兩種柱形渦流發(fā)生器CaSO4析晶污垢特性實(shí)驗(yàn)研究

徐志明， 劉坐東， 王宇朋， 張仲彬

（東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林132012）

污垢廣泛存在于各種換熱設(shè)備中，而CaSO4是傳熱表面污垢的主要成分之一.據(jù)調(diào)查，90%以上的換熱設(shè)備都存在著污垢問題［1］，已有不少學(xué)者對(duì)換熱器強(qiáng)化傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方面的研究［2－3］.渦流發(fā)生器是基于被動(dòng)式強(qiáng)化傳熱技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種強(qiáng)化傳熱元件.經(jīng)研究表明：渦流發(fā)生器具有優(yōu)良的強(qiáng)化傳熱性能［4－6］.迄今為止，國內(nèi)外對(duì)加裝渦流發(fā)生器傳熱表面的污垢特性研究相對(duì)比較少.筆者在渦流發(fā)生器強(qiáng)化傳熱性能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究和分析了渦流發(fā)生器對(duì)傳熱表面結(jié)垢的影響.

根據(jù)主流在經(jīng)過渦流發(fā)生器時(shí)的變化可以將渦流發(fā)生器分為兩個(gè)區(qū)域：滯止區(qū)和分離區(qū).在滯止區(qū)，主流受到誘導(dǎo)產(chǎn)生縱向渦，低速流體在縱向渦的帶動(dòng)下發(fā)生邊界層分離，向遠(yuǎn)離壁面的方向運(yùn)動(dòng)；在分離區(qū)，產(chǎn)生的縱向渦旋流繼續(xù)向下游傳遞，增加了主流在垂直壁面方向的二次流，促進(jìn)了主流和邊界層內(nèi)熱量和能量的交換.有研究表明，CaSO4結(jié)垢過程受工質(zhì)速度場和溫度場的影響較大［7］.在低流速下，CaSO4結(jié)垢阻力主要來自對(duì)流傳質(zhì)阻力，主流和邊界層的互動(dòng)強(qiáng)化了傳熱，減小了CaSO4向壁面的輸運(yùn)阻力，污垢顆粒到達(dá)壁面的幾率增加，但同時(shí)壁面受到的近壁流體剪切力增大，污垢剝蝕作用加強(qiáng).此外，不同尺寸和形狀的渦流發(fā)生器產(chǎn)生的縱向渦強(qiáng)度以及在通道內(nèi)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.從圖1可知：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由上水箱、下水箱、矩形流道、循環(huán)水泵、流量計(jì)、加熱器以及溫度控制器等主要部件組成.運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水泵將工質(zhì)從下水箱送至上水箱，上水箱負(fù)責(zé)向?qū)嶒?yàn)段提供水源并通過溢流板保持恒定水位.

實(shí)驗(yàn)工質(zhì)是質(zhì)量濃度為2 100mg／L的CaSO4過飽和溶液，工質(zhì)流速為0.1m／s，工質(zhì)溫度維持在50℃，每次實(shí)驗(yàn)采用4組試片，分兩列沿軸線對(duì)稱并排放置，排列間距為30mm，以保證主流速度對(duì)試片的沖刷.每列縱向放置10個(gè)試片，流道和漸擴(kuò)段均用PP板焊接加工而成.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

實(shí)驗(yàn)選用浮點(diǎn)型和楞型兩種渦流發(fā)生器（見圖2）.渦流發(fā)生器及間距的大小由模具沖壓而成，實(shí)驗(yàn)時(shí)將渦流發(fā)生器做成掛片，然后將掛片架掛在實(shí)驗(yàn)段，每隔一定的時(shí)間取出一片，再采用離線稱重法測出在不同實(shí)驗(yàn)運(yùn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法

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

圖2 兩種渦流發(fā)生器Fig.2 Two kinds of vortex generators

楞型試片表面積的計(jì)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(shí)驗(yàn)前試片的質(zhì)量，g；m2為運(yùn)行一段時(shí)間后試片的質(zhì)量，g.

將式（1）代入式（3）中，得到浮點(diǎn)型試片單位面積污垢沉積量為：

式中：dr為浮點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)采用正交的方式，主要分析渦流發(fā)生器尺寸和排列間距這2個(gè)因素對(duì)表面CaSO4污垢生成量的影響.

2.1 試片表面結(jié)垢狀態(tài)分析

通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到：污垢大部分沉積在渦流發(fā)生器迎流一側(cè)，而在背流側(cè)沉積量則很少，這是因?yàn)榱黧w在渦流發(fā)生器迎流一側(cè)受到的流動(dòng)阻力較大，流動(dòng)狀況較差，從而為污垢沉積提供了有利條件；而在背流側(cè)，流體產(chǎn)生的縱向旋渦使得近壁流場湍流度增大，促進(jìn)了主流與近壁流體的混合，流體對(duì)壁面的沖刷作用加強(qiáng)，因此加快了對(duì)沉積到壁面的污垢的剝蝕，所以形成了試片表面獨(dú)特的污垢沉積現(xiàn)象：一側(cè)多，一側(cè)少.

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為直徑是4mm時(shí)不同排列間距下楞型和浮點(diǎn)型渦流發(fā)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(fā)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?yàn)闇u流發(fā)生器排列間距對(duì)通道內(nèi)誘發(fā)的縱向渦的強(qiáng)度和傳播距離都有影響.較小的排列間距使通道內(nèi)流動(dòng)阻力增大，壁面受到流體的剪切力也相應(yīng)增大，導(dǎo)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(duì)壁面的沖刷作用相應(yīng)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(fā)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(fā)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(shí)不同直徑下楞型和浮點(diǎn)型渦流發(fā)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(jié)垢量最大，直徑為5mm時(shí)單位面積的結(jié)垢量居中，而直徑為6mm時(shí)的結(jié)垢量最小.在渦流發(fā)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(fā)生器直徑尺寸的增大而減小.這是因?yàn)閷?duì)于直徑較大的渦流發(fā)生器，近壁流體流動(dòng)特性改變程度較大，其誘發(fā)的旋渦在強(qiáng)度上比直徑較小的渦流發(fā)生器的大；在傳播方式上，直徑較大的渦流發(fā)生器所誘發(fā)的旋渦除縱向傳遞外，還會(huì)產(chǎn)生較大幅度的橫向二次流傳播，使流體對(duì)壁面的沖刷作用增強(qiáng)，進(jìn)而使試片表面污垢生長的漸近值受到較大抑制.

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，渦流發(fā)生器的直徑和排列間距不會(huì)影響污垢生長趨勢，表現(xiàn)出CaSO4析晶污垢較穩(wěn)定的特性.因此，可通過優(yōu)化排列間距和渦流發(fā)生器直徑來達(dá)到強(qiáng)化傳熱和減少試片表面單位面積結(jié)垢量的雙重目的，這也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段.

3 結(jié) 論

（1）污垢在渦流發(fā)生器迎流側(cè)沉積量較多，而在背流側(cè)較少.近壁流體在迎流側(cè)流速大幅度降低，甚至呈滯止?fàn)顟B(tài)，為污垢沉積提供了有利條件，而在渦流發(fā)生器背側(cè)，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(fā)生器直徑和排列間距的變化呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性：在直徑（4 mm）一定時(shí)，楞型和浮點(diǎn)型渦流發(fā)生器試片表面的單位面積污垢沉積量均隨著渦流發(fā)生器排列間距的增大而增多；在排列間距一定時(shí)，這2種試片表面的單位面積污垢沉積量均隨著渦流發(fā)生器直徑的增大而減小.

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

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