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强化管传热弧线管与光管
题目：
冷却水污垢的实验研究
摘要
强化管是提高换热能力的一种换热元件，在电力、化工、石油及海水淡化等行业中得到了广泛的应用。
有关强化管换热特性的研究较多，但关于污垢特性的研究还很少。
本文以弧线管的污垢特性为研究重点，主要采用了对比实验（弧线管与光管）的研究方法。
首先，在冷态下，进行了弧线管与光管的流动阻力特性的实验研究；在热态下，进行了传热特性的实验研究，得到了相关的特征曲线及关联式。
实验结果表明：
弧线管的流动压降和阻力系数高于光管。
随Reynolds数的增大，它们的差距越来越大，弧线管的流动压降大约是光管的374％～909％。
然后，采用对比实验的研究方法，利用MgO颗粒或硬度为600mg/L和1200mg/L的人工硬水作为工质，弧线管在600mg/L下分别以流速为0.37m/s，0.49m/s做了对比试验，验证了流速越大，诱导期越长：
流速越小，结垢越快。
在流速为0.56m/s下，做了弧线管和光管在硬度为600mg/L条件下的对比试验。
得出在实验条件下，弧线管微粒污垢热阻要小于对应光管的，污垢热阻渐近值大约为光管的0.9倍,而且弧线管的微粒污垢热阻的增长速度也比光管小,达到渐近热阻值的时间约为光管的2倍。
关键词：
弧线管；传热特性；污垢；污垢热阻；流动特性
Title:
Experimentalstudyofcoolingwaterfouling
Abstract
Enhancedtubescanincreasestheheattransferperformances.andarewidelyusedinpower,chemical,petroleumandseadesaltfactories.Morepapersareontheheattransferperformancesofenhancedtubes,butfewonesareonthefoulingcharacteristicsofthetubes.Inthispaper,characteristicsofenhancedtubeswithafocusondirt,themainuseofthecomparativeexperimentalresearchmethods.
Firstly,experimentalstudiesarecarriedoutontheflowperformancesofthefourenhancedtubesatcoldposition;meanwhile,theheattransferperformancesofthesetubesaretestedatthermalstate.Therelatedperformancecurvesandthedimensionlesscorrelationaregot.Theresultsshowthat：
flowPressuredropandresistancecoefficientofEnhancedtubeishigherthanfluorescenttubes.WiththeincreaseofReynoldsnumber,Agrowinggapbetweenthem.Then,useingComparativeexperimentalresearchmethods.UsingMgOparticleswhichhardnessis600mg/Land1200mg/Lofartificialhardwaterasworkingfluid.Undertheconditionsof600mg/L,Enhancedtubeswascomparedtothetest（Velocityare0.37m/sand0.49m/s）.Experimentsshow:
Thegreaterthevelocity,thelongertheinductionperiod:
thesmallertheflowrate,thefasterscaling.Ataflowrateof0.56m/s,Imadearctubeandfluorescenttubes'comparativetrialsinthehardnessof600mg/L.ParticulatefoulingresistanceofArctubeislessthanCorrespondingfluorescenttubes'.Asymptoticvalueoffoulingresistanceisapproximately0.9timesoffluorescenttubes',Arctube'growthrateoffoulingresistanceissmallerthanfluorescenttubes'.Timeisabout2timesoffluorescenttubes.aflterstable,thethermalresistanceisstilllessthanthecorrespondingfluorescenttubes.
Keywords：
Arctube;Heattransferperformance；Fouling；Foulingresistance；Flowperformance
主要符号表
拉丁字母符号
表面积 m2
cp
定压比热容 J/（kg·K）
管内径 m
f
沿程阻力系数
g
重力加流速 N/（Kg·s）
H
差压计的水柱高 m
对流换热表面传热系数 W/（m2·K）
总传热系数 W/（m2·K）
长度 m
Nu
努塞尔（Nuseelt）数
Q
热量 kJ
qv
流体的容积流量 m3/s
热阻 m2·K/W
Re
雷诺（Reynolds）数
T
恒温热源的温度 K
T0
环境温度 K
温度 ℃
流体流速 m/s
希腊字母符号
△P
压差 Pa
△tm
对数平均温压 ℃
热流量 W
相对误差 ％
导热系数 W/（m·K）
运动粘度 m2/s
密度 kg/m3
下角标
清洁状态
1,2,3
序号
a
弧线管
污垢；流体
流体入口
流体出口
内侧、入口
o
出口
光管
sy
水浴
管壁
目录
摘要I
AbstractII
主要符号表III
拉丁字母符号III
希腊字母符号III
下角标IV
第1章绪论1
1.1课题的背景1
1.2文献综述—国内外相关技术的发展2
1.3本课题所做的工作4
第2章测量原理及实验系统6
2.1测量原理6
2.1.1测量模型6
2.1.2测量模型的特点7
2.2实验系统7
2.2.1测量装置7
2.2.2实验步骤10
第3章实验系统可靠性验证及误差分析11
3.1实验系统可靠性验证11
3.1.1验证的方法11
3.1.2验证的结果11
3.2实验误差分析12
3.2.1测量元件的有关误差12
3.2.2误差分析12
第4章实验结果及讨论16
4.1弧线管和光管的阻力特性及传热特性16
4.1.1实验管的材料及几何尺寸16
4.1.2弧线管和光管的流动特性17
4.1.3弧线管和光管的传热特性18
4.2污垢特性21
4.2.1弧线管在不同流速下的颗粒污垢21
4.2.2弧线管在不同浓度下的颗粒污垢22
4.2.2弧线管和光管的颗粒污垢24
结论26
致谢27
参考文献28
第1章绪论
1.1课题的背景
换热设备是用来进行在不同温度下的不同介质流体之间传递热量的设备,是工农业生产和日常生活广为使用的设备之一。
Steinhagen等对新西兰1100家企业的3000台各类换热器的通信调查表明，90%以上的换热设备在运行过程中，都会出现不同程度的污垢问题[1]。
所谓污垢，是指在与不洁净流体相接触的换热面上沉积的那层固态物质，它通常是热的不良导体。
其导热率一般只有换热面主要材料—碳钢的数十分之一，和铜等热的良导体相比，差别就更大了。
一旦换热面上有了污垢，就在流体与换热面之间形成了附加传热热阻，称之为污垢热阻。
污垢的存在，使换热设备的传热能力降低﹑介质流动阻力增大，由此而造成了一系列的经济损失。
随着生产和科学技术发展，强化换热技术在近30年来获得了广泛的重视和发展。
首先，世界面临着能源短缺的局面。
开发新能源和节约能量消耗引起了世界各国有关部门的普遍关注。
设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源的最重要手段，这对于动力、石油、冶金、化工、制冷及食品等工业部门都有着极为重要的意义。
其次，随着航空、航天及核聚变等尖端技术的发展，各种换热设备的工作温度也在不断提高，为了保证换热设备能有足够长的工作寿命和在高热效率下安全运行，必须可靠而经济地解决换热器的安全和高效问题。
各种各样的新型高效换热器广泛应用到工业中，这又给换热器污垢研究者带来新的课题，例如各种强化换热元件的污垢特性如何，是一个非常重要的问题。
据VanNoslrand等[2]的估计，污垢使美国炼油工业每年损失达13.6亿美元。
Thackery[3]对英国1977年国民经济因污垢而增加的费用作了粗略估计，得出的结果为3到5亿英镑。
按杨善让等[4]所介绍的方法和文献[5]所公布的数据，对2001年我国各工业部门因污垢而造成的经济损失进行了估计，得出的结论是经济损失为287.799亿元。
徐志明等[6,7]按照冗长面积造成锅炉体积和投资增加﹑附加燃料费用和附加维护费用三方面进行了估算，2000年全国锅炉电站污垢造成的经济损失约为100.08亿元，约占当年GDP生产总值的0.11%。
电站凝汽器污垢造成的损失是很大的，2000年污垢造成的经济损失为28.7亿元。
由此可见，污垢造成的经济损失是惊人的，因而受到各国传热界的广泛关注。
为了防止和尽量减小污垢对换热设备的上述不利影响，人们不得不采取一系列的防垢、抑垢和除垢措施，诸如定期清洗、进行致垢流体的处理等，这些对策虽然在相当程度上减轻了污垢的上述危害，但却加大了换热设备的初投资，增加了必要的清洗设备，加大了设备的维护费用，缩短了设备的正常运行周期；加之，频繁的起、停会在一定程度上影响设备的寿命。
以上仅就污垢对换热设备的影响作了简要说明，由此已不难想见，污垢的危害之大[8]。
对于换热设备中的强化管传热表面对结垢特别敏感，一旦结垢出现，可能会大大降低传热特性，并且可能会失去其强化效果。
因此，必须研究强化管的污垢特性，为设计人员提供参考数据，以便确定合理的几何参数，使其具有较好的抗垢特性，从而长期保持较高的传热特性。
另一方面，每单位长度强化管的造价比光管的高，因此对于用户来说进行技术经济比较是必需的。
而污垢热阻值的差异以及结垢后的传热性能的差异是用户方面所必须了解的。
但是，由于污垢热阻的值通常只能通过实验测定，因此对强化管的污垢特性进行实验研究是十分必要的。
实际生产过程中由于循环水的水质差别较大，含有泥沙杂质等颗粒物质的循环冷却水会在换热表面形成颗粒污垢。
颗粒污垢的存在使换热面的传热效率降低，因而国内外强化管的抗颗粒污垢性能进行了大量的研究，提出了许多有益的见解[9-12]。
弧线管作为一种高效换热元件,在工业中有广泛应用。
但是，前人对弧线管的颗粒污垢性能方面的研究较少。
本文采用清洁的自来水添加氧化镁颗粒作为工质，对不同流速和颗粒浓度，在实验室里进行了弧线管及其对应光管颗粒污垢特性的对比实验，并对弧线管的颗粒污垢特性进行了分析。
1.2文献综述—国内外相关技术的发展
污垢是一种很早就被人们所注意的极为普遍的现象，早在上世纪20年代以前，就有关于污垢的观察和研究。
但直到1959年Kern和Seaton[13]提出了后来称作Kern-Seaton模型的污垢预测模型，才将污垢研究引上了科学的轨道，成为污垢科学研究中的一个重要里程碑。
Epstein对1960~1978年的170多篇污垢的文献作了全面系统的评述，总结了污垢热阻随时间变化的三种基本形式：
线性增长型、降率型和渐近型。
并提出按支配污垢沉积的关键的物理化学过程，将污垢分为六类：
（1）析晶污垢（PrecipitationFouling）：
这是在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐淀析在换热面上的结晶体，因而又称作结晶污垢。
当流体是冷却水或是蒸发设备中的液体时，这种污垢又称作水垢或锈垢。
（2）微粒污垢（ParticulateFouling）：
这是指悬浮在流体中的固体微粒在换热面上的积聚。
这种污垢包括较大固态颗粒在换热面上的重力沉淀，即所谓沉淀污垢和以其它机制形成的胶体粒子的沉积物。
（3）化学反应污垢（ChemicalReactionFouling）：
这是由化学反应形成的换热面上的沉积物，但换热面材料本身参与反应不在此列。
（4）腐蚀污垢（CorrosionFouling）：
这是换热面材料本身参与化学反应产生的腐蚀物的积聚。
这种污垢不仅污染了换热面，而且还能促使其它潜在的污秽物质附着于换热面而形成垢层。
（5）生物污垢（BiologicalFouling）：
这是宏观生物体附着于换热面上而形成的，生物污垢能产生粘泥，粘泥反过来又为生物污垢的繁殖提供条件。
（6）凝固污垢（FreezingFouling）：
这是纯净液体或多组份溶液的高溶解组份在过冷的换热面上的凝固而形成的。
后来，将上述六种污垢形成机制中的一种以上的几种机制同时发生而形成的污垢—混合污垢，列为第七种污垢[14]。
1979年召开了第一次换热设备污垢的国际学术会议，基于Epstein的分类，集中研究了各类污垢的共同特性。
发现用于解释一种类型污垢的理论，实际上也可用来作为解释其他类型污垢的基础。
本文主要研究弧线管和光管颗粒污垢，通过几组实验简单分析浓度和流速对污垢形成速度和最后达到稳态时Rf的影响。
从二十世纪八十年代以后，由于强化换热技术的兴起，出现了各种各样的强化换热元件，引起了人们对强化换热污垢特性的研究。
采取强化换热技术的目的是增大换热系数，阻止污垢的生成，减小污垢热阻。
早在1959年，Knudsen等[15]就发现横向外肋片的碳酸钙污垢热阻较比光管要小。
但强化换热面污垢特性研究的主要进展是在近30年。
陈彦泽等[16]对波纹管和光管的污垢性能进行了对比实验。
结果表明，结垢稳定时光管的热阻比波纹管的高出80%左右。
徐志明、张仲彬、邵天成对弧线管微粒污垢特性进行了研究，得出弧线管抗微粒污垢性能优于光管，其主要原因是由于弧线管与光管相比管壁呈现周期性变化，其内部流场和壁面的剪切力不同于光管，使得沉积壁面颗粒污垢所受的剥蚀力增大，污垢颗粒很难沉积在壁面上：
从实验结果看微粒污垢也具有一定的诱导期，在实验条件下诱导期受微粒浓度和速度影响较大：
弧线管的微粒污垢随着流速的增加而减小,随着微粒浓度的增大而增大。
Li等[17，18]给出了流经管内侧强化管的冷却水的长期污垢实验结果。
实验工质为800ppm钙硬度水，污垢机制为析晶污垢与颗粒污垢的混合污垢。
采用了7种不同几何参数的内螺旋肋片管和一种光管进行了2500小时的实验。
发现7根强化管的污垢热阻值均高于光管。
他突出的贡献是发现随着头数和螺旋角的增加，结垢有增加的趋势。
另外一些学者对流动介质进行特殊处理，改变流动介质的流动特性，从而增强传热系数，达到延期污垢热阻的形成。
Förster等[19]为了减小污垢的影响，提出了两种方法。
一种是改变换热器表面的几何形状和表面能，达到延长污垢的诱导期；另一种是流体流动的调整。
通过两种方法的结合，提出了一种振动的技术抑制了污垢的形成，取得了很好的效果；另外将9种材料的表面能与污垢的诱导期比较后推测，表面能与污垢特性没有直接关系。
但却可将5种材料的表面铺展系数（spreadingcoefficients）与诱导期相关联。
BipanBansal等[20]通过在流体使用1毫米的氧化铝颗粒，缩短了沉积时间，降低了沉积率，提高了剥蚀率。
Stergios等[21]通过微小颗粒在平板表面的实验研究，在流动特性和物理化学相互作用的传输和吸附效应下，得到了颗粒粘性对污垢形成的影响。
杨俊兰等[22]采取扭带螺旋线圈及绕花丝三种常用的管内插物强化换热技术，从综合强化性能来看，螺旋线圈内插物比纽带效果好，绕花丝内插物是一种新综合强化换热技术，它优于前两种内插物的特点是：
可使流体在流动方向上做复杂的三维混合流动，产生的阻力非常小。
刑小凯等[23]在自行设计的电磁抗垢实验装置上，对热态工况下低频电磁抗垢（EAF）技术进行了实验考察。
结果表明，在外加交变电磁场的情况下，总传热系数及污垢热阻发生了明显的变化，实验结束时污垢热阻下降了61%。
不同的电磁场频率导致不同的抗垢效果，在本实验条件下，频率为700Hz时抗垢效果最佳。
张登庆等[24]通过对换热器内安置流体诱导机构件进行了传热和抗污垢性能的实验研究，有内件时，管内侧换热系数的K值明显高于无内件管，且比较稳定，但小流量是强化传热效果明显以错排时为佳。
通过插入圆管内件使流体出现卡曼涡街现象，彻底破坏壁面附近的层流层，可限制污垢在壁面附近的沉积，使污垢诱导期延长，从而达到长期高效的目的。
结垢诱导期对结垢具有特殊最重要的意义，如能真正将结垢控制在诱导期内，实际上也就实现了抗垢的目的。
1.3本课题所做的工作
1.根据实验要求和实际情况，对现有实验台进行改造，以满足本实验的要求和目的；
2.利用该实验平台对以熟悉光管特性进行了验证，证实本实验系统的可靠性；
3.利用该实验系统对所要实验的强化管（弧线管）及光管进行了研究，为理论的推导提供可靠的实验数据；
4.利用该实验系统对上述典型的强化管及对应的光管进行了污垢特性的对比实验研究，得到了各自污垢热阻随时间的变化关系；
5.对上述典型弧线管及对应光管进行了结垢前后传热特性的对比实验分析；
6.对该实验系统进行了误差分析；
由于实验时间较长，用电量较大，所以分析实验设备用电情况，以备以后改进，做到节能减排。
第2章测量原理及实验系统
2.1测量原理
2.1.1测量模型
本文的主要目的是考察弧线管与其对应光管污垢特性的差异以及自身在不同工况下的差异，而结垢是影响其传热特性的一个主要因素。
为了对比它们结垢前后传热特性的变化，这里有必要推导出管内对流换热系数的关系式。
单位时间由管壁传递给工质的热量，可由牛顿冷却公式求得：
（2-1）
式中，
（2-2）
管壁的内表面温度
由三个测点的平均温度得出；
（2-3）
这里，忽略了管壁的导热热阻，将测出的外表面温度近似作为内表面温度。
而流体的温度，可由流体进出口温度的平均温度得出。
由热平衡方程可得：
（2-4）
（2-5）
联立式（2-1）和式（2-4）得管内对流换热表面传热系数：
（2-6）
其中：
由污垢热阻的定义式[25]：
（2-7）
以光管内表面积为基准的总传热系数可由传热方程求得：
（2-8）
将式（2-4）代入式（2-8）即得：
（2-9）
其中：
（2-10）
清洁状态下的总传热系数
同样由式（2-9）确定，只不过各参数的值均为清洁状态下的值。
最后，由式（2-7）便可得出污垢热阻。
由此可见，不同状态下所需测量的参数略有不同，为了达到实验的精度，我们在实验过程中控制误差在允许范围内。
实验过程中流动压降测量采用压差计测量。
沿程阻力系数计算公式：
（2-11）
通过差压计和公式（2-12）,我们能够算出不同类型强化管的流动压降的变化，从而能够计算出沿程阻力系数的大小，这样我们能够看出弧线管在强化换热时所付出的代价。
2.1.2测量模型的特点
（1）需要先测量清洁状态下的传热系数值，然后进行测量加药快速污垢强化换热的传热系数值，中间过程需要人员时时监控。
（2）不能测量局部污垢热阻，只能得到换热面的平均污垢热阻。
（3）完全从污垢热阻的原始定义出发，没有任何假设，应用范围广。
（4）可以很方便地应用到各种强化换热管中。
（5）从以前的实验经验来看，污垢热阻测量值的波动较小，测量稳定性与可靠性较好。
2.2实验系统
2.2.1测量装置
（1）组成
实验系统如图2-1所示，硬件的组成部分有：
强化管、光管、水浴水箱、电加热器、温控器、交流接触器、循环水泵、高位水箱、低位水箱、冷却水系统、管道调节阀门、温度传感器、主机、数据采集器、数据通讯卡等。
该实验系统由两套完全独立的子系统组成，两个子系统的主体分别由一根弧线管和光管所组成的单个管换热器。
基于实验的环境要求，两套子系统公用一个水浴，以保证管外工作条件一致。
两套单管换热器平行对称安装在水浴水箱的两端板上（详见下图）。
图2-1污垢热阻动态测量系统示意图
（2）水箱
水浴水箱的大小为2.2m×0.25m×0.3m。
其外表面设有保温层，内表面为不锈钢，防止生锈。
水浴的热源是三根完全相同的长直状的管型电加热器，平行并对称布置在单管换热器的下方，以保证温度场的均匀。
加热器同样安装在水浴水箱两端板上。
每根加热器的功率为3kw，分别接入三相交流电的一相，以保证电流平衡，减少长时间运行时，电流不平衡导致停电。
高位水箱负责向实验段提供工质并通过溢流管保持恒定的水位高度从而使得实验段中工质流速恒定。
高位水箱至实验段之间安装有调节阀门，在实验段出口处也安装调节阀门配合使用，用以调节工质流速，保证两子系统中工质流速一致。
低位水箱内装冷凝器，以维持相对较低的工质温度，保证换热管入口温度在要求范围内。
冷却水是自来水。
两子系统中的冷却器采用并联方式连接，即从同一入口引入冷却水，单管引出。
这样做减小出口流速的耦合，减小人工调节阀门的频率。
冷却器与出口之间安装有一调节阀门，可以调节冷却水的各自流量，以保证两子系统中的实验段工质的入口温度一致。
（3）温度控制
水浴温度的稳定通过温控仪及交流接触器来控制。
水浴温度的高低由温控仪来设定。
温控仪采用XMTA-2002型数显温控仪，其精度为1.0级，配用Pt100热电阻探头，量程为0～100℃。
交流接触器用来接收温控仪发出的信号来控制电加热器的通断。
采用LongLive固态继电器220D04与CJX2-1810型交流接触器配合使用，减少接触器的通断频率。
（4）实验测量与要求
测量清洁状态传热特性时管内流动的工质为清洁的自来水；测量污垢热阻时管内流动的工质为人工硬水或MgO颗粒。
运行时，循环水泵将工质从低位水箱送到高位水箱。
采用WiLo－Star-RS型管道泵，其参数零流量时扬程6米，3级手动调速，转速范围1100－2200r/min。
两实验段各安装有3个壁温测点、1个入口温度测点、1个出口温度测点和2个水浴温度测点。
壁温由T型热电偶来测量，出入口温度及水浴温度由Pt100热电阻来测量，流量信号采用人工称重法来实现。
所有测量信号经由传输电缆通过数据采集卡送入计算机进行处理。
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