崔　濤,王良成,常立民,王良璧,李素芳

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070;2.蘭州交通大學(xué) 鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實驗室,甘肅 蘭州　730070;3.蘭州交通大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730070)

?

圓管內(nèi)CaCO3污垢生長引起負(fù)熱阻機(jī)理的數(shù)值分析

崔濤1,2,王良成3,常立民1,2,王良璧1,2,李素芳3

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.蘭州交通大學(xué) 鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實驗室,甘肅 蘭州730070;3.蘭州交通大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,甘肅 蘭州730070)

以實驗研究結(jié)果為基礎(chǔ),采用數(shù)值模擬方法研究了圓管內(nèi)CaCO3結(jié)晶污垢生長不同時期,污垢對流場和溫度場以及壁面?zhèn)鳠崽匦缘挠绊?得到了不同時期Nu/Nu0隨晶體大小的變化關(guān)系以及晶體生長過程中Nu/Nu0隨時間的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明,圓管內(nèi)CaCO3污垢生長過程中存在負(fù)熱阻階段和正熱阻階段,負(fù)熱阻階段污垢對傳熱的阻礙作用小于因污垢存在而引起的擾流對傳熱的增強(qiáng)效果,即Nu/Nu0>1,表現(xiàn)為負(fù)熱阻;而正熱阻階段污垢對傳熱的阻礙作用大于因污垢存在而引起的擾流對傳熱的增強(qiáng)效果,即Nu/Nu0<1,表現(xiàn)為正熱阻。

圓管;CaCO3污垢;負(fù)熱阻;數(shù)值分析

換熱器是實現(xiàn)強(qiáng)化換熱的一種重要設(shè)備,由于工業(yè)用途需要,各種各樣的新型高效換熱器被廣泛應(yīng)用于化工、動力、制冷、石油乃至航空等工業(yè)部門中。然而,在換熱器的使用過程中,換熱器表面會形成污垢,嚴(yán)重影響換熱設(shè)備的正常運(yùn)行,使傳熱效率降低、流動阻力增大,造成能源的巨大浪費(fèi)和驚人的經(jīng)濟(jì)損失。因此,研究污垢生長具有學(xué)術(shù)和實用意義。

污垢生長是一個動態(tài)過程,Epstein[1]于1979年將污垢熱阻隨時間的變化規(guī)律歸納為直線型、漸降速率型和漸近型三種典型形式。其中,直線型由Hasson等[2]提出,其將污垢生長的誘導(dǎo)期定義為自由結(jié)垢的成核金屬從初始到進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間。漸降速率型由Bott等[3]提出,他們認(rèn)為污垢的形成可能會降低結(jié)垢的速率甚至使結(jié)垢速率曲線趨于平穩(wěn)。文獻(xiàn)[4-6]中對污垢熱阻的漸近型變化進(jìn)行了研究,漸近型中的污垢熱阻在污垢生長期經(jīng)過快速增加之后漸趨于平穩(wěn),變化規(guī)律呈漸近趨勢。Bansal等[7]在對平板換熱器中CaSO4結(jié)晶污垢的研究中發(fā)現(xiàn),實驗初始階段的沉積物沉降,反而使換熱系數(shù)增加,導(dǎo)致污垢熱阻出現(xiàn)負(fù)值,其將負(fù)的污垢熱阻的產(chǎn)生到污垢熱阻再次變?yōu)?值的階段稱為“粗糙度誘導(dǎo)期”。P??kk?nen等[8]在對CaCO3結(jié)晶污垢實驗熱阻及其不確定性的研究中,同樣出現(xiàn)了污垢熱阻在誘導(dǎo)期中出現(xiàn)負(fù)值的現(xiàn)象。Geddert等[9]在對表面涂層延長結(jié)晶污垢誘導(dǎo)期的研究中,對誘導(dǎo)期進(jìn)行了解釋,并得出了表面污垢造成的擾流作用是影響誘導(dǎo)期形成的主要原因的結(jié)論。Bohnet[10]在對換熱器表面結(jié)構(gòu)的研究中認(rèn)為,固體污垢沉積之初的粗糙度是導(dǎo)致誘導(dǎo)期出現(xiàn)負(fù)的污垢熱阻的主因。F?rster等[11]用不同的表面處理方法來延長誘導(dǎo)期,研究認(rèn)為誘導(dǎo)期的污垢沉積機(jī)制是種成核功能,此時剝離作用對于污垢在換熱面的沉積起主導(dǎo)作用。Mwaba等[12]研究認(rèn)為在成核階段,晶核的形成增加了換熱面的粗糙度,直接導(dǎo)致傳熱效果的增加,從而使污垢熱阻變?yōu)樨?fù)值。Arsenyeva等[13]通過對板式換熱器冷卻水結(jié)垢熱阻的研究,得出了和Bansal等[7]相似的結(jié)論。

綜上所述,針對誘導(dǎo)期出現(xiàn)負(fù)污垢熱阻主要有兩種解釋:一種認(rèn)為當(dāng)沉積物穿過接近壁面的粘性區(qū)時,污垢所造成的擾流增加了換熱面和流體界面處換熱系數(shù),其可以抵消或超過污垢沉積所增加的污垢熱阻,所以傳熱系數(shù)增大,出現(xiàn)負(fù)的污垢熱阻;另一種認(rèn)為污垢沉積造成換熱面的粗糙度增加,從而導(dǎo)致附近區(qū)域的擾流作用增強(qiáng),傳熱速率增強(qiáng),出現(xiàn)負(fù)的污垢熱阻。這兩種觀點(diǎn)均將擾流作用視為出現(xiàn)負(fù)的污垢熱阻的原因,但其誘導(dǎo)期擾流的機(jī)理不同,前者是由于沉積物的輸運(yùn)造成的,后者是由于沉積物的生長造成的。基于實驗觀察到的現(xiàn)象、實驗獲得的晶體在傳熱面上的分布率及晶體大小,用數(shù)值分析方法對CaCO3污垢生長誘導(dǎo)期出現(xiàn)負(fù)的污垢熱阻機(jī)理進(jìn)行研究,旨在剖析負(fù)污垢熱阻的成因。

1　物理模型及其數(shù)學(xué)描述

1.1物理模型

在圓管中選擇的計算區(qū)域如圖1(a)所示,圖1(b)為在面積為AB的管壁上生長的一顆晶體。該壁面面積的大小可根據(jù)實驗獲得的晶體表面分布率σ獲得,該參數(shù)表示單位平方毫米面積上的晶體個數(shù)。例如,當(dāng)σ=280 mm2時,AB=1/σ=0.003 57 mm2。如選擇A=B,則有A=B=0.06 mm。同時設(shè)晶體為邊長為C(C=a=b=c)的六面體,如圖1(b)所示。其中一個面與壁面緊密貼合,另外五面和流體接觸。觸。晶體的尺寸可根據(jù)實驗獲得,是統(tǒng)計值,其中主要有最大尺寸及最小尺寸。

圖1　圓管內(nèi)計算區(qū)域物理模型Fig.1　The physical model sketch of simulated region in the circular tube

根據(jù)以上描述,針對圓管內(nèi)CaCO3污垢生長出現(xiàn)誘導(dǎo)期機(jī)理的研究可轉(zhuǎn)化為研究不同生長時間,單個一定尺寸的晶體對面積為AB管壁表面的對流傳熱特性影響機(jī)理。這一機(jī)理的主要參數(shù)關(guān)系是σ和C對管壁面Nu的影響。為了便于描述,可采用Nu/Nu0這一比值來表示σ和C對管壁傳熱的影響。當(dāng)Nu/Nu0=1時沒有影響,當(dāng)Nu/Nu0<1時降低傳熱性能(正熱阻),當(dāng)Nu/Nu0>1時增強(qiáng)傳熱性能(負(fù)熱阻)。

由于用實驗的方法獲得很小區(qū)域的流場幾乎不大可能,從而只有選擇數(shù)值分析的方法來得到流動與傳熱特性。在數(shù)值分析過程中,主要參數(shù)σ和C均來自實驗數(shù)據(jù)。

1.2晶體尺寸確定

在模擬計算中不考慮管壁厚,管中通以過飽和的CaCO3溶液,管壁保持恒壁溫。模擬計算區(qū)域及晶體尺寸的確定以實驗為依據(jù),根據(jù)不同時長的實驗測試所得管中部CaCO3晶體的SEM電鏡照片進(jìn)行的CaCO3晶體粒徑統(tǒng)計結(jié)果而確定。實驗測試在濃度為200 mg/L過飽和CaCO3溶液,溶液溫度為40 ℃,壁溫為60 ℃,流量為20 L/h的工況下,測試時長分別為24 h,48 h,72 h,96 h和120 h。所得管中部CaCO3晶體的SEM電鏡照片進(jìn)行的粒徑統(tǒng)計結(jié)果見表1。晶體尺寸由表1確定,計算用晶體尺寸如表2所列,其中L1,M1,N1分別代表計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分時x,y,z方向的總網(wǎng)格數(shù),ΔI,ΔJ,ΔK分別代表晶體在網(wǎng)格系統(tǒng)x,y,z方向所占的份額。

1.3計算區(qū)域尺寸

圖2(a)為數(shù)值模擬的計算區(qū)域,選取的管中部流動流體的一小部分,壁面晶體生長形狀如圖2(b)所示,圖2(c)為模擬計算區(qū)域網(wǎng)格劃分的壁面晶體部分。計算區(qū)域尺寸的確定以72 h的實驗結(jié)果為例進(jìn)行說明。

徑向選取內(nèi)外半徑分別為R2=2.9 mm,R1=3 mm之間的圓環(huán)距離,即ΔR=0.1 mm。z方向尺寸可根據(jù)表1中實驗測試72 h得到的晶體分布率(晶體個數(shù))確定,即

(1)

其中:lz為z方向長度;nc為晶體個數(shù)。θ方向取圓弧長l=lz,有

θ=l/R,

(2)

其中:θ為圓心角;R為管半徑。

表1　不同周期取樣上的污垢晶體數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表2　數(shù)值模擬晶體尺寸

圖2　數(shù)值模擬計算區(qū)域模型Fig.2　The model of numerical simulated region

1.4模型的數(shù)學(xué)描述

對管內(nèi)流動傳熱進(jìn)行數(shù)值分析,首先要建立流動傳熱的數(shù)學(xué)模型,為了不使計算過于復(fù)雜,需做如下假設(shè):(1)流體物性為常數(shù);(2)圓管內(nèi)流動為穩(wěn)態(tài)的不可壓層流流動;(3)不考慮流體中的粘性耗散和質(zhì)量力。在這些假設(shè)基礎(chǔ)上,計算區(qū)域物理過程控制方程如下:

連續(xù)性方程為

?(ρui)/?xi=0。

(3)

運(yùn)動方程為

?(ρuiuj)/?xi=-?p/?xj+?(μ?uj/?xi)/?xi,

j=1,2,3。

(4)

能量方程為

?(ρcpuiT)/?xi=?(λ?T/?xi)/?xi,

(5)

其中:ρ為流體的密度;μ為動力黏度;cp為定壓比熱;λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)。對于晶體,能量方程有

?(?T/?xi)/?xi=0。

(6)

邊界條件:

進(jìn)出口邊界條件(z = 0,z = lz):

(7)

Θ(x,y,z)=(T(x,y,z)-Tf(x))/(Tw-Tf(x)),

(8)

Tf(x)=∫Au(x,y,z)T(x,y,z)dydz/

∫AT(x,y,z)dydz。

(9)

管壁:

V(x,y,z)=0,T(x,y,z)=Tw。

(10)

管中心:

(11)

切向兩邊界面1和面2:

(12)

2　數(shù)值計算方法

物理平面上三維穩(wěn)態(tài)控制方程的通用形式為

(13)

其中:φ表示速度的分量求解變量;Г為廣義擴(kuò)散系數(shù),表示動力黏度系數(shù);S為廣義源項,表示壓力梯度。根據(jù)坐標(biāo)變換公式,將控制方程(3)中的對流項、擴(kuò)散項進(jìn)行變換,對流項采用乘方格式,擴(kuò)散項用中心差分格式進(jìn)行離散,最后離散形式為

aPφP=aEφE+aWφW+aNφN+aSφS+aTφT+aBφB+b。

(14)

3　數(shù)值結(jié)果及分析

數(shù)值計算采用實驗主體溶液濃度為200 mg/L,溫度為40 ℃的過飽和CaCO3溶液為模擬對象,在計算區(qū)域外半徑R1=3 mm與內(nèi)半徑R2=2.9 mm之間網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。根據(jù)實驗結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù),來流速度w=0.3 m/s,分別對24 h,48 h,72 h,96 h和120 h的不同晶體大小進(jìn)行數(shù)值計算,分析得到流體在管內(nèi)的流動傳熱特性,并以72 h中晶體大小C分別為2m,6m,10m為例進(jìn)行說明。

3.1晶體對流場的影響

圖3(a)～(c)為72 h時,晶體大小為C分別為2m,6m,10m,x=2.993 5 mm處,亦即y-z截面的速度矢量圖。由圖3(a)～(c)可見,在流體流經(jīng)晶體時,晶體周圍流體的流動方向發(fā)生改變,且隨著晶體的生長,流動方向的改變越來越大,甚至在流動方向上晶體的前后發(fā)生回流現(xiàn)象,晶體越大回流現(xiàn)象越明顯。圖3(d)～(f)為與圖3(a)～(c)相對應(yīng)y-z截面的流線圖。從圖3(d)可以看出,晶體一旦形成,流體流經(jīng)晶體時,流線就會發(fā)生改變,繞過晶體;從圖3(d)～(f)可以看到,隨著晶體的生長,流線繞過晶體的改變越大。當(dāng)晶體生長到一定大小,流體流過晶體時,在晶體前后有渦的產(chǎn)生,且晶體越大,渦越大。渦的產(chǎn)生,迫使流體發(fā)生擾動,從而加強(qiáng)了晶體附近流體間的混合。這種流體間的混合可以有效的破壞邊界層,提高流體間擾動強(qiáng)度,一定程度上增加了傳熱效果。結(jié)合實驗結(jié)果分析可知,隨著時間的推移,晶體不斷增大,由渦產(chǎn)生而形成的擾動也不斷增強(qiáng),從而使傳熱效果增加。在晶體不斷增大的同時,管壁面晶體的分布密度也不斷增大,以至晶體對傳熱的阻礙作用大于由渦產(chǎn)生而引起的擾流所增加的傳熱效果。因此,在該階段總的傳熱效果為負(fù)增長,即,在粗糙度誘導(dǎo)期的起始階段,傳熱系數(shù)先減小后增大。

圖3　不同晶體大小x=2.993 5 mm截面速度矢量圖和流線圖Fig.3　The velocity profile and streamline of x=2.9935 mm section in different crystal size

圖4(a)～(c)為72 h中晶體大小C分別為2m,6m,10m,y=-1.810-6mm處,亦即x-z截面的速度矢量圖。從圖4(a)～(c)可以看出,晶體一旦形成,在流體流動方向上,晶體的前后端靠近管壁面處均會出現(xiàn)回流,晶體越大回流區(qū)域越大。圖4(d)～(f)為與圖4(a)～(c)相對應(yīng)x-z截面的流線圖。從圖4(d)～(f)看出,在靠近管壁面的晶體前后兩側(cè)渦就開始產(chǎn)生,而且隨著晶體的生長,渦強(qiáng)度不斷增強(qiáng),擾流作用也相應(yīng)提高,對邊界層的破壞能力不斷增大,對傳熱效果貢獻(xiàn)也越大。但隨著時間的延長,管壁面附著的晶體增多,晶體對傳熱的阻礙作用大于晶體存在所帶來的流體擾動產(chǎn)生的強(qiáng)化傳熱效果。

圖4　不同晶體大小y=-1.810-6 mm截面速度矢量圖和流線圖Fig.4　The chart of velocity vector and streamlines at y=-1.810-6 mm section in different crystal size

圖5(a)～(c)為72 h中晶體大小C=6m,x分別為2.983 5 mm,2.993 5 mm,2.998 5 mm處,亦即y-z截面的速度矢量圖。由圖5(a)～(c)可知對一定大小的晶體,在垂直于壁面的晶體生長方向上,流體流過晶體,在晶體的不同位置所形成的回流程度不同,從壁面沿著垂直于壁面的晶體生長方向,回流現(xiàn)象逐漸減弱,直到與管中心主流速度相平行。圖5(d)～(f)為與圖5(a)～(c)相對應(yīng)y-z截面的流線圖。從圖5(d)～(f)可以看出,對一定大小的晶體附近,不同位置處有不同的流場,從管壁面沿著垂直于管壁面的晶體生長方向,渦強(qiáng)度不斷減弱,直至消失。

3.2晶體對溫度場的影響

圖6為72 h中晶體大小C分別為2m,6m,10m,x=2.993 5 mm處,亦即y-z截面的溫度場圖。圖6中心部分代表溫度最低,從中心向四周擴(kuò)展,溫度越來越高,表明中心晶體部分由于CaCO3晶體的導(dǎo)熱系數(shù)小,對傳熱阻礙大,所以溫度低,從晶體向四周擴(kuò)展,晶體周圍充滿溶液,而且存在擾流作用,傳熱效果得到增強(qiáng),所以溫度逐漸升高。從圖6還可以看出,隨著晶體的生長,低溫區(qū)域不斷擴(kuò)大,晶體對傳熱的阻礙作用增大。

3.3晶體對傳熱的影響

圖7為24 h,48 h,72 h,96 h,120 h不同晶體粒徑進(jìn)行數(shù)值模擬所得的Nu/Nu0隨晶體粒徑變化的關(guān)系圖。從圖7可以看出,不同時間的Nu/Nu0都隨著晶體粒徑的增大而逐漸減小。這一過程分為兩個階段:負(fù)熱阻階段、正熱阻階段。負(fù)熱阻階段,從開始壁面沒有晶體到晶體形成并生長到一定大小,Nu/Nu0>1,但隨著晶體生長,Nu/Nu0逐漸減小,說明在此階段,晶體一旦生成,流體在晶體附近產(chǎn)生擾動,破壞邊界層,增強(qiáng)管壁與流體間的換熱效果,并且晶體對傳熱起到的阻礙作用小于擾流對傳熱的促進(jìn)作用,故Nu/Nu0>1,即表現(xiàn)為負(fù)熱阻。但在此階段,不同時間所對應(yīng)的晶體粒徑范圍不同,24 h為0～26m,48 h為0～13m,72 h為0～7m,96 h為0～8m,120 h為0～6m。正熱阻階段,隨著晶體繼續(xù)生長,Nu/Nu0持續(xù)減小,Nu/Nu0<1,說明在此階段,隨著晶體的不斷生長,擾流作用增強(qiáng),持續(xù)破壞邊界層,從而使換熱效果得到加強(qiáng)。但是,晶體在不斷生長的同時,管壁晶體的分布密度也得到提高,晶體對管壁與流體間的換熱的阻礙作用增大,而且超過晶體帶來的擾流對傳熱的促進(jìn)作用,故Nu/Nu0<1,即表現(xiàn)為正熱阻。這一階段,不同時間所對應(yīng)的晶體粒徑范圍仍然不同,24 h為26～30m,48 h為13～18m,72 h為7～13m,96h為8～12m,120 h為6～11m。

3.4負(fù)污垢熱阻成因

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)和圖7的數(shù)據(jù),晶體生長24 h時,晶體平均大小為14.69m;而對于在圖7(a)中的Nu/Nu0的值為1.025。按這種方法,可得出圖8中晶體生長過程中Nu/Nu0隨時間變化關(guān)系。

從圖8可看出Nu/Nu0隨時間呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。在0～72 h時間段,Nu/Nu0>1,即表現(xiàn)為負(fù)熱阻。但是在0～48 h,Nu/Nu0從1開始逐漸增大,并達(dá)到最大值;而后在48 h～72 h時間段,Nu/Nu0從最大值開始逐漸減小,并且回到Nu/Nu0=1的位置?？傮w上看,在這此階段,一旦晶核開始形成或晶核生長為晶體,邊界層即被破壞,擾流作用增強(qiáng)了壁面與流體間的換熱,其作用大于晶體本身對壁面換熱的阻礙作用。而且,在這一過程中,擾流作用在0～48 h是一直增強(qiáng)的,隨著晶核不斷形成以及晶體的不斷生長,在48～72 h,相對而言,擾流作用有所減弱,而且在72 h后,晶體對流體的擾流作用與晶體對壁面的換熱作用相互抵消,達(dá)到平衡,在圖8中Nu/Nu0先增加后減小,但在總體上Nu/Nu0一直保持大于1,所以在這一階段晶體生長呈現(xiàn)出負(fù)熱阻。在72～120 h時間段,Nu/Nu0從1開始繼續(xù)減小,Nu/Nu0<1,即表現(xiàn)為正熱阻。這一階段說明,隨著晶核不斷形成以及晶體的繼續(xù)生長,晶體對流體的擾流作用與晶體對壁面的換熱作用之間的平衡消失,并且晶體對流體的擾流作用朝著小于晶體對壁面的換熱作用的方向發(fā)展,即Nu/Nu0<1,Nu/Nu0在圖8中為下降趨勢,所以在這一階段晶體生長呈現(xiàn)出正熱阻。

圖5　同一晶體大小C=6 m,不同x截面速度矢量圖和流線圖Fig.5　The chart of velocity vector and streamlines at different x sections in same crystal size of C=6 m

圖7　不同時間Nu/Nu0隨晶體粒徑變化關(guān)系 Fig.7　Nu/Nu0 in different time change with crystallite size

圖8　Nu/Nu0隨時間變化關(guān)系Fig.8　Nu/Nu0 change with time

4　結(jié)論

通過數(shù)值分析方法對圓管內(nèi)CaCO3污垢生長對傳熱特性的影響進(jìn)行了數(shù)值分析,獲得了不同晶體大小的Nu/Nu0,對速度場和溫度場及傳熱的影響,依據(jù)實驗數(shù)據(jù),獲得了CaCO3晶體生長不同時間對傳熱特性的不同影響。結(jié)果可總結(jié)如下:

(1)Nu/Nu0隨時間均成下降趨勢,占主要比例晶體粒徑的Nu/Nu0與實驗基本吻合;

(2)不同晶體生長期速度場均呈現(xiàn)出流經(jīng)晶體的流體的流向發(fā)生改變,在流動方向上晶體的前后發(fā)生回流現(xiàn)象,晶體越大回流現(xiàn)象越明顯;

(3)隨著晶體的生長,流線繞過晶體的改變程度越大,當(dāng)晶體生長到一定大小,流體流過晶體時,在晶體前后有渦的產(chǎn)生,而且晶體越大,渦越大。渦的產(chǎn)生,迫使流體發(fā)生擾動,從而加強(qiáng)了晶體附近流體間的混合。這種流體間的混合可以有效的破壞邊界層,提高流體間擾動強(qiáng)度,一定程度上增加了傳熱效果;

(4)負(fù)熱阻階段晶體對傳熱的阻礙作用小于由渦產(chǎn)生而引起的擾流所增加的傳熱效果,即Nu/Nu0>1,晶體生長表現(xiàn)為負(fù)熱阻。晶體繼續(xù)生長晶核增多、晶體增大,晶體分布密度增大,晶體對傳熱的阻礙作用大于由渦產(chǎn)生而引起的擾流所增加的傳熱效果,即Nu/Nu0<1,晶體生長表現(xiàn)為正熱阻。

[1]Epstein N.Fouling in Heat Exchangers[C]//Heat Transfer,1979.

[2]Hasson D.Jahavi J.Mechanism of Calcium Sulfate Scale Deposition on Heat Transfer Surfaces[J].I&EC Fundamentals,1970,9(1):1-10.

[3]Bott T R,Walker R A.Fouling in Heat Transfer Equipment[J].Chemistry engineer-London,1971,255:391-395.

[4]Bohnet M.Fouling of Heat Transfer Surfaces[J].Chem.Eng.Technol,1987,(10):113-125.

[5]Watkinson A P,Martinez O.Scaling of Heat Exchanger Tubes by Calcium Carbonate[J].Journal of Heat Transfer,1975,97(4):504-508.

[6]Middis J.Heat Transfer and Pressure Drop for Flowing Sood Pulp Fibre Suspensions[D].New Zealand:University of Auckland,1994.

[7]Bansal B,Muller-Steinhangen H.Crystallization Fouling in Plate Heat Exchangers[J].ASME J.Heat Transfer,1993,115:584-591.

[8]P??kk?nen T M,Riihim?ki M.Crystallization Fouling of CaCO3-Analysis of Experimental Thermal Resistance and Its Uncertainty[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55:6 927-6 937.

[9]Geddert T,Bialuch I,Augustin W,etal.Extending the Induction Period of Crystallization Fouling Through Surface Coating[J].Heat Transfer Engineering,2009,30(10-11):868-875.

[10]Bohnet M.Fouling of Heat Transfer Surfaces[J].Chemical Engineering & Technology,1987,10(1):113-125.

[11]F?rster M,Bohnet M.Modification of Molecular Interactions at the Interface Crystal/heat Transfer Surface to Minimize Heat Exchanger Fouling[J].International Journal of Thermal Sciences,2000,39(7):697-708.

[12]Mwaba M G,Golriz M R,Gu J.A Semi-empirical Correlation for Crystallization Foulingon Heat Exchange Surfaces[J].Applied Thermal Engineering,2006,26:440-447.

[13]Arsenyeva Olga P,Crittenden Barry,Yang Mangyan,etal.Accounting for the Thermal Resistance of Cooling Water Fouling in Plate Heat Exchangers[J].Applied Thermal Engineering,2013,61:53-59.

The Numerical Investigation of the Mechanism of the Negative Thermal Resistence Appered in CaCO3Fouling Process on the Inner Tube Wall

Cui Tao1,2,Wang Liangcheng3,Chang Liming1,2,Wang Liangbi1,2,Li Sufang3

(1.School of Mechatronic Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Key Laboratory of Railway Vehicle Thermal Engineering of MOE,Lanzhou 730070,China;3.School of Chemical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

Based on experimental results,the fluid flow and heat transfer characteristics enforced by the growth of CaCO3crystallization fouling on the inner tube were studied by numerical simulation.Through the analyzing,get the relationship betweenNu/Nu0and the crystal size in the different period,also get the result ofNu/Nu0changes with time in a process of crystal growth.The effects of CaCO3crystallization fouling on the flow field,temperature field and the heat transfer coefficient were investigated systematically in different periods of fouling growth.The results showed that there was an induction period,in this period the thermal resistance decreases,andNu/Nu0>1.This means that in this stage the effect of the fouling on heat transfer was less than that of the additional disturbances caused by the fouling.As growing of the fouling,the effect of the fouling on heat transfer is larger than that of the additional disturbances caused by the fouling,Nu/Nu0<1,the thermal resistance increases.

Circular tube;CaCO3crystallization fouling;Negative resistance;Numerical method

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.018.

2015-03-16;

2015-04-20.

國家自然科學(xué)基金(51166007);甘肅省財政廳基金(620013).

崔濤(1985-),男,重慶人,碩士研究生,研究方向為工程熱物理.E-mail:jackloveli_520@126.com.

王良璧.E-mail:lbwang@mail.lzjtu.cn.

TB61+1

A

1004-0366(2016)04-0087-08

引用格式:Cui Tao,Wang Liangcheng,Chang Liming,etal.The Numerical Investigation of the Mechanism of the Negative Thermal Resistence Appered in CaCO3Fouling Process on the Inner Tube Wall[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):87-94.[崔濤,王良成,常立民,等.圓管內(nèi)CaCO3污垢生長引起負(fù)熱阻機(jī)理的數(shù)值分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(4):87-94.]