内置转子强化管抗污垢性能数值模拟

张震　阎华　丁玉梅　关昌峰　杨卫民

摘要：采用数值模拟方法研究光管及内置螺旋叶片转子强化管的抗污垢性能，得到换热管颗粒污垢体积分数分布，研究流体流速对强化管抗污垢性能的影响.结果表明：与在相同条件下的光管相比，强化管管内沉积的污垢明显减少；由于颗粒自身重力影响，底部沉积的污垢体积分数高于换热管顶部；随着流体流速的增加，强化管底部的颗粒污垢体积分数有所减小，顶部的颗粒污垢体积分数有所增大，并且强化管的颗粒污垢体积分数不断趋近于入口处设置的颗粒污垢体积分数.

关键词：螺旋叶片转子； 颗粒； 污垢； 流速； 数值模拟

中图分类号： TK172.4

文献标志码：B

0 引 言

换热设备中的污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐沉积附着而积累起来的一些固态物质.[1]在烧碱蒸发器、制糖、造纸、污水处理和海水淡化等工业领域的换热设备中，换热壁面存在的结垢现象较为普遍.换热面上结垢不仅恶化换热设备的传热性能，增大金属材料的消耗，而且污垢层增厚会减小流体的流通截面积，增大流体阻力.此外，换热面上结垢还会引起换热面的局部腐蚀甚至穿孔，严重威胁换热器的安全运行.为此，国内外研究学者开发多种强化传热及自清洁技术，主要包括螺旋线圈、螺旋弹簧、螺旋纽带和液轮机等，如图1所示的组合转子强化传热及自清洁装置是基于“场协同”理论[2]以及高分子材料先进制造“微积分”思想[3]提出的较新的管程内插件技术.在强化传热性能研究方面，文献[4-8]采用实验方法对比分析组合转子的结构形式和转子串间距对其传热及阻力特性的影响；文献[9]数值模拟组合转子的叶片倾角对其强化传热性能的影响；文献[10-14]采用实验和模拟手段分析组合转子的几何参数、转子间距和左右旋向组合方式等对其强化换热性能的影响.在抗污垢性能研究方面，赵本华等[15]对在相同条件下同向转子强化管、旋向交叉转子强化管以及光管的污垢沉积情况进行实验研究对比，结果表明旋向交叉转子的自清洁效果最佳，光管中沉积的污垢最多；姜鹏等[16]建立内置组合转子圆管内CaCO3析晶污垢形成过程的数学模型，得到强化管内污垢的沉积率、剥蚀率、净存速率和污垢热阻随时间的变化.由于在实际工业生产中较为常见的污垢形式为颗粒污垢，因此本文采用颗粒污垢形式以及数值模拟方法分析螺旋叶片转子的抗污垢性能，并与光管进行对比，同时研究管程流体的流速对颗粒污垢沉积的影响.

摘要：采用数值模拟方法研究光管及内置螺旋叶片转子强化管的抗污垢性能，得到换热管颗粒污垢体积分数分布，研究流体流速对强化管抗污垢性能的影响.结果表明：与在相同条件下的光管相比，强化管管内沉积的污垢明显减少；由于颗粒自身重力影响，底部沉积的污垢体积分数高于换热管顶部；随着流体流速的增加，强化管底部的颗粒污垢体积分数有所减小，顶部的颗粒污垢体积分数有所增大，并且强化管的颗粒污垢体积分数不断趋近于入口处设置的颗粒污垢体积分数.

关键词：螺旋叶片转子； 颗粒； 污垢； 流速； 数值模拟

中图分类号： TK172.4

文献标志码：B

0 引 言

换热设备中的污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐沉积附着而积累起来的一些固态物质.[1]在烧碱蒸发器、制糖、造纸、污水处理和海水淡化等工业领域的换热设备中，换热壁面存在的结垢现象较为普遍.换热面上结垢不仅恶化换热设备的传热性能，增大金属材料的消耗，而且污垢层增厚会减小流体的流通截面积，增大流体阻力.此外，换热面上结垢还会引起换热面的局部腐蚀甚至穿孔，严重威胁换热器的安全运行.为此，国内外研究学者开发多种强化传热及自清洁技术，主要包括螺旋线圈、螺旋弹簧、螺旋纽带和液轮机等，如图1所示的组合转子强化传热及自清洁装置是基于“场协同”理论[2]以及高分子材料先进制造“微积分”思想[3]提出的较新的管程内插件技术.在强化传热性能研究方面，文献[4-8]采用实验方法对比分析组合转子的结构形式和转子串间距对其传热及阻力特性的影响；文献[9]数值模拟组合转子的叶片倾角对其强化传热性能的影响；文献[10-14]采用实验和模拟手段分析组合转子的几何参数、转子间距和左右旋向组合方式等对其强化换热性能的影响.在抗污垢性能研究方面，赵本华等[15]对在相同条件下同向转子强化管、旋向交叉转子强化管以及光管的污垢沉积情况进行实验研究对比，结果表明旋向交叉转子的自清洁效果最佳，光管中沉积的污垢最多；姜鹏等[16]建立内置组合转子圆管内CaCO3析晶污垢形成过程的数学模型，得到强化管内污垢的沉积率、剥蚀率、净存速率和污垢热阻随时间的变化.由于在实际工业生产中较为常见的污垢形式为颗粒污垢，因此本文采用颗粒污垢形式以及数值模拟方法分析螺旋叶片转子的抗污垢性能，并与光管进行对比，同时研究管程流体的流速对颗粒污垢沉积的影响.

摘要：采用数值模拟方法研究光管及内置螺旋叶片转子强化管的抗污垢性能，得到换热管颗粒污垢体积分数分布，研究流体流速对强化管抗污垢性能的影响.结果表明：与在相同条件下的光管相比，强化管管内沉积的污垢明显减少；由于颗粒自身重力影响，底部沉积的污垢体积分数高于换热管顶部；随着流体流速的增加，强化管底部的颗粒污垢体积分数有所减小，顶部的颗粒污垢体积分数有所增大，并且强化管的颗粒污垢体积分数不断趋近于入口处设置的颗粒污垢体积分数.

关键词：螺旋叶片转子； 颗粒； 污垢； 流速； 数值模拟

中图分类号： TK172.4

文献标志码：B

0 引 言

换热设备中的污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐沉积附着而积累起来的一些固态物质.[1]在烧碱蒸发器、制糖、造纸、污水处理和海水淡化等工业领域的换热设备中，换热壁面存在的结垢现象较为普遍.换热面上结垢不仅恶化换热设备的传热性能，增大金属材料的消耗，而且污垢层增厚会减小流体的流通截面积，增大流体阻力.此外，换热面上结垢还会引起换热面的局部腐蚀甚至穿孔，严重威胁换热器的安全运行.为此，国内外研究学者开发多种强化传热及自清洁技术，主要包括螺旋线圈、螺旋弹簧、螺旋纽带和液轮机等，如图1所示的组合转子强化传热及自清洁装置是基于“场协同”理论[2]以及高分子材料先进制造“微积分”思想[3]提出的较新的管程内插件技术.在强化传热性能研究方面，文献[4-8]采用实验方法对比分析组合转子的结构形式和转子串间距对其传热及阻力特性的影响；文献[9]数值模拟组合转子的叶片倾角对其强化传热性能的影响；文献[10-14]采用实验和模拟手段分析组合转子的几何参数、转子间距和左右旋向组合方式等对其强化换热性能的影响.在抗污垢性能研究方面，赵本华等[15]对在相同条件下同向转子强化管、旋向交叉转子强化管以及光管的污垢沉积情况进行实验研究对比，结果表明旋向交叉转子的自清洁效果最佳，光管中沉积的污垢最多；姜鹏等[16]建立内置组合转子圆管内CaCO3析晶污垢形成过程的数学模型，得到强化管内污垢的沉积率、剥蚀率、净存速率和污垢热阻随时间的变化.由于在实际工业生产中较为常见的污垢形式为颗粒污垢，因此本文采用颗粒污垢形式以及数值模拟方法分析螺旋叶片转子的抗污垢性能，并与光管进行对比，同时研究管程流体的流速对颗粒污垢沉积的影响.