换热表面水垢形成机理与规律的实验研究

　　0　引　言

　　在用水系统中,会有各种物质沉积在换热器的传热管表面,这些物质统称为沉积物。它们主要是由水垢、淤泥、腐蚀产物和生物沉积物构成。通常,人们把淤泥、腐蚀产物和生物沉积物三者统称为污垢[1]。污垢由于导热系数很低造成能源的浪费,并导致锅炉和换热器的使用寿命大大缩短。Steinhagen等[2]在20世纪90年代的调查表明,90%以上的换热器都不同程度地存在污垢问题,而换热器在石油、化工、电力、食品、造纸、水泥、冶金、土木工程等多种工业领域都占有相当比重。虽然水垢和污垢随处可见,但它们从溶液中析出形成污垢的过程和机理一直不确定,这样就影响到采用有效方法抑制结垢或除垢。为了预测水垢生成的速率从而合理地设计热交换设备,要进一步加深对水垢生成基本规律的认识,把握多种因素对水垢形成的影响[3]。

　　1　结垢实验台简介

　　为了系统研究结垢的形成规律,进而研究绿色除垢技术如电磁除垢的实践效果和影响因素,热能实验室搭建了结垢实验台。本结垢实验台采用人工配置高硬度循环水来加速结垢形成,从而研究结垢实验规律。实验溶液的配制为:在100 L去离子水中加入摩尔比为1∶2的CaCl2和NaHCO3。实验段采用电加热带缠绕在紫铜管外表面加热,促使高硬度循环水在较短时间内在加热表面沉淀结垢。高硬度水在水泵的推动下循环实验,这样可以在较短的时间内实现水垢的形成,开展实验研究。通过测量铜管表面温度变化,计算内壁沉淀水垢的热阻变化[4],进而测算铜管内表面水垢形成的规律。另外,借助化学分析仪器,测量循环水中盐离子浓度变化情况,综合分析铜管内壁水垢形成与溶液浓度的变化关系。本实验分别测量了循环水取样的钙离子和总钙浓度。所谓总钙浓度就是对取得的试样先加入适量盐酸,把其中已经结晶悬浮的碳酸钙晶粒和溶液中的碳酸氢根经过化学反应溶解掉,再按照络合滴定国家标准GB 7476-87操作,这样测得的钙离子浓度为结晶的和未结晶的钙总和。钙离子浓度是指依据标准GB 7476-87测得在溶液中呈离子状态的钙的含量。实验中经过反复的溶液混浊情况的观察和比较,结合对管内壁水垢厚度的监测,发现了水垢形成的一些规律。比如讨论溶液运行一段时间后变混浊的现象,一直不清楚该现象产生的原因,即到底是因为先结垢在管壁上被流体冲刷掉导致溶液的变混还是因为溶液先变混浊了,然后悬浮颗粒黏结沉淀在管壁上结垢。这就是要弄清楚管壁上形成的水垢是结晶垢还是微粒垢的问题[5]。东北电力大学的杨善让[6]等在《换热设备的污垢与对策》中这样对水垢分类:析晶垢指在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐淀析在换热面上的结晶体,因而又称作结晶垢;微粒垢指悬浮在流体中的固体颗粒在换热面上的积聚物,