温度及浓度对析晶污垢沉积特性影响的模拟研究

对换热管内析晶污垢沉积进行了数值模拟。研究了换热管内不同温度的管壁以及不同浓度的管内流体对污垢沉积率、剥蚀率以及净沉积率的影响。在已有的析晶污垢沉积模型的基础上,结合流体传热传质方程,以自编程的方式对研究的工况进行数值模拟。结果表明,入口工质浓度及壁面温度的升高,都会引起污垢沉积量的增加,导致污垢热阻的增大。通过以上模拟结果发现,入口浓度和壁温的变化直接引起流体内部析晶污垢溶质溶解度的变化。当溶液的浓度和温度达到饱和溶液状态附近时,污垢沉积量变化将会比较小。并且污垢沉积的变化率并不是单调的,而是浓度达到饱和浓度时,单调性会发生改变。

60℃静态时碳酸钙析晶污垢初始阶段生长机理

以余热利用换热器为研究对象,在60℃CaCl2-Na2CO3溶液中改变浓度、pH值和材料,通过静态反应生长法,采用称重法和扫描电子显微镜分别获得不同浸入时间挂片的结垢量和污垢形貌。结果表明:较高的浓度、pH值和材料表面自由能,会产生较高的晶体生长动力和能量,前者促进细长的柱状或针状晶体形成并提高其生长速率;后者使系统能量降低,促进其他晶相转变为方解石。碳酸钙析晶污垢生长可分为结垢前期(表面反应机理),结垢中期(表面反应机理与颗粒粘附机理竞争期)和结垢后期(颗粒粘附机理)。结垢前期和结垢中期在诱导期内,污垢热阻为负值或零且对流体还没有阻力,而结垢后期则对应生长期,属于污垢快速生长阶段。

两种柱形涡流发生器CaSO_4析晶污垢特性实验研究

为得到涡流发生器污垢规律,采用质量浓度为2 100mg/L的硫酸钙过饱和溶液进行了传热过程中的污垢生成实验,并通过离线称重法得到了装有涡流发生器试片表面单位面积污垢沉积量生长曲线.结果表明:涡流发生器直径和排列间距对壁面污垢沉积量有显著影响.当涡流发生器直径(4mm)一定时,试片表面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加;在排列间距(10mm)一定时,污垢沉积量随着涡流发生器尺寸的增大而减少.

圆管内CaSO_4析晶污垢模型与数值模拟

从传热传质的角度建立了圆管内CaSO4析晶污垢形成过程的数学模型,并进行了相应的数值模拟及实验验证。根据模拟得出的圆管内温度场、速度场、以及CaSO4的质量浓度场,进而结合本污垢模型计算出了CaSO4析晶污垢的沉积率、剥蚀率以及污垢热阻随时间的变化规律。为了验证本模型的正确性,在实验室进行了污垢实验,并将计算结果和实验结果进行了比较,误差在20%以内,证明了该模型的正确性。

电磁场抑制换热面析晶污垢的形成

为研究电磁场对换热表面析晶污垢的抑垢情况,该研究以电磁水处理动态试验台为依托通过一系列变工况的试验,获取了不同磁场强度、流速和入口温度下碳酸钙污垢热阻热阻曲线,又通过电磁场、流场及温度场之间的正交分析得出了各因素对析晶污垢生长的具体影响。结果表明,试验磁感应强度范围内污垢热阻随磁感应强度的增大呈减小趋势;不加磁场湍流状态下,流速越大污垢热阻越小;磁场与流速共同作用可以强化阻垢效果。随着入口温度的增加,热阻渐近值先增大后减小,在入口温度为30℃时出现极大值;电磁场处理产生的热阻减小的效果要大于入口温度增加引起的热阻增加的效果。通过正交分析,得出了影响污垢生长的主次因素由强到弱依次为磁感应强度、流速、入口温度。同时计算出了该试验台在试验工况下的最优运行工况,在入口温度30℃,流速0.4m/s,磁感应强度20 mT情况下抑垢效果最好。研究结果可为工业循环水除垢抑垢提供一定的参考。

不锈钢304和316表面CaCO_3析晶污垢生长特性

不锈钢304和316是冷却塔、板式热交换器等换热设备的常用材料,为研究CaCO3析晶污垢在不锈钢304和316表面的生长特性,在35℃下1.0mmol/L的CaCO3溶液中,通过静态反应,采用称重法获得不同浸入时间的结垢重量,并采用扫描电子显微镜(SEM)获得不同浸入时间污垢的微观形貌。结果表明:相同条件下不锈钢304比316更易结垢;pH升高不仅促进新晶核形成而且促进四方形文石和方解石的形成,并且四方形文石逐步重结晶形成热力学最稳定晶型(方解石);pH升高使本体溶液中均相成核率和金属表面异相成核率均增加,且均相成核率增加更多,因此在高过饱和度下,pH较高时表面结垢量反比pH较低时少;污垢在材料表面能较高区域先生长再向四周扩散,通过数量增多和单个晶体不断长大并互相连接最终形成覆盖表面的污垢层。

锯齿斜翅管表面碳酸钙析晶污垢初始阶段结垢特性

进行光管和锯齿斜翅管在不同碳酸钙浓度和流速下的动态结垢实验,得到碳酸钙浓度、流速和锯齿斜翅管对碳酸钙析晶污垢结垢过程的影响。结果表明:浓度增大使溶液中均相成核速率和所形成晶核的生长速率增大,使溶液换热表面界面的污垢晶粒浓度和成垢离子浓度均增大,前者使更多的污垢附着换热面而后者使表面异相成核速率和生长速率增大。流速增大使光管表面形成的晶核、污垢晶体和污垢热阻均减少而诱导期延长;使锯齿斜翅管初始成核增多,但诱导期延长、而结垢量和污垢热阻减小。锯齿斜翅管在清洁状态和结垢状态下均具有比光管更大的总换热系数、更小的污垢热阻,尽管结垢量略多。

翼型涡流发生器对析晶污垢抑制特性的模拟研究

为研究翼型涡流发生器的结构对析晶污垢沉积的影响,利用数值模拟的方法研究在改变其间距、攻角和翼型的情况下,污垢沉积的变化情况。通过引入抑垢率的计算,来表征涡流发生器的抑垢特性。根据实验得出的光片单位面积污垢沉积量与模拟光片得出结果对比,说明验证模拟方法的可行性。通过模拟研究发现在两种攻角下,间距与抑垢率之间的变化关系相同。当间距为10至60mm时,抑垢率随间距的增加而减小。当间距为60至80mm时,则是反向变化。在相同攻角下,流动方向投影面积与抑垢率之间呈现同相变化。投影面积的影响效果与间距相关。

CaCO_3析晶污垢成垢过程影响因素的实验研究

实验测得了CaCO_3在铜、铝、不锈钢和渗铝钢四种材料和不同运行工况下的结垢过程,比较分析了材料表面、浓度、流体温度及流速对污垢成垢过程的影响。结果表明:材料表面能、温度、流速和浓度是影响污垢过程的主要因素。

CaSO_4析晶污垢形成过程的数值模拟

从传热传质的角度建立了一个CaSO_4析晶污垢形成过程的数学模型,并进行了数值模拟计算,计算出了圆管中的温度场、速度场、以及CaSO_4的浓度场,进而计算出了CaSO_4析晶污垢的沉积率、剥蚀率以及污垢热阻随时间的变化规律。

运行工况对两种强化管内析晶污垢的影响

为了研究运行工况对强化管内析晶污垢的影响。采用数值模拟方法研究了强化管内CaSO_4析晶污垢的沉积过程。主要分析了两种强化管内CaSO_4溶液的速度和壁面温度对污垢热阻的影响。结果表明,随着速度的增大污垢热阻值逐渐减小;随着壁面温度的增大污垢热阻值也是逐渐减小。综合对比两种强化换热管可知,内肋管的污垢热阻值小于缩放管的热阻值,即内肋管抑垢效果好于缩放管。

管内流动对析晶污垢沉积特性影响的数值模拟

为研究管内流动对析晶污垢沉积和管内对流换热的影响,采用编程的方式对管内流动和析晶沉积过程进行数值模拟。得出不同流速对管内对流换热的影响,并结合污垢沉积模型分析了不同Re数对污垢沉积率、剥蚀率以及净沉积率的影响。结果表明,剥蚀率、沉积率和净沉积率随着Re数的增加均呈现减小的趋势,但不同Re数各变量影响程度略有不同,当Re数高于10 000后,三个变量几乎没有变化。

析晶污垢生长影响因素概述

结垢问题存在于各个行业,尤其在油田表现更甚。但材料表面特性对油田采出水中析晶污垢的影响并没有得到太多关注。主要对影响析晶污垢生长的三种主要表面特性因素进行简要综述。

表面粗糙度对析晶污垢附着的影响

研究了沸腾条件下竖直放置的304不锈钢试样表面粗糙度对结垢诱导期CaCO_3析晶污垢生长的影响。结果表明,粗糙度居中的试样污垢增重最快,而抛光处理的试样对抗垢能力的改善没有大的提高。扫描电镜表明,污垢在试样表面吸附并没有显示出对沟槽的优先吸附,而是呈现出随机吸附的效果。粗糙度对污垢的附着有一定影响,但这种差别不能本质上改善材料的抗垢能力。污垢的附着和材料的抗蚀性密切相关,改善材料的抗蚀性将有助于改善抗垢性。

微粒和析晶混合污垢模型

假设微粒和析晶污垢独立存在,而结晶过程同时发生在换热面和微粒表面,据此建立了一个微粒和析晶混合污垢热阻值的分析模型。并通过MgO微粒污垢和CaCO3析晶污垢实验验证了模型的正确性。

析晶与颗粒混合污垢的实验研究

在实验室实验研究了CaCO3和Al2O3或MgO混合污垢特性,考察了颗粒浓度、工质流速和水浴温度的影响。结果表明:混合污垢热阻值比纯粹的析晶污垢的污垢热阻值大,流速增大,其污垢热阻渐近值减小,颗粒浓度增大,混合污垢渐近值增大,但当浓度达到某一值后再增加时,混合污垢渐近值基本维持常数,水浴温度在实验范围内变化对结垢影响不大。

浮点型涡流发生器CaSO_4析晶污垢沉积的模拟研究

采用污垢析晶污垢模型,对布置有浮点的涡流发生器的矩形通道进行了污垢沉积数值模拟。研究表明:单位面积污垢沉积量随着浮点尺寸的增大而减小,随着浮点排列间距的增加而增大。但当半径一定且浮点间距值小于两倍的浮点直径值时,间距变小不会减少污垢沉积量。将所得模拟结果与相关实验对比,验证了所采用模型的准确性。

海水换热器析晶污垢物相分析及动力学研究

海水换热器常用于沿海能源和化工领域的海水直流冷却系统和循环冷却系统。海水在热交换的过程中容易产生析晶结垢,造成换热效率下降和管路堵塞,这些污垢的组成及结垢机理是目前研究热点之一。本研究搭建一套海水结垢的可视化实验装置,对海水在换热过程中形成的析晶污垢进行了物相分析和动力学研究。通过X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）、扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）和X射线能谱（Energy Dispersive X-Ray,EDX）分析海水换热器析晶污垢的元素组成和晶体结构,结果显示污垢的元素组成和晶体结构与水合氢氧化镁铝（Mg6Al2（OH）（18）·4.5H2O）十分相似。基于Kern-Seaton模型,建立适用于海水析晶污垢的动力学模型,并根据实验结果对结垢过程的动力学参数进行拟合。结果表明：在不锈钢表面海水析晶结垢的表观活化能为1.54×104J/mol,在实验工况下海水析晶结垢是一种扩散控制过程。

海水冷却水过冷沸腾及析晶结垢实验研究

通过海水冷却水在换热面过冷沸腾下析晶结垢的动态监测实验,研究在不同的换热面热流密度、海水入口温度和流速下,析晶污垢的微观形态及对换热性能影响。研究表明:海水冷却水温度对污垢层的结构影响较大,流速则明显影响垢层的厚度;流速的改变对结垢速率影响最大,流速增加一倍,结垢速率降低61%;热流密度增大一倍,换热系数的降幅增加89%。

几种翼型涡流发生器对CaCO_3污垢特性影响的数值模拟

为研究翼型涡流发生器结构以及布置对换热面污垢的影响,对矩形通道内布置翼型涡流发生器后壁面CaCO3析晶污垢的沉积进行了模拟。计算并分析了在温度为50℃,流速为0.2m·s-1,浓度为1000mg·L-1的CaCO3过饱和溶液下,翼形涡流发生器的翼型、攻角和纵向间距等几何因素对表面污垢沉积的影响。结果表明:表面单位面积结垢量随着翼型涡流发生器攻角的增大而减小,随着涡流发生器列间距的增大而增大,当间距为60mm时达到最大,超过60mm后表面单位面积结垢量呈现下降趋势。