换热器维修
换热器管
清洗换热器
新闻动态
换热器中析晶垢结垢过程的预测模型点击：1715 日期：[ 2014-04-26 22:00:40 ] |
| 换热器中析晶垢结垢过程的预测模型 窦 丹1,邢晓凯2 (1.中国石油天然气勘探开发公司,北京 100034;2.中国石油大学(北京)城市油气输配技术北京市重点实验室,北京 102249) 摘要：通过对换热器中析晶垢结垢过程的传热特点与结垢机理的分析,证明了要正确描述结垢行为,必须考虑结垢过程与温度场的耦合问题。提出了考虑这一耦合作用的描述结垢过程的预测模型, 通过数值积分方法可以得到换热器不同位置处在任意结垢时间的污垢热阻,与实验数据比较表明,模型预测是可靠的。 关键词：换热器;析晶垢;预测模型 中图分类号：TE965 文献标识码：A 文章编号：1004-9614(2009)03-0032-03 0 引言 在换热器设计和运行中,只以一个与时间无关的经验污垢系数来考虑污垢的影响,不能满足实际的需要。为了确定适宜的清洗周期,实现换热器的优化运 行,还需要掌握污垢热阻随时间的变化关系。为此, 人们进行了大量的实验研究,但是由于换热器结构的差异性以及流体种类的差别,再加上操作条件复杂, 在特定换热器、特定流体以及特定操作条件下进行的实验研究取得的结果,适用范围有限,很难推广使用。研究过程中,产生了一些简化的、可以估计污垢对换热设备性能影响的实用模型。尽管学者们提出了多种模型,但是大部分模型的基础仍是Kern-Seaton[1] 模型,只是对沉积率和剥蚀率赋予了不同的内容而已。即: 目前,在文献中所见到的换热器结垢过程的数学模型均没有考虑结垢速率和温度场的耦合问题。由于人们所关心的是长期的结垢行为,而结垢热阻又恰是传热过程的控制热阻,所以垢层表面温度和洁净时壁面温度必然不同,而垢层表面温度是影响换热面上析晶反应速率的决定因素。因此,要正确描述结垢行为,必须考虑结垢过程与温度场的耦合。尽管文献 [2]中考虑了恒壁温条件下的温度场对结垢过程的影响,但其恒壁温的前提和流体温度为常数的假设难以应用到换热器的结垢过程中。为此,将根据换热器中垢层传热的特点,提出综合考虑这一耦合作用的预测模型,对结垢过程给出更为合理的描述。 1 垢层的温度分布 结垢过程与温度场的耦合指一方面结垢过程会 造成温度场的变化;另一方面温度场的变化又给结垢 过程带来了影响。应推导结垢过程中污垢热阻给垢层表面温度带来的影响。严格的讲,结垢过程是一个非稳态的传热与传质过程,但是由于结垢是一个非常缓慢的过程,因此可以将其视为准稳态过程。 图1给出了套管式顺流换热器结垢过程中传热过程的物理模型。热流体温度从进口处的t′1下降到出口处的t1″,而冷流体温度则从进口处的t2′上升到出口 处t2″的(应注意到t1″和t2″是随时间变化的)。首先,对传热过程做如下假设:换热器无热损失换热面沿流动方向的导热量忽略不计;由于碳酸钙为反溶解性的晶体,只考虑冷端流体在换热面上的结垢。 在换热微元段dA两侧,传热系数为kx,冷、热流体的温度分别为t2及t1,温差为Δt,即: Δt=t1-t2(2) 通过微元面dA的热流量为 dΦ=kxΔtdA(3) 热流体放出这份热量后,温度下降了dt1,于是: dΦ=-qm1c1dt1(4) 式中:qm1为热流体的质量流量; c1为热流体的比热容。同理,对于冷流体有: dΦ=qm2c2dt2(5) 式中:qm2为冷流体的质量流量; c2为冷流体的比热容。这部分热量由污垢表面对流传给冷流体,描述为 dΦ=hi(tW-t2)dA(6) 由式(2)~式(6),经推导得到换热器中任意位置 垢层壁面温度为 以冷流体通道内表面为计算依据的传热系数可 以表示为 2 析晶垢结垢过程的预测模型 在冷流体与热流体之间的温差较大(如油田集输系统间接式加热系统的换热器中热媒与采出液之间的换热)时,冷流体一侧的结垢由对流传质控制着结垢过程[3],即: Φd=hm·(Cs-Ce) (10) 式中:hm为对流传质常数;Cs为主流电解质浓度;Ce为垢层表面处的电解质浓度;Φd为污垢沉积速率。对于碳酸钙、硫酸钙等具有反向溶解度曲线的盐类,在温度范围不太大时,可以认为电解质浓度与温度呈线性关系,即 Cs-Ce=γ(tW-t2) (11) 式中γ为电介质浓度随温度变化的常系数。从式(11)可以看出,当结垢溶液的硬度和流速一定时,结垢速率主要取决于结垢表面温度tW,而从式(7)~式(9)可以看出,结垢过程中污垢热阻的变化直接影响了污垢层的表面温度。这就是结垢过程与温度场的耦合。 脱除速率与垢层厚度成正比[4]: Φr=crρfδf(12) 式中:cr为脱除常数;ρf为污垢密度;δf为垢层厚度。 由式(1)、式(7)、式(10)~式(12)可得,结垢过 程的预测模型为 式(13)是一阶常微分方程,它的初始条件为 Rx|τ=0=0,由于kx及Δt均为因变量Rx的函数,且Δt 的表达式较复杂,无法得到式(13)解的显式表达式, 可通过数值积分方法得到不同换热器位置Ax和时间τ对应的污垢热阻Rx. 人们往往关心换热器结垢过程中任意时刻的平均传热系数和平均污垢热阻,由热平衡计算出传热系数的平均值为 3 结垢模型与文献结果的比较 目前,文献中较为公认的实验数据没有提供足够 详尽的细节,所以要对文中提出的结垢预测公式验证 较困难。文中选用文献[5]给出的管壳式换热器不同 时刻实测的平均污垢热阻与预测公式(15)计算得到 的平均污垢热阻进行初步比较。 表1给出了文献[5]中的主要实验条件,图2中给出了文献[5]的实验结果及式(15)的计算结果。从图2中可以看出,尽管计算结果与实验结果之间存在一定的偏差,考虑到结垢机理的复杂性和影响因素的多样性,其吻合程度还是令人满意的,这说明上述模型是可靠的。 4 结束语 通过分析换热器中析晶垢结垢过程的传热特点和结垢机理,证明了垢层温度的变化会对结垢过程产生重要的影响,因此要正确描述结垢行为,必须考虑结垢过程与温度场的耦合问题。 提出了考虑这一耦合作用的描述结垢过程的预测模型,通过数值积分方法可以得到换热器不同位置处在任意结垢时间的污垢热阻,也可得到结垢过程中的不同时刻的平均污垢热阻。与实验数据比较表明:文中模型对实验结果能够给出较好的预测,证明了该模型是可靠的。 参考文献: [1] KERN D Q, SEATON R E. A TheoreticalAnalysis ofTher- mal Surface Fouling. British Chem. Eng.i, 1959, 4 (5): 258-262. [2] 刘中良,施明恒,戴锅生.结晶垢结垢过程的传热传质模型.化工学报, 1997, 48(4): 402-407. [3] 邢晓凯,荆冬峰. CaCO3结垢过程控制机理分析.热能动力工程, 2007, 22(3): 336-339. [4] 刘中良.固体颗粒对沸腾换热及结垢过程影响的研究: [学位论文].南京:东南大学, 1996. [5] AL-BAGAWI J J A. Fouling analysis and its mitigation in heat exchangers. King FahdUniversity ofPetroleum&Min- erals, Dhahran, SaudiArabia, Ph. D. thesis. 2002: 45- 114. 作者简介:窦丹(1974—),博士,工程师,研究方向为油气储运工程技术、强化换热及其在高新技术中的应用。 |
| 上一篇：多孔泡沫金属换热器内流体流动和传热的均匀性分析 | 下一篇：基于换热能效度的竖直地埋管埋设深度设计 |