（热能工程专业论文）低压电子技术对换热表面混合垢的阻垢性能的实验研究.pdf

摘要 摘要 污垢广泛存在于社会生产、生活的各个领域，具有成分的多样性及形成的复 杂性，对换热设备造成了极大的危害，受到了各国学者的高度重视。本文针对循 环水系统中析晶垢、颗粒垢及其组成的混合垢在光滑表面与螺纹强化表面上的形 成过程，利用低压电子水处理技术进行了比较系统的阻垢实验研究，概括如下： 对已有的污垢热阻动态监测实验装置进行了局部改造，使运行更加可靠。该 装置具有操作简便、控制精确、通用性强等特点，并实现了结垢过程的可视化。 经过测试，系统运行稳定，实验结果可靠。 首先，对于光滑管分别使用单纯的m g o 颗粒悬浊液以及m g o 颗粒和 c a ( h c 0 3 ) 2 溶液组成的混合液进行了不同条件下低压电子处理的实验。结果表 明，对较低浓度的m g o 颗粒悬浊液低压电子处理略显阻垢效果，而在较高浓度 和较大流速条件下则出现相反处理效果，与未处理的情况相比颗粒垢沉积量增 大，但颗粒垢附着力变小，易从换热表面脱落。对于 m g o + c a ( h c 0 3 ) 2 混合液， 由于低压电子处理促进了矿物离子在m g o 颗粒表面的沉积，使污垢颗粒聚集在 一起，形成较大的颗粒团，而不易在换热表面沉积，并且污垢热阻随着处理电流 的增大而逐渐减小。+ 其次，利用螺纹强化管进行了c a ( r i c 0 3 ) 2 水溶液的低压电子处理的实验。结 果显示，低压电子技术具有比较好的阻垢性能。对于较低硬度的循环水，阻垢率 能够达到9 0 ；水温较高时，如果循环水中没有悬浮颗粒，也能取得显著的阻垢 效果。 对比利用螺纹强化管与光滑管得到的实验结果，发现在相同条件下，低压电 子技术对光滑表面的阻垢效果要优于强化表面。但在较低硬度时，经过处理后的 螺纹管即使结垢，总传热系数仍高出纯净光滑管并达到1 1 6 倍。当处理 m g o + c a ( h c 0 3 ) 2 混合液时，由于处理电流与表面剪切力共同作用，对螺纹管的 阻垢效果要优于光滑管的情况。 关键词：阻垢：低压电子技术；螺纹强化管；混合垢 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t f o u l i n ge x i s t si ns o c i a lp r o d u c ta n dl i v e s ，a n dh a sm a n yc o m p o s i t i o n sa n da c o m p l e xf o r m i n go d u r s e b e c a u s et h ef o u l i n gi ss e r i o u sh a r m f u lt oh e a te x c h a n g e r e q u i p m e n t s i th a sa r o u s e di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r s a t t e n t i o n s t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h e f o r m i n gp r o g r e s s e so fc r y s t a lf o u l i n g ，p a r t i c u l a t ef o u l i n ga n dc o m p o s i t ef o u l i n gw h i c h w a sm a d eu po fc r y s t a la n dp a r t i c u l a t ef o u l i n gt r e a t e dw i t hl o w - v o l t a g ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g yo ns m o o t hs u r f a c ea n dh e l i c a l l ye n h 妇c e ds u r f a c ei nc i r c u l a t i n gw a t e r s y s t e m ae x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc a r r i e do u t i ti ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： w ei m p r o v e dp a r t so ft h eo n - l i n em o n i t o r i n ga p p a r a t u so ff o u l i n gt h e r m a l r e s i s t a n c et om a k ei tm o l ls t a b l y t h i ss y s t e mi ss i m p l yo p e r a t e d p r e c i s ec o n t r o l l i n g a n dc o m m e n tu s i n g ，a n dt h ef o u l i n gp r o g r e s sc o u l dh eo b s e r v e dd i r e c t l y i ti ss t e a d y a n dr e l i a b l eb y t e s t i n g 。 f i r s to fa l l ，t h em g os u s p e n s i o na n dt h em i x e dl i q u i dc o m p o s e db ym g o p a r t i c l e sa n dc a ( h c 0 3 ) 2s o l u t i o nw e r et r e a t e ds e p a r a t e l yw i t hl o w - v o l t a g ee l e c t r o n i c a n t i f o u l i n gt e c h n o l o g yi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ns m o o t ht u b e i tw a si n d i c a t e dt h a t t h el o w - v o l t a g ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a daf a i n ta n t i f o u l i n gp e r f o r m a n c et ol o w e r c o n c e n t r a t i o no fm g os u s p e n s i o n ，b u th a da no p p o s i t ee f f e c tt oh i g h e rc o n c e n t r a t i o n a n dh i g h e rv e l o c i t yo fm g os u s p e n s i o n t h e r ew e r e m o r ep a r t i c l e sd e p o s i t i n go nh e a t t r a n s f e rs u r f a c ec o m p a r e d 、析mu n t r e a t e de x p e r i m e n t 、凡，l l i l ct h ep a r t i c u l a t ef o u l i n g w a se a s yt of a l lo f ff r o mh e a tt r a n s f e rs u r f a c e ，c a u s eo ft h el e s sa d h e s i v ea b i l i t ya f t e r t r e a t m e n t b e c a u s et h ee l e c t r i c i t ya c c e l e r a t e dt h em i n e r a li o n st od e p o s i to nm g o p a r t i c l es u r f a c e ，a n dg o tt o g e t h e rt h e s ef o u l i n gp a r t i c l e s ，a n df o r m e db i g g e rp a r t i c l e r e g i m e n t s ，w h e nw o r k e do nt h ec o m m i x t u r el i q u i d ，mf o u l i n gd i dn o te a s yd e p o s i t o nh e a tt r a n s f e rs u r f a c e a n dt h ef o u l i n gr e s i s t a n c eb e c a m el o w e rw h e nt h ee l e c t r i c i t y w a sh i g h e r t h e 巩t h ec a ( h c 0 3 ) 2s o l u t i o nw a st r e a t e dw i t hl o w - v o l t a g e e l e c t r o n i c a n t i f o u l i n gt e c h n o l o g y o nh e l i c a l l ye n h a n c e dt u b e i tw a si n d i c a t e dt h a tt h e l o w v o l t a g ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a dag o o da n t i f o u l i n gp e r f o r m a n c e t h es c a l e i n h i b i t i o nr a t ec o u l da c h i e v e9 0 t ot h el o w e rh a r d n e s ss o l u t i o n t h et e c h n o l o g ya l s o h a dah i g hs c a l ei n h i b i t i o nr a t ea th i g h e rt e m p e r a t u r e ，i ft h e r ew e r en o ts u s p e n d i n g p a r t i c l e si nc i r c u l a t i n gw a t e r c o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fh e l i c a l l ye n h a n c e dt u b ea n ds m o o t ht u b e ， w ef o u n dt h a tl o w - v o l t a g ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a dab e t t e ra n t i f o u l i n gp e r f o r m a n c e o ns m o o t hs u r f a c e 、 l i l et h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e t t i c i e n to fh e l i c a lt u b ew a sh i g h e r t h a nc l e a ns m o o t ht u b ea t1 0 w e rh a r d n e s sa f t e rt r e a t m e n ta n da c h i e v e d1 16t i m e s c a u s eo ft h ee f f e c t so fe l e c t r i c i t ya n ds h e a r i n gf o r c e ，t h et e c h n o l o g yh a dab e t t e r a n t i f o u l i n gp e r f o r m a n c eo nh e l i c a l l ye n h a n c e dt u b et h a ns m o o t ht u b e ，w h e nw o r k e d 1 i o nt h ec o m m i x t 咖el i q u i d k e yw o r d ：a n t i f o u l i n g ；l o w - v o l t a g ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ；h e l i c a l l ye n h a n c e dt u b e ； c o m p o s i t ef o u l i n g 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规索) 签名：丕釜葺 导师签名：日期： 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 概述 污垢是指在与不洁净流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的一层固态物 质1 1 1 ，通常是我们所说的液侧污垢，以混合物的形态存在。污垢的类型在各个工 业领域是不同的，这主要取决于所用水的物质成分。s t 商衄l g e n 【2 1 的调查表明， 9 0 以上的换热器都程度不同地存在污垢问题，而换热器在石油、化工、电力、 食品、造纸、水泥、冶金、公用工程等多种工业中都占有相当比重。 在工业上，大多数水垢的成分是以碳酸钙为主及其它一些难溶盐的形式存在 的，一般我们所说的污垢是碳酸钙、硫酸盐、磷酸盐以及一些硅酸盐。所以本课 题的研究重点是针对碳酸钙展开的，同时考虑颗粒污垢及析晶和颗粒污垢组成的 混合垢。碳酸钙晶体主要分为两种结构：方解石和文石。其中，方解石在室温下 ( 小于3 0 时) 形成，呈六面体结构，且结构松散，由于它与壁面的附着力比 文石要小的多，所以使用弱酸就很容易将其清除。而文石在较高温度下( 大于 3 0 时) 形成，呈正交晶状结构，结构致密，很难用酸去除。据分析，当温度大 于3 0 时，形成的碳酸钙晶体中，8 0 为文石，2 0 0 o 为方解石同。 污垢是表面较粗糙的热的不良导体，其导熟系数一般只有换热面主要用材碳 钢的数十分之一，和铜等热的良导体相比差别就更大了。一旦换热面有了污垢， 就增加了流体和换热壁面换热过程的传热热阻，有时甚至成为传热过程的主要热 阻。为了补偿传热能力降低在换热器设计时需要增设换热面积，通常称为冗余面 积。调查表明，冷水系统中换热设备比需要的增大7 0 - 8 0 ，其中3 0 - 5 0 是 为了应对污垢导致的性能降低1 4 j 。 “污垢不仅恶化了换热设备的传热性能，增大了原材料的消耗，而且因为垢层 增厚使流通面积减少，在流量维持恒定的情况下，这必然导致平均流动速度的增 加，另外污垢还常常使流道的粗糙度增加，引起摩擦系数和局部阻力系数的增加， 这必然要引起整个换热器的流动阻力增大，为了维持换热器的性能和传热量不 变，只有增大泵或风机的消耗功率。 污垢所造成的损失，目前还难以准确计算。但s t e i n h a g e n l 2 l 对1 9 9 2 年主要发 达国家因污垢造成的损失进行了粗略估计( 见表1 1 ) ，美国、德国、英国及日本 当年国民经济因污垢丽增加的费用均约占当年g n p 的o 2 5 ；全世界污垢相关 损失大约为4 5 0 亿美元，平均占g n p 总值的0 2 。中国的污垢损失尚未见到比 较全面、细致的统计资料和评价数据，但由于我国换热设备的设计、制造、运行 管理和防垢、除垢等技术总体水平还落后于发达国家，其污垢损失占g n p 的比 例显然要远远大于0 2 5 。即使按照上述比例粗略类推，中国2 0 0 7 年污垢损失 北京工业大学i 学硕士学位论文 超过6 0 0 亿人民币。 此外，换热面上的污垢积聚，还会引起局部过热或超高温而导致机械性能的 下降，引发事故。污垢的积聚也常常引起换热面的局部腐蚀乃至穿孔，严重地威 胁换热设备的安全运行。 我国是能源消费大国，能源消费和环境污染问题非常严重。我国的能源利用 率及节能状况与发达国家有很大差距1 5 】。中国面临巨大的能源压力。一方面，中 国的经济要保持较高速度的增长；另一方面，又必须考虑环保和可持续发展问题， 所以迫切需要进行能源结构调整，提高能源利用效率。但是，我国公众对污垢的 关注程度明显不够，对污垢进行系统研究起步晚，污垢科技水平与国际先进水平 相比有明显差距。我国的节能潜力巨大，环保欠帐多，节能降耗遇到千载难逢的 好机遇；亟待结合我国国情，利用已有的成果，作进一步污垢理论与实验研究【l 】。 表1 - 11 9 9 2 年各国污垢损失 t a b l e1 - 1f o u l i n gc o s t so f1 9 9 2f o rs e v e r a lc o u n t r i e s 污垢损失 国民生产总值( g n p ) 国家 ( 百万美 ( 十亿美元) 污垢损失g n p ( ) 元) 英国2 5 0 0 1 0 0 0 o 2 5 美国 1 4 1 7 55 6 7 00 2 5 新西兰 6 4 54 30 1 5 澳大利亚 4 6 33 0 9o 1 5 德国 4 8 7 51 9 5 00 2 5 日本 1 0 0 0 04 0 0 00 2 5 全世界 4 5 0 2 02 2 5 1 00 2 1 2 污垢的基本理论 1 2 1 污垢的分类 污垢的分类方法有很多种，但目前被国际工程界所广泛接受的还是e p s t e i n 6 1 在第六届国际传热大会上提出的、按引起污垢形成的最主要过程来进行分类的方 法，因为这种方法更有利于污垢特性的研究和认识。 按照引起污垢沉积的主要过程，液侧污垢可分为如下六类： 析晶污垢：这是指在流动条件下呈过饱和的流动溶液中的溶解无机盐在换热 面上的结晶体，因而又称作结晶污垢。当流体是冷却水或是蒸发设备中的液体时， 这种污垢又称作水垢。 - 2 - 第l 章绪论 微粒污垢：这是指悬浮在流体中的固体微粒在换热面上的积聚。 化学反应污垢：这是由化学反应形成的换热面上的沉积物。 腐蚀污垢：这是换热面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。 生物污垢：这是由宏观生物体和微生物体附着于换热面上而形成的。 凝固污垢：这是纯净液体或多组分溶液的高溶解组分在过冷的换热面上的凝 固而形成的。 实际中，换热面上的污垢常常是几种污垢混合在一起的，如析晶污垢和腐蚀 污垢就常常是混合而共存于同一换热面。因此，考虑到协同效应的存在，几类污 垢同时存在的特性肯定会有别于单类污垢，上述分类没有考虑这样一个重要因 素。但是，在没有深入查明污垢形成机制以前，只有先集中研究单一污垢的形成 过程才是现实可行的。 1 2 2 污垢的形成过程 大量观测表明，清洁换热面和不洁净流体接触后，污垢热阻随时间的变化曲 线不外乎如图1 1 所示的几种形式【7 , s l 。其中，( 1 ) 为线性增长型，( 2 ) 为降率型， ( 3 ) 为渐进型，( 4 ) 为锯齿型。观察还发现，有的清洁换热面和不洁净流体接触后， 几乎立即就可观测到污垢热阻的出现，而更多的情况则是在接触后的一段时间 内，没有观测到明显的污垢热阻，这段时间通常称作诱导期。 拷 垢 熟 阻 图1 - 1 污垢热阻随时间变化图 “ f i g 1 1f o u l i n gt h e r m a lr e s i s t a n c ew i t ht i m e 在污垢的形成过程中，一方面污垢物质会沉积到换热面上，使污垢热阻增大，、 但另一方面也存在污垢物质被流体冲击而剥离，使污垢热阻减小的现象，而观测 3 北京工业大学工学硕士学位论文 到的污垢热阻随时间的变化则是这两个现象形成结果的叠加。由于污垢的形成过 程是质量交换、热量交换和动量交换的动态综合，是多种十分复杂过程的同时作 用，因而影响这一过程的因素很多，如流体性质、壁温、流体与壁面间的温度梯 度、流体流速、壁面状况等。这些因素不同，形成的污垢特性也各不相同。但是 所有各类污垢的形成一般都要经历起始、输运、附着、剥蚀和老化五个阶段【9 】。 1 2 3 污垢的影响因素 前面已经提到，污垢的形成过程是在动量、能量和质量传递同时存在的多相 流动过程中进行的，因而，它的影响因素非常多，如流体性质、壁温、流体与壁 面的温度梯度、流体流速、壁面状况等。有些参数对污垢影响的研究已经取得了 很好的进展，但是，目前还缺乏这些参数对污垢影响的足够数据。 1 2 4 污垢的研究方向 目前，污垢的研究方向主要有三个方面：污垢的形成机理研究，污垢的在线 检测技术的研究，污垢对策的研究【1 1 。其中最重要的是污垢形成机理的研究，它 是研究污垢问题的出发点和基础，而在实际中对污垢的研究大部分是实践应用超 前于理论研究的，这跟污垢的形成过程的复杂程度和影响因素众多是分不开的。 ( 1 ) 不同材质表面的污垢 系统中c a c 0 3 在壁面上的沉淀成垢十分普遍，除流体速度、壁面温度、水 质等过程参数影响结垢以外，材料的表面状态是最初引发成垢的重要因素。对于 结晶结垢，首先是溶液相对于结垢盐在壁面处达到足够的过饱和度以后，发生非 均相成核，然后生长晶体，形成垢层。 r o g u e s 等l lo j 测定了室温下c a c 0 3 在不同材料上的成核时间，发现在相同过饱 和度下，聚氯乙烯、有机玻璃、玻璃等材料上的成核时间均较抛光不锈钢的长： 磨砂有机玻璃上的成核时间要比普通有机玻璃短。 s h e i k h o l e a l a m i 和w a t k i n s o n t j 对普通铜管、碳钢管和外肋片碳钢管上的结 垢进行了研究，发现在恒定热通量的条件下，外肋片管比光滑管的结垢要少，结垢 沉积在主表面上。 杨传芳1 1 2 】以显微照像技术考察了流动硬水体系q b c a c 0 3 在紫铜、黄铜、铝、 铸铁和聚四氟乙烯加热表面的沉积形态，发现在惰性( 聚四氟乙烯) 表面的沉积 为无定形体，在易腐蚀的硬金属表面的沉积为规则的结晶体。同时采用离子注氮 的表面改性技术处理了紫铜表面，发现处理后的金属表面可以明显延长c a c 0 3 的结垢诱导期。但具有较好抗垢性能的聚四氟乙烯并不具有实用价值。 王兴海，刘天庆【1 3 j 研究了碳酸钙在黄铜及化学镀镍一磷一聚四氟乙烯 ( n i p - 胍) 表面上结垢初期的行为特性。巍耀东【1 4 l 从换热性能，机械强度，抗 腐蚀和经济性等几方面综合分析换热管选材的顺序是不锈钢焊接管、无缝不锈钢 4 第l 覃绪论 管、黄铜管、碳钢管。 ( 2 ) 强化换热表面的污垢 强化管是通过特殊加工方法制成的一种高效强化传热元件，加工方法并不是 十分复杂。根据加工的不同有波纹管、弧线管、横纹管、螺旋槽管、缩放管等形 式。自1 9 6 6 年美国橡树岭国立实验室的l a w s o n 等1 1 5 】发表第一篇有关螺旋槽管的 研究报告以来，就引起了广泛地重视。目前强化管已广泛应用在动力、海水淡化、 船舶、石油和化学工业中的许多换热设备上。 目前认为强化管的阻垢机理主要有两点：一是流阻特性，水流在较低的流速 下经过强化管时就能产生扰动，而且如波纹管【1 6 】等强化管其管内还存在二次绕流 流动和沿轴线方向流速周期性的脉动。这样就破坏了碳酸钙等结晶的环境和条 件，因而不易结垢。二是由于管子运转过程中温度的变化会发生膨胀和收缩，使 垢层自行脱落【1 7 1 ，而光管外表面为圆柱体垢层，无任何自然力量使之自行脱离， 故其抗垢能力不如强化管。 张仲彬等【1 3 】采用对比的实验方法对波纹管和光管的流动、换热和污垢特性 进行了研究。实验结果表明：对于相同公称直径的波纹管和光管，在相同流量时， 波纹管的流动阻力系数和压降比光管大，但波纹管具有结垢速度慢、诱导期长、 污垢热阻渐近值小的优点，而且波纹管在结垢前后都有良好的强化传热性能。 陈克平等【l9 】利用数值模拟与实验研究的方法，研究探讨了波纹管强化传热规 律和阻垢机理。发现波纹管的阻垢性能和强化传热效果要明显优于光管，其数值 约为1 5 倍。 董科利等人【2 0 】结合石油化工企业重沸器技改实例，将t 形系列翅片管应用于 大温差传热重沸器中，并对t 形系列翅片管重沸器进行工业试验研究。结果表明， 改进后的t 形翅片管t x y 形翅片管重沸器可解决传统的重沸器传热温差大、易结 垢的问题。 李春兰等研究发现1 2 ，管参数和操作条件对结垢过程有不同的影响，而流 体流速和传热表面温度对结垢过程的影响较大。螺纹管的抗垢性能好于光管的抗 垢性能。螺纹管这种特殊的几何形状，也适宜用于严重结垢的场合。 r a b a s 等 2 2 , 2 3 给出了1 2 个电厂凝汽器螺旋槽管内河水的结垢速率。实验结 果表明螺旋槽管的污垢速率的范围从与光管的大致相等到是光管的两倍。东北电 力学院的徐志明等1 2 4 j 认为螺旋管有较好的传热性能，但阻垢性能却弱于光管。此 外，徐志明等还对横纹管、弧线管、缩放管的阻垢性能进行了研究，发现均具有 较好的阻垢性能。 长期以来人们对强化管的传热性能做了大量的研究，对强化管具有较高的传 热效率取得了一致的观点，但运行经验表明，强化换热元件也会因积垢而影响其 传热性能。对这方面的研究较少。从已有研究来看，不少研究者声称强化管可以 抑止污垢过程，但也有一些研究者得出相反的结论【2 5 捌，且目前还没有较好的方 - 5 北京1 = 业大学工学硕士学位论文 法来判别各种强化管的污垢特性。 结垢是一个与表面科学密切相关的闯题，材质和表面状况对结垢的影响在许 多情况下超过了其他因素，需要对此做深入的研究。许多阻垢材料，如热阻很高 的聚四氟乙烯，并不具有工业应用价值。而现有对强化管的研究还没有一个准确 的方法来判断其阻垢性能，从已有的结论来看，强化管的具有很好的阻垢性能这 一说法还不一致。 1 3 国内外阻垢技术发展现状 通过改变传热设备的结构参数( 如形状、材料等) 可以强化传热，目前已开 发了许多有效的污垢预防措施和技术。例如，m u l l e r - s t e i n h a g e n 、赵启【2 7 l 及高明 幽l 等人利用离子注入技术来提高换热面的防垢特性；采用表面涂层、非金属材料 换热面来控制腐蚀污垢的生成、防垢性能好的新型换热器冽及合理选择换热器管 程、壳程、介质流速p o 】等。除了改善传热设备以外，更主动的办法是采取有效的 污垢对策。目前国内外的阻垢、除垢方法主要分为化学法抑垢和物理法抑垢。 1 3 1 化学方法 化学处理是传统的水处理方法，它通过加药装置和不同作用的缓蚀剂、阻垢莉 和杀菌灭藻剂的水处理药剂来除垢杀菌。一般化学法可以分为离子交换法，化学清 洗法和化学投药法。 离子交换法是通过钠离子将水中的钙离子置换出来，形成c a c l 2 ，使水质变软， 但这种方法比较繁琐，而且需要专职人员管理，需要大量的添加剂，所以运行费用 很高，并且对环境有污染，对设备也有腐蚀。 化学清洗法是利用酸碱腐蚀使酸碱与污垢发生化学反应来去除污垢的一种化学 方法。它要求技术比较高，需要专职人员操作，而且需要停机操作，对环境有严重 污染，对设备严重腐蚀，如果处理不当就会有毁灭性的危害，它只能针对污垢除垢， 属于消极措施，而且能耗也比较大。 化学投药法是在水体中加入化学试剂使水体改变，主要在水中添加磷酸盐，水 中的碳酸钙被添加剂附着，形成结构松散的沉积物被水带走。它能防垢、杀菌、灭 藻，但是也比较繁琐需要专职人员操作，并且对环境有污染，对设备有腐蚀。 但是使用阻垢剂的化学处理以其完整的理论基础、，丰富的经验积累和良好效果 仍在我国工业中广泛使用。为了减少污染，绿色阻垢剂的概念已得到广泛呼应，无 磷非氮可生物降解性能好的绿色阻垢剂的研制开发已成为新的研究热点。 1 3 2 物理方法 由于化学阻垢法不可避免地会给环境带来二次污染，人们就积极探索新的无 危害的阻垢方法。于是各种物理水处理法应运而生了。物理阻垢法，主要是指运 用声、光、电、磁等技术及其相应设备来有目的地改变硬水中各种离子和分子的 6 第l 蕈绪论 运动状况，从而达到阻垢的效果。这些技术往往集阻垢、除垢、缓蚀、杀菌等 多项功能于一身，使用方便、成本低、无污染，因而具有广阔的应用前景和 商业市场。 1 3 2 1 磁场水处理技术 自1 s 9 0 年f 硪e 和c a b e l l 申请专利起，磁场用于水处理已有1 0 0 多年的历 史了。1 9 4 5 年t v e r m e r i v e n 发现用“磁水一可以减少锅炉水垢的生成后，水的 磁处理技术得到了广泛的研究与发展( 3 t , 3 z l 。在7 0 年代，前苏联、美国、日本先 后掀起了电磁处理研究热【3 3 】，学术界和企业界竟相投入了大量的人力和资金对电 磁处理进行研究，取得了大批研究成果和专利发明，并建成了大型的电磁处理设 备；进入8 0 年代，科学家们对电磁处理进行了更深入的实验研究，并积累了大 量的实验资料。 磁化法就是使用磁铁的磁性或产生交变的电磁场使水质改变。这种方法比较 简单，对设备也没有影响，但是磁场会逐渐衰减，磁性悬浮物吸附后影响效果。 它的磁力线和流体流动方向是平行、斜交或者正交的，实验证明正交的情况下效 果最好。还有实验结果表明，磁处理对水的许多物理化学性质( 如折射率、电导 率、介电常数、表面张力、粘度、红外吸收光谱等) 都有影响刚，对溶解、结晶、 聚合、润湿、凝聚、凝固、沉淀过程及生物系统的代谢过程也发生影响【3 5 1 。磁处 理还可使水系统显著活化，并能影响化学反应的动力学过程酗l 。同时磁场对水系 统的作用具有明显的记忆效应( 即当撤掉外磁场后水系统的物理化学性质能保持 数小时或数天7 1 。 武理中1 3 8 j 对磁化水垢和末磁化水垢进行了x 衍射和扫描电镜分析测试，发 现磁化水垢颗粒广泛存在于整个水体系中，因而在磁化处理中，并不是抑制 c a c 0 3 晶体的生长而是提供能量，促使c a c 0 3 以方解石晶体结构在水中生成， 而不是以文石结构在管壁上生成，从而达到阻垢的目的。j d d o n a l d 等【3 9 】研究了 磁处理海水的防垢机理。研究表明，磁处理后溶液的结晶成核过程有了显著改变， 晶粒尺寸增大。日本学者k h i g a s m t 鲫i m l 等人用光散射装置仔细研究了磁场对 水中c a 2 + 和c 0 3 2 - 反应生成c a c 0 3 的化学反应过程，发现磁处理能有效地抑制离 子的活性，降低了沉淀物的数量，磁处理后沉淀晶粒发生明显的变化，晶粒尺寸 增大，并发现有少许针形晶体存在，其结果与j d d o n a l d 等人的实验结果一致。 综述文献可知，磁化法阻垢技术的应用效果不稳定，有时甚至出现负效应。 1 3 2 2 交变电磁场水处理技术 “ 电磁阻垢技术的原理是在流体进入换热设备前的管道上绕制一根导线，使之 形成螺线圈，在线圈的两端加上电磁阻垢装置，发出方波电流信号因此就在管道 内产生一交变的磁场，该交变的磁场又会在管道内部产生感应脉冲电动势，这种 现象可用法拉第定律来描述： 7 北京工业大学工学硕士学位论文 fe d s 一扣d a 其中：e 为感应电场强度向量； s 为管周向矢量； 、 b 为磁场强度向量； a 为管横截面积向量。 目前，国内外对电磁场处理水的机理研究还处在探讨阶段。对电磁场处理水 的有关物理参数的改变及机理尚无定论。 当前较流行的观点主要有两种：一是氢键断裂观点。磁场对水的偶极分子定 向极化，电子云会发生变化造成氢键的弯曲和局部断裂，使单个水分子数量增多， 这些“自由化 的水分子占据了溶液的各个空隙，能抑制晶体的形成，起到抑垢 作用h 1 1 。 二是洛伦兹模型观点。它认为水分子以一定的速度通过电磁场时，水分子中 的正负电荷受洛伦兹力作用而向相反方向运动，产生了分子电偶极矩，从而使水 的缔合状态增强。这些具有足够稳定性、不会因溶剂分子的热运动冲击而被拆散 的“离子缔合体”，构成了溶液中的大量结晶核心达到抑垢的目利4 2 - 4 3 美国d r e x e l 大学提出以下理论，即交变的电磁场能使溶液中的阴阳离子有效 碰撞几率增加，促进污垢晶体的成核及生长，即交变电磁场促进晶体粒子尺寸的 长大。根据美国学者麦克林“磁性流体力学理论，广泛存在于水体中的微晶可 通过絮凝作用结合成较大的、松散的聚合体，或悬浮或沉积下来1 4 4 1 。c h u n f uf a n 【4 5 1 用显微镜观察了碳酸钙晶体的生长发现，没有经过电磁处理的水样形成的晶体尺 寸一般为1 1 0 微米，数目很大。而经过电磁处理的水样形成的晶体尺寸为l o 2 0 微米，数目较少，他认为大尺寸的晶体溶液被水流带走而不是结晶在换热面上。 还发现伴随机械搅拌，经电磁处理后总碱度下降了1 8 ，从而认为电磁处理加搅 拌能够大大加速碳酸钙在溶液内部的结晶。c h u n f uf a n 通过对1 0 0 0 p p m 的高硬度 水的结垢实验发现，相对于没有经过处理的而言，经电磁处理后实验管路压降下 降了5 1 ，总传热系数增加了1 2 。r o n gl i u 4 6 谢b 在交变电场的作用下，成垢 阴阳离子的碰撞结合机会大大增加，首先在液体内部形成微粒污垢，随着液流被 带走，而不是结晶在换热面上。但是目前的定量研究很少，丽定量研究是建立完 整的防垢理论的基础与关键；它应是电磁处理防垢领域研究的重要方向之一。 1 3 2 3 高压静电水处理技术 高压静电处理是利用高压静电实现阻垢、杀菌、灭藻的技术。6 0 年代美国 新泻华盛顿有限公司研制的第一台静电式除垢器问世，7 0 年代末在日本有所发 展。我国第一台静电水垢控制器诞生于1 9 7 5 年 4 7 1 ，最初仅限于工业冷却水系统 的抑垢、除垢。到目前为止，已广泛用于化工、制药、食品等行业的工业循环冷 却系统、热水系统和游泳池水系统的阻垢、杀菌和灭藻，效果显著。 8 第l 章绪论 静电水处理器由两部分组成，一是用于产生强电场的高压直流电源：二是使 水静电化的装置。静电水处理器将根绝缘良好的铁心置于聚四氟乙烯圆筒内作 正极，将镀锌无缝钢管制成的壳体作负极，在正、负极上施加高电压，通常为 3 4 0 0 6 0 0 0 v 。 ， 一般认为高压静电场改变水分子中的电子结构，水偶极子将水中阴、阳离子 包围，并按正负顺序呈链状整齐排列，使之不能自由运动，水中所含阳离子不致 趋向器壁，阻止钙、镁离子在器壁上形成水垢，从而达到阻垢的目的。由于静电 的作用，在结垢系统中能破坏垢分子间的电子结合力，改变晶体结构，促使硬垢 疏松，并且会增大水偶极距，增强其与盐类离子的水合能力，从而提高水垢的溶 解速率，使己经产生的水垢能逐渐剥蚀、脱落，从而达到除垢的目的【4 8 s o l 。 1 9 9 6 年同济大学韩柏平等人进行了静电场对水和水中生物体作用机理的研 究。认为静电作用于水，能杀灭水中细菌。杀菌机制之一是产生了活性氧，如超 氧阴离子自由基0 2 。等，杀菌率随处理时间和放置时间而变化1 5 l 】。 2 0 0 2 年东南大学环境工程系徐洪斌等人，作了高压静电杀菌灭藻技术研究， 结果表明高压静电场处理水伴随其电导率、溶解氧、p h 值等物理化学参数的变 化具有显著的杀菌灭藻效果。其最佳工作电场强度为2 0 k v ，循环处理6 h 以上时 杀菌率可达9 0 以上，藻类的杀灭率可达1 0 0 t s 2 1 。 离子棒水处理器( 以下简称离子棒) 是一种利用高压静电作用的新型水处理 设备，19 8 7 年由加拿大y o r ke n e r g yc o n s e r v a t i o n 设计并正式投放市场，九十年 代初引进中国，国内数百家企业的工业循环水、中央空调均使用了离子棒水处理 器，取代了化学水处理，取得非常满意的效果，被喻为水处理史上的一次革命。 离子棒是由离子棒探头和电源箱两部分组成，探头是用聚四氟乙烯塑料覆盖的铝 电极，两端则是绝缘密封的。通过连接电缆，将电压直流电输送给离子棒探头， 输出电压超过7 5 0 0 v ，最高可达2 0 0 0 0 v 。特点是安装简便，体积小，维护简单， 使用寿命长。 华东理工大学黄竹、陆柱在模拟工业循环水系统进行了离子棒的阻垢、缓蚀 及杀菌性能试验和研究【5 引。阻垢性能实验测定空白实验与离子棒处理实验的钙离 子浓度、镁离子浓度、氯离子浓度、总碱度、电导率及p h 值。表明离子棒有较 好的阻垢作用，较强的剥离旧垢作用和溶垢作用。此外它具有一定的滞后效应， 经它处理后的水在一段时期内，水系统的钙硬度可接近维持不变。静态失重法测 离子棒缓蚀性能，处理1 0 h 缓蚀率2 8 7 ，处理1 5 h 缓蚀率1 9 9 。通过改变溶 液的p h 值、水温和处理时间分别测试离子棒的杀菌性能，结果杀菌率为9 0 9 9 9 ，且杀菌效率随p h 值升高而略有提高，随着水的温度升高而提高。 济南钢铁总公司第一动力厂张茂林等人进行了离子静电水处理技术在循环 冷却水中的应用研究，试验证实经过离子棒处理后的水硬度变化比较明显，证明 离子棒具有明显稳定的除垢和防垢效果。循环6 h 以上，菌类的杀灭率可达9 1 3 ， - 9 北京工业大学工学硕士学位论文 循环1 4 d 以上，藻类的杀灭率可达1 0 0 s 4 1 。 在目前应用的物理水处理法中，静电法是比较成功的。但是它的阻垢机理是 否就是目前所说的“水偶极子发生定向排列形成偶极子团来解释一还有待于考究。 另外，同样是高压静电，为什么离子棒的输出电压要比其他静电水处理装置的输 出电压要高得多? 输出电压对阻垢效果产生什么样的影响? 目前还缺乏较完整 的理论描述和实验验证。 1 3 2 4 超声波水处理技术 超声波技术已广泛应用于清洗、医疗等行业，近几年，超声用于阻垢、 除垢方面的研究与应用已见诸于文献报道。其中，自忻平等人【5 5 】对水系统施 加2 0 k h z 、1 0 0 w 超声波，发现其阻垢率可达8 5 以上，并分析认为超声的阻 垢效能是其空化效应导致结垢诱导期延长的缘故。王巧真等人【蚓建立了超 声波对防除垢和换热系数影响的数学模型，并通过模拟换热器实际的工作状 况，获得有超声波和无超声波的相应的实验数据并进行计算，从而得出了超 声波的抑垢率和平均换热系数，证明了超声波可应用于电厂换热器的防除垢 和强化换热效果。 1 3 2 5 电子水处理技术 低压电子处理器通常由低压电源和水处理器两部分组成。水处理器的正极是 金属电极，直接与水接触，负极为镀锌无缝钢管制成的壳体。低压电源按产生电 流形式分可以是稳压直流的，也可以是方波等不同波形的；按频率分可以是低频 的也可以是高频的。其中，研究及应用较多的为低压直流电子水处理技术。其工 作原理是藉助电子设备产生的微弱电流通入待处理水中，以达到水处理的目的。 最早的电子水处理设备，由美国国家航空宇航局( n a s a ) 于2 0 世纪7 0 年 代末首先研制成功，在我国，由核工业部南京格林水处理设备厂和北京有色冶金 设计研究院总院首先联合研制成功，并于1 9 9 0 年获国家专利并批量生产。李明 建p 7 】等人采用快速阻垢测试方法和热水系统模拟试验法，研究证实了电子水处理 技术的阻垢效果，其阻垢率与电压、水质、温度等因素有关。 同济大学吴星五【5 s 】通过系统实验确认了处理器的阻垢效果，讨论了低压静电 水处理的阻垢机理及其影响因素。根据水的总硬度值高低采用两种不同的处理方 法，一是对总硬度 3 5 0 m g l ( 以c a c 0 3 计) 的水在高温下持续处理，提供优 势文石种晶核，吸引离子以树枝状结晶析出和呈絮状沉淀于水底，减少粘附在加 热面上的垢量，升高电压能提高常温处理的效果，高温持续处理后水箱底的松散 沉淀物可以随排水一起清除。 - l o 第1 章绪论 员建和崔玉川1 5 9 1 通过静态挂片实验，对电子水处理器的应用条件及适用范围 进行了研究。结果表明，水中的总硬度、暂时硬度、永久硬度、钙离子浓度以及 p i - i 值，停留时间均对电子水处理器的控垢效果有影响，并进一步探询了电子研 究了水质和停留时问对其阻垢性能的影响。 中科院李敏哲【删采用动态模拟实验方法，研究了影响微电解阻垢效果的电流 密度、羁绊间距、滞留时间等参数的影响规律，同时验证了微电解对循环冷却水 的杀菌和防腐效果。 综上所述，虽然电子场水处理器已经达到了很好的效果，但还存在着不少问 题有待解决。从已有的研究看，并没有一个统一的阻垢原理得到大家的认可。由 于强化管具有很高的传热效果，因此许多工业换热设备开始利用强化管进行换 热，虽然强化管具有一定的阻垢能力，但仍然损失了不少热量，对于把抗垢器应 用到强化管中只有很少的研究涉及，对于两者共同作用的阻垢效果是加强还是减 弱，需要深入的研究。同时在工业中污垢往往是由多种成分组成的，现有的研究 几乎都是关于析晶垢的，对于颗粒垢和混合垢研究的较少。 1 4 本文主要研究内容 ， t 本课题在“2 1 1 经费的资助下，开展低压电子阻垢的实验研究，具体的工 作和研究内容如下： t， 1 对已有的污垢监测装置进行局部改进，为污垢及阻垢技术的研究提供可 靠的测量平台。t j 2 针对光滑表面颗粒垢、混合垢的形成过程，利用低压电子水处理技术进 行阻垢效果的实验研究。 3 针对螺纹强化表面的析晶垢及混合垢的结垢特点，进行了低压电子水处 理技术的阻垢性能的实验研究。 4 比较光滑表面和螺纹强化表面条件下低压电子水处理技术的