丁胞型圆管CaSO4的污垢特性
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CIESC Journal, 2018, 69(4): 1341-1348
化工学报 2018 年 第 69 卷 第 4 期 | w·ww1.3h4g1xb·
DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170944
丁胞型圆管 CaSO4 的污垢特性
徐志明，郭元杰，韩志敏，赵宇
中图分类号：TK 172
文献标志码：A
文章编号：0438—1157（2018）04—1341—08
CaSO4 fouling characteristics on dimple tube
XU Zhiming, GUO Yuanjie, HAN Zhimin, ZHAO Yu
(School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China)
Key words: dimple tube; CaSO4 fouling; numerical simulation; deposition; experimental validation
引言
大部分在工业设备中使用的换热设备处于湍 流工况下运行[1]。丁胞型强化传热采用高尔夫球表 面的减阻特性，在增强换热能力和传热面积的同时，
（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012）
摘要：建立了丁胞管物理模型，采用标准 k-ε 方程和 SIMPLE 算法，研究了丁胞管内 CaSO4 流体的污垢特性，分 析了结构与运行工况对丁胞管内 CaSO4 污垢特性的影响。结果表明，丁胞的顺排叉排对于污垢热阻渐进值影响极 小。高 Reynolds 数时，与光管的污垢热阻相比，丁胞的存在会减小污垢热阻值；而在低 Reynolds 数时，相对深度
Received date: 2017-07-24. Corresponding author: Prof. XU Zhiming, xuzm@ Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51垢热阻值。丁胞的相对深度与丁胞的相对密度对于污垢热阻值均有较大的影响，在丁胞
深度为 0.8 时，丁胞管的抑垢效率为 1.150。在丁胞的相对密度为 5.30 时，其抑垢效率为 0.730。丁胞管抑垢率随
着进口流速增长而增大，随着工质浓度增长而减小，随着壁面温度的增长而减小。
关键词：丁胞管；CaSO4 析晶污垢；数值模拟；沉积物；实验验证
Abstract: A physical model of dimple tube was established. The effects of structure and working conditions on CaSO4 fouling characteristics were simulated based on standard k-ε equation and SIMPLE algorithm. The results show that dimple arrangement has little effect on the fouling resistance asymptotic value. For the high Reynolds number, the fouling resistance of dimple tube is always smaller than that of smooth tube. For the low Reynolds number, the fouling resistance of the dimple tube with a low height is slightly higher than that of the smooth tube. The height and density of dimple have a remarkable effect on the fouling resistance. The anti-fouling rate of the dimple tube is 1.150 and 0.730, when the dimple height is 0.8 and the dimple density is 5.30, respectively. Furthermore, the anti-fouling rate increases with the increase of the inlet flow rate, and decreases with the increase of the working fluid concentration and the wall temperature.
·1342·
化工学报
第 69 卷
对湍流状态空气进行研究，对丁胞流道的传热以及 阻力特性进行了实验研究。高昂等[6]对圆柱射流冲 击丁胞壁面进行了研究，证明了斜向冲击更有利于 发挥丁胞强化换热作用。刘高文等[7]对新的丁胞型 强化传热技术进行了分析，认为丁胞型结构是比较 理想的强化换热结构。王禹晨等[8-9]对丁胞管等新型 换热管进行表面酸蒸气冷凝沉积性能分析，证明了 丁胞管性能优于 H-type 和 LVG 翅片椭圆管。Kim 等[10]对丁胞流道进行了污垢沉积模拟，证明污垢热 阻与浮点尺寸和浮点排列间距相关。Ligrani 等[11]通 过实验验证了带有丁胞的通道内部的传热以及流动 特性。张一龙等[12]对浮点型矩形通道进行了污垢沉 积模拟，证明污垢热阻与浮点尺寸和浮点排列间距 相关。李瑞等[13]对丁胞型管进行了数值模拟，证明 丁胞的几何结构如直径、相对深度、相对排列密度 对换热效果有影响。陈清华等[14]对丁胞型管管内流 动传热情况进行研究，证明了丁胞的存在虽会使丁 胞附近局部传热系数减小，但在总体上换热效果更 好。李保德等[15]研究了螺旋丁胞管，证明了管内局 部换热强度的分布对应丁胞的突起呈周期性变化， 且丁胞管的平均传热系数是光管的 1.7 倍。Lu 等[16] 研究了丁胞管内插纽带的换热情况，结果表明，凹 坑侧和凸出侧均实现了传热效果的增强，凹坑侧表 现更好，与光管相比由于凹坑的利用对流传热增加 了 25.53%。还有学者证明丁胞的存在可以显著增强 换热且流动阻力较小，并且不同结构参数对流动和 传热影响不同[17-21]。
仅产生很少的压降，且由于其结构简单在近年来被 广泛关注[2]。对丁胞型结构的研究主要通过布置在 平板或者布置在圆管两方面进行。Afanasyev 等[3]以 空气为工质研究了丁胞平板的流动和传热特性，证 明了丁胞型结构大幅增强换热能力。Burgess 等[4-5]
2017-07-24 收到初稿，2017-10-13 收到修改稿。 联系人：郭元杰。第一作者：徐志明（1959—），男，教授。 基金项目：国家自然科学基金项目（51476025）。
化工学报 2018 年 第 69 卷 第 4 期 | w·ww1.3h4g1xb·
DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20170944
丁胞型圆管 CaSO4 的污垢特性
徐志明，郭元杰，韩志敏，赵宇
中图分类号：TK 172
文献标志码：A
文章编号：0438—1157（2018）04—1341—08
CaSO4 fouling characteristics on dimple tube
XU Zhiming, GUO Yuanjie, HAN Zhimin, ZHAO Yu
(School of Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China)
Key words: dimple tube; CaSO4 fouling; numerical simulation; deposition; experimental validation
引言
大部分在工业设备中使用的换热设备处于湍 流工况下运行[1]。丁胞型强化传热采用高尔夫球表 面的减阻特性，在增强换热能力和传热面积的同时，
（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012）
摘要：建立了丁胞管物理模型，采用标准 k-ε 方程和 SIMPLE 算法，研究了丁胞管内 CaSO4 流体的污垢特性，分 析了结构与运行工况对丁胞管内 CaSO4 污垢特性的影响。结果表明，丁胞的顺排叉排对于污垢热阻渐进值影响极 小。高 Reynolds 数时，与光管的污垢热阻相比，丁胞的存在会减小污垢热阻值；而在低 Reynolds 数时，相对深度
Received date: 2017-07-24. Corresponding author: Prof. XU Zhiming, xuzm@ Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51垢热阻值。丁胞的相对深度与丁胞的相对密度对于污垢热阻值均有较大的影响，在丁胞
深度为 0.8 时，丁胞管的抑垢效率为 1.150。在丁胞的相对密度为 5.30 时，其抑垢效率为 0.730。丁胞管抑垢率随
着进口流速增长而增大，随着工质浓度增长而减小，随着壁面温度的增长而减小。
关键词：丁胞管；CaSO4 析晶污垢；数值模拟；沉积物；实验验证
Abstract: A physical model of dimple tube was established. The effects of structure and working conditions on CaSO4 fouling characteristics were simulated based on standard k-ε equation and SIMPLE algorithm. The results show that dimple arrangement has little effect on the fouling resistance asymptotic value. For the high Reynolds number, the fouling resistance of dimple tube is always smaller than that of smooth tube. For the low Reynolds number, the fouling resistance of the dimple tube with a low height is slightly higher than that of the smooth tube. The height and density of dimple have a remarkable effect on the fouling resistance. The anti-fouling rate of the dimple tube is 1.150 and 0.730, when the dimple height is 0.8 and the dimple density is 5.30, respectively. Furthermore, the anti-fouling rate increases with the increase of the inlet flow rate, and decreases with the increase of the working fluid concentration and the wall temperature.
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化工学报
第 69 卷
对湍流状态空气进行研究，对丁胞流道的传热以及 阻力特性进行了实验研究。高昂等[6]对圆柱射流冲 击丁胞壁面进行了研究，证明了斜向冲击更有利于 发挥丁胞强化换热作用。刘高文等[7]对新的丁胞型 强化传热技术进行了分析，认为丁胞型结构是比较 理想的强化换热结构。王禹晨等[8-9]对丁胞管等新型 换热管进行表面酸蒸气冷凝沉积性能分析，证明了 丁胞管性能优于 H-type 和 LVG 翅片椭圆管。Kim 等[10]对丁胞流道进行了污垢沉积模拟，证明污垢热 阻与浮点尺寸和浮点排列间距相关。Ligrani 等[11]通 过实验验证了带有丁胞的通道内部的传热以及流动 特性。张一龙等[12]对浮点型矩形通道进行了污垢沉 积模拟，证明污垢热阻与浮点尺寸和浮点排列间距 相关。李瑞等[13]对丁胞型管进行了数值模拟，证明 丁胞的几何结构如直径、相对深度、相对排列密度 对换热效果有影响。陈清华等[14]对丁胞型管管内流 动传热情况进行研究，证明了丁胞的存在虽会使丁 胞附近局部传热系数减小，但在总体上换热效果更 好。李保德等[15]研究了螺旋丁胞管，证明了管内局 部换热强度的分布对应丁胞的突起呈周期性变化， 且丁胞管的平均传热系数是光管的 1.7 倍。Lu 等[16] 研究了丁胞管内插纽带的换热情况，结果表明，凹 坑侧和凸出侧均实现了传热效果的增强，凹坑侧表 现更好，与光管相比由于凹坑的利用对流传热增加 了 25.53%。还有学者证明丁胞的存在可以显著增强 换热且流动阻力较小，并且不同结构参数对流动和 传热影响不同[17-21]。
仅产生很少的压降，且由于其结构简单在近年来被 广泛关注[2]。对丁胞型结构的研究主要通过布置在 平板或者布置在圆管两方面进行。Afanasyev 等[3]以 空气为工质研究了丁胞平板的流动和传热特性，证 明了丁胞型结构大幅增强换热能力。Burgess 等[4-5]
2017-07-24 收到初稿，2017-10-13 收到修改稿。 联系人：郭元杰。第一作者：徐志明（1959—），男，教授。 基金项目：国家自然科学基金项目（51476025）。