螺旋槽强化表面结垢影响因素的模拟分析

　　1 引 言

　　螺旋槽管作为一种高效的强化传热件，已经广泛地应用于化工、动力、空调和制冷等各领域中。由于换热设备的结垢问题会严重影响设备的性能，所以在换热设备设计运行过程中必须加以考虑，而传统研究只给出了一个与时间无关的经验污垢系数，这远远不能满足实际运行的需要。为了确定适宜的清洗周期和运行过程中各影响因素的作用，应掌握各因素对换热表面污垢的动态影响变化规律。

　　换热表面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，是多种复杂过程的同时作用。影响这一过程的因素很多，如流体性质、换热表面温度、流体流速和换热表面结构尺寸等。人们对这些因素对结垢的影响结论并不统一，还不能真正揭示结垢的机理[1-3]。为此，笔者对 CaCO3于强化换热表面的结垢规律进行了系统的实验研究，分析了多种因素影响的换热表面结垢特性，确定了污垢性能参数的变化范围及其变化规律。文献[4]根据污垢形成过程中起主要作用的物理和化学因素，综合考虑结垢过程与温度场的耦合作用，提出了CaCO3于强化换热表面结垢的传热传质模型。本文利用该模型的模拟结果，分析了各主要因素对结垢过程的影响，并对强化换热表面污垢形成机理进行了探讨。

　　2 螺旋槽换热表面结垢影响因素的结果分析

　　2. 1 流速的影响

　　选择螺旋槽管的槽深 e = 1 mm，螺距 p = 3 mm，热水入口温度为 70 ℃ ，热水流速为 2. 0 m/s，冷水入口温度为 22. 5 ℃ ，初始硬度为 300 mg/L，改变冷水流速为 0. 2 ～ 2. 0 m/s，模拟计算不同冷水流速时污垢热阻随时间的变化如图 1 所示。可以看出，螺旋槽管污垢热阻随着冷水流速的增加而减小。分析可知，流速对污垢热阻的影响分为 2 个方面:一是对沉积速率的影响，流速的提高使传质系数增大，析晶垢沉积速率随之增大，流速的提高也会使晶粒的输运速度加快，颗粒污垢的沉积速率也随之增大;二是对剥蚀的影响，流速的提高会使得污垢的脱除速度增大。综合来看，流速对脱除的影响大于流速对沉积的影响，导致污垢热阻随流速的增大呈现减小的趋势。

　　2. 2 溶液温度的影响

　　选择螺旋槽管的槽深 e = 1 mm，螺距 p = 3 mm，热水入口温度为 70 ℃ ，热水流速为 2. 0 m/s，冷水流速为 1. 2 m/s，初始硬度为 300 mg/L，取不同溶液入口温度为 22. 5 ～ 50 ℃ ，模拟计算不同溶液入口温度时污垢热阻随时间的变化如图 2 所示。可以看出，螺旋槽管污垢热阻随着溶液温度的升高呈现递增趋势。因为溶液温度的升高导致传质系数增大，析晶垢沉积速率随之增大，同时溶液中 CaCO3晶体微粒析出更多，颗粒污垢沉积速率也随之增大。溶液温度越高，螺旋槽管污垢热阻越大。