換熱設備循環冷卻水結垢狀態的動力學仿真

王建國，何芳

(東北電力大學自動化工程學院，吉林吉林132012)

在工業生產過程中，循環冷卻水結垢對于現場的換熱設備影響和危害極大，同時也會帶來一系列的技術經濟問題［1－4］。目前，化學加藥法為主的水處理技術相對比較成熟，而物理法中變頻電磁水處理技術的相關抑垢機理尚屬研究階段。本文基于水處理技術阻垢及緩蝕性能在線評價實驗臺［5］，采用Fluent流體動力學軟件對不同換熱管段內部工質的流動狀態進行了仿真，分析了在外加電磁場作用下換熱設備內部污垢的附著程度，映射污垢形成過程。

1 仿真方法與分析

換熱設備內部工質流動作為一種管道流動，在工業生產過程中十分常見［6］，依據水處理技術阻垢及緩蝕性能在線評價實驗臺，配制1 000 mg/L的CaCO3溶液以0.4 m/s的速度從入口到出口流動，根據不同管內各點處的速度及壓力數據，進行了仿真，為分析換熱設備內部污垢的生成過程及附著程度提供基礎性依據。

1.1 換熱工況

圖1中(a)為水處理技術阻垢及緩蝕性能在線評價實驗臺的換熱管段的工況簡圖，半徑r=2.2 cm，管道厚度為h=0.2 cm，長度為L=220.0 cm;(b)為改進的電磁抑垢實驗平臺與評價系統的換熱管段的工況簡圖，直管部分半徑r=2.2 cm，管道厚度為h=0.2 cm，直管部分長度為L=220.0 cm，U型管部分半徑R=20.0 cm。

圖1 實驗換熱管段的工況簡圖

1.2 實驗管道仿真

Fluent是商用CFD軟件包，基于數值模擬及經典流體動力學，在工業生產上應用廣泛，特別是熱傳遞、流體等，通過求解質量和動量守恒方程實現對所有流動的建模計算。Fluent數值模擬過程中重點有前置模塊Gambit和Fluent求解器。Tecplot是實現后處理功能的數據可視化軟件，也就是說流體工況經過Gambit前處理，Fluent過程求解，最后可選擇Tecplot進行進一步處理，得到圖形效果［7］。

利用Gambit前處理、Fluent求解器建模，學習有關Copy、Move、Split、Unite及面網格、體網格劃分等命令，在Tecplot后視覺處理中，利用Pathlines(流線)的動畫顯示，直觀清楚地觀察了初始速度為0.4 m/s情況下管道流體流動情況［8］。

2 結果分析

2.1 圓管三維流體流動仿真

進行半徑2.2 cm，厚度0.2 cm，長度220.0 cm的直管段內部水溶液的流動、速度場仿真，下面是過程顯示圖例，在圖2(a)中的網格數要滿足在各位置網格不重疊，本仿真網格數選為40，(b)中為設定入口流速為0.4 m/s的管道出口處的速度場，紅色表速度值較大，可見循環工質剛出管道出口時速度很大，其他區域稍小，(c)、(d)從笛卡爾坐標系的角度表現工質循環過程中管道內部速度場，紅色線條及網絡清晰流暢，工質流動很均勻。

圖2 圓管三維流體流動仿真圖

2.2 U型管三維流體流動仿真

進行直管部分直徑4.8 cm，長度220.0 cm，U型管部分半徑24.8 cm的管段內部水溶液的流動、速度場、壓力場仿真，下面是過程顯示圖例，圖3(b)中，當滿足精度要求時迭代終止，本仿真迭代50次即滿足，(c)中，紅色區域表示速度值稍大一些，可見工質隨管道形狀流動狀態改變使得速度有一定沖擊值，(d)中紅色端為管道出口，即出口處壓力值較大，而在U型管部分內側壓力值明顯較小，說明工質隨管道形狀改變流動狀態時由于沖擊對管壁內側影響偏小，(e)、(f)的笛卡爾坐標表示下工質充滿整個換熱管道，換熱過程充分，壓力和速度值較大區域對污垢有一定的沖刷力，影響其沉積，污垢量較少，整個仿真流程映射出各處污垢依附管壁狀態。

圖3 U型管三維流體流動仿真圖

3 結論

本文基于水處理技術阻垢及緩蝕性能在線評價實驗臺，在Fluent流體動力學軟件環境下對不同實驗管段內部循環冷卻水流動狀態及各處速度場、壓力場參數進行預測，影射換熱設備內部污垢附著管壁的程度。本實驗工況下，工質流動環境穩定不變時較易結垢，當有方向等外界物理性條件變化時出現污垢分布不均。

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