圓筒電極抑制換熱表面CaCO3污垢沉積特性研究

王兵兵，王超，徐志明

（東北電力大學能源與動力工程學院，吉林省 吉林市 132012）

引 言

換熱器作為工業生產領域中關鍵的節能設備之一，在熱量傳遞與回收等方面發揮著重要作用[1]。天然水是熱力工程中最易獲得且成本最低的傳熱工質，但其中普遍含有多種溶解無機鹽及其他雜質[2-3]。工質與換熱表面發生熱量交換時，其中具有反常溶解性的無機鹽易在換熱表面上沉積導致換熱表面結垢。結垢表面具有較高導熱熱阻，工質流動阻力也因此增加，其在惡化換熱設備傳熱性能的同時加劇工質輸運設備的能耗。

抑制表面水垢沉積是提高換熱器傳熱效率的有效途徑之一[4-6]。目前國內外工業生產過程中應用的除垢與抑垢方法分為化學法和物理法。其中，物理抑垢法主要是利用超聲波、電場、磁場及其耦合等物理場作用于水體，通過改變水體本身或其中成垢粒子的物理化學性質以達到阻垢除垢的目的[7-20]。電磁抑垢[15-17]是將導電線圈布置在換熱實驗段前管道，通入電流后形成磁場與電場，實現電磁場抑垢的目的。但通入電流的線圈是閉合回路，耗電量大，同時，線圈會產生熱量，在抑垢實驗中只能通入較小電流。靜電場阻垢技術在應用中不需要形成閉合回路，具有能耗低與可施加高壓等優勢，在抑垢領域受到越來越廣泛關注。

Kim 等[18]以方解石為研究對象，分析了電場對于預防水垢形成與降低結垢的適用性。研究發現電場處理方法對于減輕CaCO3污垢沉積十分有效。同時，施加電場增加CaCO3晶體的粒徑。Tijing 等[19]研究電場對加熱銅管表面CaCO3污垢沉積的影響，通過對比分析有無電場作用下所得沉淀物的差異發現，經處理后的污垢均為方解石晶相，其附著力較弱且更易于清除。常宏亮[20]研究了勻強電場作用對CaCO3污垢特性的影響。實驗結果表明，無論電場作用在實驗測試段前部還是實驗測試段處，電場對CaCO3污垢的結垢速率均有較好抑制作用。不同電場強度下換熱表面上垢層的分布情況及結垢量存在差別。王大放[21]采用分子動力學模擬高壓電場作用下CaCO3水溶液體系，研究結果表明高壓電場作用可以促進陳垢的溶解。田裕鑫[22]采用分子動力學方法，從微觀角度分析論述靜電水處理技術的作用機理，為靜電水處理技術的研究提供相關理論依據。

目前國內外相關學者在電場抑垢領域的研究方向廣泛，有效的電場抑垢方案眾多。但由于相關研究中所選取的電場形式、作用方式等存在區別，相關研究中的工況參數等條件因素也并不統一，導致難以直觀地評判不同電場抑垢方案效果的優劣，這阻礙該技術切實有效地推廣到實際應用領域中。本文將一簡單圓筒柱面電極布置在換熱器入口管道處，并與高壓電源正極連接，研究圓筒電極形成的非勻強電場對換熱表面CaCO3污垢沉積的影響。通過改變電極電壓大小，揭示圓筒電極作用下CaCO3污垢沉積的規律。同時分析平行板電極（勻強電場）作用下CaCO3污垢沉積，通過對比獲得圓筒電極抑垢優勢，實驗結果為換熱器抑垢的電場設計提供新的優化思路。

1 實驗系統與實驗方法

1.1 實驗系統及裝置

本文所采用實驗系統如圖1 所示。主要包括：實驗工質循環管路，工質攪拌裝置，溫度控制裝置，實驗換熱器，數據采集及電場施加設備。實驗過程中工質的循環流通在循環管路內完成。其中包括低溫恒溫循環水浴槽、實驗測試段流道、流通管道及管件、閥門等。BILON-W-3001S型低溫恒溫循環水浴槽內置循環泵輸運工質。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

實驗工質在循環泵驅動下經水浴槽出口流出，經由流通管道及實驗換熱器所處實驗測試段流道后，由入口流入水浴槽，完成整個實驗工質的循環過程。水浴槽上方安裝有變頻工質攪拌設備以使所添加的鹽溶液與蒸餾水充分混合。系統中的溫度控制裝置包括水浴槽內置加熱及制冷控制裝置以及實驗換熱器內嵌加熱控制裝置，二者分別控制實驗測試段入口工質溫度以及實驗換熱器表面溫度，其結構如圖2所示。

圖2 實驗換熱器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental heat exchanger

換熱器內部為一根緊密嵌入加熱棒的316A 不銹鋼管筒，總長度為420 mm。有效換熱面為緊密嵌入加熱棒的不銹鋼管筒外壁，其中加熱段長度為150 mm，由距離加熱棒頂端100 mm 處開始至加熱棒末端。加熱管筒兩端為絕熱設計。加熱管筒與有機玻璃套管之間即為循環工質的環狀流動通道（當量直徑20 mm）。在不銹鋼管筒3 mm 的壁厚內貼近外表面嵌入長度為175 mm 的Pt100 鉑熱電阻，通過4根測溫熱電阻測量結果的算數平均值表示換熱面溫度。利用水浴槽內的溫控裝置調控進入實驗測試段的循環工質的入口溫度。

本文選取的兩種不同作用形式靜電場，分別是銅質圓筒柱面電極激發的非勻強電場與由銅質平行板電極激發的勻強電場，如圖3、圖4 所示。圓筒電極高度為200 mm，直徑為100 mm，幾何尺寸固定，與高壓直流電源正極連接，電源負極接地。平行板電極極板面積均為300 mm×200 mm，厚度為2 mm，間距固定為100 mm，分別與高壓直流電源正負極相連接。圓柱面電極與平行板電極的有效作用高度相同，圓柱面直徑等于兩板間距，以確保兩種靜電場的作用范圍相同。

圖3 銅質柱面電極（a）及內部非勻強靜電場分布（b）示意圖Fig.3 Schematic diagram of copper cylinder electrode(a)and internal non-uniform electrostatic field distribution(b)

圖4 平行銅板電極（a）及內部勻強靜電場分布（b）示意圖Fig.4 Schematic diagram of parallel copper plate electrode(a)and internal uniform electrostatic field distribution(b)

實驗過程中需要采集的主要工況參數有實驗測試段進、出口溫度，實驗換熱器換熱面溫度及循環工質體積流量。實驗測試段進、出口處循環工質溫度由2 根分別安裝在實驗測試段進、出口處的Pt100 鉑熱電阻采集。換熱面溫度由前述加熱管筒內部的4 根Pt100 鉑熱電阻采集。循環工質的體積流量由安裝在循環管路中的前述電磁流量計采集，測量精度為±3 mm·s-1。在實驗進行過程中，溫度與流量信號采集記錄頻率為30 s一次。

1.2 工質溶液制備與實驗流程

由于CaCO3晶體不易溶于水[18]，實驗中CaCO3晶體的形成和生長過程會受到靜電場作用的影響，因此不宜采用溶解法制備CaCO3溶液。本實驗研究通過化學反應人工配制過飽和CaCO3溶液。使用人造硬水研究CaCO3析晶污垢的主要原因是其制備方便，且所配制的人造硬水有著更可控的初始水質化學條件，可獲得較天然水體更高的CaCO3濃度，形成水垢的時間更短并且便于觀察實驗現象[19]。由于Na+的引入不會對CaCO3的晶相產生明顯影響[16]，使用分析純（AR）無水CaCl2和NaHCO3[3,19,23]，以蒸餾水為溶劑分別配制實驗用溶液，通過兩種鹽溶液反應獲得過飽和CaCO3溶液。

實驗開始前應對整個實驗工質循環管路和管路中相關裝置及設備進行細致清洗。完成清洗并排空循環管路后，向低溫恒溫循環水浴槽內注入30 L 蒸餾水。啟動水浴槽循環泵，預平衡階段運行20 h 左右，當相關實驗參數穩定且無明顯波動后，根據單次實驗工況設計需要將電極施加裝置布置在實驗測試段前部。預平衡階段結束后，將預先配制好的CaCl2溶液和NaHCO3溶液依次緩慢倒入循環水浴槽內，即時開啟工質攪拌裝置。實驗自兩種實驗溶液添加完畢開始至20 h結束。

1.3 實驗原理

污垢沉積會增加實驗工質與換熱面間的傳熱過程熱阻。換熱壁面上的污垢熱阻Rf(m2?K?W-1)由傳熱過程中換熱壁面在潔凈狀態下的總傳熱系數kc(W?m-2?K-1)及換熱壁面在有污垢沉積狀態下的總傳熱系數kfd(W?m-2?K-1)二者經計算得到：

將實驗換熱器內嵌的加熱控制裝置視為純電阻電路，則加熱直流電源輸出電功率P(W)即為加熱棒加熱功率，則實驗換熱器換熱壁面的熱流量Φ的計算方法為：

實驗換熱器換熱壁面的平均溫度Tw(K)為加熱棒內嵌的4 根Pt100 鉑熱電阻測量溫度的算數平均值：

流體流過換熱壁面時流體溫度不斷變化，對流換熱計算中流體溫度為平均溫度值，當進出口溫差不大時，流體平均溫度為進、出口處溫度的算數平均值。本文流動工質進出口溫度溫差小于2 K，因此，工質溫度Twm為實驗測試段進、出口處工質溫度的算術平均值：

其中，T1～4及Tin與Tout的測點位置參考圖1。

1.4 實驗結果誤差分析與重復性驗證

本實驗研究中，總傳熱系數k為相關直接測量數據經過一定函數關系計算得到的間接測量值。直接測量數據的測量過程受制于上述因素影響會存在測量誤差，因而間接測量數值也會存在誤差。相關參數誤差由表1給出。

表1 相關參數誤差Table 1 Maximum relative error for parameters

本實驗研究依照均方根法對實驗結果進行誤差分析[24]。總傳熱系數誤差主要與體積流量、溫度的測量誤差以及直流電壓、直流電流、線路電阻所引起的誤差有關，如式(8)所示：

根據式(9)與表1 中給出各項相對誤差值，計算得到總傳熱系數k的最大相對誤差為1.03%。由式(2)可知，污垢熱阻Rf與總傳熱系數k二者誤差的影響因素相同。換熱表面在潔凈狀態下總傳熱系數kc的絕對誤差Δkc可忽略不計，因此污垢熱阻Rf的最大相對誤差亦為1.03%。其他參數最大相對誤差均小于1.00%。

為驗證本系統穩定性與測得實驗數據準確性，在相同實驗工況下進行兩次實驗。本組驗證實驗選取濃度為350 mg·L-1的過飽和CaCO3溶液作為實驗工質溶液，實驗測試段入口工質溫度為40℃，工質體積流量為0.4 m3·h-1，實驗換熱器加熱段熱通量為39.26 kW·m-2。本組驗證實驗進行時間為10 h，實驗中不使用電場施加裝置。圖5給出兩次實驗的污垢熱阻變化曲線對比結果。兩次實驗的污垢熱阻變化曲線無明顯差異，漸近污垢熱阻值相對誤差為0.27%，表明實驗系統具有良好的穩定性和結果可重復性。

圖5 污垢熱阻重復性驗證Fig.5 Repeatability verification of fouling thermal resistance

2 實驗結果與分析

2.1 靜電場作用對CaCO3污垢沉積的影響

為研究施加圓筒電極作用下換熱表面CaCO3污垢沉積特性，本組實驗選取的電壓值為0、200、500、1000、2500 和5000 V。選取濃度為500 mg·L-1的過飽和CaCO3溶液作為實驗工質溶液，實驗測試段入口工質溫度為40℃，工質體積流量為0.4 m3·h-1，實驗換熱器加熱段熱通量為39.26 kW·m-2，實驗進行時間為20 h。

由于CaCO3具有反常溶解性，實驗過程中CaCO3污垢主要沉積在高溫實驗換熱表面。圖6 展示了換熱表面潔凈狀態與不同電壓工況下CaCO3污垢層形貌。由圖6(b)可知，在無電場作用時，換熱表面污垢層極其致密且十分均勻，表面被污垢完全覆蓋。由圖6(c)可知，在電壓值為500 V 的實驗工況下，污垢層的厚度明顯減小，污垢為微小的斑點形態且污垢分布稀疏。由圖6(d)可知，在電壓值為5000 V 的實驗工況下，污垢的分布再次變得致密，部分區域出現了較厚的斑塊狀污垢附著的情況，換熱表面整體被污垢層所覆蓋。通過對比圖6(a)～(d)可以發現，不同電壓值工況下的換熱表面污垢層的宏觀形貌不盡相同。隨著電壓從無到有，不斷增大，換熱表面上沉積的污垢層厚度的整體變化趨勢為先減小后增加。其中，電壓值為500 V 的實驗工況對不銹鋼換熱表面上CaCO3污垢沉積的抑制效果最顯著。

圖6 圓筒電極不同施加電壓時換熱表面上CaCO3污垢層宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphology of CaCO3 fouling layer on heat transfer surface under various voltages of the cylinder electrode

污垢沉積會增加換熱面導熱熱阻。不同電壓值工況下換熱表面上CaCO3污垢熱阻的變化情況如圖7 所示。實驗中CaCO3污垢生長過程中均未出現明顯的結垢誘導期。在電壓值為0 V 的實驗工況下，實驗進行至約2.5 h 時，污垢熱阻值開始以基本不變的速率穩定上升，實驗結束時，污垢熱阻值增加至22.5904×10-5m2·K·W-1。在電壓值為500 V 的實驗工況下，漸近污垢熱阻值為3.8409×10-5m2·K·W-1，與電壓值為0 V 結果相比，污垢熱阻值減小83%。

圖7 圓筒電極施加不同電壓時換熱表面上CaCO3污垢熱阻變化曲線Fig.7 Curves of CaCO3 fouling thermal resistance on heat exchange surface under various voltages of the cylinder electrode

為對比非勻強電場與勻強電場對CaCO3污垢沉積抑制效果差異，同時進行勻強電場抑垢實驗，選取電壓值為0、500、1000、2500與5000 V。圓筒與平行電極作用下CaCO3污垢抑垢率如圖8 所示。隨著靜電壓的增大，抑垢率呈現先升高后降低。但圓筒電極與平行電極實驗結果存在差異：在圓筒電極電壓為200 V 的實驗工況下，抑垢率達到78.31%。電壓值為500 V 的實驗工況下抑垢率為83%，相較于平行電極的抑垢率高65.42%。當電壓值繼續增大時，抑垢率降低。電壓為1000 V 的實驗工況下抑垢率為74.16%，略高于平行電極抑垢率（73.27%），電壓為2500 V的實驗工況下抑垢率為61.13%，略低于勻強電場的抑垢率（63%），當電壓值繼續增大到5000 V 時，抑垢率為49.46%，相較于勻強電場其抑垢率高23.16%。因此，圓筒電極具有更好的抑垢效果，且最佳抑垢電壓為500 V，最佳抑垢電壓更低，可降低電的消耗。

圖8 不同電壓下抑垢率Fig.8 Scale inhibition rate under different voltages at various voltages

通過掃描電子顯微鏡采集本組實驗的CaCO3污垢樣品微觀掃描圖像，圓筒電極電壓分別為0、500和5000 V 時，CaCO3垢樣晶體形貌如圖9 所示。在無外加電場作用時，污垢樣品的晶體形貌主要為樹枝狀的文石晶簇[圖9(a)]。當施加圓筒電極電壓為500 V 時，污垢樣品的晶體形貌主要為大小不一的不規則類球狀晶塊與少量尺寸較小的方解石晶粒共存的狀態，而未觀察到明顯的文石晶體結構。隨著電壓值增大到5000 V 時，污垢樣品的晶體形貌變為具有典型方解石形貌特征的彼此堆疊生長的立方塊狀晶群。

圖9 圓筒電極作用下CaCO3污垢樣品SEM圖像Fig.9 SEM images of CaCO3 fouling sample under the action of the cylinder electrode

平行電極電壓分別為0、1000 和5000 V 時，CaCO3晶體形貌如圖10所示。當電極電壓為1000 V時，污垢樣品中文石晶簇數量及單簇文石分枝的數量均明顯減小，且文石分枝的尺寸明顯變小。方解石晶塊的分布變得較為稀疏。隨著電壓值增大到5000 V 時，具有文石特征晶體結構有消失的趨勢，而方解石的晶粒尺寸明顯增大，呈致密分布且堆疊生長的狀態。平行電極作用會促進方解石晶相生長，但不利于文石晶相的形成。結果表明，施加電場一方面降低換熱表面CaCO3污垢量的形成，另一方面改變CaCO3晶體形態。不同形貌晶體的熱導率存在差異，是影響換熱表面污垢熱阻的重要因素。

圖10 平行電極作用下CaCO3污垢樣品SEM圖像Fig.10 SEM images of CaCO3 fouling sample under the action of the parallel electrode

2.2 靜電場作用對CaCO3沉積特性影響分析

靜電場對CaCO3工質溶液體系的影響主要分為兩大方面：靜電場對體系中水分子的影響與靜電場對體系中成垢離子的影響。水分子是一種偶極子，無外加電場作用時，由于自身熱運動的原因，極性水分子呈混亂排列，其固有偶極矩矢量在各方向的分布概率相等。相關學者認為，工質溶液流經靜電場作用范圍時，在高壓靜電場作用下，電場力會使水分子電偶極矩方向隨電場方向發生偏轉，產生極化現象，同時工質溶液與電場間存在能量交換，電場能的轉變使得溶液體系能量增加。水中原有締合形成的鏈狀、團簇大分子團破裂成諸多小分子團或單個水分子，相較于大分子團，小分子團及單個水分子的活性更強[3,20,25]。

水分子活性的增加會提高工質溶液中游離態的成垢陰陽離子碰撞概率，形成較固相晶核更小的準晶微粒。準晶微粒具有較高界面自由能，會選擇性吸附溶液中成垢陰陽離子，使溶液局部過飽和度下降，降低體系的相變驅動力，阻礙體系均相成核。使工質溶液在過飽和度較高情況下仍能保持相對穩定狀態，不易于水垢的生成[20,25-26]。同時電場作用使溶液體系的各向異性明顯增強[22]，各方向不同活性導致CaCO3晶體不能按晶體階梯生長理論生長，晶體生長面上的堆積形式發生改變[27]，導致污垢形貌發生變化。結合圖8 實驗結果，隨著電壓值的增大，抑垢率均呈現出先升高后降低趨勢。在較低的電壓值工況下，靜電場對工質溶液中水分子的影響作用占主導地位。活性增加的水分子促進了工質溶液中準晶微粒的生成，由于準晶微粒會選擇性吸附工質溶液中的成垢離子，生成的微晶態沉淀以彌散狀懸浮于溶液中，易隨工質流動，從而實現抑制污垢在換熱表面沉積效果。

在較高電場作用下，電場抑垢率降低。分析原因可能是當電壓高時，靜電場對溶液中成垢離子的影響作用占據主導地位。有相關實驗研究指出，在電場強度較高的情況下，溶液的電導率會發生變化，且過飽和水溶液的電導率相較于普通水的變化更為明顯[28-30]。靜電場作用使CaCO3解離成Ca2+和CO2-3的電離活化能降低，導致CaCO3在靜電場作用下的電離現象更易發生。由于在溶液中生成的CaCO3在靜電場的作用下再次被解離成Ca2+和CO2-3，使溶液中的成垢離子濃度保持在較高的水平。工質溶液過飽和度的增加利于流動工質與換熱面間的對流傳質[22]，導致成垢陰陽離子在換熱表面上反應形成污垢。

平行電極與圓筒電極抑制換熱表面CaCO3污垢沉積效率存在差別。圓筒電極形成的非勻強電場與平行電極形成的勻強電場分布如圖3 與圖4 所示，非勻強電場的電場強度矢量在其作用范圍空間內連續變化，而勻強電場中各場點的電場強度矢量均相等。在勻強電場作用下，電場強度矢量不隨空間位置發生變化，電場力不對工質溶液中的水分子做功，工質溶液的流動狀態基本不受影響，工質溶液的物理性質（黏度與擴散系數）變化很小。靜電場對體系中水分子的影響（極化作用）為主要影響因素。在圓筒電極作用下，除前述靜電場作用對溶液體系中水分子產生的影響外，在其形成的非勻強電場作用時，沿水分子運動方向上電場強度矢量會發生改變，電場力會對水分子做功，從而降低水分子的擴散系數，工質溶液的黏度增加，導致CaCO3晶體的成核速率降低，固-液界面處溶質的通量減少，阻礙CaCO3晶體的析出。因此，圓筒電極形成的非勻強電場的抑垢效果更好。

3 結 論

本文以通過CaCl2和NaHCO3的化學反應配制CaCO3過飽和溶液為實驗工質溶液，基于流動實驗系統，通過改變施加在實驗測試段前的圓筒與平行電極電壓大小，分析不同形式電場對換熱表面CaCO3污垢沉積的影響規律，得到結論如下。

(1)隨著施加電壓值的增加，換熱表面CaCO3污垢層厚度先減小后增加，圓筒與平行電極抑垢率均呈現先增加后減小的變化趨勢。當施加圓筒電極時，最佳抑垢電壓為500 V，最佳抑垢率為83%，當施加平行電極時，最佳抑垢電壓為1000 V，最佳抑垢率為73.27%。

(2)無外電場作用時，換熱表面CaCO3污垢晶體形貌主要是樹枝狀的文石晶簇結構。在圓筒電極電壓為500 V 工況下，污垢晶體為類球狀晶塊與方解石晶粒共存狀態。隨著電壓值增大到5000 V，CaCO3污垢晶體變為堆疊生長的立方塊狀晶群。對于平行電極電壓為1000 V 工況，形成的文石晶簇與單簇構型的文石數量明顯減少，方解石晶塊的分布稀疏，但晶粒尺寸和形貌無明顯變化。當電壓值增大至5000 V 時，文石晶體結構減少，方解石晶粒增多。