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《换热设备污垢监测及预测研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、摘 要 重点阐述了近年来国内外学者对换热设备污垢预测和监测的研究工作,并提出了污垢预测和监测研究的新方向。同时,也对污垢机理做了概述,对污垢典型模型做了总结。换热设备污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐积聚起来的一层固态物质[1]。它广泛存在于化工、动力及制冷等工程技术领域的各种换热设备中。尽管结垢经过多年的研究己取得了不少进展,但是在大多数工程实际中,污垢问题仍然是一个难题。根据Steinhangen[2]对新西兰1100家企业的3000台各种类型的换热器的调查表明,90%以上的换热设备都存在着不同程度上的污垢问题。综观当今工
2、业界,结垢造成的浪费和损失是很严重的,据美、英和新西兰的调查,换热设备污垢给工业发达国家所造成的损失平均占国民生产总值的0.3%。如果按照这个比例计算,中国2003年的国民生产总值是1.4万亿美元,则污垢给我国带来的损失就高达42亿美元。对我国这样的发展中国家,由于许多换热设备相对比较落后,环境污染对冷却介质的污染严重,污垢造成的实际损失可能更高些。因此,对换热设备结垢问题的研究是十分必要的。1 污垢机理概述1.1 污垢的分类从结垢机制的角度[3],液侧污垢可分为如下6类:析晶污垢、微粒污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢以及凝固污垢。需要指出
3、的是,通常的污垢形成过程,可能是几种污垢机理同时作用的结果,如析晶污垢和腐蚀污垢就常常是混合而共存于同一换热面的,并且换热壁面上往往同时生成几种污垢且相互影响。因此,针对每一基本结垢类型,弄清其机理过程对防止结垢是十分重要的。1.2 污垢的形成过程污垢的形成过程是质量交换、热量交换和动量交换的动态综合,是多种十分复杂过程的同时作用,因而影响这一过程的因素很多,如流体性质、壁温、流体与壁面的温度梯度、流体流速以及壁面状况等。这些因素不同,形成的污垢特性也各不相同。但是所有各类污垢的形成一般都要经历以下5个阶段[1]:a.起始阶段。污垢形成的起始阶段
4、也称诱导期或延迟时间,这是指从换热面与污染流体接触起到形成可观测到的污垢的一段时间。诱导期内污垢的引发机制目前还不完全清楚,只知道它和表面相关的各参数有很大关系。b.输运阶段。输运过程是污垢形成过程中各阶段中研究得最为充分的一个过程。目前已被确认为输运机制的有布朗扩散或分子扩散、湍流扩散、化学反应率支配的输运、惯性碰撞、热泳和扩散泳。c.附着阶段。实验研究发现,流体中的颗粒物质,只有在其重力可以忽略不计时,也就是说其粒径在lμm以下时才会附着于换热面而形成污垢。当污垢的一种成分通过输运而到达壁面附近时,只有当它真正附着于换热面上,污垢才算形成。因
5、此,附着过程是整个污垢形成过程中的重要环节,它是尾随着输运而发生的。d.老化阶段。污垢沉积的老化,从它在换热面上一开始形成时就开始了。老化具体表现为晶体结构的变化、热应力的发展以及污垢与换热面界面处发生的溶解过程等现象。e.剥蚀阶段。剥蚀是指沉积在换热面上的污垢重新脱离换热面或污垢层被流动流体带走的过程。对剥蚀过程机制的研究,和其它过程特别是输运相比,还很不充分,目前还没有完全弄清楚。但观察表明,污垢物质脱离表面的形态基本上有3种:离子、颗粒和大块。按照污垢物质脱离的这些形态,研究者们提出了相应的3种剥蚀机制:溶解、磨蚀和剥落。虽然污垢的形成过程
6、各不相同,但都是在清洁换热面与不洁净流体接触后才出现的,并且主要有两个作用相反过程的共同效应:一是污秽物质会沉积到换热面上而增加热阻;二是已存在的污垢物质被流体冲击而剥离,使污垢热阻减小。实际观察到的污垢热阻随时间的变化都是这两个现象叠加的结果。2 典型的污垢预测模型各类污垢的形成虽有共同的方面,但却有各自的特色,而且某些过程的机制也不清楚,因而目前还难以进行严格的理论分析以提出一个普遍的、精确表征污垢特性的理论模型。面对污垢研究的现状和换热设备设计、运行的实际需要,一些简化的、可以估计污垢对换热设备性能影响的实用方法便应运而生。这些方法多是在一
7、些简化前提下,根据污垢形成过程中起主要作用的物理和化学因素的分析,结合一些实测数据而提出的。目前的预测模型都是以下述简化假定为基础的:a.各类污垢都是独立存在的,因而有可能只针对一类污垢分析其特性;b.污垢沉积层诸特性参数在各个方向上都是相同的,即是各向同性的,且均匀分布;c.污垢表面粗糙度的影响可以忽略;d.流体物理性质在污垢形成过程中的变化可以略去;e.换热面的初始状态可以不考虑。虽然,目前的模型已有多种,但几乎所有的研究者都是以Kern和Seanton提出的下述微分方程为基础进行研究的,所不同的只是通过对结垢过程的分析,建立用不同参数表示的
8、沉积率和剥蚀率的具体表达式。一些研究人员在不同的实验条件下得出一些典型沉积率模型和剥蚀率模型。文献[3]已将这些模型详细列于表中。针对不
