换热器结垢原理与抑制技术

　　换热器在运行过程中普遍面临着一个问题——换热表面结垢，严重影响了设备的换热效率、安全性能和使用寿命。本书针对换热器表面污垢的生长机理、污垢热阻预测模型以及污垢抑制技术，进行了全面系统的介绍。基于对污垢生长特性的认识，探索了抑垢和除垢方法，提出了具有除污和抑垢功能的换热器。同时聚焦广泛应用于热泵空调系统的强化换热管，揭示了其在长期运行过程中混合污垢的生长机理，建立了多参数污垢预测模型，用于指导换热器设计与开发，提出了抑制污垢生长的相关策略。本书可供土木工程（暖通空调）、动力工程及工程热物理相关领域的学者及工业界技术人员使用，也可作为高等院校相关专业学生的教材或参考书。

　　沈朝，男，1984年生，副教授（准聘），博士生导师，就职于哈尔滨工业大学，任院长学术助理。 2015年入选哈尔滨工业大学海外招聘青年拔尖人才计划，2019年入选黑龙江省“头雁计划”骨干成员，2020年黑龙江省优秀青年基金获得者，国际期刊Renewable Energy客座主编。主要研究方向为零碳建筑与新型热泵技术、流动与清洁强化换热技术。主持国家或省部级研究课题8项，海外（美国）研究课题1项。发表学术论文60余篇，其中SCI论文50余篇。申请中国专利13项，获省部级科技进步奖1项。

前 言
物理量名称及符号表
第1章 污垢问题及危害········ 1 
1.1 城市污水废热回收利用及污垢·········· 1 
1.1.1 废热利用的可行性及潜力 ·········· 2 
1.1.2 热泵回收污水废热项目介绍 ·········3 
1.1.3 污水换热的污垢问题 ············5 
1.2 空调冷却水强化换热及污垢··········6 
1.2.1 冷却水换热器常用换热管 ·········6 
1.2.2 冷却水侧的污垢问题 ············13 
1.3 污垢研究的历史与现状············14 
1.3.1 污垢研究的历史 ·············14 
1.3.2 颗粒污垢的研究现状 ············17 
1.3.3 析晶污垢的研究现状 ············18 
1.3.4 长期污垢实验研究现状 ···········22 
1.3.5 污垢研究的总结 ········23 
第2章 城市污水废热利用研究···········25 
2.1 污水源热泵的研究现状··········25 
2.1.1 中国的污水源热泵研究报道 ············25 
2.1.2 国外的污水源热泵研究报道 ············27 
2.1.3 污水源热泵在其他特殊领域的应用研究 ·········28 
2.1.4 污水源热泵的经济效益 ············28 
2.2 污水源热泵系统的性能预测·········31 
2.2.1 人工神经网络 ·············31 
2.2.2 人工神经元网络建模 ·········35 
2.2.3 训练人工神经网络的实验数据 ··········36 
2.2.4 污水源热泵系统的性能预测 ············38 
2.3 污水物性分析··········42 
2.3.1 城市污水的物理成分（组分） ·········42 
2.3.2 污水的流动与传热特性 ············45 
2.3.3 污水特性 ·············45 
2.4 污水废热回收专用设备··········49 
2.4.1 污水取水装置 ·············49 
2.4.2 污水换热器 ··········53 
第3章 污水中污垢特性及除污型换热器研发 ·············58 
3.1 污水换热器表面的污垢特性·········58 
3.1.1 实验介绍 ·············58 
3.1.2 实验结果 ·············61 
3.1.3 结果分析 ·············67 
3.2 除污型干式壳管式污水蒸发器············74 
3.2.1 除污型干式污水蒸发器的提出与实验研究 ············74 
3.2.2 壳管式与浸泡式污水蒸发器的实验对比分析 ·········85 
3.2.3 除污型蒸发器的实验和数值研究 ·············95 
3.3 枕板式换热器的设计··········· 112 
3.3.1 污水源热泵系统原理 ············· 112 
3.3.2 枕板式污水换热器及其系统的性能分析 ············· 114 
3.3.3 枕板式换热器的数值分析 ············· 121 
本章小结········· 128 
第4章 以空气为媒介的抑垢型污水源热泵系统 ·········· 131 
4.1 折流板式污水塔污水源热泵············· 131 
4.1.1 污水废热回收折流板式换热器的提出 ·········· 131 
4.1.2 高效抑垢型污水源热泵系统运行特性研究 ·········· 134 
4.1.3 抑垢型污水源热泵系统的抑垢特性 ·········· 144 
4.1.4 污水换热塔内部气流流场数值模拟 ·········· 155 
4.2 导流板式污水塔污水源热泵············· 165 
4.2.1 实验台搭建 ········ 165 
4.2.2 污水温度对系统性能的影响 ·········· 167 
4.2.3 气液体积流量比对系统性能的影响 ·········· 168 
4.2.4 导流板式全热换热器与折流板式换热器的性能对比 ············ 169 
4.2.5 导流板式全热换热器的节能分析 ············ 171 
本章小结········· 174
第5章 空调系统中的污垢特性及在线监测与测试技术 ········· 176 
5.1 空调系统的污垢概述··········· 176 
5.2 水侧污垢在线监测与测试技术·········· 177 
5.2.1 水侧污垢（非加速）在线监测系统介绍 ············· 177 
5.2.2 在线污垢（加速工况）监测平台 ············· 192 
5.3 水侧污垢分析方法········ 201 
5.3.1 数据处理的理论基础 ············· 201 
5.3.2 误差分析的理论基础 ············· 202 
5.3.3 基于给定测试管长度的误差分析 ········· 203 
5.3.4 运行参数对污垢热阻误差的影响 ········· 206 
5.3.5 污垢热阻计算修正公式 ·········· 210 
5.4 空气侧污垢在线监测平台·········· 220 
5.4.1 系统简介 ··········· 220 
5.4.2 空气侧污垢分析方法 ············· 222 
5.4.3 空调室外机结霜图谱分析 ············· 225 
本章小结········· 235 
第6章 空调系统冷却水中污垢的特性 ·········· 236 
6.1 污垢沉积的影响因素（非加速实验）········· 236 
6.1.1 测试管结构参数对污垢生长过程的影响 ············· 237 
6.1.2 水质对污垢生长过程的影响 ········· 242 
6.1.3 流速对污垢生长过程的影响 ········· 246 
6.2 二元混合污垢相互影响机制（加速实验）············· 250 
6.2.1 污垢生长曲线 ··········· 251 
6.2.2 污垢生长的诱导期 ·········· 254 
6.2.3 污垢热阻变化规律的相似性：加速实验对比长期实验 ········· 255 
6.3 疏水涂层对污垢沉积的影响············· 258 
6.3.1 涂层强化管的加工 ·········· 258
6.3.2 涂层强化管的特性 ·········· 260 
6.3.3 涂层表面污垢生长过程 ·········· 264 
本章小结········· 267 
第7章 结垢预测及模型构建············ 269 
7.1 污垢模型概述········ 269 
7.1.1 Kern-Seaton 污垢模型 ············ 269 
7.1.2 污垢模型参数计算 ·········· 270 
7.2 附着概率与黏合强度的测试············· 272 
7.2.1 实际（非加速）污垢测试结果 ············ 272 
7.2.2 加速测试结果 ··········· 274 
7.2.3 二元污垢交互作用 ·········· 277 
7.2.4 抑垢涂料表面特性对污垢沉积的影响 ········ 281 
7.3 附着概率与黏合强度计算关联式的建立·········· 285 
7.3.1 附着概率计算关联式 ············· 285 
7.3.2 黏合强度计算关联式 ············· 287 
7.4 渐近污垢预测模型········ 288 
7.4.1 粒子沉积系数比 ··········· 289 
7.4.2 壁面剪切应力比 ··········· 290 
7.4.3 渐近污垢热阻比 ··········· 290 
7.5 三元变量模型········ 291 
7.5.1 现有污垢模型 ··········· 292 
7.5.2 污垢热阻优化模型的建立 ············· 295 
7.5.3 优化模型的验证与对比 ·········· 297 
7.6 多变量污垢预测模型··········· 299 
7.6.1 渐近污垢热阻比值关联式的发展 ·········· 299 
7.6.2 渐近污垢热阻关联式的发展 ········ 301 
7.6.3 污垢预测模型的验证 ············· 303 
7.6.4 多变量污垢预测模型的应用 ········ 305 
本章小结········· 306 
第8章 强化换热管的流动换热及结垢特性影响机制 ·········· 307 
8.1 欧拉-拉格朗日法·········· 307
8.1.1 数学模型 ··········· 307 
8.1.2 控制方程 ··········· 308 
8.1.3 物理模型 ··········· 310 
8.1.4 网格划分及无关性验证 ·········· 310 
8.1.5 数值求解方法 ··········· 312 
8.1.6 边界条件 ··········· 313 
8.1.7 污垢模型验证 ··········· 314 
8.2 欧拉-欧拉法·········· 316 
8.2.1 数学模型 ··········· 316 
8.2.2 控制方程 ··········· 317 
8.2.3 污垢模型 ··········· 318 
8.2.4 物理模型 ··········· 320 
8.2.5 网格划分及无关性验证 ·········· 321 
8.2.6 数值求解方法 ··········· 322 
8.2.7 边界条件 ··········· 322 
8.2.8 污垢模型验证 ··········· 323 
8.3 应用模拟技术分析流动换热与结垢特性·········· 324 
8.3.1 欧拉-拉格朗日法案例分析 ············ 324 
8.3.2 欧拉法案例分析 ··········· 328 
本章小结········· 341 
第9章 空调室外机污垢············ 344 
9.1 空气侧颗粒垢——脏堵 ··········· 344 
9.1.1 空气侧换热器表面颗粒污垢的形成过程 ············· 344 
9.1.2 空气侧换热器表面颗粒污垢的分布规律 ············· 345 
9.1.3 污垢对换热器性能的影响规律 ········ 346 
9.2 空气侧析晶垢——霜 ··········· 349 
9.2.1 空气侧换热器表面霜的形成过程 ············· 350 
9.2.2 空气侧换热器表面霜层空间分布规律 ········· 351 
9.2.3 结霜的抑制方式 ··········· 354 
9.3 空气侧混合污垢生长特性·········· 362 
9.3.1 空气中悬浮颗粒物对结霜过程的干预作用 ·········· 363 
9.3.2 PM2.5 对空气侧换热表面器结霜过程影响机制 ············ 365 
9.4 既有颗粒污垢工况下的结霜特征············· 370 
9.4.1 既有污垢对结霜特性的影响机制 ············ 371 
9.4.2 霜、垢共存对换热器造成的联合影响 ············· 375 
本章小结········· 377 
参考文献········· 379