超声式蒸发器防除垢性能研究.doc
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1、超声式蒸发器除垢性能研究 Descaling Performance of Ultrasonic Evaporator 专业名称: 过程装备与控制工程 姓名: 房世杰 指导教师姓名: 申请学位级别: 学士 论文提交时间: 2015年6月 学位授予单位: 天津科技大学摘 要 超声式蒸发器是利用超声空化提高蒸发浓缩效率的一种新型的蒸发设备,它适用于各种蒸发换热设备,尤其是可用于容易在蒸发器内部结垢的物料的蒸发。由于超声波技术的应用还存在一些问题没有解决,所以没有大范围的应用于工业生产。本文以无机盐溶液和水作为实验物料,研究超声式蒸发器的传热性能。实验结果表明:1) 利用Excel表格对数据进行单因
2、素法处理得出各主要操作因素对超声式蒸发器性能的影响:传热系数随着超声波功率先增大后减小,随着进料量增大而增大,随着进料温度先增大后减小,随着传热温差的变化是以50为分界线,两种趋势都是先增大后减小。2) 利用Minitab对数据进行处理,采用响应面分析法得出各影响因素对传热系数的最佳响应面,分析可以发现各操作因素对传热系数的敏感程度:传热温差蒸发温度流量超声波功率密度,在对所有因子的最佳响应面综合分析得到超声波蒸发最佳效果时操作条件。3) 离子色谱分析仪对样品分析表明在二次蒸汽内各离子的含量大约是浓缩液的千分之一。二次蒸汽中的离子含量可以忽略不计,达到设计要求。关键字:超声空化; 传热系数;
3、无机盐; 响应面分析Abstract窗体顶端Ultrasonic evaporator is concentrated by evaporation using ultrasound to im-prove the efficiency of a new evaporation plant, which applies to all kinds of evaporation heat transfer equipment, especially the evaporator can be used easily inside the evaporator fouling materials.
4、Since the application of ultrasound technology, there are some issues remain unresolved, there is no large-scale applied to industrial production. In this paper, inorganic salt solution and water as experimental materials to study heat transfer performance of the ultrasonic evaporator. The results s
5、howed that:1) Forms for data use Excel single factor that deal with the influence of the main operating factors on ultrasonic evaporator performance: heat transfer coefficient with the ultrasonic power first and then decrease, as the feed rate increases, as the feed temperature then decreases, with
6、the change of the temperature difference is the dividing line after 50 , two trends are the first increases and then decreases.窗体顶端2) Use Minitab for data processing, obtain various factors on the heat transfer coefficient of the best response surface using response surface analysis, factor analysis
7、 can be found in each operation sensitivity of the heat transfer coefficient: temperature difference evaporation temperature Flow ultrasonic power density, in the best of all the factors to get a comprehensive analysis of response surface ultrasonic evaporator operating conditions for best results.窗
8、体底端窗体顶端3) ion chromatography analyzer for sample analysis showed that in the second steam content of each ion is about one-thousandth of the concentrate. Secondary steam in terms of ion content can not be ignored, to meet the design requirements.窗体底端窗体底端Keywords: Ultrasound; heat transfer coefficien
9、t; salts; Response surface analysis窗体底端目 录1 前言11.1 污垢的性质极其对换热设备影响、对污垢的监测11.1.1 污垢的性质及分类11.1.2 污垢对换热设备的影响21.1.3污垢层的监测31.2 除垢方法41.2.1 化学除垢41.2.2高压水除垢41.2.3机械清洗41.2.4在线清洗51.2.5超声波除垢51.3 超声波除垢在国内外研究现状61.3.1 超声波防垢除垢在国内的应用61.3.2 超声波防除垢在国外的应用81.3.3 超声式防除垢的不足91.4 课题研究的背景及意义91.4.1 研究课题的背景91.4.2 课题研究的意义101.4.
10、3 本文的研究工作102 实验原理112.1 传热原理112.1.1 自然循环原理112.1.2 中央循环管式蒸发器112.1.3 传热系数K122.2 超声波防除垢技术原理142.2.1 空化效应142.2.2 活化效应152.2.3 抑制效应152.2.4 剪切效应152.3 除垢机理152.3.1 硬质污垢的除垢机理152.3.2 软垢层的除垢机理152.3.3 对人体无害163 实验研究173.1实验简介173.2无机盐超声蒸发实验173.2.1实验目的173.2.2实验流程173.2.3实验步骤193.3无机盐离子检测实验203.3.1简易真空超滤装置203.3.2离子色谱仪进行离子
11、检测213.4单因素实验结果与分析233.4.1进料温度对传热系数的影响233.4.2进料流量对传热系数的影响233.4.3传热温差对传热系数的影响243.4.4超声波功率密度对传热系数的影响253.5中心复合实验263.5.1中心复合法实验设计263.5.2中心复合法实验设计优势273.5.2.1实验设计概述273.5.2.2中心复合实验设计的特点283.5.3中心复合实验设计方案实施283.5.4选定模型的分析讨论283.6 离子检测数据分析324 结论355 展望366 参考文献:377 致谢39附录40天津科技大学2015届本科生毕业论文1 前言 本章主要介绍了污垢的种类及其形成过程,
12、污垢的除去方法由此来引出超声波防除垢性能,并对除垢方法加以比较得出超声波除垢的优势所在,在本部分的结尾简单介绍了本研究的主要工作。1.1 污垢的性质极其对换热设施的影响、对污垢的监测 1.1.1 污垢的性质及分类所谓的污垢,是说在与不洁净流体接触的固态物质表面上或基材内部随着时间的增加而慢慢积聚而成的那层固态物质或软泥状物质。在1991年时,根据Somerscales对换热器中换热板上阻碍换热的污垢下了一个相对来说比较严格的定义:凡是换热器内换热面上存在的正常换热和使得物料流过换热面时阻力增加的物质均为污垢1。Epstein在第六届国际传热大会上通过对污垢形成的主要机制对其分类2,因其利于对污
13、垢特性的认识和研究而被国际科技工程所接受。根据能够造成污垢沉积的主要物理或化学原因,污垢的种类可分为以下几类:(1) 由于结晶而析出的污垢;饱和的物料在流经换热面时,物料中的无机盐物质与换热面接触并附着在换热面上的结晶体。而这种污垢的形式正是最为常见的污垢种类,大多是都是无机盐在作怪,我们常见的镁类盐物质、钙盐等等都是最易形成污垢的盐溶液。众所周知,中国的水质问题一直很严重不能得到改善。所以中国工厂中许多的换热器都是由于水质问题,导致碳酸钙形成的污垢附着在换热器的换热面上,使得换热效率降低,大大影响到生产效率。微粒污垢:指漂浮在物料中的固态状微粒堆积在和它接触的换热面上而造成的污垢。这类污垢包
14、含了相对大的固态状微粒在固体的表层上由于重力形成的沉降,即常说的沉积污垢和以其它不同原因形成的胶状的粒子沉积物质。(2) 化学物质反应形成的污垢:化学反应无处不在,物料彼此之间参与反应很正常,这也就导致了物料之间反应所产生的物质附着在换热面上。但这并不代表换热面也是反应物,有时候换热面能够使化学反应加快。这样的离子数不胜数,所以在选取材料时候一定要注意。许多化合物之间的聚合等都可以造成在这种效果。在选取换热器使用的材料时,需要根据要处理的物料来确定,这样就不会对传热系数造成太大的影响。(3) 腐蚀污垢:指流体中含有腐蚀性的杂质或者流体具有腐蚀性对换热器的换热面腐蚀,甚至是流体与换热面发生化学反
15、应而形成的污垢。这种污垢一旦形成不但污染了换热面,还有可能使其他的污染物附着在换热面从而形成新的垢层。就一般情况下而言,虽然腐蚀的程度原因有很多,但主要是因为物料的成分问题,物料自身进料的温度还有物料的酸碱度来决定。(4) 生物污垢:生物污垢是工业污垢的重要组成部分。它是指因为微生物和可视状态的有机物质依着在传递面上从而形成的污垢。流体中的生物产生污垢,形成的污垢层反过来又为生物繁殖提够条件,其对温度很敏感且在适宜条件下可形成相当厚度的污垢层。形成污垢的微生物生长条件不是太苛刻,一旦它们找到了对它们适合的条件,它们会疯狂的繁殖,不断地附着在换热器的换热面上。这样的话,换热器的污垢热阻会受到影响
16、,而且还会大大影响到传热系数,不但影响到生产效率,对换热设备还会腐蚀造成损害。严重的时候,由于换热设备在不为人知的情况下发生损害,导致停机在工业生产中都是很正常的。(5) 物料凝固形成的污垢:物料进入换热器以后,如果换热器刚好处在冷的状态下,物料有可能在碰到换热面是固化,凝结在换热面上,等换热器达到正常温度时,它不脱落就形成了污垢。对正常换热也会起到阻碍的作用。(6) 混乱污垢:每一种污垢都有他们自身形成污垢的原理,虽然不尽相同,可却是存在的。如果一个换热器内存在许许多多的污垢,而且每种污垢都不一样,它们又混合在一起,这种污垢就是混乱污垢。 以上分类中的不同种类只是说明这些原因对形成污垢是首要
17、的因素,但不一能是决定污垢沉积率的原因。1.1.2 污垢对换热设备的影响污垢是不良的导体,它对热量的传导能力很低,有时候不足碳钢的三十分之一,不锈钢对热量的传导能力也很低,但和污垢比较起来的话,污垢对热量的传导能力是它的十几分之一。而换热面的表面一旦有了污垢,会影响到换热效率,直接的表现就是换热额阻力增大,具体增加数值可根据式1-1计算出来,具体增加为3 f (1-1) 式中:Rf污垢热阻; R总的传热热阻; 传热系数。换热设备的性能是由传热性能即传热系数而决定的。 f (1-2) 式中:K总的传热系数; 0 、i两面的传热膜系数; b筒体的壁厚; 筒体壁材料的热导率。 由以上可以看出污垢热阻
18、对传热系数起到一定的影响,降低生产效率。传热系数K越大,污垢对热量的传递能力降低,阻力也会变高,阻力变高传热效率就会降低。为了提高传热系数从而提高换热效率4,除了改变材料的导热率以外更需要降低传热热阻。在化工、电力及纺织等行业中,大多是以水为载体的热交换器,这种是最常见的,再加上中国自身水质的问题,有污垢出现是很正常的现象。这不仅导致换热设备的效率降低,还影响到设备的安全问题。换热设备结垢以后,换热面的传热性能变差,传热阻力变大,而燃烧所释放的热量不能迅速的传递到指定部位,影响传热效果,导致风机或泵的耗功率增加,污垢增加必然导致自动清洗设备的动力消耗增加。污垢造成燃料的浪费资源的浪费,不仅提高
19、了成本还不符合国家建设新型节能型社会的准则。与此同时,结构后构筑物的效果降低,甚至严重时会堵塞管道从而威胁设备的安全运行,水垢严重的企业有时会被迫停产。投资增加。由于污垢的导热率极低,当换热面上形成污垢,不仅使得流体与换热面之间能量传递的阻力增加还降低了设备的性能与寿命。为了补偿因为污垢导致换热效率的降低,必然会增加换热器,增加的换热器又会产生消耗等,必然会导致投资的增大;而为了避免换热器的更换过于频繁,必须要采取一些措施,一般会改变换热面的材料来减小腐蚀程度,而不容易腐蚀又附合条件的的材料价格都比较昂贵,这样防腐蚀的目的可以达到了,但是同样的对工厂所需要付出的资金也会提高,投资成本变高了,间
20、接地使得效率降低。产量降低。污垢的形成导致设备维修周期变短,而维修量却大大增加,致使产品的产量降低。加之设备在启动、停止期间,条件达不到规定的要求,还需要运行一段时才能够生产出合格的产品,可能造成产品的质量随之降低。总而言之,虽然换热器的污垢与日常生活中的无污染有共同的机制,但由于工业生产存在一定的温度梯度,致使换热面上污垢中类变得更加复杂,换热面的污染情况越来越复杂。而且,换热面上的污染严重起来十分的复杂,对换热器的危害也很严重,后果不能估量。值得一提的是,在污垢层刚开始形成时,换热器常常出现换热效率增强的现象,这一现象在上世纪已经被学者证实5,对于这一现象人们通常认为是由于污垢的形成导致表
21、面粗糙度的变化造成的,而Ceylan等人实验结果表明,其对传热的增强并无有效6,这一现象仍是不解之谜,仍需要我们努力研究从而对这一现象加以理论解释。1.1.3污垢层的监测自从80年代开始,对污垢监测的技术取得了较大的发展。为了更好的对污垢提前做好准备工作,提前做好防除工作,通过对不同条件下污垢的数据记录,研制出了许许多多的对形成污垢的沉降物的监测方法。污垢的监测方法有很多,不过大体上来说,可以分为两大类:热量法、非热量传递这两种方法可以对污垢进行监测。热学法包括温差法和热阻表示法;另一种非热量传递的监测方法种类繁多,不同的人们的分类方法也不同,在这里就简单介绍几种,如:时间推移拍摄法、显微镜照
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