，促进了主流与近壁流体的混合，流体对壁面的冲刷作用加强，因此加快了对沉积到壁面的污垢的剥蚀，所以形成了试片表面独特的污垢沉积现象：一侧多，一侧少.

2.2 实验结果分析

图3为直径是4mm时不同排列间距下楞型和浮点型涡流发生器试片单位面积污垢生长曲线：排列间距为10mm的试片表面单位面积污垢沉积量最小，排列间距为15mm的其次，排列间距为20 mm的最大.在涡流发生器尺寸不变的情形下，试片表面单位面积污垢沉积量随着排列间距的增大而增加，这是因为涡流发生器排列间距对通道内诱发的纵向涡的强度和传播距离都有影响.较小的排列间距使通道内流动阻力增大，壁面受到流体的剪切力也相应增大，导致污垢剥蚀脱落程度加剧，单位面积污垢生长水平较低，随着排列间距的增大，流体对壁面的冲刷作用相应减弱，壁面污垢沉积量逐渐增加.

图3 直径为4mm、不同排列间距下两种涡流发生器试片表面单位面积污垢生长曲线Fig.3 Growth of fouling deposit on vortex generators with different pitches for a fixed diameter of 4mm

图4 排列间距15mm、不同直径下两种涡流发生器试片单位面积的污垢生长曲线Fig.4 Growth of fouling deposit on vortex generators with different sizes for a fixed pitch of 15mm

图4为排列间距15mm时不同直径下楞型和浮点型涡流发生器试片表面单位面积污垢生长曲线.从图4可以看出：直径为4mm的试片单位面积结垢量最大，直径为5mm时单位面积的结垢量居中，而直径为6mm时的结垢量最小.在涡流发生器排列尺寸不变的情形下，试片表面单位面积污垢沉积量随着涡流发生器直径尺寸的增大而减小.这是因为对于直径较大的涡流发生器，近壁流体流动特性改变程度较大，其诱发的旋涡在强度上比直径较小的涡流发生器的大；在传播方式上，直径较大的涡流发生器所诱发的旋涡除纵向传递外，还会产生较大幅度的横向二次流传播，使流体对壁面的冲刷作用增强，进而使试片表面污垢生长的渐近值受到较大抑制.

通过实验发现，涡流发生器的直径和排列间距不会影响污垢生长趋势，表现出CaSO4析晶污垢较稳定的特性.因此，可通过优化排列间距和涡流发生器直径来达到强化传热和减少试片表面单位面积结垢量的双重目的，这也是实现节能减排的重要手段.

3 结 论

（1）污垢在涡流发生器迎流侧沉积量较多，而在背流侧较少.近壁流体在迎流侧流速大幅度降低，甚至呈滞止状态，为污垢沉积提供了有利条件，而在涡流发生器背侧，由于纵向涡的作用，壁面受到的流体剪切力增大，因此污垢生长量较少.

（2）试片表面的污垢生长量随涡流发生器直径和排列间距的变化呈现出良好的规律性：在直径（4 mm）一定时，楞型和浮点型涡流发生器试片表面的单位面积污垢沉积量均随着涡流发生器排列间距的增大而增多；在排列间距一定时，这2种试片表面的单位面积污垢沉积量均随着涡流发生器直径的增大而减小.

（3）对于CaSO4析晶污垢这样的单一污垢，其渐近式的生长特性不会随着涡流发生器直径和排列间距的改变而改变.

［1］齐承英，闵春华.纵向涡发生器强化传热研究进展与展望［J］.河北工业大学学报，2008，37（5）：1－5.QI Chengying，MIN Chunhua.Heat transfer enhancement of longitudinal vortex generators：process and prospect［J］.Journal of Hebei University of Technology，2008，37（5）：1－5.

［2］徐志明，王月明，张仲彬.板式换热器性能的数值模拟［J］.动力工程学报，2011，31（3）：198－202.XU Zhiming，WANG Yueming，ZHANG Zhong bin.Numerical simulation on performance of plate heat exchanger［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（3）：198－202.

［3］李显，朱天宇，徐小韵.1MW 塔式太阳能电站换热网络的动态模拟［J］.动力工程学报，2010，30（1）：63－67.LI Xian，ZHU Tianyu，XU Xiaoyun.Dynamic simulation of heat exchange network for a 1MW solar power tower plant［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（1）：63－67.

［4］WU J M，TAO W Q.Investigation on laminar convection heat transfer in fin－and－tube heat exchanger in aligned arrangement with longitudinal vortex generator from the viewpoint of field synergy principle［J］.Applied Thermal Engineering，2007，27（14／15）：2609－2617.

［5］SOHANKAR A.Heat transfer augmentation in a rectangular channel with a vee－shaped vortex generator［J］.Int J Heat Fluid Flow，2007，28（2）：306－317.

［6］闵春华，齐承英，谢尚群，等.新型矩形翼纵向涡发生器流动与传热实验研究［J］.热能动力工程，2010，25（1）：43－46.MIN Chunhua，QI Chengying，XIE Shangqun，et al.Experimental study of the flow and heat exchange in a longitudinal vortex generator with a new type of rectangular wing［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy ＆ Power，2010，25（1）：43－46.

［7］栗艳，杨泽亮.纵向涡发生器强化传热管的实验研究［J］.热科学与技术，2006，5（2）：127－131.LI Yan，YANG Zeliang.Experimental study on enhanced heat transfer inside tube with longitudinal vortex generator［J］.Journal of Thermal Science and Technology，2006，5（2）：127－131.