污垢对能量传递过程影响的机理研究及其应用

论文摘要

积垢或污染是自然界中一种极为普遍的现象,也是环境中的一个重要问题之一。污垢的存在给换热设备带来了一系列的经济损失,从而成为换热设备设计、运行、维护的一个重要方面,因此,分析污垢对能量传递过程的影响就显得尤其重要。目前,对于污垢对传热过程的影响,大多认为污垢沉积在固体表面,增加了传热过程的导热热阻,然而这一观点在对污垢的沉积达到稳定后是适用的,但是在污垢的形成阶段,由于存在污垢组分的传质扩散,而传质对传热是有影响的,但这种影响在污垢的研究中常被有关文献忽略。另外,在污垢形成的初始阶段,常出现换热增强的现象,这一现象已于上个世纪被一些学者通过实验证实,对这一现象的解释,通常认为在初始阶段由于污垢表面粗糙度的变化所引起的,而由Ceylan等人的实验结果表明,污垢层的粗糙度对传热的增强并不有效,所以需要从新的角度对这一现象加以理论解释。本文引入了热质传递的薄膜理论,结合Kern和Seaton提出的渐近污垢模型,研究圆管和外掠平板流动污垢形成阶段的对流换热特性,得到了在考虑结垢传质条件下圆管和外掠平板流动对流换热系数的计算式。同时分别讨论了圆管和外掠平板流动污垢对对流换热效果作用的影响因素。并把结果与不考虑污垢的清洁换热面情形做了对比,从理论上解释了结垢初期换热增强的现象。此外,本文首次提出了圆管内临界污垢层厚度的概念,得到了临界污垢层厚度的表达式,分析了临界污垢层厚度的影响因素,并从临界污垢层厚度的角度对结垢初期换热增强的现象做了新的理论解释。另一方面,目前对换热设备最佳清洗周期的确定常采用污垢影响传热量多少的方法,然而换热设备在进行热量传递的同时,也在进行火用的传递,而从能量的质量角度来计算最佳清洗周期,目前还未见有关文献报道。本文引入了换热器的传火用有效度和传热有效度,对换热器进行了热经济性分析,研究了换热器的清洗周期,得到了换热器的总费用表达式,以此可以得到换热器的最佳清洗周期。并把结果与传统上确定的换热器最佳清洗周期的结果进行了比较,分析了换热器最佳清洗周期的影响因素,从而为工程上换热器的清洗提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 污垢的基本理论简介
• 1.2.1 污垢的分类
• 1.2.2 污垢的形成过程
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 污垢的研究现状
• 1.3.2 污垢对能量传递过程影响的研究现状
• 1.3.3 换热设备污垢最佳清洗周期的研究现状
• 1.4 本文研究的目的和主要内容
• 1.4.1 本文研究的目的
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 2 污垢对能量传递过程传热性能影响的研究
• 2.1 引言
• 2.2 污垢形成初始阶段热质传递数学物理模型的建立
• 2.2.1 圆管内污垢形成初始阶段传质对传热的影响
• 2.2.2 外掠平板污垢形成初始阶段传质对传热的影响
• 2.3 污垢形成初始阶段传质对传热影响的计算分析
• 2.3.1 圆管污垢形成初始阶段传质对传热影响的计算分析
• 2.3.2 外掠平板污垢形成初始阶段传质对传热影响的计算分析
• 3 临界污垢层厚度的确定
• 3.1 引言
• 3.2 临界污垢层厚度数学物理模型的建立
• 3.2.1 紊流状态下的临界污垢层厚度
• 3.2.2 充分发展层流状态下的临界污垢层厚度
• 3.3 临界污垢层厚度的计算分析
• 3.3.1 紊流状态下临界污垢层厚度的计算分析
• 3.3.2 充分发展层流状态下临界污垢层厚度的计算分析
• 4 换热器最佳清洗周期的确定
• 4.1 引言
• 4.2 换热器最佳清洗周期物理数学模型的建立
• 4.3 换热器最佳清洗周期的计算分析
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录