兩種柱形渦流發生器CaSO4析晶污垢特性實驗研究

徐志明， 劉坐東， 王宇朋， 張仲彬

（東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林132012）

污垢廣泛存在于各種換熱設備中，而CaSO4是傳熱表面污垢的主要成分之一.據調查，90%以上的換熱設備都存在著污垢問題［1］，已有不少學者對換熱器強化傳熱性能進行了實驗和數值計算方面的研究［2－3］.渦流發生器是基于被動式強化傳熱技術基礎上發展起來的一種強化傳熱元件.經研究表明：渦流發生器具有優良的強化傳熱性能［4－6］.迄今為止，國內外對加裝渦流發生器傳熱表面的污垢特性研究相對比較少.筆者在渦流發生器強化傳熱性能的基礎上，重點研究和分析了渦流發生器對傳熱表面結垢的影響.

根據主流在經過渦流發生器時的變化可以將渦流發生器分為兩個區域：滯止區和分離區.在滯止區，主流受到誘導產生縱向渦，低速流體在縱向渦的帶動下發生邊界層分離，向遠離壁面的方向運動；在分離區，產生的縱向渦旋流繼續向下游傳遞，增加了主流在垂直壁面方向的二次流，促進了主流和邊界層內熱量和能量的交換.有研究表明，CaSO4結垢過程受工質速度場和溫度場的影響較大［7］.在低流速下，CaSO4結垢阻力主要來自對流傳質阻力，主流和邊界層的互動強化了傳熱，減小了CaSO4向壁面的輸運阻力，污垢顆粒到達壁面的幾率增加，但同時壁面受到的近壁流體剪切力增大，污垢剝蝕作用加強.此外，不同尺寸和形狀的渦流發生器產生的縱向渦強度以及在通道內傳遞的距離也不相同，因而間接造成了污垢生長曲線的差異.

1 實驗系統與方法

1.1 實驗系統與實驗方法

圖1為實驗系統示意圖.從圖1可知：實驗系統由上水箱、下水箱、矩形流道、循環水泵、流量計、加熱器以及溫度控制器等主要部件組成.運行時，循環水泵將工質從下水箱送至上水箱，上水箱負責向實驗段提供水源并通過溢流板保持恒定水位.

實驗工質是質量濃度為2 100mg／L的CaSO4過飽和溶液，工質流速為0.1m／s，工質溫度維持在50℃，每次實驗采用4組試片，分兩列沿軸線對稱并排放置，排列間距為30mm，以保證主流速度對試片的沖刷.每列縱向放置10個試片，流道和漸擴段均用PP板焊接加工而成.

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

實驗選用浮點型和楞型兩種渦流發生器（見圖2）.渦流發生器及間距的大小由模具沖壓而成，實驗時將渦流發生器做成掛片，然后將掛片架掛在實驗段，每隔一定的時間取出一片，再采用離線稱重法測出在不同實驗運行工況下CaSO4析晶污垢的生成量，并繪制出試片表面污垢的生長曲線圖.

1.2 實驗數據的處理方法

采用直接稱重法測量出不同時間下試片表面的污垢沉積量.浮點型試片表面積的計算公式為：

圖2 兩種渦流發生器Fig.2 Two kinds of vortex generators

楞型試片表面積的計算公式為：

試片單位面積污垢沉積量為：

式中：S0為試片表面積，m2；l為試片長度，m；l0為楞型試片投影長度，m；d為試片寬度，m；m0為試片單位面積污垢沉積量，m；m1為實驗前試片的質量，g；m2為運行一段時間后試片的質量，g.

將式（1）代入式（3）中，得到浮點型試片單位面積污垢沉積量為：

式中：dr為浮點型和楞型試片的直徑，m

將式（2）代入式（3）中，得到楞型試片單位面積污垢沉積量為：

所有試片的單位投影面積可表示為：

2 實驗結果與分析

實驗采用正交的方式，主要分析渦流發生器尺寸和排列間距這2個因素對表面CaSO4污垢生成量的影響.

2.1 試片表面結垢狀態分析

通過實驗可以觀察到：污垢大部分沉積在渦流發生器迎流一側，而在背流側沉積量則很少，這是因為流體在渦流發生器迎流一側受到的流動阻力較大，流動狀況較差，從而為污垢沉積提供了有利條件；而在背流側，流體產生的縱向旋渦使得近壁流場湍流度增大，促進了主流與近壁流體的混合，流體對壁面的沖刷作用加強，因此加快了對沉積到壁面的污垢的剝蝕，所以形成了試片表面獨特的污垢沉積現象：一側多，一側少.

2.2 實驗結果分析

圖3為直徑是4mm時不同排列間距下楞型和浮點型渦流發生器試片單位面積污垢生長曲線：排列間距為10mm的試片表面單位面積污垢沉積量最小，排列間距為15mm的其次，排列間距為20 mm的最大.在渦流發生器尺寸不變的情形下，試片表面單位面積污垢沉積量隨著排列間距的增大而增加，這是因為渦流發生器排列間距對通道內誘發的縱向渦的強度和傳播距離都有影響.較小的排列間距使通道內流動阻力增大，壁面受到流體的剪切力也相應增大，導致污垢剝蝕脫落程度加劇，單位面積污垢生長水平較低，隨著排列間距的增大，流體對壁面的沖刷作用相應減弱，壁面污垢沉積量逐漸增加.

圖3 直徑為4mm、不同排列間距下兩種渦流發生器試片表面單位面積污垢生長曲線Fig.3 Growth of fouling deposit on vortex generators with different pitches for a fixed diameter of 4mm

圖4 排列間距15mm、不同直徑下兩種渦流發生器試片單位面積的污垢生長曲線Fig.4 Growth of fouling deposit on vortex generators with different sizes for a fixed pitch of 15mm

圖4為排列間距15mm時不同直徑下楞型和浮點型渦流發生器試片表面單位面積污垢生長曲線.從圖4可以看出：直徑為4mm的試片單位面積結垢量最大，直徑為5mm時單位面積的結垢量居中，而直徑為6mm時的結垢量最小.在渦流發生器排列尺寸不變的情形下，試片表面單位面積污垢沉積量隨著渦流發生器直徑尺寸的增大而減小.這是因為對于直徑較大的渦流發生器，近壁流體流動特性改變程度較大，其誘發的旋渦在強度上比直徑較小的渦流發生器的大；在傳播方式上，直徑較大的渦流發生器所誘發的旋渦除縱向傳遞外，還會產生較大幅度的橫向二次流傳播，使流體對壁面的沖刷作用增強，進而使試片表面污垢生長的漸近值受到較大抑制.

通過實驗發現，渦流發生器的直徑和排列間距不會影響污垢生長趨勢，表現出CaSO4析晶污垢較穩定的特性.因此，可通過優化排列間距和渦流發生器直徑來達到強化傳熱和減少試片表面單位面積結垢量的雙重目的，這也是實現節能減排的重要手段.

3 結 論

（1）污垢在渦流發生器迎流側沉積量較多，而在背流側較少.近壁流體在迎流側流速大幅度降低，甚至呈滯止狀態，為污垢沉積提供了有利條件，而在渦流發生器背側，由于縱向渦的作用，壁面受到的流體剪切力增大，因此污垢生長量較少.

（2）試片表面的污垢生長量隨渦流發生器直徑和排列間距的變化呈現出良好的規律性：在直徑（4 mm）一定時，楞型和浮點型渦流發生器試片表面的單位面積污垢沉積量均隨著渦流發生器排列間距的增大而增多；在排列間距一定時，這2種試片表面的單位面積污垢沉積量均隨著渦流發生器直徑的增大而減小.

（3）對于CaSO4析晶污垢這樣的單一污垢，其漸近式的生長特性不會隨著渦流發生器直徑和排列間距的改變而改變.

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