过饱和与不饱和硫酸钙溶液污垢特性的实验研究*

徐志明 王 磊 王景涛 张一龙 刘坐东

(1.东北电力大学能源与动力工程学院；2. 华北电力大学能源与机械工程学院)

换热设备或多或少存在污垢问题，污垢的存在会造成换热设备总传热系数降低、流通截面减小及流动阻力加大等问题。杨善让等研究发现大多数换热器都有不同程度的污垢问题[1]。由于污垢既不属于生产核心问题，又无系统理论依据，因此，一直被技术和管理人员忽略。但文献[2]显示，污垢所产生的损失达国民生产总值的0.25%。目前科研人员逐渐认识到污垢问题的严重性，对其进行了一系列的实验研究。赵岩岩等对微波加热和传统水浴加热硫酸钙溶液进行了研究，发现两种加热方式对硫酸钙晶体形态和成分都有很大的影响[3]；徐海等研究了硫酸钙结晶过程的影响因素，发现温度越高，Ca2+和SO42-浓度越高，结晶速度越快[4]；赵亮等研究了温度对碳酸钙析晶污垢形成类型与微观结构的影响，结果表明温度较低时，碳酸钙污垢主要为方解石晶相，随着温度的升高，析出的文石晶相逐渐增加[5]；王力等研究了用水热合成法制备硫酸钙晶须的工艺影响因素，考察了料浆浓度、反应温度、反应时间及晶型助长剂种类、用量等对硫酸钙晶须形态的影响[6]；Hasan B O等在换热器污垢特性研究实验中以硫酸钠为工质溶液，发现换热器污垢热阻随换热面温度的升高而降低[7]；Rahman F在硫酸钙污垢实验中加入阻垢剂影响硫酸钙晶体形状，改变了硫酸钙结垢特性，达到减少污垢热阻的目的[8]。

在以往的换热器污垢特性实验中，研究人员配置的人工硬水往往是过饱和溶液[9]，这与实际生产中的天然硬水有一定的区别[10,11]，笔者采用硫酸钙溶液为工质溶液，因为硫酸钙微溶于水，实验时可供研究的溶液浓度范围较大。笔者在不同运行工况下对过饱和与不饱和工质溶液进行了污垢特性实验，并对结果进行了分析。

1 实验系统与原理

实验系统的整体构架如图1所示。实验系统由冷却系统、加热系统、实验段强化管和数据采集系统构成。冷却系统主要由风机和制冷机向外散热，保证实验段入口温度。加热系统由3根加热棒以角型接法连接到380V的电源上，实验用牛顿模块和交流接触器控制通断电来维持水浴温度恒定。实验段可安装两根圆管，同时进行污垢特性实验。数据采集系统由EVOC的IPC-810型工控机(Intel P4-2.40GHz/256/40G/SONY52XCDRO)和IDCN-893分布智能数据采集器前端(IDCN-893)组成，配套软件采用Borland Delphi6.0结合Paradox7.0数据库编写，可实现数据的自动采集、处理、显示和存储。

图1 污垢热阻动态测量系统

忽略管壁的导热热阻，将测出的外表面温度近似作为内表面温度。单位时间由管壁传递给工质的热量Φ等于工质流经实验管段吸收的热量:

Φ=hAi(tw-tf)=ρπd2vcp(tfo-tfi)/4

tw=(tw1+tw2+tw3)/3

(1)

tf=(tfi+tfo)/2

式中Ai——换热表面积；

cp——定压比热容；

d——管内径；

h——对流换热表面传热系数；

tf——管内流体平均温度；

tfi——管内流体出口温度；

tfo——管内流体入口温度；

tw——管内表面温度；

v——管内流速；

ρ——管内流体密度。

管内总传热系数表示为：

(2)

其中，l表示管长，Δtm表示对数平均温差。将式(1)代入式(2)可得：

(3)

式中tsy——恒温水浴温度。

污垢热阻的定义式为：

(4)

其中，k0、k分别为结垢前、后换热器总传热系数。

2 实验结果与分析

2.1 溶液浓度对硫酸钙污垢热阻的影响

以内径22mm、长度2.2m的不锈钢圆管为实验管段，在入口温度为30℃、水浴温度为60℃、管内流速为0.2m/s的工况下，工质溶液为四水硝酸钙和无水硫酸钠配置的硫酸钙溶液，对不同浓度的硫酸钙溶液进行污垢特性对比实验，结果如图2所示。

图2 试验工况下不同浓度的硫酸钙污垢热阻曲线

图2中A、B、C、D分别是硫酸钙浓度为3.5、2.5、1.5、0.5g/L时污垢热阻特性曲线，其中A、B的工质为过饱和溶液，C、D的工质为不饱和溶液。工质溶液为不饱和溶液时，污垢热阻上升较为缓慢，污垢热阻渐近值较小；工质溶液为过饱和溶液时，污垢热阻上升比较迅速，污垢热阻渐近值也比较大。总的来说，污垢热阻渐近值随工质浓度的增加而增大，过饱和与不饱和工质溶液的污垢热阻渐近值有较为明显的分界区域。过饱和工质溶液中硫酸钙一部分以钙离子和硫酸根离子的形式存在，超出溶液硫酸钙溶解度的那部分以硫酸钙晶体颗粒的形式存在于溶液中，晶体颗粒随工质溶液的运动而运动，有一部分晶体颗粒必然沉积在换热面上，这就促进了工质溶液中钙离子和硫酸根离子在换热面的析出，造成了过饱和与不饱和硫酸钙工质溶液污垢热阻渐近值存在较为明显的差异。

2.2 温度对硫酸钙结垢的影响

实验以内径22mm、管长为2.2m的不锈钢圆管为实验管段，保持管段入口温度为30℃，在管内流速v=0.2、0.4m/s的工况下，改变水浴温度，对过饱和硫酸钙工质溶液进行污垢特性实验，实验结果如图3所示。

图3 不同工况下不同流速的过饱和硫酸钙污垢热阻曲线

图3中A、B的工质溶液均为浓度为3.0g/L的硫酸钙溶液，A的水浴温度为60℃，B的水浴温度为45℃。从图3中可以看出：水浴温度为60℃时，流速为0.2、0.4m/s的污垢热阻均上升的较为迅速，污垢热阻渐近值均较大；水浴温度为45℃时，污垢热阻在实验运行阶段都没有较大变化。这是由于入口温度为30℃、水浴温度为45℃时，硫酸钙溶液的溶解度基本相同[12]，硫酸钙在这种工况下，不易在换热面上结垢。

对不饱和硫酸钙工质溶液在不同工况下的污垢特性进行分析，实验以内径为22mm、管长为2.2m的不锈钢圆管为实验管段，保持管段入口温度为30℃，在管内流速为0.2、0.4m/s的工况下，改变水浴温度，其污垢热阻曲线如图4所示。

图4 不同工况下不同流速的不饱和硫酸钙污垢热阻曲线

图4中A、B的硫酸钙工质溶液浓度均为1.0g/L，A的水浴温度为60℃，B的水浴温度为45℃。从图4可以看出：不饱和硫酸钙工质溶液在实验工况下，污垢热阻在实验运行时间内变化不大，基本没有升高。因此过饱和溶液比不饱和溶液更易受温度影响。

2.3 流速对硫酸钙结垢的影响

以内径为22mm、长度为2.2m的不锈钢圆管为实验管段，在管段入口温度为30℃、水浴温度为60℃工况下，改变管内流速，对过饱和与不饱和工质溶液进行污垢特性实验，实验结果如图5所示。

图5 不同工况下不同浓度的硫酸钙污垢热阻曲线

图5a中A、B的实验工质均为3.0g/L的硫酸钙溶液，A管内流速为0.2m/s，B管内流速为0.4m/s。流速为0.4m/s的污垢热阻曲线有10h左右的污垢诱导期，污垢热阻上升期约为70h；而流速为0.2m/s的污垢热阻曲线没有明显的污垢诱导期，污垢热阻上升期约为50h。图5b中A、B的实验工质均为1.0g/L的硫酸钙溶液，A管内流速为0.2m/s，B管内流速为0.4m/s。流速为0.4m/s的污垢热阻曲线有30h左右的污垢诱导期，污垢热阻上升期约为40h；而流速为0.2m/s的污垢热阻曲线基本没有污垢诱导期，污垢热阻上升期约为60h左右。在实验流速范围内，无论是过饱和溶液还是不饱和溶液，管内工质流速越高，污垢生长速率越慢，污垢热阻渐近值越低，但流速对不饱和溶液的影响更为明显。

3 结论

3.1在实验工质浓度范围内，过饱和工质溶液的污垢热阻明显大于不饱和工质溶液的。

3.2在实验运行工况下，过饱和溶液比不饱和溶液更易受温度影响。

3.2实验中管内流速越高，污垢生长速率越慢，污垢热阻渐近值越低，但流速对不饱和溶液的影响更为明显。

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