過飽和與不飽和硫酸鈣溶液污垢特性的實驗研究*

徐志明 王 磊 王景濤 張一龍 劉坐東

(1.東北電力大學能源與動力工程學院；2. 華北電力大學能源與機械工程學院)

換熱設備或多或少存在污垢問題，污垢的存在會造成換熱設備總傳熱系數降低、流通截面減小及流動阻力加大等問題。楊善讓等研究發現大多數換熱器都有不同程度的污垢問題[1]。由于污垢既不屬于生產核心問題，又無系統理論依據，因此，一直被技術和管理人員忽略。但文獻[2]顯示，污垢所產生的損失達國民生產總值的0.25%。目前科研人員逐漸認識到污垢問題的嚴重性，對其進行了一系列的實驗研究。趙巖巖等對微波加熱和傳統水浴加熱硫酸鈣溶液進行了研究，發現兩種加熱方式對硫酸鈣晶體形態和成分都有很大的影響[3]；徐海等研究了硫酸鈣結晶過程的影響因素，發現溫度越高，Ca2+和SO42-濃度越高，結晶速度越快[4]；趙亮等研究了溫度對碳酸鈣析晶污垢形成類型與微觀結構的影響，結果表明溫度較低時，碳酸鈣污垢主要為方解石晶相，隨著溫度的升高，析出的文石晶相逐漸增加[5]；王力等研究了用水熱合成法制備硫酸鈣晶須的工藝影響因素，考察了料漿濃度、反應溫度、反應時間及晶型助長劑種類、用量等對硫酸鈣晶須形態的影響[6]；Hasan B O等在換熱器污垢特性研究實驗中以硫酸鈉為工質溶液，發現換熱器污垢熱阻隨換熱面溫度的升高而降低[7]；Rahman F在硫酸鈣污垢實驗中加入阻垢劑影響硫酸鈣晶體形狀，改變了硫酸鈣結垢特性，達到減少污垢熱阻的目的[8]。

在以往的換熱器污垢特性實驗中，研究人員配置的人工硬水往往是過飽和溶液[9]，這與實際生產中的天然硬水有一定的區別[10,11]，筆者采用硫酸鈣溶液為工質溶液，因為硫酸鈣微溶于水，實驗時可供研究的溶液濃度范圍較大。筆者在不同運行工況下對過飽和與不飽和工質溶液進行了污垢特性實驗，并對結果進行了分析。

1 實驗系統與原理

實驗系統的整體構架如圖1所示。實驗系統由冷卻系統、加熱系統、實驗段強化管和數據采集系統構成。冷卻系統主要由風機和制冷機向外散熱，保證實驗段入口溫度。加熱系統由3根加熱棒以角型接法連接到380V的電源上，實驗用牛頓模塊和交流接觸器控制通斷電來維持水浴溫度恒定。實驗段可安裝兩根圓管，同時進行污垢特性實驗。數據采集系統由EVOC的IPC-810型工控機(Intel P4-2.40GHz/256/40G/SONY52XCDRO)和IDCN-893分布智能數據采集器前端(IDCN-893)組成，配套軟件采用Borland Delphi6.0結合Paradox7.0數據庫編寫，可實現數據的自動采集、處理、顯示和存儲。

圖1 污垢熱阻動態測量系統

忽略管壁的導熱熱阻，將測出的外表面溫度近似作為內表面溫度。單位時間由管壁傳遞給工質的熱量Φ等于工質流經實驗管段吸收的熱量:

Φ=hAi(tw-tf)=ρπd2vcp(tfo-tfi)/4

tw=(tw1+tw2+tw3)/3

(1)

tf=(tfi+tfo)/2

式中Ai——換熱表面積；

cp——定壓比熱容；

d——管內徑；

h——對流換熱表面傳熱系數；

tf——管內流體平均溫度；

tfi——管內流體出口溫度；

tfo——管內流體入口溫度；

tw——管內表面溫度；

v——管內流速；

ρ——管內流體密度。

管內總傳熱系數表示為：

(2)

其中，l表示管長，Δtm表示對數平均溫差。將式(1)代入式(2)可得：

(3)

式中tsy——恒溫水浴溫度。

污垢熱阻的定義式為：

(4)

其中，k0、k分別為結垢前、后換熱器總傳熱系數。

2 實驗結果與分析

2.1 溶液濃度對硫酸鈣污垢熱阻的影響

以內徑22mm、長度2.2m的不銹鋼圓管為實驗管段，在入口溫度為30℃、水浴溫度為60℃、管內流速為0.2m/s的工況下，工質溶液為四水硝酸鈣和無水硫酸鈉配置的硫酸鈣溶液，對不同濃度的硫酸鈣溶液進行污垢特性對比實驗，結果如圖2所示。

圖2 試驗工況下不同濃度的硫酸鈣污垢熱阻曲線

圖2中A、B、C、D分別是硫酸鈣濃度為3.5、2.5、1.5、0.5g/L時污垢熱阻特性曲線，其中A、B的工質為過飽和溶液，C、D的工質為不飽和溶液。工質溶液為不飽和溶液時，污垢熱阻上升較為緩慢，污垢熱阻漸近值較小；工質溶液為過飽和溶液時，污垢熱阻上升比較迅速，污垢熱阻漸近值也比較大。總的來說，污垢熱阻漸近值隨工質濃度的增加而增大，過飽和與不飽和工質溶液的污垢熱阻漸近值有較為明顯的分界區域。過飽和工質溶液中硫酸鈣一部分以鈣離子和硫酸根離子的形式存在，超出溶液硫酸鈣溶解度的那部分以硫酸鈣晶體顆粒的形式存在于溶液中，晶體顆粒隨工質溶液的運動而運動，有一部分晶體顆粒必然沉積在換熱面上，這就促進了工質溶液中鈣離子和硫酸根離子在換熱面的析出，造成了過飽和與不飽和硫酸鈣工質溶液污垢熱阻漸近值存在較為明顯的差異。

2.2 溫度對硫酸鈣結垢的影響

實驗以內徑22mm、管長為2.2m的不銹鋼圓管為實驗管段，保持管段入口溫度為30℃，在管內流速v=0.2、0.4m/s的工況下，改變水浴溫度，對過飽和硫酸鈣工質溶液進行污垢特性實驗，實驗結果如圖3所示。

圖3 不同工況下不同流速的過飽和硫酸鈣污垢熱阻曲線

圖3中A、B的工質溶液均為濃度為3.0g/L的硫酸鈣溶液，A的水浴溫度為60℃，B的水浴溫度為45℃。從圖3中可以看出：水浴溫度為60℃時，流速為0.2、0.4m/s的污垢熱阻均上升的較為迅速，污垢熱阻漸近值均較大；水浴溫度為45℃時，污垢熱阻在實驗運行階段都沒有較大變化。這是由于入口溫度為30℃、水浴溫度為45℃時，硫酸鈣溶液的溶解度基本相同[12]，硫酸鈣在這種工況下，不易在換熱面上結垢。

對不飽和硫酸鈣工質溶液在不同工況下的污垢特性進行分析，實驗以內徑為22mm、管長為2.2m的不銹鋼圓管為實驗管段，保持管段入口溫度為30℃，在管內流速為0.2、0.4m/s的工況下，改變水浴溫度，其污垢熱阻曲線如圖4所示。

圖4 不同工況下不同流速的不飽和硫酸鈣污垢熱阻曲線

圖4中A、B的硫酸鈣工質溶液濃度均為1.0g/L，A的水浴溫度為60℃，B的水浴溫度為45℃。從圖4可以看出：不飽和硫酸鈣工質溶液在實驗工況下，污垢熱阻在實驗運行時間內變化不大，基本沒有升高。因此過飽和溶液比不飽和溶液更易受溫度影響。

2.3 流速對硫酸鈣結垢的影響

以內徑為22mm、長度為2.2m的不銹鋼圓管為實驗管段，在管段入口溫度為30℃、水浴溫度為60℃工況下，改變管內流速，對過飽和與不飽和工質溶液進行污垢特性實驗，實驗結果如圖5所示。

圖5 不同工況下不同濃度的硫酸鈣污垢熱阻曲線

圖5a中A、B的實驗工質均為3.0g/L的硫酸鈣溶液，A管內流速為0.2m/s，B管內流速為0.4m/s。流速為0.4m/s的污垢熱阻曲線有10h左右的污垢誘導期，污垢熱阻上升期約為70h；而流速為0.2m/s的污垢熱阻曲線沒有明顯的污垢誘導期，污垢熱阻上升期約為50h。圖5b中A、B的實驗工質均為1.0g/L的硫酸鈣溶液，A管內流速為0.2m/s，B管內流速為0.4m/s。流速為0.4m/s的污垢熱阻曲線有30h左右的污垢誘導期，污垢熱阻上升期約為40h；而流速為0.2m/s的污垢熱阻曲線基本沒有污垢誘導期，污垢熱阻上升期約為60h左右。在實驗流速范圍內，無論是過飽和溶液還是不飽和溶液，管內工質流速越高，污垢生長速率越慢，污垢熱阻漸近值越低，但流速對不飽和溶液的影響更為明顯。

3 結論

3.1在實驗工質濃度范圍內，過飽和工質溶液的污垢熱阻明顯大于不飽和工質溶液的。

3.2在實驗運行工況下，過飽和溶液比不飽和溶液更易受溫度影響。

3.2實驗中管內流速越高，污垢生長速率越慢，污垢熱阻漸近值越低，但流速對不飽和溶液的影響更為明顯。

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