表面特性和流动特性对结垢诱导期影响的实验研究

　　0引言

　　污垢诱导期是污垢形成的初始阶段,一般指从清洁状态起到检测到污垢热阻的这段时间。由于描述换热面污垢特性往往使用污垢热阻值的大小,因而污垢诱导期常常被忽略。然而污垢诱导期的长短对整个污垢形成过程具有重要的影响,研究延长污垢诱导期对于减轻垢害,节约能源具有重要的现实意义,因此引起国内外学者的关注。Forster[l]做了不同表面材料的结垢诱导期实验,结果表明材料表面能对结垢诱导期有较大影响。zhao等圆通过表面改性的方法研究不同表面特性材料的结垢诱导期,也提出类似的结论。国内一些学者孙奉仲和徐志明也对诱导期的成因以及影响诱导期的因素进行了实验研究。事实上影响污垢诱导期的因素有很多,本文主要从换热面与污垢颗粒间的附着力和工质的流动特性两方面对污垢诱导期的影响进行研究。

　　1表面特性的影响

　　1.1附着力的影响

　　为了比较材料表面与污垢颗粒间附着力结垢对诱导期的影响,选取铜、不锈钢和钦三种常用的换

　　热表面在相同的条件下作对比实验。实验中所用的CaSO4微粒用激光粒度分析仪进行粒径分析,结果见表1。实验所得污垢热阻R了与时间艺的关系曲线如图1所示。

　　从图1可以看出,三种换热面的诱导期不同,不锈钢管诱导期较长,而钦管较短,但三种换热面的污垢热阻渐近值几乎相等。其主要原因是结垢初期污垢颗粒与不同的换热表面间附着力不同。由胶体稳定性理论[s],污垢颗粒与光滑换热面之间的附着力主要是范德华力,可以表示为:

　　A132为污垢颗粒1、换热面2与水3之间的有效Hamaker常数,可通过相互作用物质间表面能求得:

　　H和H₀是污垢颗粒与换热面分开距离和最小平衡距离,分别为0.4nm和0.157nm,R为污垢颗粒平均半径。相关表面张力数据及附着力数据如表2所示。由表2可知钦表面与颗粒间的附着力最大,铜次之,不锈钢最小。另外,换热面材料仅在结垢初期对污垢颗粒附着有影响,当表面被污垢覆盖以后,换热面材料对结垢过程影响减弱,转变为结垢物质之间相互作用,这是导致三种换热面的污垢热阻渐近值几乎相等的原因。

　　1.2换热面粗糙度的影响

　　换热面与污垢颗粒间的附着力受表面粗糙度影响,一般认为表面粗糙度增大,换热面与污垢颗粒间的接触面积减小,附着力减小。由粗糙表面的附着力计算模型可知,附着力不仅与换热表面粗糙度Rz有关,还与污垢颗粒半径尺寸有关。

而文献(8)实验结果表明换热表面粗糙度与结垢诱导期并不遵循特定规律,如图2所示。不锈钢表面粗糙度为4.5μm和4.7μm时的结垢诱导期要比粗糙度为2.9μm时为长,虽然表面粗糙度增大,但结垢诱导期并不随着其表面粗糙度的增大而变小。因此,表面粗糙度对结垢诱导期的影响还不能一概而论,往往是换热面粗糙度、污垢颗粒表面粗糙度、污垢颗粒尺寸以及表面纹理所产生的力等因素综合作用的结果。