管壁材质对碳酸钙垢生长的影响及其机理研究

摘要

污垢在换热壁面上的沉积和生长是一个非常复杂的过程，其不仅包含了传热、传质和动量的传递过程，而且其在换热壁面上发生的各种物理变化/化学反应也对污垢的形成产生重要的作用。在我国，90％的换热器都存在不同程度的结垢现象，这造成了极大的资源浪费。由于换热表面所沉积的污垢主要以CaCO3结晶为主，因此对CaCO3垢沉积的针对性研究具有很大的现实意义。本文以CaCO3的结晶污垢为研究对象，其研究内容主要包括以下几个方面:考察CaCO3垢在不同的壁面材质上结垢速率及其对传热特性的影响;探索CaCO3在不同壁面上的结垢机理;观察壁面结晶污垢的形貌特征及其变化规律。
　　改进污垢生长实验台，以浓度为60 mg/L的过饱和CaCO3溶液作为循环工质，选取相同规格的不锈钢(316L)、铝合金管材以及黄铜管作为测试管，实验条件控制为:管内工质流动速度为0.11 m/s(Re=1381)，加热用热水浴温度为80±0.5℃，以及工质入口温度55±0.5℃。
　　实验表明:铝合金与不锈钢316L管壁上CaCO3垢生长特性在三个阶段（正热阻段、负热阻段和污垢充分发展阶段）的表现各不相同;同时沿着循环工质流动方向，晶体分布较为均匀，不锈钢管材与铝管内的污垢晶体均呈现前疏后密的分布规律;随着实验的进行，换热面上的结晶污垢数量逐渐增多，晶体尺寸也逐渐变大，不同时期的晶型结构特点也不同;不同于不锈钢管材，铝合金管材表面会生成一层由氧化铝构成的氧化膜，已存在CaCO3垢沉积的换热表面不会生成氧化铝膜;这导致换热表面出现沟壑状凸起，极大地增高了换热面的粗糙度，且沟壑状凸起处晶体成核点较多，CaCO3垢与氧化层形成交叉生长的态势，这导致铝合金管材表面结垢速率加快，并且结垢周期远远小于不锈钢管材上的。而不锈钢管壁上没有氧化层出现，结垢前后其换热面的物理性质没有发生改变，管壁上所形成的晶体尺寸较大，晶型大多为生长完全的六面体方解石结构，但由于污垢沉积速率很慢，结垢周期较长，其晶体表面受到工质流体的剪切应力的影响和自身老化情况也较为严重。黄铜管上没有发现污垢晶体沉积。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 污垢的研究方法分析

1．3 国内外污垢研究现状

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 污垢基础理论介绍

2．1 污垢的分类

2．1．1 根据污垢热阻随时间变化规律

2．1．2 根据结垢周期内换热表面上发生的各项物理／化学过程

2．2 污垢的形成过程

2．3 晶核的形成以及晶体的生长

2．4 本章小结

3 污垢生长实验台以及实验方法介绍

3．1 污垢生长实验台搭建及改进

3．2 过饱和CaCO3溶液配置及浓度控制

3．3 实验步骤细节及方法

3．4．1 传热系数K

3．4．3 流量qv的确定

3．5 本章小结

4 CaCO3污垢在不同管壁上生长特性及形貌

4．1．1 污垢生长总体特性

4．1．2 正热阻阶段污垢生长特性和机理分析

4．1．3 负热阻阶段污垢生长特性和机理分析

4．1．4 污垢生长阶段生长特性和机理研究

4．1．5 CaCO3结晶污垢形貌及分布特征

4．2 铝合金管材上CaCO3污垢生长特性

4．2．1 污垢生长总体特性

4．2．2 铝管CaCO3结晶污垢形貌及分布特征

4．3 黄铜合金管材上CaCO3污垢生长特性

4．4 本章小结

5．不锈钢管材与铝合金管材结垢特性对比

5．1 不锈钢管材与铝合金管材的污垢热阻变化率对比

5．2 不锈钢管材与铝合金管材结垢速率的影响因素分析

5．2．1 管材导热率对结垢速率的影响

5．2．2 表面能的大小和材质抗腐蚀能力对结垢速率的影响

5．2．3 表面粗糙度对结垢速率的影响

6．实验总结与展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间的科研成果