换热面上结垢过程数值模拟

论文摘要

污垢广泛存在于工业生产的多种过程中,严重妨碍换热设备的正常运行,造成能源的巨大浪费和惊人的经济损失,是传热界十分关注而又未能完全解决的主要问题之一,对结垢规律的研究已受到人们的广泛关注。本文基于数值方法对CaSO4在换热面上的结垢过程展开了如下主要工作:从数值模拟技术入手,编制了基于二维非结构化同位网格的通用对流换热求解程序,压力校正采用SIMPLE算法,并用显式校正步法对其进行显式校正;并对程序进行了考核。分析CaSO4污垢的形成机理,提出了适用于CaSO4污垢的结晶-颗粒沉积混合污垢模型和根据成核速率计算溶液中悬浮颗粒的浓度的方法。考虑到污垢沉积对流道和换热热阻的影响,针对矩形通道底部换热面上的结垢,提出了主流速度修正和实际热流密度修正的思路,及其采用数值模拟对成垢过程动态模拟的步骤。动态模拟了流经矩形通道的CaSO4过饱和溶液在底部换热面的结垢过程,其中强制对流换热的流场和温度场采用所编制的SIMPLE程序计算,污垢生成采用污垢模型计算。首先,不考虑颗粒沉积的影响,模拟了结晶污垢生成过程,得到了热流量分布、壁面和垢层表面温度、污垢生成速率,进而计算出污垢热阻值,结果与文献实验值基本一致。在此基础上引入颗粒污垢模型,计算了在颗粒沉积-结晶机制共同作用下的CaSO4污垢生成过程,得出考虑颗粒沉积时的平均污垢热阻和不考虑时的比值范围为2.44-5.84;同时表明污垢层的厚度规律为沿来流方向“前薄后厚”,污垢热阻值随时间而增加,增加的幅度越来越小。考察了流体流速、污垢表面温度和溶液过饱和度对结垢行为的影响。保持垢层表面温度不变时,CaSO4结垢速率随流速增大而增大;而热通量恒定不变时,结垢速率随流速增大而减小。表面温度升高,结垢速率增大,且温度越高,增加的幅度越大。随溶液浓度增加,结垢速率增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 污垢的研究方法
• 1.2.2 结晶污垢的结垢规律研究
• 4 污垢生成机理的研究'>1.2.3 CaSO₄污垢生成机理的研究
• 1.2.4 污垢模型和数值模拟研究进展
• 1.3 存在的问题
• 1.4 本文研究目的和主要内容
• 第二章 污垢的基本理论
• 2.1 概述
• 2.1.1 污垢的分类
• 2.1.2 污垢的形成过程
• 2.1.3 污垢的测试方法和评价指标
• 2.2 结晶基本理论
• 2.2.1 溶液的浓度
• 2.2.2 溶解度和过饱和度
• 2.2.3 晶核的形成
• 2.2.4 晶体生长
• 2.3 固体颗粒的沉积
• 2.3.1 输运过程
• 2.3.2 附着过程
• 2.4 污垢理论模型
• 2.4.1 Kern-Seaton 模型
• 2.4.2 两步法结晶垢模型（离子扩散模型）
• 2.4.3 Population Balance 模型
• 2.4.4 HTRI 模型
• 2.4.5 Reitzer 模型
• 2.4.6 微粒污垢剥蚀模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 非结构化网格上的 SIMPLE 程序设计及考核
• 3.1 直角坐标系下的控制方程
• 3.2 网格和变量布置
• 3.3 数值方法
• 3.3.1 通用控制方程在任意多边形单元上的离散
• 3.3.2 压力校正方程
• 3.3.3 非结构化网格上SIMPLE 算法的计算步骤
• 3.3.4 显式校正步法
• 3.3.5 线性方程组求解
• 3.3.6 流函数的计算
• 3.4 程序考核
• 3.4.1 方腔内顶盖驱动流动
• 3.4.2 方腔自然对流
• 3.4.3 圆柱外部绕流
• 3.5 本章小结
• 第四章 硫酸钙在换热面结垢过程的模型研究
• 4.1 物理模型
• 4.2 结晶-颗粒沉积混合污垢模型
• 4.2.1 混合污垢生成速率
• 4.2.2 结晶污垢沉积速率
• 4.2.3 颗粒污垢沉积速率
• 4.2.4 颗粒浓度的计算
• 4.2.5 污垢剥蚀速率
• 4.3 数值模拟模型
• 4.3.1 对流传热模型
• 4.3.2 结垢模型
• 4.3.3 算法与求解思路
• 4.3.4 计算区域和边界条件
• 4.4 计算流程图
• 4.5 本章小结
• 第五章 硫酸钙结垢过程的数值模拟
• 5.1 只考虑结晶污垢时的模拟结果
• 5.1.1 热流量分布
• 5.1.2 壁面和垢层表面温度
• 5.1.3 污垢沉积速率和剥蚀速率
• 5.1.4 垢层厚度
• 5.1.5 污垢热阻
• 5.1.6 主体浓度
• 5.2 考虑颗粒污垢时的模拟结果
• 5.2.1 垢层表面温度
• 5.2.2 颗粒浓度
• 5.2.3 污垢生成速率
• 5.2.4 污垢热阻
• 5.3 影响结垢的参数
• 5.3.1 速度的影响
• 5.3.2 表面温度的影响
• 5.3.3 过饱和度的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢