（热能工程专业论文）不同换热管表面的结垢特性及真空下珠状凝结的试验研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文从污垢研究的历史与现状以及珠状凝结表面的研究现状入手，分析 并总结前人对这两方面的研究工作，指出此领域内目前仍然存在的问题和不 足，并根据这些不足主要进行了两方面的研究工作，即沸腾情况下不同换热 表面的抗垢性能研究和真空对珠状凝结的影响。然后引入表面能理论加以分 析。 换热设备的结垢是一种极为普遍的现象，它存在于自然界、同常生活和 各种工业生产过程，特别是各种传热过程中。为了抵消或减少污垢对换热设 备的不利影响，又不增加换热面积，所以需要开发新型的抗垢表面。本文通 过对碳钢管、黄铜管、不锈钢管、等离子管和镍基渗层管五种不同换热表面 在沸腾情况下的试验研究，发现镍基渗层管具有很强的抗垢性能，具体结论 如下， i 、碳钢管、黄铜管和不锈钢管表面的结垢曲线为直线型，随着时间的延 长，其单位面积的污垢量越来越多；而等离子管和镍基渗层管表面的结垢曲 线为渐进型，随着时间的延长，其单位面积的污垢量趋于一稳定值。 2 、与碳钢管、黄铜管和不锈钢管相比，等离子管和镍基渗层管表面具有 较长的结垢诱导期，即具有较强的抗垢性能。等离子管和镍基渗层管相比， 后者抗垢性能更强。 与污垢研究同样重要，一直以来凝结换热的研究也是颇受关注。前人研 究的重点都放在了开发实现珠状凝结的换热表面上，而对真空下管束的凝结 过程很少研究。因此为了研究真空对珠状凝结的影响，本文在实现珠状凝结 ( 利用了前人研制的新型换热表面) 的基础上，重点研究了等离子注入管束 在真空状况下的换热特性，并将其与黄铜管束进行比较。此外还简要分析循 环水流速对真空下等离子注入铜管管束的换热特性的影响，得到如下结论。 l 、无论等离子管束还是黄铜管束，其总换热系数和管外凝结放热系数都 随着真空的提高而增大，同样也随着雷诺数的增大而增大。 2 、真空度对等离子管束的影响要远大于对黄铜管束的影响。根据表面 能理论分析可知，真空度越大，等离子管表面的固液表面自由能之差越大， 山东大学硕士学位论文 凝结朝着有利于珠状凝结的方向发展。 3 、在低真空时( o0 7 8 m p a ) ，即使雷诺数不是很大，等离子管束的总换 热系数已经达到2 7 k w m 2 k ，是黄铜管的1 5 倍；而管外凝结换热系数达到 7 7 k w m 2 k ，是黄铜管的2 4 倍。可见真空下，等离子管束具有很强的传热性 麓。 4 、本文通过试验验旺和理论分析得出，等离子管换热表面不仅具有较 强的抗垢性能，而且在真空下等离子管束也有很强的换热性能。 关键词：沸腾抗垢性能真空珠状凝结表面能 l l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t h i s p a p e r ，a v ee x p o u n df i r s t l y t h e h i s t o r y a n d a c t u a l i t y o f f o u l i n g r e s e a r c ha n ds t e a mc o n d e n s a t i o n ，t h e na n a l y s i sa n ds u m m a r i z et h i st w of a c t s r e s e a r c hw o r k ，a n dp o i n to u tt h es h o r t c o m i n g si nt h e s ef i e l d s ，t h e nw ee d u c eo u r r e s e a r c hw o r k t h ef i r s ti st h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fd i f f e r e n th e a te x c h a n g e s u r f a c e sf o u l i n gi nb o i l i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h es e c o n di st h ei m p a c to fv a c u t l m t os t e a mc o n d e n s a t i o n t h e nw ee x p o u n dt h e mb yu s i n gt h et h e o r yo fs u r f a c e e n e r g y f o u l i n gi nh e a te x c h a n g ee q u i p m e n t sis aa b n o r m a lp h e n o m e n a i tl i e si n m a n yf i e l d s ，e s p e c i a l l yi nv a r i o u sh e a tt r a n s f e rc o u r s e i fw ed o n ti n c r e a s ea r e a ， b u tw ew a n tt or e s i s tt h e f o u l i n g t h eo n l yt h i n g w ec a nd oi st od i s c o v e r n e w t y p ef o u l i n g r e s i s t a n c es u r f a c e i nt h i s p a p e r ，w es t u d y f i v e s u r f a c e s ， i n c l u d i n g c a r b o ns t e e l t u b e ，s t a i n l e s s - s t e e lt u b e ，b r a s st u b e ，i o ni m p l a n t e d c o p p e rt u b ea n dn i b a s e di m p l a n t e dt u b e a n dw ec o m et o t h ec o n c l u s i o na s f o l l o w i n g ， f i r s t ，t h ef o u l i n gc u r v eo fc a r b o ns t e e lt u b e ，s t a i n l e s s s t e e lt u b ea n db r a s s t u b ei sl i n a b l e ，t h ef o u l i n gq u a n t i t yo fu n i ta r e ab e c o m em o r ea st h et i m eb e c o m e l o n g e r w h i l et h ef o u l i n g c u r v eo fi o n i m p l a n t e dc o p p e rt u b e a n dn i b a s e d i m p l a n t e dt u b e i s a s y m p t o t i c ，t h ef o u i i n gq u a n t i t yo fu n i ta r e ab e c o m eaf i x e d v a l u ea st h et i m eb e c o m e l o n g e r s e c o n d l y ，c o m p a r e dw i t hc a r b o ns t e e lt u b e ，s t a i n l e s s s t e e lt u b ea n db r a s s t u b e ，t h ef o u l i n gi n d u c t i o np e r i o do fi o ni m p l a n t e dc o p p e rt u b ea n dn i - b a s e d i m p l a n t e dt u b e i s l o n g e r a n dt h en i b a s e di m p l a n t e dt u b eh a v e t h e s t r o n g e r c h a r a c t e r i s t i co fr e s is t i n gf o u l i n gt h a nt h a to fni m p l a n t e dc o p p e rt u b e m e a n w h i l e ，m a n ye x p e r t sp a ya t t e n t i o nt o s t e a mc o n d e n s a t i o n a n dt h e y d i s c u s s e s e m p h a t i c a l l y t h es u r f a c e s d i s c o v e r y o f r e a l i z i n gd r o p w i s e c o n d e n s a t i o n ，b u tf e we x p e r t ss t u d yt h et u b eb u n c h sc o n d e n s a t i o nc o u r s ei nt h e c o n d i t i o n so fv a c u u m ，s ou n d e rt h ep r e m i s eo fr e a l i z i n gd r o p w i s ec o n d e n s a t i o n ， 山东大学硕士学位论文 w es t u d ye m p h a t i c a l l yt h eh e a te x c h a n g ec h a r a c t e r i s t i co fi o ni m p l a n t e dc o p p e r t u b eb u n c hi nt h ec o n d i t i o n so fv a c u u m a n dc o m p a r ew i t hb r a s st u b eb u n c h w e c o m et ot h ec o n c l u s i o na sf o l l o w i n g ， f i r s t ，n om a t t e rw h a t i si o n i m p l a n t e dc o p p e rt u b e b u n c ho rbr a s st u b e b u n c h ，t h e i rt o t a l h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n dc o n d e n s a t i o nh e a t e x c h a n g e c o e f f i c i e n t sb e c o m eb i g g e ra sv a c u u mi n c r e a s e s a n dt h e y a l lb e c o m eb i g g e r a sr ei n c r e a s e s s e c o n d l y ，c o m p a r e d w i t hb r a s st u b e b u n c h ，v a c u u m s e f f e c tt oi o n i m p l a n t e dc o p p e rt u b eb u n c h i sm o r eg r e a t e r b yt h es u r f a c ee n e r g yt h e o r y ，t h e d i f f e r e n c eo fs o l i d - l i q u i ds u r f a c ef r e ee n e r g yb e c o m eb i g g e ra sv a c u u mi n c r e a s e s t h i si sg o o dt od r o p w i s ec o n d e n s a t i o n t h i r d l y ，i n l o w e rv a c u u m ，t h et o t a l h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fi o n i m p l a n t e dc o p p e rt u b eb u n c hr e a c ht o2 7k w m 2 k ，a n di t is1 5t i m e so ft h a to f b r a s st u b eb u n c h w h i l et h ec o n d e n s a t i o nh e a te x c h a n g ec o e f f i c i e n tr e a c ht o7 7 k w m 2 k ，i t s2 4t i m e so f t h a to fb r a s st u b eb u n c h s oi o ni m p l a n t e dc o p p e rt u b e b u n c hh a v em o r es t r o n g e rh e a te x c h a n g ec h a r a c t e r i s t i c f i n a l l y ，w ef i n dt h a ti o ni m p l a n t e dc o p p e rt u b eb u n c h h a sn o to n l ys t r o n g e r f o u l i n gr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i cb u ta l s os t r o n g e rh e a te x c h a n g e c h a r a c t e r i s t i ci n v a c u u m k e y w o rd s ：b o i l i n g f o u l i n gr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c v a c u u m d r o p w i s e c o n d e n s a t i o ns u r f a c ef r e ee n e r g y i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独赢进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期：丛! 丝占星 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 垫里咀一导师签名： 论文作者签名： 粤! 导师签名： 期：坦竺! ：! ? 山东大学硕士学位论文 符号表 r 总的传热热阻2 r ，污垢热阻 m 3 k w 。污垢净积存速率k g s 二。污垢沉积率k g s m ，污垢剥蚀率k g s l 诱导期时间s n 流体主流温度k r 污垢一流体界面温度k k ，污垢本身的导热系数w mk p ，污垢密度k g h n 3 k 总换热系数w ( m2 k ) 矗、管外凝结放热系数w m2 k ) h 管内对流换热系数w ( m 2 k ) r 总传热热阻伽2 k ) w r 。管壁的热阻( r n2 k ) f v d 。管子外径m ， d 管子内径i l l f 入射离子的通量j t ，注入时。目s m 入射离子质量k g ! m 0 1 、皋体金属原予质量k g m o l e ，入射离子的初始能量j e 表面能j c m 2 u 表面内能j s 表面熵 j k 山东大学硕士学位论文 1 、绪论 l 。1 本课题的研究背景 结垢是一种极为普遍的现象，它存在于自然界、日常生活和各种工业生 产过程，特别是各种传热过程中。换热设备是工农业生产和目常生活中广为 使用的设备之一。据s t e i n h a g e n 等人对新西兰1 1 0 0 家企业的3 0 0 0 台各种类 型换热器的通信调查表明，9 0 以上的换热设备都存在着不同程度的污垢问 题，特别是涉及蒸发工艺的加热过程，如制糖、制盐、造纸等工业过程。 所谓污垢是指与不洁净流体相接触的固体表面上逐渐集聚起来的那层固态物 质，它通常以混合物的形态存在。由于污垢的导热性差，其热导率一般只有 换热面主要用材碳钢的数十分之一( 1 3 0 1 5 0 ) ，与钢等热的良导体相比， 1 差别更大。所以，污垢的存在对传热构成额外的阻力( r = 月，十，其中r ，为 4 九 。 污垢形成的附加热阻，称污垢热阻) 。 为了抵消或减少污垢对换热设备的不利影晌，人们采取了一系列的措施， 这些措施和仍然未消除的污垢所造成的损失，都使换热设备的总费用增加。 ( 1 ) 能量消耗：污垢的存在使换热设备的流动阻力加大，若采用提高温 差来增加传热推动力，必然又增加了能量消耗。此外还缩小了流通截面积， 使压降增加，导致泵或风机的耗功率增加。 ( 2 ) 冗余面积：因结垢而降低了传热速率，若用增加传热面积的办法来 解决，无疑将增大设备尺寸，使得换热设备金属耗量增加，成本增大。 ( 3 ) 用材要求的提高：为防止污垢造成换热面腐蚀而采用价格昂贵的钛、 不锈钢来代替一般的钢材，从而导致了设备投资的提高。 ( 4 ) 设置清洗设备：一些大型换热设备，常附设清洗设备。同时还有化 学试剂，这无疑增大了设备的投资，带来附加的损耗。 ( 5 ) 定期维修：定期维修带来设备和劳力等方面的耗费。 ( 6 ) 产品质量下降：因结垢造成设备维修周期缩短，维护 ：作量加大， 使设备的正常运行时间缩短，造成产品质量下降。 因此换热设备的污垢问题受到各国传热学界的广泛关注，成为换热设备 山东大学硕士学位论文 的计、运行和维护的一个主要研究方向。但是由于换热设备结垢不仅是一个 能量传递、动量传递和质量传递的过程，而且往往涉及到化学反应等多种复 杂因素的物理化学过程，这使得换热设备污垢的研究难度大，进展缓慢，是 至今尚未很好解决的重要问题之一。 与污垢研究同样重要，蒸汽冷凝方式的研究也不容忽视。它是化工、发 电、动力等工业领域中重要的换热过程之一。蒸汽的冷凝方式可分为膜状冷 凝和珠状冷凝。当饱和蒸汽与低于饱和温度的冷却壁面相接触时，壁面上就 会出现液态冷凝物，如果冷凝液能润湿表面，并以连续液膜的形式离) r 冷却 表面，这就是膜状冷凝。相反，如果冷凝液不能润湿冷却表面，而是在冷却 表面上形成学多分散的、大小不一的液滴，液滴长大到一定程度，受重力作 用脱离冷却表面，这就是珠状冷凝。 目前工业中换热设备实现的主要是膜状冷凝。相对于膜状冷凝，珠状冷 凝是一种高效换热方式，其冷凝换热系数比膜状冷凝要高个数量级以上， 如果能够在工业应用中特别是电厂凝汽器中实现该过程，将会大幅度提高换 热效率，提高凝汽器的真空度，减少水泵的电耗，从而既能获得节能效果， 又能降低设备成本，有着显著的经济效益。 近年来，珠状冷凝的传热机理已经有了较大进展，但珠状冷凝的：i = 业化 应用还在积极探索中。以前的珠状冷凝试验一般是在常压下对单根管子进行， 而在真空状态下管束珠状冷凝的试验还没有相关的资料出现，而工业中很多 场合的冷凝过程要求在真空条件下实现，比如电厂汽轮机的凝结器。显然， 研究真空状态下换热设备的换热效率更具有实际意义。 1 2 污垢研究的历史与现状 污垢是一种很早就被人们所注意的现象，据可查的第一篇关于污垢研究 的文献，大概是1 7 5 6 年l e i d e n f r o s t 2 1 关于加热面水滴完全蒸发后斟下的沉积 物的观察报告。但是，截至到上世纪5 0 年代，关于污垢研究的报道还很少。 l9 5 9 年k r e n 和s e a s o n 3 。4 1 提出了后来称作k r e n s e a t o n 模型的污垢分析模型， 将污垢研究引上了科学轨道。此后，污垢研究的文献显著增多，但直到7 0 年代以前污垢仍然被作为“传热学中未解决的主要问题”。 7 0 年代的石油危机，促使人们对污垢所造成的能量和材料的消耗的增加 山东大学硕士学位论文 给予了更大的关注，期间先后召开了多次专门学术会议，总结污垢研究的成 果，讨论迸一步的发展方向。1 9 7 9 年召开了第一次换热设备污垢的国际学术 会议，提出了著名的e p s t e i n 污垢分类方法，集中研究了各类污垢的共同特 性，在这之后污垢研究迎来了兴盛期。 在8 0 年代以后，污垢研究基本上沿着3 个方向发展。第一，对污垢的形 成过程进行理论分析和试验研究：第二，污垢监测技术的开发和研究；第三， 防垢和除垢技术的研究。总之，通过几十年各国科学工作者和工程技术人员 的共同努力，对污垢形成的基本物理化学过程有了进一步的理解，对一些运 行参数( 如流体速度、温度和浓度等等) 对污垢形成的影响有了进一步的认 识，积累了许多有关污垢的资料和试验数据。 近年来，污垢研究进展迅速，与换热设备结垢机理、模型、防垢技术以 及运行参数对结垢的影响等有关的文献_ 9 1 也层出不穷。目前人们对污垢的 研究主要集中在三个方面：研究更符合实际的数学模型、结垢影响因素的研 究以及开发先进的防垢除垢技术。 1 2 1 污垢预测模型的研究现状 由污垢形成的基本过程和机制可知，各类污垢的形成虽然有共同的方丽， 但却各有各的特色，而且某些过程的机制也不很清楚，所以很难提出一个普 适的、精确表征污垢特性的理论模型。同时由于污垢本身的特性系数不足， 即使有了满意的模型，也无法得到很好的应用。面对污垢研究的现状和换热 设备设计、运行的实际需要一些简化的、可以估计污垢对换热性能影响的 使用方法便应运而生。目前几种预测模型都是以下述简化假设为基础的： 第：各类污垢都是独立存在的，因而有可能只对一类污垢分析其特性。 第二：污垢沉积层诸特性参数在各个方向上都是相同的，且均匀分布。 第三：污垢表面粗糙度的影响可以忽略。 第四：流体物理性质在污垢形成过程中的变化可以忽略。 第五：换热面的初始状态可不考虑。 在这些假设的基础上，到目前为止出现了许多模型，但其基础都是k r e n 和s e a t o n 4 的理论，他们认为在污垢的形成过程中，一方面污垢物质会沉 积到换热面上，从而增加热阻。但另一方面也存在物质被流体冲刷而脱离， 山东大学硕士学位论文 使污垢热阻减小的现象，污垢热阻随时间的变化应是这两个现象结果的叠加， 所以净结垢速率方程表示为： d m y ：一m b l am ， “k1 1 ) 一- 。lj d 目 不同的只是沉积率和剥蚀率的表达式。 ( 1 ) 降率模型 污垢的最早模型是19 2 4 年m c c a b e 和r o b i n s o n 0 1 针对蒸发器水垢而 提出的，他们假定污垢沉积率? r i d 与污垢一流体界面温度和主流温度t b 之差 呈正比： m 一= ，b 机一瓦) ( 1 2 ) 假定无剥蚀过程，即m ，= 0 ，将( 卜2 ) 式代入( 卜1 ) 式可知： 面d r i = 竺p 眈一瓦) (13)ikl 用可观测的换热面温度t 来替换界面温度t ；，假设t - t b 为常数，然后积 分可得： r 2 = r ；+ 3 目，k 3 = 2 k 2 c r u ) e 。 ( 1 4 ) 其中假设污垢流体界面处月。保持为常数，且月：r ，+ r ，。 模型( 卜4 ) 预示了降率型污垢( 如图3 - 1 中曲线2 所示) 。 ( 2 ) 线性增长犁 在导出降率模型时，假定t _ t b 为常数， 假定，则可得到热阻随时间线性增长模型。 式可得： d r z ：k , b r , q ：k 4 d o p y k r 积分后有 r ，= 女4 0 此模型即线性增长模型，如图3 d 这里以热流率假定来代替常温差 将t - 瓦= q ( g + r r ) 代入( 1 3 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 1 中直线1 所示。在应用线性增长模型 山东大学硕士学位论文 时，务必注意数据必须取自所持续时间内。因为如果换热设备的某个项目观 察时间过长，线性增长模型可转化为降率型甚至渐进型。 ( 3 ) 渐进型模型 被观测的污垢中，有很多属于渐进型的，而有关微粒污垢的预测模型较 为完善。k r e n 、s e a t o n “1 和b e r t h o u d 、v a l e t o n 1 等人都对污垢形成机制进 行了系统的分析，得到了较为先进的数学模型。 k r e n s e a t o n 模型 k r e n 和s e a t o n 假定污垢的沉积率卅一为常数，根据物理化学的传输定律2 可知： m d = ，( c ，一c 。) ” ( 1 7 ) 其剥蚀过程与近壁面处的剪切作用和沉积物的结构函数y 有关，关系式 5 1 为： 二，：b o 二盟 ( 1 8 ) w 其中r 。与流体的雷诺数和壁面的粗糙度有关。 将( 1 8 ) 式代入( 1 1 ) 式，并两边求积分可得： 旷优+ 卜刁其柑= 害确= 景，。， 如果假定污垢成分和特性沿换热面和污垢厚度方向都是均匀分布的，则 根据物质热阻的定义得：d r ，。善，将此式代人( 1 9 ) 式得： p f k i o 。 j r ，2 r ；( 1 一e 一矿) 其中r ；2 j i 天m 了d 否g i 了1 1 。) 得到著名的污垢渐近线方程1 4 1 。 b e r t h o u d v a l e t o n 模型 b e r t h o u d 和v a l e t o n 也认为结垢过程应分为沉积和剥蚀两个方面， 其结垢速率关系式与k r e n 和s e a t o n 的模型相同，即 山东大学硕士学位论文 堕：上一，；2 0( 1 - 1 1 ) d t a f p i j 他们认为污垢的沉积过程应具体的分为两个过程，即盐粒子向固体表面 的扩散过程和吸附层上的化学反应过程。 根据污垢沉积过程的两个具体过程写出下面方程式： 杀佻卜d 其中：声为总的转换系数， 主体浓度和吸附层表面浓度。 藤雁 ( 1 1 2 ) k 。为表面反应速度常数，_ 和c ，分别为流动 由于流体的流动作用，传热表面上的污垢层受到流体的剪切作用力f 的 作用，根据剥蚀特性，b o h n e t 提出如下关系式 ： m r = c ! 时等r 污垢沉积的密度和切应力的比值是污垢层厚度的函数。 将( 1 1 2 ) 式和( 1 一l3 ) 式一起代入( 1 1 1 ) 式得到b e r t h o u d 和v a l e t o n 的污垢预测模型为： r ，= r ；i p 。“一j ( 卜1 4 ) 其中：尺，, 2 而而叼m 万d 丽 。竭( 爿掣寿 通过试验表明，此预测模型与实际情况致。 1 2 2 结垢影响因素的研究现状 影响结垢的因素很多，主要有流速、表面温度、主体温度、流体性质及 换热器构型和换热表面状况等。 ( 1 ) 流体流速 流速对结垢的影响目前有两种截然相反的研究结论：一种是以h a s s o n 和z a h a v i 6 以及m f l l l e r - - s t e i n h a g e n 和b r a n c h 7 等的研究报道为代表的， 山东大学硕士学位论文 认为流速提高能抑制结垢，这是由于流速提高，增大了流体对结垢沉积物的 切应力，从而加剧了垢质自表面的脱除：而r i t t e r 和c h e m o z u b o v “8 , 19 1 则发 现，流速提高能促进结垢生长，这是由于结垢过程中离子扩散阻力较大，或 沉积物附着力很强而流体切应力相对较弱的结果。w a t k i n s o n ”0 1 等在研究中 考察了流速在较大范围内( o 2 3 m s ) 变化时，对渐进污垢热阻的影响。发 现渐进污垢热阻随流速的提高先增至某一最大值然后出现下降，对强化管( 内 肋片管、螺旋槽管) 和普通管都是如此。在流速较低的范围内，对紫铜管，结 垢速率随流速提高而线性增大，而对于低碳钢管，则上述参数随流速的增大 又出现先增后降的规律。这些结果进一步表明，流体与壁面沉积之间的相互 作用是复杂的。 值得注意的是，在有关流速影响的一些研究报道中，研究者并未将传热 面温度控制恒定。由于流速提高，传热面温度降低，结垢速率虽然降低，但 这并不是单纯的流速变化所致。由于结垢速率对传热面温度很敏感，因而在 对流速影响的考察中，不仅需要将包括传热面温度在内的其他因素控制恒定， 而且对传热面温度的控制精度要高。从现有的研究报道来看，本问题有进一 步探讨的必要。 ( 2 ) 界面温度 对于界面温度的影响，许多研究者均发现16 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 3 2 1 ，表面温度提高能 加剧结垢。由于研究者所采用的反映结垢程度的参数不尽相同，因而界面温 度对结垢的影响程度尚无法直接比较确定。如h a s s o n n 和s t o r y 旺2 均采用 电加热产生恒热流的操作方式研究在传热面的结垢。h a s s o n 等发现，界面温 度对结垢速率的影响并不大，界面温度增加15 ，结垢速率仅增加2 0 。而 s t o r y 则发现，渐进污垢热阻强烈依赖于界面温度，界面温度改变3 3 3 ，渐 进热阻有2 0 倍的变化。h a s s o n 和s t o r y 等的试验结果存在差异的原因尚不清 楚，尽管他们使用同样的试验手段，由于s t o r y 没有直接测定沉积速率，所 以无法对他们的数据作直接比较。 ( 3 ) 主体温度 关于主体温度的影响，w a t k i n s o n 和m a r t i n e z t2 研究了模拟硬水中c a c 0 3 在恒壁温换热器中的结垢，试验结果表明，在其他条件不变时，溶液主体温 度升高，渐进污垢热阻先经历一个最大值，然后下降。 山东大学硕士学位论文 c h e m o z u b o v 等”在对c a c 0 3 表面沉积速率的研究中发现，溶液主体温 度升高到莱一点，c a c 0 3 的结垢速率会突然下降。这一现象出现在溶液中c a 2 + 和h c 0 3 浓度较高的情况下，而在相对较低的结垢离子浓度下，结垢速率则 一直是随主体温度的升高而增大。 ( 4 ) 流体性质 流体性质对污垢的影响主要是由流体中所合粒子决定的。h a s s o n 等人用 粒子扩散模型分析了水质对污垢的影响，得到： 等= 妒i l + 4 a b , c l b 2 h j ，。( a p j , a j ) ( 1 - 1 5 ) 式中，a , b ，c 是与积垢物理性质、溶液中c 0 2 ，h c 0 3 一含量有关的参数， j 0 2 + j 表示溶液中钙离子含量。从上式中可以看出水的硬度对污垢的影响较 大，水的p h 值等也有一定的影响。 事实上，溶液中某些杂质粒子的存在可以在一定程度上起到抗垢作用。 比如d a w e 等n 4 研究发现，溶液中的m 9 2 + 和c a 2 + 的摩尔浓度之比为0 1 0 5 时，c a c 0 3 的沉积速率降低5 0 。杨传芳2 5 1 在研究中也发现适量的m 9 2 + 能阻止c a c 0 3 在换热表面上的结垢。 ( 5 ) 换热器构型 换热器的构型也是影响换热面结垢的关键参数，所以在换热器的设计过 程中要综合考虑各种因素。 在列管式换热设备中，折流板及其板间距都是结垢的敏感因素，对大折 流板且板间距过大时，流动易形成死区，这不但对传热不利，而且会助长结 垢；在板式及螺旋板式换热设备中，蒸汽的湍动度均较高，因此能有效的抑 制污垢的沉积。而且w a t k i n s o n 研究发现t 2 0 1 p 在一定流速( 大于1 m s ) 下， 内肋片管和螺旋槽管式换热器的污垢热阻比光管低2 5 一5 0 ；翅片管换热 设备用的翅片管因流体力学状况的不同而有所差异，翅片有径向和纵向之分。 换热设备中常用的是管外低翅片管( 如螺纹管) ，低翅片管有一定的抗垢能力， 同时翅片密度也是影响结垢的重要因素；波纹管的抑垢能力比光管强，而且 随流速的增大，波纹管的抑垢能力显著增强比引。 s h e i k h o l e s l a m i 和w a t k i n s o n n 又对普通铜管、碳钢管和外肋片碳钢管 上的结垢进行了研究。发现在恒热通量条件下，外肋片管比光管的结垢要少， 山东大学硕士学位论文 结垢沉积在主表面上。流速提高，铜管上的污垢热阻随之增大，碳钢管上的 污垢热阻则下降。 ( 6 ) 换热表面状况 目前，关于换热表面的表面状况( 主要是表面能的研究) 对污垢影响的 研究还不多见。所以受到各国科技工作者们的重视。 杨传芳瞳5 1 拍摄了c a c 0 3 在紫铜、黄铜、铝、铸铁、聚四氖乙烯膜等表 面的沉积晶型。发现不同材质表面沉积晶型各异。易腐蚀材质表面的沉积物 中c a c 0 3 与腐蚀产物并存，由于腐蚀所致的粗糙表面下潜藏许多晶粒。惰性 材料聚四氟乙烯表面的沉积为无定形体，是c a c 0 3 各晶型中最不稳定的一 种。 m a r k u sf g r s t e r 和m a t t h i a sb o h n e t 等人通过试验研究发现，在换热 表面离子注入特殊材料，可以降低换热面的表面能，从而达到抑垢的目的。 1 2 3 防垢技术的研究现状 由于换热设备污垢的存在使总费用增加，从而造成一系列的经济损失。 因此，开发先进的除垢防垢技术已成为近年来各位专家学者研究的对象。 第一，延长诱导期持续时间 因为在诱导期内换热表面的污垢刚刚生成，换热热阻最小，所以在实际 的工业应用中，这段时间越长越好。根据表面能和化学热力学理论”8 ，2 ”，诱 导期的长短与换热表面的表面能的高低有直接关系。因为换热表面的高表面 能可以增加污垢与换热面的粘合强度，减缓了污垢的剥蚀过程，增大了污垢 的沉积速率。当污垢的形成过程超出了诱导期，就会在换热面上形成一层紧 凑的垢层，此时表面材料( 即换热面的表面能) 的影响就会减弱。因此，延 长诱导期的持续时间可以达到抑垢的目的。 前人主要采用了两个方式来延长诱导期的持续时间：即降低界面温度和 减小换热表面的表面能。 ( 1 ) 降低界面温度 换热面温度对污垢晶核的形成有着重要的影响，较高的界面温度可以促 进化学反应的进行。m a r k u sf 6 r s t e r 和m a t t h i a sb o h n e t 1 等人，将循环水 中加入硫酸钙，以不锈钢管为换热面，分别将换热面的温度控制在6 5 。c ，7 5 山东大学硕士学位论文 和8 8 ，试验得出它们的诱导期时间分别为2 2 5 h ，l3 0 h 和3 h 。可见，随 着换热面温度的升高，诱导期的持续时间缩短。 ( 2 ) 表面改性技术 工业上常用的冷凝表面多为金属材料( 以铜管为主) ，他们都有较高的表 面能。因此，要想减缓金属表面的结垢过程，必须对金属表面进行改性处理 以降低其表面能。高分子聚合物( 如聚四氟乙烯p t f e ) 具有相当低的表面能， 将此类聚合物采用粒子注入技术注入换热表面，可以降低换热面的表面能。 但是此类聚合物同时存在着两个问题，第一，聚合物的热导率低，影晌表面 的传热。第二，它们的热稳定性差( p t f e ：t m a x = 5 2 5 k ) 。m a r k u sf 6 r s t e r i l m a t t h i a sb o h n e t 等人通过试验证明，在换热面渡- - d l c ( d i a m o n d ，l i k e c a r b o n ) 覆盖层可以解决这些问题，而且在试验室条件下，运行4 2 5 小时后， 此种渡层换热面仍然处于诱导期。而在流速增加1 5 倍的情况下( 流速增加， 诱导期持续时间相应的有所延长) ，表面离子注入p t f e 的铜管的诱导期仅为 8 5 小时，还不及不锈钢管的13 0 小时。由此可见，虽然在换热表面注入低表丽 能材料可以延长诱导期的持续时间，但还要根据实际情况以及所注入材料的 物理化学特性，适当选择。 第二，引入流体的诱导振动0 1 流体速度对结垢有着重要的影响，因为较高的流速可以增大流体对污垢 物质的剪切力，从而加强污垢的剥蚀。m f o r s t e r ，wa u g u s t i n 和m b o h n e t 的试验表明：如果在流体流动系统中引入振荡器，让流体在流过换热面 时，不断的加强其周期性振动，可以更有效的加强污垢的剥蚀过程( 见图1 1 、 图l 。2 ，此图是引用m 。f o r s t e r ，w a u g u s t j n 和m 。b o h n e t 的试验结果) 。 因为振荡流体通过换热面时，流体对换热面的切应力相应的增加，缩小 了它与污垢物质之间粘合强度的差值，有利于污垢物质从换热面上的脱落。 试验同时证明：流体振动的周期越长，换热面上污垢沉积速率越大，当周期 足够长时，振动对污垢的剥蚀几乎没有影响。 1 0 山东大学硕士学位论文 图i 一1有诱导振动时，换热面的结垢状况 图i 一2 无诱导振动时，换热面的结垢状况 第三，换热器构型 前面提到，换热器的构型也是影响换热面结垢的关键参数。所以在换热 器的设计过程中要综合考虑各种因素。 总之，前人在沸腾状态下的强化传热方面做了大量的工作1 3 336 1 而且 通过上面的叙述可知，在沸腾状态下换热表面的污垢热阻研究也取得了较大 的进展。 1 3 实现珠状凝结方法的研究现状 珠状冷凝的应用问题一直是人们急待解决的问题，此类问题 旦解决， 不仅有重要的现实意义，而且会有力的推动传热机理的研究。 山东大学硕士学位论文 工业上冷凝器的传热管多为金属材料，金属材料具有较高的表面能，所 以膜状冷凝是工业中的普遍现象。要在金属表面实现珠状冷凝必须降低其表 面能，使金属表面的不饱和力场得到饱和。前人对珠状冷凝的研究基本上可 以分为几类旧7 “扪：即涂覆有机促进剂；覆盖无机化合物；镀贵金属层和制各 高聚物薄膜。但是这些方法应用于工业实际都有一定的缺点，有的费用高昂， 有的对冷凝介质产生污染，有的方法所产生的珠状冷凝性质不稳定，另外还 有一些方法能产生附加热阻。k o c he ta l 5 1 和l e i p e r t z 5 6 1 用镀金刚石( d l c ) 薄膜的表面进行珠状冷凝的试验，结果表明在d l c 表面上能实现珠状冷凝。 但是由于目前的d c l 技术还不成熟，也限制了d l c 的应用。 前人5 4 1 研究开发的实现珠状冷凝的新方法，即离子注入铜管表面改性 的方法，能较好的实现珠状冷凝，得到了理想的效果。 1 4 本文的主要工作 通过课题背景和研究现状的分析，从节能和环保方面考虑，本文主要进 行了一下几方面的研究工作。 第一，根据相似理论模拟汽轮机凝气器，建立真空状态下珠状冷凝器模 型试验台。 第二，为了缓解换热设备的结垢问题，而又不增加换热面积，本文从换 热表面的改性入手，对碳钢管、黄铜管、不锈钢管、等离子注入铜管和镍基 渗层管五种不同管材在沸腾工况下进行抗垢性能的试验研究，通过对试验数 据的理论分析，得出种具有较强抗垢性能的换热表面。 第三，为了让珠状凝结表面更好的适用于换热设备的实际运行工况( 即 在真空下运行) ，本文在实现珠状凝结( 利用了前人研制的新型换热表面) 的 基础上，重点研究了等离子注入表面在真空状况下的换热特性，并简单分析 循环水流速对真空下等离子注入铜管管束的换热特性的影响。 第四，与此同时，研究了真空下普通黄铜管束的表面换热特性随真空和 循环水流速的变化情况，通过计算它的管外凝结换热系数和总的传热系数， 与等离子注入铜管束进行比较。 山东大学硕士学位论文 2 离子注入技术与表面能 2 1 离子注入技术简介 由于本文的两部分试验都用到离子注入铜管作为换热表面，所以在此对 离子注入技术做简要的陈述。 离子注入的英文名称是i o ni m p l a n t a t i o n ，意思是把离子“种植”在其他 材料中。它是一种新型的工艺技术，是介于原子物理、核物理与固体物理之 间的一门边缘科学。离子注入技术最早成功的运用于半导体器件的元素掺杂， 大大的促进了微电子学的发展。近二十年来，科学界对离子注入技术进行了 广泛的研究，如在材料科学中，用离子注入方法制取新型表面材料，如新型 激光材料，超导材料，压电材料，磁性材料等。在金属材料中，用离子注入 的方法制取高饱和固溶体，亚稳相化合物，非晶态及平衡合金。在其他方面， 象催化化学，表面科学，离子与固体相互作用的研究均有许多重要的成果。 目前离子注入技术已为各国学术界广泛重视。 2 1 1 离子注入原理 离子注入是将某种元素的原子进行电离、并使其在电场中加速，在获得 较高的速度后射入固体材料表面，以改变这种材料表面的物理、化学及机械 性能的一种离子束技术。离子注入主要是通过离子注入机进行，离子注入机 由离子源、质量分析器、加速器、四极透镜、扫描系统、靶室等组成“”。 2 2 2 离子注入的物理过程 离子在电场的作用下，受到加速而得到较高能量、加速系统的任务就是 形成电场，离子注入机中的离子能量一般在数十到几百k e v 之间。离子速度 可用下列公式计算4 4 1 ( 2 1 ) 离子从离子源引出到达靶室，一般要飞行几米到十几米。为减少离子在 行进中的损失，一般在途中设置聚焦透镜。离子束是在真空系统中进行传输， 所以对真空度要求很严。一个能量为的离子注入到固体金属靶中，与基体 金属原子相互作用，产生核碰撞、电子碰撞，并与基体原子进行电核交换， 西i ，y 山东大学硕士学位论文 从而损失了g 有的能量。上述三种作用的能量损失率可表示为们