三角翼渦流發(fā)生器納米氧化鎂顆粒污垢特性

徐志明，楊蘇武，朱新龍，張一龍，劉坐東

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三角翼渦流發(fā)生器納米氧化鎂顆粒污垢特性

徐志明1，楊蘇武1，朱新龍1，張一龍2，劉坐東2

（1東北電力大學能源與動力工程學院，吉林 吉林132012；2華北電力大學，北京 102206）

為了探究三角翼渦流發(fā)生器的納米氧化鎂顆粒污垢特性，選用粒徑為50 nm的氧化鎂顆粒配制的膠體溶液為研究對象，研究了在不同水浴溫度、顆粒濃度、流速、三角翼間距以及不同布置等工況下三角翼渦流發(fā)生器的污垢特性。結果表明：三角翼渦流發(fā)生器具有抑垢特性，水浴溫度、濃度、流速對其抑垢能力及結垢速率均有影響，水浴溫度升高、顆粒濃度降低以及工質(zhì)流速升高都會導致三角翼的抑垢能力增強。三角翼不同列間距的抑垢能力隨著布置方式的改變而改變，采用均勻分布布置形式時40 mm列間距的抑垢能力最強，而采用同列數(shù)布置時80 mm列間距的抑垢能力最強。

三角翼；氧化鎂；結垢；污垢特性；間距；膠體；納米粒子

引 言

顆粒污垢是換熱設備中污垢的一種，它是指懸浮在流體中的固體顆粒在換熱面上的積聚[1]。鎂垢則是其中比較常見的一種。許多學者對于顆粒污垢的特性進行了研究。顧業(yè)梅等[2]對弧線管以及光管中顆粒污垢誘導期的影響因素進行了實驗研究。張冠敏等[3]從實驗與理論兩個方面研究了板式換熱器顆粒污垢特性。李紅霞等[4]對強化管內(nèi)氧化鋁和氧化鐵顆粒污垢的污垢特性進行了實驗與模擬。朱華等[5]研究了螺紋管中實際冷卻水污垢和顆粒污垢的特性。王景濤等[6]從不同顆粒直徑、顆粒濃度、工質(zhì)流速和溫度工況這幾個角度對納米氧化鎂顆粒污垢在交叉縮放橢圓管內(nèi)的污垢特性進行了實驗研究。

渦流發(fā)生器作為一種被動式強化換熱裝置已得到廣泛的應用，它能產(chǎn)生渦旋，減薄邊界層，對污垢的沉積能起到一定的抑制作用。三角翼渦流發(fā)生器作為渦流發(fā)生器中應用得比較廣泛的一種，在傳熱、空氣動力學以及抑垢方面都得到了廣泛研究。王令等[7]、田林等[8]分別對矩形通道內(nèi)安裝縱向渦流發(fā)生器強化換熱進行了模擬與實驗研究。Kwak等[9]、Joardar等[10]分別對不同換熱器內(nèi)三角翼渦流發(fā)生器的換熱與壓降特性進行了實驗研究。Zhou等[11]在文獻中對矩形翼、三角翼、梯形翼和柱面梯形翼的流動特性以及換熱特性進行了論述。Hasan等[12]研究了三角翼渦流發(fā)生器在交叉流動條件下Na2SO4析晶污垢的污垢特性，提出需要從抑垢與壓降兩個方面考慮渦流發(fā)生器的設計。劉坐東等[13]和王宇朋等[14]分別從模擬與實驗兩個方面研究了3種翼形渦流發(fā)生器的CaCO3污垢特性，研究表明攻角的改變對于三角翼的抑垢變化影響不明顯，列間距是一個重要的影響因素。目前國內(nèi)外對于三角翼在顆粒污垢方面的研究較少，而顆粒污垢是污垢中主要成分之一，國內(nèi)外許多學者都從各個方面對其進行了大量研究，三角翼目前應用得也十分廣泛，因此研究三角翼的顆粒污垢特性是十分必要的。本研究采用顆粒粒徑為50 nm的納米氧化鎂顆粒配制純膠體溶液來模擬換熱面顆粒污垢的生成，以達到探索三角翼顆粒污垢特性的目的。

1 實驗系統(tǒng)簡介

1.1 實驗系統(tǒng)與裝置

實驗系統(tǒng)如圖1所示，工質(zhì)由水泵從低位水箱中打入高位水箱，一部分流入實驗段，實驗段為由厚0.5 mm、寬100 mm、長1000 mm的304不銹鋼板制成的換熱面以及換熱面之間的密封材料構成的一個長1000 mm、寬100 mm、高8.5 mm的矩形通道。渦流發(fā)生器按一定尺寸布置在換熱面上。工質(zhì)在實驗段中與恒溫水浴進行換熱后流回低位水

圖1 實驗系統(tǒng)

圖2 渦流發(fā)生器

箱進行冷卻，另外一部分經(jīng)過溢流板溢流后直接 流入低位水箱。實驗的溫度由PT100T型熱電偶 采集，其精度為±0.15℃。流量采用型號為LDE-15SM2F100的電磁流量計采集。

實驗采用的渦流發(fā)生器為高5 mm，高寬比為1:5的三角翼渦流發(fā)生器，材質(zhì)為0.3 mm厚的304不銹鋼片。渦流發(fā)生器如圖2所示。

1.2 實驗原理

實驗臺能夠直接得到實驗段進出水口的溫度1、2，恒溫水浴溫度0，以及實驗中的流量v。

由傳熱方程式(1)以及熱平衡方程式(2)

可以得到傳熱系數(shù)的表達式(3)

污垢熱阻可以由式(4)得到

(4)

式中，f為污垢熱阻，m2·K·W-1；0、分別為清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下實驗段的總傳熱系數(shù)，W·m2·K-1。

2 實驗結果分析

實驗從水浴溫度、流速、納米氧化鎂溶液濃度、三角翼列間距以及不同布置方式這5個方面探究了三角翼渦流發(fā)生器的納米氧化鎂污垢特性。渦流發(fā)生器的布置方式如圖3所示：入口穩(wěn)定段150 mm，為出口穩(wěn)定段，前沿間距20 mm，為間距，迎流攻角90°，迎流向布置2列12排，箭頭方向為工質(zhì)流動方向。

2.1 水浴溫度對三角翼污垢特性的影響

在其他工況相同、不同水浴溫度的條件下對光板與三角翼渦流發(fā)生器進行了實驗。實驗的水浴溫度分別為45℃和50℃。

圖4為實驗得到的污垢熱阻曲線。從圖中可以

圖3 渦流發(fā)生器布置示意圖

圖4 水浴溫度對污垢熱阻的影響

看出，相同工況下加裝了三角翼渦流發(fā)生器的污垢熱阻總是小于光板，而隨著水浴溫度的升高，光板和三角翼的污垢熱阻都有所加大且結垢速率也明顯加快，光板（曲線A和B)的污垢熱阻漸近值增大了約58%，而三角翼只增大了約33%，三角翼（曲線C和D）的抑垢能力隨水浴溫度升高而增強。

相同工況下，三角翼渦流發(fā)生器具有明顯的抑垢效果，這是由于流體流經(jīng)渦流發(fā)生器會產(chǎn)生縱向渦，破壞邊界層，對壁面存在磨蝕和剪切作用，從而降低污垢沉積率，增大污垢的剝蝕率，導致污垢熱阻減小。隨著水浴溫度的升高，污垢熱阻漸近值和結垢速率也升高，這是由于水浴溫度的升高會引起換熱表面溫度的升高，使邊界層內(nèi)粒子的布朗運動加劇，這會導致更多的顆粒輸運到壁面沉積，而使污垢熱阻與結垢速率升高。而加裝三角翼渦流發(fā)生器后，渦流發(fā)生器產(chǎn)生的縱向渦對壁面沖刷擾動，破壞了壁面的邊界層，使壁面附近的流體處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，在一定程度上抑制了顆粒向壁面的輸運沉積，從而導致三角翼抑垢能力隨水浴溫度升高而增強。

2.2 濃度對三角翼污垢特性的影響

在其他工況不變的條件下分別對光板與三角翼進行了不同污垢顆粒濃度的實驗研究，實驗采用的濃度為200、400 mg·L-1，實驗得出的污垢熱阻曲線見圖5。從圖中可以看出，隨著濃度的升高，污垢熱阻明顯升高，而且結垢速率也明顯加快，三角翼渦流發(fā)生器的抑垢能力隨濃度上升而有所 減弱，400 mg·L-1下三角翼（曲線B）比光板（曲線D）的污垢熱阻漸近值減小了約11%，而200 mg·L-1下三角翼（曲線A）比光板（曲線C）減小了約53%。

圖5 濃度對污垢熱阻的影響

污垢熱阻以及結垢速率都隨濃度上升而升高，這是由于顆粒濃度越大溶液和換熱面的質(zhì)量濃度梯度就越大，會驅(qū)使更多的顆粒向換熱表面輸運，從而導致結垢速率加快，污垢熱阻漸進值增大[15]。隨濃度上升三角翼渦流發(fā)生器的抑垢能力減弱，這是由于工質(zhì)遇到渦流發(fā)生器后在其上部多形成橫向渦，導致上部形成一個回流滯止區(qū)，此區(qū)域污垢沉積率較大，而工質(zhì)濃度升高導致溶液中含有的納米氧化鎂粒子增加，相當于加大了回流滯止區(qū)的沉積率，因而導致抑垢能力的減弱。

2.3 流速對三角翼污垢特性的影響

在其他工況不變的條件下對流體不同流速工況下的污垢特性進行了實驗研究，實驗的流速分別為0.1、0.15 m·s-1，圖6為實驗的污垢熱阻。從圖中可以看出，污垢熱阻隨流速增大而減小，而且結垢速率隨流速升高而降低，三角翼的抑垢能力隨流速升高而升高，0.1 m·s-1的流速下三角翼（曲線A）與光板（曲線B）相比污垢熱阻漸近值降低了約11%，而0.15 m·s-1的流速下三角翼（曲線C）比光板（曲線D）污垢熱阻減小了約32%。

流速對污垢形成的影響十分復雜，在污垢的輸運、附著和剝蝕這3個階段流速都有參與。在污垢剛開始形成的階段溶液中污垢顆粒濃度較大，流速的增大一方面會為顆粒間的有效碰撞提供能量，導致更多的顆粒有機會相互碰撞團聚[16]（膠體小顆粒之間發(fā)生碰撞相互結合成直徑更大的顆粒的過程），膠體粒子受到的重力影響可以忽略[17]，但其團聚后由于粒徑增大會受到重力影響而沉降，沉降的大顆粒不易輸運到壁面上，因而導致結垢速率減慢，污垢熱阻降低。另一方面流速的增大也會增大壁面受到的剪切力，導致污垢的剝蝕率升高，從而

圖6 流速對污垢熱阻的影響

使污垢熱阻減小。三角翼渦流發(fā)生器產(chǎn)生的縱向渦會隨流速增大而增強，其對壁面的沖刷與剪切效果也增強，從而導致三角翼的抑垢能力隨流速升高而增強。

2.4 均勻分布布置不同間距對三角翼污垢特性的影響

其他工況不變，在進出口穩(wěn)定段近似相等的條件下，采用均勻分布的方式分別將間距為40、60、80 mm的渦流發(fā)生器布置在換熱面上，它們的排數(shù)分別為18排、12排、9排，對這3種布置的渦流發(fā)生器進行實驗。圖7為實驗的污垢熱阻。從圖中可知，均勻分布布置下60 mm（曲線C）間距的污垢熱阻最大，80 mm（曲線B）次之，40 mm（曲線A）最小。

圖7 均勻分布下間距對污垢熱阻的影響

這可以從兩個方面進行分析。一方面是由于三角翼渦流發(fā)生器產(chǎn)生渦旋的傳播距離是有限的，當間距為40 mm時，三角翼產(chǎn)生的渦旋能夠傳遞到下一個渦流發(fā)生器，從而使渦旋能不斷傳播下去，加劇了對流體的擾動，加強了對壁面的沖刷能力，導致污垢熱阻減小；當間距在60 mm時，上一個渦流發(fā)生器產(chǎn)生的縱向渦處于即將平復的狀態(tài)，而流體流經(jīng)渦流發(fā)生器在迎流方向通常形成橫向渦，產(chǎn)生的縱向渦不能傳遞到下一個渦流發(fā)生器，而是在之前與下一個渦流發(fā)生器產(chǎn)生的橫向渦相遇，互相抵消，加大了渦流發(fā)生器前的滯止區(qū)，從而導致污垢熱阻升高；而當間距為80 mm時，上一個三角翼產(chǎn)生的渦旋已經(jīng)完全平復，間距成為次要影響因素。另一方面，若在一定尺寸的換熱面上均勻分布渦流發(fā)生器，間距的減小必然導致排數(shù)的增加，從而增加了縱向渦對壁面的影響面積，有利于減小污垢熱阻。

圖8 相同排數(shù)下間距對污垢熱阻的影響

2.5 同排數(shù)布置不同間距對三角翼污垢特性的影響

在其他工況不變且不考慮均勻分布即忽略出口穩(wěn)定段的條件下，采用相同排數(shù)（9排）對3種間距進行了實驗，結果如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相同列數(shù)的工況下，80 mm（曲線A）間距污垢熱阻最小，40 mm（曲線B）次之，60 mm（曲線C）最大。

相同排數(shù)布置工況下，40 mm間距的污垢熱阻略大于80 mm間距，這是由于雖然40 mm間距下產(chǎn)生的縱向渦抑垢能力強，但是在換熱面面積足夠大的情況下，采用相同排數(shù)布置，40 mm間距布置下的渦流發(fā)生器產(chǎn)生的縱向渦對整個換熱面的影響范圍整體來說卻比80 mm間距小許多，所以導致其污垢熱阻略大于80 mm。而對于60 mm間距，在這種布置情況下，其產(chǎn)生縱向渦的抑垢效果差，對整個換熱面的影響范圍也小，所以其抑垢能力仍然是最差的。

3 結 論

（1）換熱表面加裝三角翼渦流發(fā)生器對納米氧化鎂污垢存在抑垢作用，水浴溫度的升高會導致污垢熱阻升高以及結垢速率加快，三角翼渦流發(fā)生器的抑垢能力隨之增強。

（2）納米氧化鎂濃度的升高會導致污垢熱阻升高，結垢速率加快，三角翼渦流發(fā)生器的抑垢能力隨之減弱。

（3）流速的升高會導致污垢熱阻降低，結垢速率也隨之降低，三角翼渦流發(fā)生器的抑垢能力隨之增強。

（4）在換熱面尺寸一定的條件下，采用均勻分布的布置形式，間距40 mm的排數(shù)最多，抑垢效果最好，間距80 mm次之，間距60 mm抑垢能力最差。

（5）當換熱面足夠大時，采用相同列數(shù)的布置方式，間距80 mm的抑垢效果最好，間距40 mm次之，間距60 mm抑垢效果最差。

（6）三角翼渦流發(fā)生器設計尺寸可能對實驗結果存在一定的影響，通過對其進行優(yōu)化應可以提高其抑垢性能。

符 號 說 明

——渦流發(fā)生器間距，mm

——納米氧化鎂膠體溶液濃度，mg·L

，

——分別為清潔狀態(tài)下和有污垢狀態(tài)下實驗段的總傳熱系數(shù)，W·m·K

——流量，L·min

——污垢熱阻，m·K·W

，，

——分別為實驗段入口溫度、出口溫度以及恒溫水浴溫度，℃

——實驗流速，m·s

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Characteristics of nanometer magnesia particulate fouling of delta wing vortex generator

XU Zhiming1, YANG Suwu1, ZHU Xinlong1, ZHANG Yilong2, LIU Zuodong2

(1Energy and Power Engineering Institute, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China;2North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

In order to explore the characteristics of nanometer magnesia particle fouling in delta wing vortex generator, colloidal solutions made of magnesia particles of 50 nm were used in the experiments. The fouling characteristics of the delta wing vortex generator under different conditions were investigated, including water bath temperature, particle concentration, flow velocity, spacing and arrangement of delta wings. The results show that the delta wing vortex generator can inhibit the fouling. The longitudinal vortex and stagnation zone produced by delta wing vortex generator and the characteristics of magnesia colloidal solution have a great influence on the fouling characteristics. Higher water bath temperature, lower magnesia solution concentration, and higher flow velocity can reduce the fouling rate. The fouling characteristics also depend on the arrangement of delta wings, which results in different longitudinal vortexes. With the uniform layout of delta wings, 40 mm spacing is the best for inhibition of dirt. With the same number of columns, 80 mm spacing is the best.

delta wing; magnesia; fouling; fouling characteristics; spacing; colloid; nanoparticles

date: 2014-06-26.

YANG Suwu, 1012461@qq.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20140962

TK 124

A

0438—1157（2015）01—0086—06

國家自然科學基金項目（51076205）。

2014-06-26收到初稿，2014-09-02收到修改稿。

聯(lián)系人：楊蘇武。第一作者：徐志明（1959—），男，教授。

supported by the National Natural Science Foundation of China (51076205).