PDF《一种用于污垢监测的温差热阻新方法》

2004 年第28 卷 石油大学学报(自然科学版) Vol.

28 No.

5 第5期Journal of the University of Petroleum , China Oct.

2004 ? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 法等.对于换热设备 ,主要应用热学法进行污垢监 测.热学法可分为温差监测法和污垢热阻法.污垢 的温差表示法是生产现场常用的表示结垢程度的方 法[3 ] ,它通过换热器工艺介质和冷却水进出口温差 的变化来反映污垢沉积量的变化.这种监测方法方 便、 直观 ,但是其缺陷在于可信度差.因此 ,在不采 用校正手段的情况下 ,它只能作为描述换热面污垢 聚集的一个参考值.因此 ,笔者选用污垢热阻法较 精确地监测污垢热阻.

1 方程的建立 1.

1 改进的污垢热阻计算公式 用污垢热阻法测量污垢热阻 ,文献中的计算公 式[4 -

6 ] 为R′ f =

1 Uf -

1 Uc . (1) 式中 , Uc 和Uf 分别为清洁及结垢状态下的总传热 系数 ,W/ (m2 ・ K) . 清洁及结垢状态下传热的物理模型 (只有一侧 换热) 如图

1 所示. 图1清洁及结垢状态下的传热模型 设传热过程是在外壁温度 Tw 为常数的条件下 进行的 ,由于金属材料的导热系数远大于污垢的导 热系数 ,可以认为整个壁面温度趋于一致 ,同时由于 结垢过程中壁面导热热阻不变 ,为便于比较 ,模型忽 略金属材料的导热热阻. 清洁条件下总的传热热阻即为对流换热热阻 , 表示为 Rzc =

1 Uc = Tw - Tlc qc . (2) 式中 , Rzc为清洁状态下介质至内壁面间的对流换热 热阻 ,(m2 ・ K) / W;

Tw 为管外壁温度 , ℃;

Tlc为清 洁状态下流体的主流温度 , ℃;

qc 为清洁状态下换 热的热流密度 ,W/ m2 . 结垢条件下总的传热热阻为 Rsf =

1 Uf = Tw - Tlf qf . (3) 式中 , Tlf为结垢状态下流体的主流温度 , ℃;

qf 为结 垢状态下换热的热流密度 ,W/ m2 ;

Rsf为结垢状态下 总的传热热阻 ,(m2 ・ K) / W. Rsf包括对流换热热阻 Rzf和垢层导热热阻 Rf , 即Rsf = Rzf + Rf . (4) 令ΔR = Rzf - Rzc. (5) 由式(1) ~(5) ,可得 Rf =

1 Uf -

1 Uc - ΔR = R′ f - ΔR . (6) ΔR 反映了式 (1) 的绝对误差.引入修正系数ζ,令ζ= R′ f - Rf R′ f ,它反映了式(1) 的相对误差 ,于是 Rf = R′ f - ζR′ f . (7) 式(6) , (7) 和式 (1) 的差别在于引入了修正项 ΔR 和修正系数ζ,该修正项是由于清洁和结垢情况 下的对流换热热阻的不同引起的.而对流换热系数 取决于管道条件、 流体流量、 内壁面温度和流体的主 流温度等参数 ,所以要确定该修正项 ,必须掌握结垢 过程中液体的主流温度以及污垢内壁面温度的分布 规律. 1.

2 对流换热系数的计算 对流换热努塞尔数用格尼林斯基公式[7 ] 计算 : N uf = 0.

012 ( Re 0.

87 f - 280) Pr 0.

4 f *

1 + d l 2/

3 Prf Prw 0.

11 . (8) 实验验证范围为1.

5 <

Prf <

500 ,0.

05 <

Prf Prw <

20 ,

2 300 <

Ref <

106 . 对流换热系数 h 与努塞尔数的关系为 h = N ufλ f d . (9) 单位面积上的对流换热热阻 Rzc为对流换热系数 h 的倒数. 1.

3 垢层内壁面温度的计算 文献[8 ]给出的恒壁温条件下 ,垢层内壁面温度 的计算公式为 Tsf - Tl Tw - Tl =

1 1 + hRf . (10) 该文献认为污垢生长过程中 , 流体主流温度 Tl 及 流体与垢层间换热系数 h 均为常数并等于清洁状 态下的值 ,这是不准确的 ,对文献[8 ]给出的垢层导 热微分方程式进行求解后 ,更准确的表达式为 Tsf - Tlf Tw - Tlc =