污垢是影響能源利用率的主要因素之一,研究污垢的形成過程和生長機理,可有效提高能源的轉化效率,緩解能源危機,有利于節(jié)能減排和保護環(huán)境。本文采用實驗和數(shù)值模擬兩種手段,探索了碳酸鈣結晶污垢在換熱壁面上的生長及其對傳熱的影響,觀測了不同生長階段碳酸鈣結晶污垢在換熱壁面上的形貌、大小及其分布特征,分析了碳酸鈣污垢在換熱表面上的生長規(guī)律。實驗研究以套管換熱器的管程作為實驗對象,選取316L不銹鋼圓管作為試驗管,工質是100 mg/L的碳酸鈣溶液,工質進口溫度為55±0.5℃,熱水入口溫度為77±0.5℃,管內流速為0.13 m/s(Re=1800)。實驗結果表明總傳熱系數(shù)隨時間的變化呈先增大后減小再增大的變化趨勢,污垢熱阻的變化規(guī)律則恰好相反;熱阻在整個結垢過程可分正熱阻區(qū)、負熱阻區(qū)、污垢漸進生長區(qū)三個區(qū)域;晶體的數(shù)量、大小隨著時間的增加逐漸增大,直至晶體完全覆蓋換熱面;在污垢漸進生長區(qū),污垢層表面會發(fā)生二次成核,結垢速率迅速增大,而剝蝕率隨時間緩慢增大,沉積量和剝蝕量最終會達成一個動態(tài)平衡,污垢熱阻呈漸近線型變化;在結垢過程中,晶型由起初的不穩(wěn)定的顆粒轉變?yōu)榉�(wěn)定的方解石狀。根據(jù)結晶污垢在換熱壁面上的分布進行統(tǒng)計結果,建立物理模型和數(shù)學模型,研究管內碳酸鈣污垢對傳熱特性的影響。數(shù)值模擬結果表明:晶體的出現(xiàn)增大了流體的擾動,強化了對流換熱過程;晶體尺寸越大,擾流作用越大,對換熱的強化效果也越明顯;同時,晶體是熱的不良導體,阻礙熱量的傳遞,隨著晶體尺寸的增大,晶體占的管壁面積增大,阻礙作用逐漸增強;模擬所得Nu/Nu_0隨時間的變化與實驗測得K/K_0隨時間變化的規(guī)律相同。
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沉積率隨著硫酸鈣溶液濃度的增大而增大，凈沉積l[42]發(fā)現(xiàn)結垢過程中努塞爾數(shù)隨導熱率呈漸近線變化，普朗特數(shù)對垢層表面的溫度有顯著影響；朱芬[43]數(shù)值模擬了汽液兩相流中的對傳熱有極大的阻礙作用，換熱面上污垢的沉積大幅度降低了[44]對傳熱面上碳酸鈣污垢的結晶結垢過程進行了數(shù)值研究，文中新型組合；張艾萍[45]用數(shù)值分析方法研究了強化管內的結垢過程越大，兩種管內碳酸鈣污垢的沉積率、熱阻和剝蝕率越大，且強對傳熱影響機理研究現(xiàn)，當循環(huán)溶液流經(jīng)換熱面時，換熱面上的污垢熱阻變化規(guī)律主1.1 所示。其中，1 為線性增長型；2 為降率型；3 為冪律型；4 為，得到的變化曲線，一般并不如上述曲線 1 至 4 那樣光滑，而是曲線。同時，有些實驗中還發(fā)現(xiàn)從一開始就有污垢熱阻出現(xiàn)，而時間之后才有污垢熱阻出現(xiàn)，這段時間叫作粗糙度誘導期。

2 結垢實驗臺介紹及數(shù)據(jù)分析在研究換熱面上的結垢過程時，通常采用實驗研究的方法。實驗研究是指在實驗室條件下模擬換熱設備在實際生產(chǎn)中的運行工況，通過改變一些可控過程參數(shù)，如流速、循環(huán)工質的濃度、溫度、換熱表面粗糙度等，加快污垢的形成進而縮短實驗時間，提高污垢研究的效率。為了研究 CaCO3污垢在的生長規(guī)律及晶體的生長過程，本文設計了污垢的沉積實驗裝置。2.1 實驗臺簡介2.1.1 實驗系統(tǒng)介紹本實驗臺由三套獨立的循環(huán)系統(tǒng)共同組成，分別是循環(huán)溶液系統(tǒng)、循環(huán)加熱系統(tǒng)和循環(huán)冷卻系統(tǒng)，如圖 2.1 所示。實驗系統(tǒng)的硬件組成部分主要有：實驗測試管、電加熱恒溫水箱、溫控儀、冷卻水箱、循環(huán)冷卻水泵、循環(huán)熱水泵、溶液桶、冷卻水箱、攪拌器、溫度傳感器、電腦、數(shù)據(jù)采集器、流量計、蠕動泵等。

蘭州交通大學碩士學位論文電加熱恒溫水箱的大小為 54 cm×37 cm×34 cm，水箱內壁選用不銹鋼材質，防止水箱內壁生銹。在水箱底部對稱布置兩個加熱器，作為恒溫水箱的熱源。在水箱內布置一個溫度傳感器，溫度控制系統(tǒng)通過接收傳感器的反饋信息調節(jié)加熱器的功率，使水箱內的溫度保持恒定，電加熱恒溫水箱如圖 2.2 所示：
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