板式换热器结垢机理基础研究

板式换热器作为一种高效、节能、紧凑的换热设备，目前广泛地应用于工业中。关于板式换热器实际运行条件下的污垢热阻综合研究处于空白状态。进行板式换热器污垢形成机制和污垢诱导期基础研究具有重要的科学和工程现实价值。本项目拟从实际运行条件下的污垢沉积试验着手，获取有代表性成系列的板式换热器污垢数据，填补实际运行冷却水在板式换热器长期运行后的污垢热阻数据空白。利用振弦分析法以及湍流传质分析中的类比法，分析板式换热器污垢污垢的形成机理和污垢诱导期物理机制，建立板式换热器污垢形成和发展的工程模型；进而进行扩展的工程数值模拟，发展板式换热器污垢科学评价体系。为开发出诱导期长、低污垢的防垢技术提供理论指导。本项目是国家973计划子项目延续， 研究内容包括试验测试设备，理论分析方法，工程数学模型是一个研究板式换热器污垢热阻的科学技术综合课题，具有十分重要的理论和实际意义。

本项目拟对板式换热器污垢进行实验、理论以及数值三方面的研究，预期研究成果包括国内外论文SCI/EI 4-6篇，培养1名博士研究生和1名硕士研究生。以上指标课题组均超额完成。发表了24篇论文，其中SCI收录14篇，EI收录10篇。其中包括发表在传热学最顶尖的期刊International Journal of Heat and Mass Transfer10篇。所有中文英文论文均在第一感谢资助单位注明“国家自然科学基金面上项目-板式换热器污垢机理研究50976096”）。项目进行过程中，培养2名博士研究生（1名博士毕业， 博士论文题目与此基金项目名称相同），4名硕士研究生毕业。课题组根据合同书要求超额完成各项技术指标，中期检查被推荐2011国家自然科学基金项目进展交流会议口头报告。项目主要工作包括：在实验研究方面，搭建了板式换热器传热传质实验台，完成了四台不同几何设计的板式换热器传热、流动实验，而后对板式换热器传质特性进行测试，完成了三组不同的污垢实验，包括析晶污垢、颗粒污垢以及混合污垢。着重研究了不同几何参数（板式换热器波纹高度、间距、角度、面积扩展系数等）、流动参数（不洁净流体的温度、流量）以及水质参数（不洁净流体中的硬度与颗粒污垢浓度）对污垢形成的影响。还完成了一组带有抗垢涂层板片的抗垢对比实验，在9组对比实验中，特氟龙抗垢涂层显示出了良好的抗垢性，而抗垢涂层对析晶污垢的抑制效果要明显好于颗粒污垢。板式换热器的优点之一是结构紧凑，常规尺寸的相关理论并不一定满足相应的条件，因此我们对微小通道的理论进行了研究，并选择类比法作为求解湍流传热传质问题的基本方法，分别利用普朗特-泰勒类比、冯-卡门类比以及j因子类比建立了半理论化污垢预测模型，比较后发现基于冯-卡门类比建立的污垢数学模型具有最良好的预测精度以及最广泛的适用范围，因此选择冯-卡门类比作为污垢预测模型的主要理论依据。以冯-卡门类比为基础，结合板式换热器不同污垢条件下的实验数据，完善了板式换热器内析晶污垢、颗粒污垢以及混合污垢的污垢数学模型。污垢预测关联式具有较好的精度，其中对颗粒污垢的预测结果最为突出，偏差在±6%左右。本项目对三大类污垢的形成机理进行了讨论，并对板式换热器不同污垢的微观结构进行了探讨，利用Solidworks和Gambit建立强化管和板式换热器的二、三维模型，再利用Fluent进行传热传质计算