换热器换热管内插螺旋流态化传热及除防垢的影响因素

通过内插螺旋方法使换热器换热管内流体产生螺旋流,实验研究了管内螺旋流/螺旋流态化的颗粒直径、颗粒浓度、螺旋结构参数及温差对强化传热及除垢、防垢性能的影响. 结果表明,在实验范围内,换热器换热管内螺旋流态化比螺旋流的传热系数提高15%~20%;颗粒直径5 mm比3 mm的传热系数提高5.4%;颗粒浓度15%(j)比5%(j)传热系数提高15.3%;外径螺旋30 mm比20 mm传热系数提高7.7%;螺距20 mm比60 mm传热系数提高11.1%. 随时间连续运行,管内螺旋流态化的传热系数下降幅度远小于螺旋流,表明管内螺旋流态化具有较好的除垢防垢效果. 传热温差变化对螺旋流态化强化传热及除垢、防垢性能影响较小.     

镍–磷–二氧化硅复合镀层在模拟地热水中的腐蚀与结垢行为

地热系统的腐蚀与结垢严重影响了地热资源的开发利用。为了解决该问题,在20碳钢基底上进行化学镀,制备了Ni–P–SiO_2复合镀层,通过对流传热阻垢试验对比研究了浸泡于模拟地热水中的Ni–P–SiO_2复合镀层和316不锈钢的污垢诱导期、污垢热阻和传热系数,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和能谱仪(EDS)对2种材料的表面污垢层进行了表征,利用全浸腐蚀试验和电化学测试研究了其在模拟地热水中的耐蚀性能。结果表明,Ni–P–SiO_2复合镀层的表面污垢主要是文石和球霰石,分布不均匀,易剥离,而316不锈钢表面生成的污垢主要是方解石和文石,分布集中,不易剥离。相比于316不锈钢,Ni–P–SiO_2复合镀层的污垢诱导期得到延长,污垢热阻减小,传热系数增大,自腐蚀电流密度减小,阻抗值增大,表现出更加优异的耐蚀阻垢性能。     

方形螺旋管中CaSO_4污垢特性的数值模拟

从传热传质的角度建立了方形螺旋管内CaSO_4析晶污垢形成过程的数学模型,通过对数学模型进行数值模拟计算,得到了CaSO_4浓度、螺距及入口速度等参数对管内污垢的沉积率、剥蚀率、净沉积率和污垢热阻的影响。根据模拟得到的方形螺旋管管内的温度场、速度场和CaSO_4浓度场,进而结合污垢模型,计算出CaSO_4污垢的沉积率、剥蚀率、净沉积率和污垢热阻随时间的变化规律。通过分析计算数值模拟结果,得到CaSO_4浓度的增加会增加污垢的质量沉积率和剥蚀率,同时也会增加污垢热阻;方形螺旋管螺距的增加会降低管内的污垢质量沉积率和剥蚀率,并且会降低管内污垢热阻;入口速度的增大,会减小管内的污垢的质量速率和热阻。通过分析不同螺距的方形螺旋管中污垢净沉积率的变化趋势发现,在一定阶段内,污垢在管中的污垢净沉积率为负值。也就是说,方形螺旋管在一定时间内具有一定的阻垢效果。并且当CaSO_4浓度越小、方形螺旋管螺距越大、入口速度越大时,这种阻垢效果越好。     

两种阴离子对析晶污垢沉积的影响

为研究循环水中离子对析晶污垢沉积特性的影响, 实验研究了循环水中不同阴离子对换热管内污垢特性的影响。考察了工质流速、入口温度、工质浓度以及溶液内阴离子浓度对污垢沉积的影响。结果表明含有硝酸根离子循环水的污垢热阻高于氯离子的污垢热阻, 并且两种循环水形成污垢热阻的差距随入口温度、管内流速和CaSO₄浓度发生变化。伴随阴离子浓度升高, 污垢热阻渐近值逐渐变大。硝酸根对热阻提升的影响大于氯离子对热阻的影响。     

微米颗粒污垢特性的数值模拟

通过分析微米级颗粒污垢的特性研究了其在圆管内的沉积过程。首次将雷诺应力方程、拉格朗日方程与相关经验公式相结合建立颗粒污垢沉积和剥蚀的数值模型,用来计算颗粒污垢热阻。以20μm氧化镁颗粒为例,计算结果与实验污垢热阻值吻合良好。结果表明:随着流速的增加,污垢热阻渐近值有所降低;随着颗粒浓度的增加,结垢速率加快,污垢热阻渐近值明显增大;污垢热阻渐近值随管段入口温度的升高而降低。     

交叉缩放椭圆管颗粒污垢特性的实验分析

为探讨纳米氧化镁颗粒在交叉缩放椭圆管内部的污垢规律,本文选用纳米氧化镁颗粒配置纯胶体溶液为研究对象,对不同颗粒直径、颗粒浓度、工质流速和温度工况下交叉缩放椭圆管的污垢特性进行了实验研究,并通过扫描电镜观察其结垢表面。结果表明：交叉缩放椭圆管纳米颗粒污垢下无明显诱导期;在相同的工况下,颗粒粒径越小,结垢速率越快,污垢热阻渐近值越大;随着颗粒浓度的增加,结垢速率加快,污垢热阻渐近值明显增大;随着流速的增加,污垢热阻渐近值和结垢速率都有所降低;污垢热阻渐近值随着实验管段入口温度的升高而降低。     

海水板式换热器微生物污垢特性的实验研究

海洋生物附着及低速海流等因素直接影响海水换热器换热效果。为研究海水板式换热器的污垢特性,本文采用自行设计的板式换热器实验装置,通过富集培养并分离出硫酸盐还原菌（SRB）,使其附着海水板式换热器设备,并利用扫描电镜及热阻试验台,实验研究了附着污垢层的形成、生长及其换热特性,并对低流速海流环境下换热器的污垢热阻特性进行了对比实验。实验结果表明：污垢层的形成在不同时期其形貌和特征不同。能谱分析显示其组成的元素主要为C、H、O、Ca,是由各种有机物和悬浮颗粒组成。在诱导期后,污垢热阻符合渐进污垢增长模型,1 m/s以内的低流速下污垢热阻随流速增大而增大。     

内插螺旋立式上行管流场及传热性能的实验研究

通过粒子图像测速流场实验与传热实验相结合,研究了内插螺旋立式上行管的螺旋节距、丝径、中径比等结构参数在不同Re下对流场、阻力及传热性能的影响。结果表明,内插螺旋能够有效扰动和混合管内流体,使管内形成多个纵向旋涡的流体结构、增大管壁附近液体涡量,有利于强化传热。当Re相同时,管内平均流速v、Nu和综合换热性能PEC均随丝径增大而增大,随中径比减小而增大;随节距增大,3种参数均出现增大的趋势,节距大于20 mm后开始减小。管内流体的阻力f随丝径和节距增大而减小,随中径比增大而增大。综合比较,在较低Re时,节距p=20 mm、丝径e=1.6 mm、中径比D/d=0.75时综合传热效果最好。     

过饱和与不饱和硫酸钙溶液污垢特性的实验研究

研究了过饱和与不饱和硫酸钙溶液的污垢特性,考察了溶液浓度、水浴温度和管内流速对过饱和与不饱和硫酸钙溶液污垢特性的影响。结果表明:过饱和工质溶液的污垢热阻明显大于不饱和工质溶液的;过饱和溶液污垢热阻比不饱和溶液污垢热阻更易受温度的影响;实验中管内流速越高,污垢生长速率越慢,污垢热阻渐近值越低,且流速对不饱和溶液的影响更为明显。     

管内插偏重式螺旋轮自转及对流传热特性

针对换热管内污垢在线清洗的难题,提出了管内插偏重式螺旋轮自动防除垢技术。理论分析了螺旋轮获得的自转动力矩,并通过实验研究其自转特性;进一步对管内插偏重式螺旋轮的对流传热特性进行实验研究,对比分析偏重因素对传热强化性能的影响。结果表明:在一正一反交替连接时螺旋轮获得的自转速度最大,更有利于螺旋轮的旋转;传热温差为7℃时,管内插螺旋轮的总传热系数比内插螺旋线、内插扭带时分别提高22.2%和12%;传热温差为15℃时,内插不同偏重式螺旋轮的总传热系数与光管相比分别提高89%和112%,与内插普通螺旋轮的传热系数相比分别提高12%和25%,但相应的沿程阻力损失随之增加。考虑传热和阻力两方面因素,对上述管内插物的综合性能进行比较,结果显示内插偏重式螺旋轮的综合性能最好。     

R123在水平双侧强化管外池沸腾换热

对3根双侧高效强化管（管Ⅰ为Turbo-B型管,管Ⅱ、管Ⅲ为改进的Turbo-B型管）在饱和温度为12℃和10℃工况下进行了水平管外R123池沸腾换热的实验研究,采用Wilsan热阻分离法得到制冷剂侧沸腾换热表面传热系数,并对实验结果进行了热阻分析.实验结果表明：在同样条件下,3根强化管的管内对流换热表面传热系数是光管的2.8～3.1倍.在同样的热通量范围内,对于Turbo-B型管,R22池沸腾换热性能的强化效果比R123更明显.随后进行的热阻分析工作,有利于强化换热管的进一步开发.热阻分析表明：在实验范围内,管内外两侧的热阻基本相当,随着管内水流速的增加,管内水侧热阻所占比例降低,管外制冷剂侧热阻所占比例增大.对于沸腾高效强化管的开发,两侧的强化都是应该关注的.     

R22在水平双侧强化管外池沸腾换热

对2根双侧高效强化管(管I,管II)在饱和温度为9.6℃和5.8℃工况下进行了水平管外R22池沸腾换热实验研究,采用Wilson热阻分离法得到制冷剂侧沸腾换热表面传热系数,并对实验结果进行了热阻分析。实验结果表明:在同样条件下,2根强化管的管内对流换热表面传热系数是光管的2.2—2.8倍。在饱和温度为9.6℃时,管II的管外沸腾换热表面传热系数达到(2.2—3.4)×104W/(m2.K),高出光管一个量级。随后进行的热阻分析工作,有利于强化换热管的进一步开发。热阻分析表明:在实验范围内,管内外两侧的热阻基本相当,随着管内水流速的增加,管内水侧热阻所占比例降低,管外制冷剂侧热阻所占比例增大。对于沸腾高效强化管的开发,两侧的强化都是应该关注的。     

振动往复螺旋清洗机构及其防垢性能

针对换热管内振动螺旋线清洗技术所存在的防除垢不均匀问题,提出振动往复螺旋清洗机构。利用流体动力周期性改变管口局部流动阻力方式造成管内流速波动,从而引起换热管内振动螺旋对污垢的轴向往复刮擦,达到均匀清除管内壁污垢的目的。通过试验研究得到挡板机构的流量特性曲线,并理论分析推导得到该机构作用下管内流速的计算公式,以及使振动螺旋线产生不小于一个螺距的轴向往复行程时所对应的挡板开度的计算方法。进一步证明了振动往复螺旋的防除垢性能要比单纯的振动螺旋好,相同试验条件下其传热系数比光管和振动螺旋分别提高60%和20%,并延缓结垢速率;而无垢时两者的强化传热效果相当。     

水平管内甲烷超临界压力加热的数值模拟

以甲烷为研究对象,采用CFD数值模拟二维水平管内超临界压力甲烷加热情况下的传热性能,分析了热流密度、质量流速和进口温度对其传热性能的影响规律,结果表明:当进口温度和质量流速一定时,随着热流密度的增加壁温增大,而表面传热系数减小;当进口温度和壁面热流密度一定时,表面传热系数随质量流速的增大而增大;当质量流速和壁面热流密度一定时,表面传热系数随进口温度的增大而增大。     

降膜蒸发管内插往复螺旋强化传热实验研究

为有效解决降膜蒸发器加热管中传热效率与结垢问题,提出了一种降膜蒸发管内插往复螺旋强化传热技术,强化管内插螺旋运动与管壁碰撞过程。实验研究内插螺旋的结构参数、螺旋往复行程,以及热通量、蒸发压力以及溶液喷淋密度等工艺参数对降膜蒸发过程传热性能影响。实验结果表明,此技术的除垢防垢性能及传热性能优于空管及单纯的内插螺旋性能,在螺旋外径d=30 mm、螺距f=45 mm、丝径e=1.8 mm、往复行程H=100 mm时,其传热系数分别是空管和单纯的内插螺旋的2.08和1.26倍。通过对管内蒸发侧传热系数进行分析,总结得到与热通量、蒸发压力以及溶液喷淋密度相关的降膜蒸发传热系数关联式。     

烧结型多孔管的污垢特性

在恒热流密度情况下,以CaSO₄溶液为介质,研究了烧结型多孔管在池沸腾过程中的污垢特性。结果表明：与光滑管相比,多孔管在不同浓度的CaSO₄溶液中都具有阻垢特性,浓度增大污垢热阻的渐近值增大,但当浓度增大到一定程度后,污垢曲线由渐近线型过渡到直线型。通过对两种换热管表面和污垢表面的扫描电镜（SEM）分析,对多孔管的阻垢机理进行了解释。发现多孔表面的CaSO₄晶体形状为六棱柱体,晶粒更加细小,约为光滑表面晶粒尺寸的1/2.5,且污垢层更薄。     

复合粉末多孔表面管的沸腾传热

采用管内去离子水加热管外丙酮沸腾的方法对复合粉末多孔表面管的沸腾传热特性进行了实验研究,获得了沸腾传热系数和K值随温度和几何参数的变化情况,并与国内几种多孔表面管的实验结果进行了比较,同时对多孔管的抗垢性能进行了分析.实验结果表明,多孔层孔隙率对沸腾传热系数的影响最大,多孔管的沸腾传热系数是同类型的光滑管的14倍,多孔管具有一定的抗垢性能.所得结果为该种类型多孔管的工业化应用提供了科学依据.     

内插螺旋线强化糖浆立式降膜蒸发传热

搭建了新型立式单管蒸汽-糖浆降膜蒸发实验平台,进行连续4 h加与不加螺旋线的降膜蒸发运行对比实验,研究管内插入特定结构和工艺参数的螺旋线对变粘性糖浆降膜蒸发传热性能的影响.结果表明,内插螺旋线可明显改善糖浆降膜蒸发传热效果,相同条件下,内插螺旋线时总传热系数比空管提高了25.9%~82.9%,且随时间延长其下降速率明显低于空管;从管内蒸发侧和管外冷凝侧传热角度分析降膜蒸发传热性能,传热温差增大,管内蒸发侧传热性能变好,管外冷凝侧传热性能变差,增大传热温差改变物料物性(粘度减小)可强化传热效果.在非结垢影响的传热时间内,对管内蒸发侧传热系数进行处理,得到了管内综合传热系数与传热温差的实验关联式.     

复合改性表面抑制颗粒污垢积聚特性分析

换热设备颗粒污垢一般指悬浮在流体中的固体颗粒在换热面上的积聚。开发了一种Ni-P-TiO₂防垢型复合改性表面,并将之用于板式换热器抑制纳米MgO颗粒污垢在换热表面的积聚。基于搭建的板式换热器颗粒污垢热阻动态监测实验系统,研究了不同冷却水流速(0.1~0.3 m/s)、入口温度(30~40℃)及纳米MgO浓度(100~400 mg/L)对Ni-P-TiO₂复合改性换热表面抑垢特性的影响。结果表明,随着流速的增加,污垢热阻渐近值减小了27.85%~34.41%;随着冷却水入口温度的升高,污垢热阻渐近值减小了25.15%~39.14%;随着MgO颗粒浓度的增加,热阻渐近值减小了26.15%~45.36%。结合Ni-P-TiO₂复合改性表面的表面能分析了其表面的抑垢性能,发现制备的Ni-P-TiO₂复合改性表面的表面能与纳米MgO颗粒污垢层的表面能相接近,符合Zhao提出的“最优表面能”抑垢理论。与常规板式换热器不锈钢表面相比,Ni-P-TiO₂复合改性表面不仅抑制了颗粒污垢的积聚,还降低了颗粒污垢的固着强度,使得积聚其上的颗粒污垢更容易被剥离换热表面,实现了换热表面持久高效抑垢。     

聚天冬氨酸衍生物的合成及性能

利用聚天冬氨酸热缩聚产物聚琥珀酰亚胺(PSI)和天冬氨酸(ASP)合成了一种聚天冬氨酸衍生物.研究了聚天冬氨酸衍生物的阻垢性能、分散性能和污垢热阻.实验结果表明:当Ca~(2+)质量浓度为400mg/L、HCO_3~-质量浓度为800mg/L、聚天冬氨酸衍生物用量为6mg/L时,阻垢率达到100%,比聚天冬氨酸的阻垢率最大提高4%以上;聚天冬氨酸衍生物对Fe_2O_3有一定的分散作用;聚天冬氨酸衍生物的污垢热阻小于聚天冬氨酸的污垢热阻.