本發(fā)明涉及換熱設(shè)備表面顆粒污垢導(dǎo)熱系數(shù)領(lǐng)域，是一種基于多孔介質(zhì)特性的顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

換熱設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中經(jīng)常使用的設(shè)備之一，換熱設(shè)備在運(yùn)行時(shí)由于表面沉積污垢，使得設(shè)備換熱能力惡化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)加快換熱設(shè)備的老化，縮短換熱設(shè)備的使用壽命，甚至?xí)绊憮Q熱設(shè)備的安全運(yùn)行。大大降低了換熱設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，增大了運(yùn)行成本，造成了很大的能源浪費(fèi)。因此，對(duì)污垢導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可為換熱設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)污垢的導(dǎo)熱系數(shù)選取和換熱面積確定提供參考，也為降低垢害奠定理論依據(jù)。

顆粒污垢表面是具有非常明顯的不規(guī)則性和復(fù)雜性，顆粒污垢內(nèi)部存在孔隙，可以認(rèn)為顆粒污垢是由許多固體骨架和骨架間的孔隙所組成的一種多孔介質(zhì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，不易描述，污垢導(dǎo)熱系數(shù)難以獲得或誤差很大。目前，對(duì)于污垢熱阻的測(cè)量只能依靠熱學(xué)法和非傳熱學(xué)法，但其缺點(diǎn)是方法復(fù)雜，成本很高。熱學(xué)法以發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?01210109422.3為例，該專利提出一種污垢熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量裝置及方法。該方法主要缺點(diǎn)是沒有考慮污垢的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，不能真實(shí)的反映出污垢實(shí)際的導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算數(shù)據(jù)不可靠。romandyga經(jīng)實(shí)驗(yàn)所得提出了一種多孔介質(zhì)等效導(dǎo)數(shù)系數(shù)表達(dá)式，其表明多孔介質(zhì)等效導(dǎo)熱系數(shù)只與孔隙率有關(guān)，而目前對(duì)于孔隙率的測(cè)量方法有壓汞法、密度法、吸滲法和統(tǒng)計(jì)法，但這些方法很難應(yīng)用到污垢孔隙率的測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有的對(duì)污垢熱阻的測(cè)量成本高、方法復(fù)雜、數(shù)據(jù)不可靠的問題，本發(fā)明基于圖片處理技術(shù)，考慮顆粒污垢的多孔介質(zhì)特性，獲取顆粒污垢孔隙率，且根據(jù)理論分析提出了一種基于多孔介質(zhì)特性的顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，從而獲取其等效導(dǎo)熱系數(shù)，使得顆粒污垢研究更加精確和規(guī)范，從而更加深刻的揭示熱量在顆粒污垢中的傳遞機(jī)理，為減小垢害奠定了科學(xué)依據(jù)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于多孔介質(zhì)特性顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法，其特征是：基于圖片處理技術(shù)，考慮顆粒污垢的多孔介質(zhì)特性，獲取顆粒污垢孔隙率，根據(jù)理論分析提出一種具有多孔介質(zhì)特性顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)，具體包括以下步驟：

1)計(jì)算顆粒污垢孔隙率：

孔隙率的計(jì)算式為：

式中：ε為孔隙率；s0為污垢孔隙面積，m²；s為污垢面積，m²；

2)理論分析推理出一種具有多孔介質(zhì)特性顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式：

顆粒污垢認(rèn)為是由固體骨架和骨架間的孔隙所組成的一種多孔介質(zhì)，顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)與固體骨架導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙內(nèi)流體導(dǎo)熱系數(shù)及孔隙率有關(guān)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得污垢的顯微結(jié)構(gòu)，取單元模型為立方體，中間為氣體介質(zhì)的球形空腔，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將球形空腔簡(jiǎn)化為立方空腔，空腔與四周連通，

當(dāng)熱流通過單元體時(shí)，在單元體內(nèi)遇到不同熱阻介質(zhì)時(shí)將以不同路徑分流而過，參照電路網(wǎng)絡(luò)中等效電阻的方法，熱量通過單元體時(shí)以并列三條路徑分流而過，每條路徑的熱阻具體分別表述為：第一條路徑熱阻為中間氣孔沿?zé)崃鞣较虻臒嶙瑁涀鱮f；第二條路徑熱阻為沿?zé)崃鞣较?條固相介質(zhì)的熱阻，記作rs；第三條路徑熱阻為三個(gè)部分熱阻串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中，第一部分熱阻為垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)的熱阻，記作rs1；第二部分熱阻為四側(cè)通氣孔沿?zé)崃鞣较虻臒嶙?，記作rf1；第三部分熱阻同樣為垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)的熱阻，記作rs2，

假設(shè)單元體內(nèi)的傳熱為一維導(dǎo)熱，則單元體的有效導(dǎo)熱系數(shù)表示為：

λε＝ελf+(1-ε)λe(2)

式中：λε為單元體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；λf為流體介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；λe為單元體四側(cè)的有效導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；ε為孔隙率；

根據(jù)孔隙率計(jì)算式(1)，將單元體的空腔邊長(zhǎng)l和固體骨架邊長(zhǎng)h代入式(1)中得出孔隙率為：

式中：l為單元體空腔邊長(zhǎng)，m；h為固體骨架邊長(zhǎng)邊長(zhǎng)，m；

為計(jì)算單元體四側(cè)的有效導(dǎo)熱系數(shù)λe，設(shè)單元體上下兩面溫度差為δt，則總熱流分為通過4條沿?zé)崃鞣较蚬滔嘟橘|(zhì)傳導(dǎo)的熱流q1和通過垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)及四側(cè)通氣孔傳導(dǎo)的熱流q2兩部分，根據(jù)fourier定律得：

式中：q1為通過4條沿?zé)崃鞣较蚬滔嘟橘|(zhì)傳導(dǎo)的熱流，w；q2為通過垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)及四側(cè)通氣孔傳導(dǎo)的熱流，w；λs為固相介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；

則單元體四側(cè)有效導(dǎo)熱系數(shù)λe為：

將式(4)和式(5)代入式(6)中計(jì)算得到式(7)：

對(duì)式(3)進(jìn)行變換簡(jiǎn)化得到：

將式(8)代入式(7)得到：

將式(9)代入式(2)得到具有多孔介質(zhì)特性顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式：

從式(10)中能夠看出，只要能確定顆粒污垢種類、工質(zhì)種類及污垢孔隙率就能夠得到多孔介質(zhì)顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)；

3)將式(1)計(jì)算得到的孔隙率ε代入多孔介質(zhì)顆粒污垢等效導(dǎo)數(shù)系數(shù)表達(dá)式(10)即可計(jì)算出顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)。

本發(fā)明的一種基于多孔介質(zhì)特性顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法是針對(duì)現(xiàn)有的對(duì)污垢熱阻的測(cè)量成本高、方法復(fù)雜、數(shù)據(jù)不可靠的問題，基于圖片處理技術(shù)，考慮顆粒污垢的多孔介質(zhì)特性，獲取顆粒污垢孔隙率，且根據(jù)理論分析提出了一種基于多孔介質(zhì)特性的顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方法，從而獲取其等效導(dǎo)熱系數(shù)，使得顆粒污垢研究更加精確和規(guī)范，從而更加深刻的揭示熱量在顆粒污垢中的傳遞機(jī)理，為準(zhǔn)確的計(jì)算顆粒污垢導(dǎo)熱系數(shù)開辟了一條新的途徑，對(duì)顆粒污垢種類的識(shí)別和顆粒污垢的生長(zhǎng)等研究都有重要的意義，為減小垢害奠定了科學(xué)依據(jù)。具有方法簡(jiǎn)單，成本低，計(jì)算結(jié)果可靠，實(shí)用性強(qiáng)，效果佳等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為多孔介質(zhì)顆粒污垢簡(jiǎn)化模型；

圖2為多孔介質(zhì)顆粒污垢熱阻網(wǎng)絡(luò)圖；

圖3為換熱器表面碳酸鈣污垢掃描電鏡圖；

圖4為換熱器表面碳酸鈣污垢的二值化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明的一種基于多孔介質(zhì)特性顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法，基于圖片處理技術(shù)，考慮顆粒污垢的多孔介質(zhì)特性，獲取顆粒污垢孔隙率，根據(jù)理論分析提出一種具有多孔介質(zhì)特性顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)，具體包括以下步驟：

1)計(jì)算顆粒污垢孔隙率，孔隙率計(jì)算式為：

式中：ε為孔隙率；s0為污垢孔隙面積，m²；s為污垢面積，m²；

2)理論分析推理出一種具有多孔介質(zhì)特性顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式；

顆粒污垢認(rèn)為是由固體骨架和骨架間的孔隙所組成的一種多孔介質(zhì)，顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)與固體骨架導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙內(nèi)流體導(dǎo)熱系數(shù)及孔隙率有關(guān)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得污垢的顯微結(jié)構(gòu)，取單元模型為立方體，中間為氣體介質(zhì)的球形空腔，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將球形空腔簡(jiǎn)化為立方空腔，如圖1所示。

當(dāng)熱流通過單元體時(shí)，在單元體內(nèi)遇到不同熱阻介質(zhì)時(shí)將以不同路徑分流而過，參照電路網(wǎng)絡(luò)中等效電阻的方法，熱量通過單元體時(shí)以并列三條路徑分流而過，單元體熱阻網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示，每條路徑的熱阻具體分別表述為：第一條路徑熱阻為中間氣孔沿?zé)崃鞣较虻臒嶙?，記作rf；第二條路徑熱阻為沿?zé)崃鞣较?條固相介質(zhì)的熱阻，記作rs；第三條路徑熱阻為三個(gè)部分熱阻串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其中，第一部分熱阻為垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)的熱阻，記作rs1；第二部分熱阻為四側(cè)通氣孔沿?zé)崃鞣较虻臒嶙瑁涀鱮f1；第三部分熱阻同樣為垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)的熱阻，記作rs2。

假設(shè)單元體內(nèi)的傳熱為一維導(dǎo)熱，則單元體的有效導(dǎo)熱系數(shù)表示為：

λε＝ελf+(1-ε)λe(2)

式中：λε為單元體的有效導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；λf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；λe為單元體四側(cè)的有效導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；ε為孔隙率；

根據(jù)孔隙率計(jì)算式(1)，將單元體的空腔邊長(zhǎng)l和固體骨架邊長(zhǎng)h代入式(1)中得出孔隙率為：

式中：l為單元體空腔邊長(zhǎng)，m；h為固體骨架邊長(zhǎng)邊長(zhǎng)，m；ε為空隙率；

為計(jì)算單元體四側(cè)的有效導(dǎo)熱系數(shù)λe，設(shè)單元體上下兩面溫度差為δt，則總熱流分為通過4條沿?zé)崃鞣较蚬滔嘟橘|(zhì)傳導(dǎo)的熱流q1和通過垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)及四側(cè)通氣孔傳導(dǎo)的熱流q2兩部分，根據(jù)fourier定律得：

式中：q1為通過4條沿?zé)崃鞣较蚬滔嘟橘|(zhì)傳導(dǎo)的熱流，w；q2為通過垂直于熱流方向橫桿固相介質(zhì)及四側(cè)通氣孔傳導(dǎo)的熱流，w；λs為固相介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；

則單元體四側(cè)有效導(dǎo)熱系數(shù)λe為：

將式(4)和式(5)代入式(6)中得到：

對(duì)式(3)進(jìn)行變換簡(jiǎn)化得到：

將式(8)代入式(7)中計(jì)算得到：

將式(9)代入式(2)即可得到具有多孔介質(zhì)特性顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)表達(dá)式：

從式(10)中能夠看出，只要能確定顆粒污垢種類、工質(zhì)種類及污垢孔隙率就能夠得到多孔介質(zhì)顆粒污垢的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

因此，將式(1)計(jì)算得到的孔隙率ε代入多孔介質(zhì)顆粒污垢等效導(dǎo)數(shù)系數(shù)表達(dá)式式(10)即可計(jì)算出顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)。

具體實(shí)施例：

a.確定顆粒污垢表面孔隙率

以換熱器表面碳酸鈣污垢為試樣，首先采用掃描電鏡對(duì)碳酸鈣污垢進(jìn)行掃描，得到碳酸鈣污垢的掃描電鏡圖(見圖3)，然后運(yùn)用本領(lǐng)域常用的image-proplus6.0圖像分析處理軟件對(duì)碳酸鈣污垢的掃描電鏡圖像進(jìn)行二值化處理，進(jìn)而得到碳酸鈣污垢的二值化圖(見圖4)，最后對(duì)得到的碳酸鈣污垢二值化圖的孔隙面積進(jìn)行測(cè)量，并通過顆粒污垢表面孔隙率計(jì)算式(1)計(jì)算得到碳酸鈣污垢孔隙率為ε。

通過孔隙率公式ε＝s0/s計(jì)算得到其孔隙率為ε＝37.14％。

b.顆粒污垢等效導(dǎo)熱系數(shù)

污垢孔隙中的介質(zhì)是水，所以流體導(dǎo)熱系數(shù)即為水的導(dǎo)熱系數(shù)，取λf＝0.6w·(m·k)^-1，污垢固體骨架由碳酸鈣組成，取λs＝2.9w·(m·k)^-1。將各個(gè)參數(shù)代入多孔介質(zhì)顆粒污垢等效導(dǎo)數(shù)系數(shù)關(guān)聯(lián)式(10)得：

以上具體實(shí)施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，參照上述實(shí)施例所作的任何形式的修改、等同變化均在本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。