內置轉子強化管抗污垢性能數值模擬

張震　閻華　丁玉梅　關昌峰　楊衛民

摘要：采用數值模擬方法研究光管及內置螺旋葉片轉子強化管的抗污垢性能，得到換熱管顆粒污垢體積分數分布，研究流體流速對強化管抗污垢性能的影響.結果表明：與在相同條件下的光管相比，強化管管內沉積的污垢明顯減少；由于顆粒自身重力影響，底部沉積的污垢體積分數高于換熱管頂部；隨著流體流速的增加，強化管底部的顆粒污垢體積分數有所減小，頂部的顆粒污垢體積分數有所增大，并且強化管的顆粒污垢體積分數不斷趨近于入口處設置的顆粒污垢體積分數.

關鍵詞：螺旋葉片轉子； 顆粒； 污垢； 流速； 數值模擬

中圖分類號： TK172.4

文獻標志碼：B

0 引 言

換熱設備中的污垢是指流體中的組分或雜質在與之相接觸的換熱表面上逐漸沉積附著而積累起來的一些固態物質.[1]在燒堿蒸發器、制糖、造紙、污水處理和海水淡化等工業領域的換熱設備中，換熱壁面存在的結垢現象較為普遍.換熱面上結垢不僅惡化換熱設備的傳熱性能，增大金屬材料的消耗，而且污垢層增厚會減小流體的流通截面積，增大流體阻力.此外，換熱面上結垢還會引起換熱面的局部腐蝕甚至穿孔，嚴重威脅換熱器的安全運行.為此，國內外研究學者開發多種強化傳熱及自清潔技術，主要包括螺旋線圈、螺旋彈簧、螺旋紐帶和液輪機等，如圖1所示的組合轉子強化傳熱及自清潔裝置是基于“場協同”理論[2]以及高分子材料先進制造“微積分”思想[3]提出的較新的管程內插件技術.在強化傳熱性能研究方面，文獻[4-8]采用實驗方法對比分析組合轉子的結構形式和轉子串間距對其傳熱及阻力特性的影響；文獻[9]數值模擬組合轉子的葉片傾角對其強化傳熱性能的影響；文獻[10-14]采用實驗和模擬手段分析組合轉子的幾何參數、轉子間距和左右旋向組合方式等對其強化換熱性能的影響.在抗污垢性能研究方面，趙本華等[15]對在相同條件下同向轉子強化管、旋向交叉轉子強化管以及光管的污垢沉積情況進行實驗研究對比，結果表明旋向交叉轉子的自清潔效果最佳，光管中沉積的污垢最多；姜鵬等[16]建立內置組合轉子圓管內CaCO3析晶污垢形成過程的數學模型，得到強化管內污垢的沉積率、剝蝕率、凈存速率和污垢熱阻隨時間的變化.由于在實際工業生產中較為常見的污垢形式為顆粒污垢，因此本文采用顆粒污垢形式以及數值模擬方法分析螺旋葉片轉子的抗污垢性能，并與光管進行對比，同時研究管程流體的流速對顆粒污垢沉積的影響.

摘要：采用數值模擬方法研究光管及內置螺旋葉片轉子強化管的抗污垢性能，得到換熱管顆粒污垢體積分數分布，研究流體流速對強化管抗污垢性能的影響.結果表明：與在相同條件下的光管相比，強化管管內沉積的污垢明顯減少；由于顆粒自身重力影響，底部沉積的污垢體積分數高于換熱管頂部；隨著流體流速的增加，強化管底部的顆粒污垢體積分數有所減小，頂部的顆粒污垢體積分數有所增大，并且強化管的顆粒污垢體積分數不斷趨近于入口處設置的顆粒污垢體積分數.

關鍵詞：螺旋葉片轉子； 顆粒； 污垢； 流速； 數值模擬

中圖分類號： TK172.4

文獻標志碼：B

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換熱設備中的污垢是指流體中的組分或雜質在與之相接觸的換熱表面上逐漸沉積附著而積累起來的一些固態物質.[1]在燒堿蒸發器、制糖、造紙、污水處理和海水淡化等工業領域的換熱設備中，換熱壁面存在的結垢現象較為普遍.換熱面上結垢不僅惡化換熱設備的傳熱性能，增大金屬材料的消耗，而且污垢層增厚會減小流體的流通截面積，增大流體阻力.此外，換熱面上結垢還會引起換熱面的局部腐蝕甚至穿孔，嚴重威脅換熱器的安全運行.為此，國內外研究學者開發多種強化傳熱及自清潔技術，主要包括螺旋線圈、螺旋彈簧、螺旋紐帶和液輪機等，如圖1所示的組合轉子強化傳熱及自清潔裝置是基于“場協同”理論[2]以及高分子材料先進制造“微積分”思想[3]提出的較新的管程內插件技術.在強化傳熱性能研究方面，文獻[4-8]采用實驗方法對比分析組合轉子的結構形式和轉子串間距對其傳熱及阻力特性的影響；文獻[9]數值模擬組合轉子的葉片傾角對其強化傳熱性能的影響；文獻[10-14]采用實驗和模擬手段分析組合轉子的幾何參數、轉子間距和左右旋向組合方式等對其強化換熱性能的影響.在抗污垢性能研究方面，趙本華等[15]對在相同條件下同向轉子強化管、旋向交叉轉子強化管以及光管的污垢沉積情況進行實驗研究對比，結果表明旋向交叉轉子的自清潔效果最佳，光管中沉積的污垢最多；姜鵬等[16]建立內置組合轉子圓管內CaCO3析晶污垢形成過程的數學模型，得到強化管內污垢的沉積率、剝蝕率、凈存速率和污垢熱阻隨時間的變化.由于在實際工業生產中較為常見的污垢形式為顆粒污垢，因此本文采用顆粒污垢形式以及數值模擬方法分析螺旋葉片轉子的抗污垢性能，并與光管進行對比，同時研究管程流體的流速對顆粒污垢沉積的影響.

摘要：采用數值模擬方法研究光管及內置螺旋葉片轉子強化管的抗污垢性能，得到換熱管顆粒污垢體積分數分布，研究流體流速對強化管抗污垢性能的影響.結果表明：與在相同條件下的光管相比，強化管管內沉積的污垢明顯減少；由于顆粒自身重力影響，底部沉積的污垢體積分數高于換熱管頂部；隨著流體流速的增加，強化管底部的顆粒污垢體積分數有所減小，頂部的顆粒污垢體積分數有所增大，并且強化管的顆粒污垢體積分數不斷趨近于入口處設置的顆粒污垢體積分數.

關鍵詞：螺旋葉片轉子； 顆粒； 污垢； 流速； 數值模擬

中圖分類號： TK172.4

文獻標志碼：B

0 引 言

換熱設備中的污垢是指流體中的組分或雜質在與之相接觸的換熱表面上逐漸沉積附著而積累起來的一些固態物質.[1]在燒堿蒸發器、制糖、造紙、污水處理和海水淡化等工業領域的換熱設備中，換熱壁面存在的結垢現象較為普遍.換熱面上結垢不僅惡化換熱設備的傳熱性能，增大金屬材料的消耗，而且污垢層增厚會減小流體的流通截面積，增大流體阻力.此外，換熱面上結垢還會引起換熱面的局部腐蝕甚至穿孔，嚴重威脅換熱器的安全運行.為此，國內外研究學者開發多種強化傳熱及自清潔技術，主要包括螺旋線圈、螺旋彈簧、螺旋紐帶和液輪機等，如圖1所示的組合轉子強化傳熱及自清潔裝置是基于“場協同”理論[2]以及高分子材料先進制造“微積分”思想[3]提出的較新的管程內插件技術.在強化傳熱性能研究方面，文獻[4-8]采用實驗方法對比分析組合轉子的結構形式和轉子串間距對其傳熱及阻力特性的影響；文獻[9]數值模擬組合轉子的葉片傾角對其強化傳熱性能的影響；文獻[10-14]采用實驗和模擬手段分析組合轉子的幾何參數、轉子間距和左右旋向組合方式等對其強化換熱性能的影響.在抗污垢性能研究方面，趙本華等[15]對在相同條件下同向轉子強化管、旋向交叉轉子強化管以及光管的污垢沉積情況進行實驗研究對比，結果表明旋向交叉轉子的自清潔效果最佳，光管中沉積的污垢最多；姜鵬等[16]建立內置組合轉子圓管內CaCO3析晶污垢形成過程的數學模型，得到強化管內污垢的沉積率、剝蝕率、凈存速率和污垢熱阻隨時間的變化.由于在實際工業生產中較為常見的污垢形式為顆粒污垢，因此本文采用顆粒污垢形式以及數值模擬方法分析螺旋葉片轉子的抗污垢性能，并與光管進行對比，同時研究管程流體的流速對顆粒污垢沉積的影響.