（制糖工程专业论文）超声场—静电场协同减缓换热设备积垢的研究.pdf

摘要 摘要 物理防垢设备相对简单、维护操作简便、寿命长、运行费用较低、无污染问 题，不仅能减缓换热设备积垢形成，还有能除去原有沉积物的作用。但物理场防 垢机理的研究还不是很深入，且物理场对溶液物理化学性质的影响较小，防垢效 果受使用条件及设备的影响很大，为了提高物理场处理对溶液的影响，提高防垢 率及扩大使用范围，本研究提出了超声场静电场协同防垢技术。超声场防垢在 工业中已有应用，但防垢机理的研究还很少，为了揭示超声场一静电场协同防垢 的机理，首先进行了超声防垢机理的研究，在此基础上研究协同防垢的机理。 设计的超声场一静电场协同防垢装置，超声参数为：频率4 0 k h z ，功率o 1 0 0 w 连续可调；静电参数为：静电压o 4 k v 连续可调；高压电极的绝缘材料使 用聚四氟乙烯，击穿电压1 0 k v ，安全可靠。 使用常压蒸发模拟装置对协同防垢的各因素：静电压、超声功率和处理时问 进行优化选择。各因素对协同防垢率影响大小为：静电压 超声功率 处理时间。 最优协同参数为：超声功率6 0 w 、静电压力4 k v 、处理时间6 0 s 。静电压与超声功 率的影响显著，处理时间的影响不显著。超声场与静电场有很好的协同防垢效果， 优于单独使用及串联使用的效果。 超声处理过程保持温度恒定，处理时问短，不考虑超声热效应对溶液的影响。 过饱和溶液吸收了超声空化产生的微观热量，成核诱导期缩短，成核速率增大， 大量的晶核迅速生成，过饱和度下降，晶粒长大速度减慢，晶体以微小颗粒的形 式存在。微小的晶体颗粒沉降速度减慢，悬浮于溶液中，减缓了积垢的形成。超 声的机械效应对结晶影响不大。对于碳酸钙晶体，超声处理后，由于成核速率变 大，晶核大量形成，吉布斯自由能迅速下降，晶粒长大的推动力减小，在低的过 饱和度溶液中，无超声处理的溶液，有部分的方解石生成，超声处理后，晶体以 文石的形式存在；在较高的过饱和溶液中，不经超声处理的溶液生成的晶体为方 解石，超声处理后，形成的晶核数目增多，晶体以文石的形式存在或只有部分的 晶体可以继续转变成方解石；在更高的过饱和溶液中，有或无超声处理，生成的 晶体均为方解石，但有超声处理的晶体较无超声处理生成的晶体微小。x 射线衍 射结果表明，超声处理仅影响晶体的形成速度与大小，不改变晶体的结构，对晶 体没有畸变作用。 静电场中超声波传播速度没有改变，静电场的微扰动作用，增加了产生空化 的气泡半径，降低空化阈值，使空化更容易进行，增强了超声空化效应。超声空 化的增强，生成的微观能量增加，成核诱导期进一步缩短，生成的晶核数增多。 在相同的过饱和度下，无处理时，生成的晶体为方解石，超声处理，晶体中文石 的含量占3 6 1 4 ，超声场一静电场处理，晶体中文石含量占9 0 9 9 。文石呈针 华南理工大学博士学位论文 状，密度小，可以较长时间悬浮于溶液中，沉积速度慢，随着溶液前进，减少沉 积量。同时，静电场中的水在极化力的作用下趋于器壁，进一步阻碍晶体微粒靠 近器壁而沉积下来，这两种物理场的协同作用，增强了防垢效果。 物理场处理增大碳酸钙的溶解度，对碳酸钙在水中的溶解度影响大小顺序为： 超声一静电协同场 静电场 超声场 无处理。超声空化产生略带负电的。绷自 由基与成垢阳离子c a 2 + 结合，增加水的溶解能力；静电场产生的水偶极子破坏碳 酸钙分子间的结合力，增加碳酸钙的溶解度；超声场与静电场协同，声化学产额 增加，进一步增加了碳酸钙的溶解度，使已经形成的碳酸钙积垢溶解，垢层变疏 松，变软，溶液在表面流动可使其脱落，从而达到除垢的效果。 超声场与静电场协同防垢，防垢效果增加，同时也增大了设备的投资与使用 费用。使用多目标决策的方法对超声场防垢、静电场防垢及超声场一静电场协同 防垢方案进行评价，综合考虑了防垢率、设备造价、功率消耗、积垢清洗难度、 设备稳定性及日常维护费等多个指标。用t o p s i s 法求解得方案的优劣顺序为：超 声场一静电场协同防垢优于超声场防垢，超声场防垢又优于静电场防垢。表明超 声场与静电场协同防垢经济可行，可以进一步进行放大实验，为物理法防垢提供 一种新的高效的防垢方法。 关键词：超声场：静电场；碳酸钙；积垢：协同 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n f i g u r a t i o n so fs c a l e p r e v e n t i n ga p p a r a t i l se q u i p p e dw i t hp h y s i c a ln e l da r e r 它1 a t i v e l ys i m p l e i th a s1 0 gl i f b s p a na n dn e e dm u c hl e s so p e r a t i n gc o s tw i t h o u ta n y p o l l u t i o n w h a t sm o r e ，i ti se a s i l yt om a i n t a i n t h ep h y s i c a lf i e l dc o u l dn o to n l y p r e v e n ts c a l ef r o mc o m i n gi n t ob e i n go nm es u r f a c eo fh e a te x c h a n g e r s ，b u tc o u l d r e m o v ec e r t a i ns c a l ef o m e dp r e v i o u s l y h o w e v e r ，t h em e c h a n i s mo ns c a l ep r e v e n t i o n o fp h y s i c a lf i e l d si sn o tc l e a ry e ts of a r a tt h es a m et i m e ，m ei n n u e n c eo np h y s i c a l p r o p e r t i e so fs o l u t i o no fp h y s i c a lf i e l d si sm i n o r ，a n di t ss c a l e p r e v e n t i n ge f f e c t sa r e q u i t ed i f f e r e n tu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s i no r d e rt oi m p r o v ei t si n n u e n c e o nt h ep r o p e r t i e so fs o l u t i o n s ，a n di m p r o v ei t ss c a l e p r c v e n t i n gr a t ea sw e l la sw i d e ni t s u s a g ei ni n d u s t r y ，n e ws c a l e - p r e v e n t i n gt e c h n o l o g yo fc o m b i n i n gu l t r a s o n i cf i e l dw i t h e l e c t r o s t a t i cf i e l di sb r o u g h tf b r w a r d s t h es c a l e - p r e v e t i n gt e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i c h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r y ，b u ti t ss c a l e - p r e v e n t i n gm e c h a n i s mi sn o tc l e a ry e t i no r d e rt or e v e a lt h es c a l e p r e v e n t i n gm e c h a n i s m so fu l t r a s o n i ca n do fs y n e r g i s t i c u l t r a s o n i c & e l e c t r o s t a t i c ，m ef o l l o w i n ge x p e r i m e n c sa r ed o ei 1 a ba n ds u g a rm i n t h es c a l e - p r e v e t i n ga p p a r a t u su s e di nt h i s e x p e r i m e n ti s s e l f - d e v i s e d 。i t s p a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w i n g ：f r e q u e n c y4 0k h z ；p o w e ro 1 0 0 w ；a n de l e c t r o s t a t i c p r e s s u r eo 4 k v t h et w ol a t t e rp a r a m e t e r sa r ec o n t i n u o u s l ya d j u s t a b l e t h ee l e c t r o d e o ft h i sa p p a r a t u si sm a d eo fp o l y t e t r a n u o r o e t h y l e n ew h o s eb r e a k d o w nv o l t a g ei su pt o 1 0 k v t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s ( e l e c t r o s t a t i cp r e s s u r e ，u l t r a s o n i cp o w e r a n dt r e a t m e tt i m e ) o ns c a l ep r e v e n t i o nw a ss t u 出e db yu s i n ga n a l o gn o r m a lp r e s s u r e e v a p o r a t o ri nt t l i sp a p e r f a c t o r st h a ta f 诧c ts c a l ep r e v e n t i o ，i n c l u d i n ge l e c t r o s t a t i c p r e s s u f e ，u l t r a s o n i cp o w e ra n dt r e a t m e n tt i i n ee t c ，a r eo p t i m i z e d t h ee x p e r i m e n t s h o w e dt h a tt h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o rf o rs c a l e p r e v e n t i n gr a t ei se l e c t r o s t a t i c p r e s s u r e ，f o l l o w e db yu l t r a s o n i cp o w e r ，a n dt h e nt r e a t m e n tt i m e b o t he l e c t r o s t a t i c p r e s s u r ea n du l t r a s o n i cp o w e rh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ns c a l ep r e v e n t i o n ，w h i l e 打e a t m e n tt i m eh a sm i n o re f f e c to ns c a l e p r e v e n t i n gr a t c t h eo p t i m a lp a r a m e t e r sa r ea s f 0 1 l o w i n g ：u l t r a s o n i cp o w e r6 0 w ，e l e c t r o s t a t i cp r e s s u r e4 k va n dt r e a t m e n tt i m e6 0 s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s os h o w e dt h a tu l t r a s o n i cf i e l da n de l e c t r o s t a t i cf i e l dd o w e l lw h e nb e i n gu s e ds i m u i t a n e o u s i y ，a n di t ss c a i ep r e v e n t i o ni sb e n e rt h a nt h a to f b e i n gu s e ds e p a r a t e l yo ro ft a n d e mu s a g e d u r i n gu l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，t e m p e r a t u r ei sk e p tc o n s t a n t ，s ot h et h e r m a le f f e c to f u l t r a s o n i co ns o l u t i o nw a sm i n o ra n dc o u l db ei g n o r e d w h e ns u p e r s a t u r a t e ds o l u t i o n i 华南理工大学博士学位论文 a b s o r b e dt h em i c r o s c o p i ch e a tc a u s e db yu l t r a s o n i cv a v i t a t i o n ，n u c l e a t i o ni n d u c n o n p e r i o dw a ss h o r t e d ；锄dn u c l e a t i o nr a t ew a sa c c e l e r a t e d ，s ot h e r ec o m e e di n t ob e i n ga l a r g eo fc r y s t a ln u c l e u s e s ，w h i c hr e s u l t e di nt h es u p e r s a t u r a t i o nd e g f e eo fs o l u t i o n d e c r e a s e d t h e r e f o r e ，t h eg r o w mr a t eo fc r y s t a lw a ss l o w e dd o w n t h e s ef i n ec r y s t a l s w e r ed i m c u l tt od e p o s i tb e c a u s eo ft h e i rs l o ws e d i m e n t a t i o nv e l o c i t y ，a n dm o s to fm e m s u s p e n d e di ns 0 1 u t i o n t h e r c f o r e ，t h ea m o u n to fs c a 重e w a sr e d u c e dm a r k e d l y t h e r e s e a r c ha l s oi n d i c a t e dt h a tt h ei n n u e n c eo nc r y s t a lf o r m a t i o no fm e c h a n i c a le f ! f e c tw a s n o ts i g n i f i c a n t i nt e mo fc a l c i u mc a r b o n a t e ，t h en u c l e a t i o nr a t ew a sa c c e l e r a t e da n d t h e r ec a m ei n t ob e i n gal o to fc r y s t a ln u c l e u s e sa f t e ru l t r a s o n i cr a d i a t i o n s ot h e s u p e r s a t u r a t i o nd e g r e eo fs 0 1 u t i o nd e c r e a s e dr a p i d l y ，t h e t h ed y n a m i cf o r c ef o rc r y s t a l g r o w t hw a sf e d u c e d a sf a ra s1 0 ws u p e r s a t u r a t i o nd e g r e es o l u t i o nw a sc o n c e r n e d ，a l l t h ec r y s t a l sf o m e de x i t e da sa r a g o n i t ei np r e s e n c eo fu l t r a s o n i c ，w h i l em o s to fc r y s t a l s w e r ec a l c i t ew i t h o u tu l t 豫s o n i ct r e a t m e n t t h ec r y s t a l sf o r m e di nt h es o l u t i o no f m o d e r a 把s u p e r s a t u r a t 主o nd e g r e e w e r eu n i f o r mc a l c i t ew i t l l o u tu l t r a s o n i cr a d i a t i o n w h e r e a s ，u n d e ru l t r a s o n i cr a d i a t i o n ，m o s to fc r y s t a l se x i s t e da sa r a g o n i t e ，a n do n l y m i n o rp a r to ft h e mc o u l dt u r ni n t oa r a g o n i t e w h e nt h es u p e r s a t u r a t i o nd e g r e ew a sh i 曲， t h ec r y s t a l sf o r m e db o 也e x i s t e da sc a l c i t ew i t ho rw i t h o u tu l t r a s o n i cr a d i a t i o n ，b u tt t l e c r y s t a l si np r e s e n c eo fu l t r a s o n i cw a ss m a l l e rt h a nm e s ew i t h o u tu l t r a s o n i cr a d i a t i o n t h ex r a yd i f h a c t o g r a m ss h o w e dt h a tu i t r a s o n i ct r c a t m e n td i di n n u e n c et h ec r y s t “ s i z ea n di t sg r o w t hr a t e ，b u td i dn o tc h a n g et h em o r p h 0 1 0 9 yo fc r y s t a l t h ee l e c t r o s t a t i cf i e l dh a sn oi n n u e n c eo np r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f u l t r a s o n i c ， b u ti t sm i c r o d i s t u r b a n c em a d et h ea i rb u b b l e sc a u s e db yu l a s o n i c c a v i t a t i o nl a r g e r ，s ot h e i rc a v i t a t i o nt h r e s h 0 1 dv a l u ew a sr e d u c e d ，w h i c hi sh e l p f u lf o r c a v i t a t i o nt oo c c u r t h e r e f b r e t h ec a v i t a t i o no fu 1 圩a s o n i cw a se n h a n c e d w h e nt h e u l t r a s o n i c c a v i t a t i o ni se n h a n c e d ，c h em i r c o e n e i 苫yi s i m p m v e dc o r r e s p o n d j n g l y t h e r e f o r e ，t h en u c l e a t i o ni n d u c t i o np e r i o di ss h o r t e n e d ，a n dt h e r ef o r mm o r ec r y s t a l n u c l e u s e s u n d e rt h es a m es u p e r s a t u r a t i o nd e g r e e ，t h ec r y s t a l sf o r m e da r ec a l c i t e w i t h o u tu l t r a s o n i cr a d i a t i o n i np r e s e n c eo fu l t r a s o n i c ，t h ec r y s t a l sc o m ei n t ob e i n g e x i s t e di nt w of o r m s ，o n ei sc a l c i t e ，t h eo t h e ro n ei sa r a g o n i t e ，a n dt h el a t t e ra c c o u n t e d f o r3 6 1 4 a p p r o x i m a t e l y w h e nt h es o l u t i o nw e r ed i s p o s e dw i t hu l t r a s o n i ca n d e i e c t r o s t a t j cf ! i e i ds i m u i t a n e o u s 工y m o s to ft b ec r y s t a j sa r ea r a g o i t e ( a c c o u n tf o r9 0 9 9 ) a r a g o n i t ei sa c i c u l a r ，a n di t ss e d i m e n t a t i o nv e l o c i t yi ss l o wb e c a u s eo fi t sl o w d e n s i t y t h e r e f o r e ，t h e yc o u l ds u s p e n di ns o l u t i o nf o ral o n gt i m e i na d d i t i o n ，t h e c r y s t a l s a r ed i f f i c u l tt o d e p o s i t o nt h es u r f a c eo fh e a t e x c h a n g e rb e c a u s eo ft h e o r i e n t a t i o ne f f 色c to fe l e c t r o s t a t i cf i e l d a l la b o v e - m e n t i o n e dm a k es c a l ed r e v e n t i o n 垒旦兰! 垦垒兰! r e m a r k a b l e s o l u b i l i t yo f s o l u t i o nc o u l db ei m p r o v e db y p h y s i c a l f i e l d t a k ec a l c i u m c a r b o n a t ef o re x a m p l e ，t h es i g n i f i c a n c eo fp h y s i c a lp a r a m e t e r so ns o l u t i o ns o l u b i l i t yi s a sf o l l o w i n g ：t h em o s ts i g n i f i c a n to n ei s s y n e r g i s t i ca c t i o no fu l t r a s o n i cf i e l da n d e l e c 拄o s t a d cf i e l d ，f b l l o w e db ye l e c t m s t a t i cf i e l d ，t h e nu 1 仃a s o n i cf i e l d t h er e a c t i o n b e t w e e nn e g a t i v ef r e ef a d i c a l d 日c a u s e db yc a v i t a t i o no fu l t r a s o n i ca n dc a 2 + c o u l d i m p r o v et h es o l v e n tc a p a c i t yo fw a t e r ；t h ew a t e rd i p o l ec a u s e db ye l e c t r o s t a t i cf i e l d c o u l dd a m a g et h ec o m b i n i n gf o r c eb e t w e e nm o l e c u l c so fc a l c i u mc a r b o n a t e ，w h i c h i m p r o v ei t ss 0 1 u b i l i t y t h es o l u b i l i t yo fc a l c i u mc a r b o n a t ei si m p r o v e dr e m a r k a b l y u n d e rt h es y n e r g i s t i ca c t i o no fu l 仃a s o n i cf i e l da n de l e c t r o s t a t i cf i e l d s os o m eo f c a l c i u mc a r b o n a t ed e p o s i t i n go nt h es u r f a c eo fh e a te x c h a n g e rd i s s o l v e ，a n dt h el a y e r o fs c a l eb e c o m es o f ta n dl o o s e ，w h i c hi se a s i l yt or e m o v e t h o u g ht l l e s c a l ep r e v e n t j _ o no fs y n e r g i s t i ca c t i o no fu l t r a s o n i cf i e l da n d e l e c t r o s t a t i cf i e l di se x c e l l e n t ，i tn e e d sm u c hm o r eo p e r a t i n gc o s ta n dm o r ei n v e 8 t m e n t a tt h es a m et i m e s oam u t i - t a r g e tp r o j e c ti s 印p l i e dt ov a l u a t ew h e t h e rt h i st e c h n o l o g y j sf e a s i b l eo rn o c t h e t a r g e c si n c l u d es c a l e p r e v e n t i n gr a t e ，a p p a r a t u sc o s t ，p o w e r c o n s u m p t i o n ，s t a b i l i t yo fa p p a r a t u sa n dd a i l ym a i n t e n a n c ec o s te t c t h eo r d e ro f q u a l i t y i su l t r a s o n i cf i e l da n de l e c t r o s t a t i c f i e l d ，f 0 1 l o w e db yu l t r a s o n i c ，t h e n e l e c t r o s t a t i cf i e l d t h a ti st os a y ，t h es c a l ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g yo fc o m b i n gu l t r a s o n i c f i e l da n de l e c t r o s t a t j cf i e l di sf e as i b l e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cf i e l d ：e l e c t r o s t a t i cf i e l d ：c a l c i u mc a r b o n a t e ：s c a l e ； s y e r g i s t i c v 华南理工大学博士学位论文 符号和物理量名称 积垢热阻尼 有积垢时的壁温p 为洁净时的壁温 热通量口。 过饱和度 盯 溶液积 ， 溶液一晶体两相平衡时的系统压力 溶液一晶体两相平衡时的系统温度只 溶液一晶体两相平衡时的系统溶液k “) 的饱和浓度 液体相 吉布斯自由能 日 体积吉布斯自由能b 表面吉布斯自由能r 晶体一溶液间的界面能尼 f 个溶质分子形成的胚团的表面积w 形成的多面体的形状因子 j 界面能的平均值r 成核速率r 成核速率常数 口 传质系数 五 反应时间脚， 晶核生成或晶粒长大的速度常数 d 。 成核诱导期 常数 频率因子 旌加微扰后空化泡的共振半径 瞬态空化泡崩溃时最高温度 瞬态空化泡崩溃时最高压力 颗粒密度 液体密度 液体粘度 液体表面张力 k r o n e c k e r 函数 声源频率 圆频率 流体的静压 每个空化泡的单位时间内 平均声化学产额 声场的圆频率 成核活化能 空化阈值 液体静压力 液体中形成的空化泡半径 每秒钟声化学产额 声强 空化泡的初始半径 总传热热阻 传热系数 壁面材料的热导率 沉降速度 颗粒直径 吩k鼋s脚r瓦c l蚯崛蜗喇玎吩j巧墨，置砭ak 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 协舀勃日期：扫。r 年彳月汀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：妒，歹年6 月d 日 日期：铆厍月柙日期：州年多月瑁 第一章绪论 第一章绪论 所谓污垢是指在与不洁净液体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态 物质，它通常以混合物的形态存在。固体表面从洁净状态到被污垢覆盖的过程， 也就是污垢的积聚过程，人们常称之为积垢或污染。污垢是一种极为普遍的现象， 它广泛存在于各种传热过程中，是许多换热设备经常遇到的问题。 热交换器或称换热器，用于加热或冷却等热量传递。常见的热交换方式有( 燃) 气与水、蒸汽与水、蒸汽与蒸汽、水与水等的热交换，在这几类热交换过程中都 有可能产生积垢。在石油化工厂、化工厂中，热交换器既用于工质的传热，也用 于设备的冷却。在钢铁厂、冶炼厂、炼焦厂和水泥厂热交换器常用于废热回收利 用，也用于窑炉的冷却。这些换热设备的壁上也容易结垢。 根据s t e i n h a g e n 【2 1 对新西兰1 1 0 0 家企业的3 0 0 0 台各种类型换热器的调查表明， 9 0 以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。综观当今世界，结垢造成的浪费 和损失是很严重的，据美、英、新西兰的调查，换热设备污垢给工业发达国家所 造成的损失平均占国民生产总值的o 3 ，据g a r r e t t p r i c e 【3 11 9 8 5 年的估计，美国 在换热器的污垢方面蒙受的经济损失每年达8 0 亿1 0 0 亿美元。对我国这样的发 展中国家，由于许多换热设备相对比较落后，污垢造成的实际损失还可能更高些。 在运行效率方面，原机械部兰州石油机械研究所换热器研究室发表的专题调研报 告我国换热器研究及其工业化进程中说，污垢使我国换热器的运行效率平均 下降5 0 。这与美国e x x o n 公司的测算结果( 由于传热面上的污垢需要传热面积 增加一倍以上) 大体一致。由于换热设备中温度梯度的存在，使换热面上的污垢 形成机制更为复杂，污垢所带来的危害更为强烈，所以备受科学界和工程技术人 员的广泛关注，是涉及国民经济众多产业和部门的一个急需解决的问题【4 】。 1 1 污垢的性质、分类及其对换热设备的影响 1 1 1 污垢的性质 污垢是热的不良导体，其热导率一般只有碳钢的数十分之一，不到不锈钢的 l 1 0 。一些常见物质的热导率见表l l 。一旦换热面上有了污垢，液体与换热面之 问的传热热阻( 以简单计，假定换热面为平面时) 便增加为 q 污垢热阻，即污垢层形成的附加热阻，m 2 k ，w r 总传热热阻，m 2 k 州 r 一口： =b曰式 华南理工大学博士学位论文 d 传热系数，w y ( 1 n 2 k ) 换热设备的性能取决于传热能力即传热系数的大小。 专= 去寺去屿 式中： 世总传热系数，w ( m 2 k ) 、啦分别为壁面两侧液体的传热膜系数，w ，( m 2 k ) 6 _ 壁厚，m 五壁面材料的热导率，w ，( m k ) 表1 1 一些物质的热导率1 1 t 抽l e l 1h e a td i f f u s i v i t vo f 钟砌i ns u b s t a n c e s 物质种类热导率 w m n k ) 碳素钢 铸铁 铞 黄铜 水 腐蚀垢 黏泥 软质垢 硬质垢 碳酸盐水垢 硫酸盐水垢 硝酸盐水垢 混合水垢 含油水垢 硅铝酸钠盐 牛奶沉积物 三氧化二铁锈层( 锅炉沉积物) 生物膜 硫酸钙( 锅炉沉积物) 方解石( 锅炉沉积物) 蛇纹石( 锅炉沉积物) 石膏( 锅炉沉积物) 硫酸钙( 锅炉沉积物) 膦酸镁 磷酸钙 碳酸钙 磁性氧化铁 一一一一耋|懈一一一一一一一一们吣”拍” 第一章绪论 物质种类热导率 w ，( m k ) 松散渣( 2 0 0 ) 松散渣( 1 0 0 0 ) 熔积渣( 1 2 0 0 ) 碳酸钙垢 碳酸钙垢一多孔 碳酸钙垢一文石 硫酸钙垢 磷酸钙垢 冷却水沉积层 煤灰 油灰 四氧化三铁锈层 = o ，无烟尘，非沸腾 = 0 ，1 0 肋烟土，非沸腾 = o ，l o 肋l 烟土，沸腾 = o 3 8 无烟尘，超临界沸腾 = o 6 5 无烟尘，超临界沸腾 = o 7 o 7 7 ，5 枷烟尘，沸腾 = 0 7 0 9 ，无烟尘，沸腾 腐蚀产物沸水反应堆 腐蚀产物液态金属反应堆 硫化铁垢 焦炭 汽油 喷气发动机燃料 生物膜 o 0 7 o 2 3 o 1 5 2 2 7 1 7 4 6 2 2 6 2 9 3 0 3 5 1 6 9 o 5 9 2 3 2 0 7 4 2 3 1 2 6 1 3 8 3 2 2 o 0 2 1 9 3 o 1 7 1 9 5 o 0 5 1 4 5 1 3 0 0 3 2 0 1 8 - 3 0 2 4 2 0 1 5 l 3 4 9 1 3 0 2 6 0 1 0 0 2 0 0 o 1 5 l _ 3 0 o 6 9 0 8 4 o 0 7 o 2 9 1 2 5 0 2 9 o 8 6 o 2 8 1 0 6 o 1 2 o 5 2 o 7 1 1 1 2 污垢的分类 在第六届国际传热大会上，e p s t e i n 提出按引起污垢形成的最主要过程来分 类，这种分类方法有利于污垢特征的研究和认识，广泛为国际科技工程界所接受【6 】。 ( 1 ) 析晶污垢：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，例如，过饱和溶液中溶解的无机盐，如c a c o ，、c a s 0 4 、 c a 3 ( p 0 4 ) 2 、c a ( o h ) 2 、m g ( o h ) 2 、m g s i 0 3 、n a 2 s 0 4 、l i 2 s 0 4 、l i 2 c 0 3 和n a c l 等， 华南理工大学博士学位论文 在换热面上结晶、附着而形成的污垢，因而也称作结晶污垢。当液体是冷却水时， 这种污垢又称作水垢或锈垢。 ( 2 )化学反应污垢：指液体中各组分之间发生化学反应而形成的沉积在换 热面上的物质。换热面材料本身参加反应的不在此列。 ( 3 ) 微粒污垢：指悬浮在液体中的固体微粒在换热壁面上积聚形成的污垢。 这种污垢包括较大固态粒子在水平换热面上的重力沉淀，即所谓沉淀污垢和以其 它机制形成的胶体粒子沉积物。 ( 4 ) 腐蚀型污垢：具有腐蚀性的液体或者液体中含有腐蚀性的杂质对换热 面材料腐蚀产生的腐蚀积聚所形成的污垢。通常腐蚀程度取决于液体中的成分、 温度和被处理液体的口h 值。换热面本身参与了化学反应。腐蚀性污垢不仅垢化了 换热表面，而且可能促使其它污物附着于换热面而形成污垢。 ( 5 )生物污垢：由微生物和宏观有机物体附着于换热面上而形成的污垢。 除海水冷却装置外，一般生物污垢均指微生物污垢。它可能产生污垢，而污垢反 过来又为生物污垢的繁殖提供了条件，这种污垢对温度非常敏感，在适宜的温度 条件下，生物污垢可形成可观测厚度的污垢层。 ( 6 )凝固污垢：指清洁液体或多组分溶液的高溶解度组分在过冷换热面上 凝固形成的污垢。如，当水温低于冰点而在换热面上凝固成冰。温度分布是否均 匀对这种污垢影响很大。 在实际换热面上的污垢，常常是几种污垢混合在一起，如析晶污垢和腐蚀污 垢，就常常混合而共存于同一换热面的，并且换热壁面上往往同时生成几种污垢 而且相互影响。 1 1 3 污垢对换热设备的影响m 7 】 ( 1 ) 传热的损失 污垢是热的不良导体，污垢沉积在设备表面上，影响了传热，降低了生产效 率。从式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 可知，总传热系数置愈高，污垢热阻的影响也愈大。 如工业锅炉，每结l m m 水垢，其热效率可降低5 以上。 ( 2 ) 金属传热面超温失效 清洁的锅炉管壁在传热中，每毫米钢铁引起的金属温度升高为6 ，如果结水 垢后，每毫米水垢引起的金属温度升高可达6 5 8 5 。以锅炉和发电锅炉无可使 用的1 0 8 m p a 锅炉为例，其锅炉水温度为3 1 6 ，清洁的水冷壁管平均温度为 3 4 6 ，如果结有2 衄的垢，则水冷壁管自身温度可达5 1 6 ，在此温度下钢铁的 蠕伸速度显著增长，可在1 年之内因超温蠕胀而失效。 ( 3 ) 能量消耗增加 污垢在管内沉积使管内流体的流道截面积变小，增大了流动阻力，导致泵或 4 第一章绪论 风机消耗功率增加，再加上自动清洗设备的动力消耗，都使换热设备的能量消耗 加大。 ( 4 ) 产品产量降低 由于污垢而引起的停车清洗，维护工作量大，设备连续正常运转的周期缩短， 造成产品产量下降。同时设备起、停期内，运行条件达不到规定要求，引起产品 质量下降或质量不稳定而造成损失。 目前，工业上所用的抗垢方法可分为两大类：化学法和物理法 1 2 化学防垢 化学法主要有软化法、酸处理法、碳化稳定法及阻垢剂的应用等。前面三种 方法因费用较高或造成设备腐蚀等原因而应用范围较窄。国内外应用最广泛的是 阻垢剂，即通过在溶液中加入阻垢剂来实现预防结垢的目的。阻垢剂是一类化学