圆筒电极抑制换热表面CaCO3污垢沉积特性研究

王兵兵，王超，徐志明

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012）

引 言

换热器作为工业生产领域中关键的节能设备之一，在热量传递与回收等方面发挥着重要作用[1]。天然水是热力工程中最易获得且成本最低的传热工质，但其中普遍含有多种溶解无机盐及其他杂质[2-3]。工质与换热表面发生热量交换时，其中具有反常溶解性的无机盐易在换热表面上沉积导致换热表面结垢。结垢表面具有较高导热热阻，工质流动阻力也因此增加，其在恶化换热设备传热性能的同时加剧工质输运设备的能耗。

抑制表面水垢沉积是提高换热器传热效率的有效途径之一[4-6]。目前国内外工业生产过程中应用的除垢与抑垢方法分为化学法和物理法。其中，物理抑垢法主要是利用超声波、电场、磁场及其耦合等物理场作用于水体，通过改变水体本身或其中成垢粒子的物理化学性质以达到阻垢除垢的目的[7-20]。电磁抑垢[15-17]是将导电线圈布置在换热实验段前管道，通入电流后形成磁场与电场，实现电磁场抑垢的目的。但通入电流的线圈是闭合回路，耗电量大，同时，线圈会产生热量，在抑垢实验中只能通入较小电流。静电场阻垢技术在应用中不需要形成闭合回路，具有能耗低与可施加高压等优势，在抑垢领域受到越来越广泛关注。

Kim 等[18]以方解石为研究对象，分析了电场对于预防水垢形成与降低结垢的适用性。研究发现电场处理方法对于减轻CaCO3污垢沉积十分有效。同时，施加电场增加CaCO3晶体的粒径。Tijing 等[19]研究电场对加热铜管表面CaCO3污垢沉积的影响，通过对比分析有无电场作用下所得沉淀物的差异发现，经处理后的污垢均为方解石晶相，其附着力较弱且更易于清除。常宏亮[20]研究了匀强电场作用对CaCO3污垢特性的影响。实验结果表明，无论电场作用在实验测试段前部还是实验测试段处，电场对CaCO3污垢的结垢速率均有较好抑制作用。不同电场强度下换热表面上垢层的分布情况及结垢量存在差别。王大放[21]采用分子动力学模拟高压电场作用下CaCO3水溶液体系，研究结果表明高压电场作用可以促进陈垢的溶解。田裕鑫[22]采用分子动力学方法，从微观角度分析论述静电水处理技术的作用机理，为静电水处理技术的研究提供相关理论依据。

目前国内外相关学者在电场抑垢领域的研究方向广泛，有效的电场抑垢方案众多。但由于相关研究中所选取的电场形式、作用方式等存在区别，相关研究中的工况参数等条件因素也并不统一，导致难以直观地评判不同电场抑垢方案效果的优劣，这阻碍该技术切实有效地推广到实际应用领域中。本文将一简单圆筒柱面电极布置在换热器入口管道处，并与高压电源正极连接，研究圆筒电极形成的非匀强电场对换热表面CaCO3污垢沉积的影响。通过改变电极电压大小，揭示圆筒电极作用下CaCO3污垢沉积的规律。同时分析平行板电极（匀强电场）作用下CaCO3污垢沉积，通过对比获得圆筒电极抑垢优势，实验结果为换热器抑垢的电场设计提供新的优化思路。

1 实验系统与实验方法

1.1 实验系统及装置

本文所采用实验系统如图1 所示。主要包括：实验工质循环管路，工质搅拌装置，温度控制装置，实验换热器，数据采集及电场施加设备。实验过程中工质的循环流通在循环管路内完成。其中包括低温恒温循环水浴槽、实验测试段流道、流通管道及管件、阀门等。BILON-W-3001S型低温恒温循环水浴槽内置循环泵输运工质。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

实验工质在循环泵驱动下经水浴槽出口流出，经由流通管道及实验换热器所处实验测试段流道后，由入口流入水浴槽，完成整个实验工质的循环过程。水浴槽上方安装有变频工质搅拌设备以使所添加的盐溶液与蒸馏水充分混合。系统中的温度控制装置包括水浴槽内置加热及制冷控制装置以及实验换热器内嵌加热控制装置，二者分别控制实验测试段入口工质温度以及实验换热器表面温度，其结构如图2所示。

图2 实验换热器结构示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental heat exchanger

换热器内部为一根紧密嵌入加热棒的316A 不锈钢管筒，总长度为420 mm。有效换热面为紧密嵌入加热棒的不锈钢管筒外壁，其中加热段长度为150 mm，由距离加热棒顶端100 mm 处开始至加热棒末端。加热管筒两端为绝热设计。加热管筒与有机玻璃套管之间即为循环工质的环状流动通道（当量直径20 mm）。在不锈钢管筒3 mm 的壁厚内贴近外表面嵌入长度为175 mm 的Pt100 铂热电阻，通过4根测温热电阻测量结果的算数平均值表示换热面温度。利用水浴槽内的温控装置调控进入实验测试段的循环工质的入口温度。

本文选取的两种不同作用形式静电场，分别是铜质圆筒柱面电极激发的非匀强电场与由铜质平行板电极激发的匀强电场，如图3、图4 所示。圆筒电极高度为200 mm，直径为100 mm，几何尺寸固定，与高压直流电源正极连接，电源负极接地。平行板电极极板面积均为300 mm×200 mm，厚度为2 mm，间距固定为100 mm，分别与高压直流电源正负极相连接。圆柱面电极与平行板电极的有效作用高度相同，圆柱面直径等于两板间距，以确保两种静电场的作用范围相同。

图3 铜质柱面电极（a）及内部非匀强静电场分布（b）示意图Fig.3 Schematic diagram of copper cylinder electrode(a)and internal non-uniform electrostatic field distribution(b)

图4 平行铜板电极（a）及内部匀强静电场分布（b）示意图Fig.4 Schematic diagram of parallel copper plate electrode(a)and internal uniform electrostatic field distribution(b)

实验过程中需要采集的主要工况参数有实验测试段进、出口温度，实验换热器换热面温度及循环工质体积流量。实验测试段进、出口处循环工质温度由2 根分别安装在实验测试段进、出口处的Pt100 铂热电阻采集。换热面温度由前述加热管筒内部的4 根Pt100 铂热电阻采集。循环工质的体积流量由安装在循环管路中的前述电磁流量计采集，测量精度为±3 mm·s-1。在实验进行过程中，温度与流量信号采集记录频率为30 s一次。

1.2 工质溶液制备与实验流程

由于CaCO3晶体不易溶于水[18]，实验中CaCO3晶体的形成和生长过程会受到静电场作用的影响，因此不宜采用溶解法制备CaCO3溶液。本实验研究通过化学反应人工配制过饱和CaCO3溶液。使用人造硬水研究CaCO3析晶污垢的主要原因是其制备方便，且所配制的人造硬水有着更可控的初始水质化学条件，可获得较天然水体更高的CaCO3浓度，形成水垢的时间更短并且便于观察实验现象[19]。由于Na+的引入不会对CaCO3的晶相产生明显影响[16]，使用分析纯（AR）无水CaCl2和NaHCO3[3,19,23]，以蒸馏水为溶剂分别配制实验用溶液，通过两种盐溶液反应获得过饱和CaCO3溶液。

实验开始前应对整个实验工质循环管路和管路中相关装置及设备进行细致清洗。完成清洗并排空循环管路后，向低温恒温循环水浴槽内注入30 L 蒸馏水。启动水浴槽循环泵，预平衡阶段运行20 h 左右，当相关实验参数稳定且无明显波动后，根据单次实验工况设计需要将电极施加装置布置在实验测试段前部。预平衡阶段结束后，将预先配制好的CaCl2溶液和NaHCO3溶液依次缓慢倒入循环水浴槽内，即时开启工质搅拌装置。实验自两种实验溶液添加完毕开始至20 h结束。

1.3 实验原理

污垢沉积会增加实验工质与换热面间的传热过程热阻。换热壁面上的污垢热阻Rf(m2∙K∙W-1)由传热过程中换热壁面在洁净状态下的总传热系数kc(W∙m-2∙K-1)及换热壁面在有污垢沉积状态下的总传热系数kfd(W∙m-2∙K-1)二者经计算得到：

将实验换热器内嵌的加热控制装置视为纯电阻电路，则加热直流电源输出电功率P(W)即为加热棒加热功率，则实验换热器换热壁面的热流量Φ的计算方法为：

实验换热器换热壁面的平均温度Tw(K)为加热棒内嵌的4 根Pt100 铂热电阻测量温度的算数平均值：

流体流过换热壁面时流体温度不断变化，对流换热计算中流体温度为平均温度值，当进出口温差不大时，流体平均温度为进、出口处温度的算数平均值。本文流动工质进出口温度温差小于2 K，因此，工质温度Twm为实验测试段进、出口处工质温度的算术平均值：

其中，T1～4及Tin与Tout的测点位置参考图1。

1.4 实验结果误差分析与重复性验证

本实验研究中，总传热系数k为相关直接测量数据经过一定函数关系计算得到的间接测量值。直接测量数据的测量过程受制于上述因素影响会存在测量误差，因而间接测量数值也会存在误差。相关参数误差由表1给出。

表1 相关参数误差Table 1 Maximum relative error for parameters

本实验研究依照均方根法对实验结果进行误差分析[24]。总传热系数误差主要与体积流量、温度的测量误差以及直流电压、直流电流、线路电阻所引起的误差有关，如式(8)所示：

根据式(9)与表1 中给出各项相对误差值，计算得到总传热系数k的最大相对误差为1.03%。由式(2)可知，污垢热阻Rf与总传热系数k二者误差的影响因素相同。换热表面在洁净状态下总传热系数kc的绝对误差Δkc可忽略不计，因此污垢热阻Rf的最大相对误差亦为1.03%。其他参数最大相对误差均小于1.00%。

为验证本系统稳定性与测得实验数据准确性，在相同实验工况下进行两次实验。本组验证实验选取浓度为350 mg·L-1的过饱和CaCO3溶液作为实验工质溶液，实验测试段入口工质温度为40℃，工质体积流量为0.4 m3·h-1，实验换热器加热段热通量为39.26 kW·m-2。本组验证实验进行时间为10 h，实验中不使用电场施加装置。图5给出两次实验的污垢热阻变化曲线对比结果。两次实验的污垢热阻变化曲线无明显差异，渐近污垢热阻值相对误差为0.27%，表明实验系统具有良好的稳定性和结果可重复性。

图5 污垢热阻重复性验证Fig.5 Repeatability verification of fouling thermal resistance

2 实验结果与分析

2.1 静电场作用对CaCO3污垢沉积的影响

为研究施加圆筒电极作用下换热表面CaCO3污垢沉积特性，本组实验选取的电压值为0、200、500、1000、2500 和5000 V。选取浓度为500 mg·L-1的过饱和CaCO3溶液作为实验工质溶液，实验测试段入口工质温度为40℃，工质体积流量为0.4 m3·h-1，实验换热器加热段热通量为39.26 kW·m-2，实验进行时间为20 h。

由于CaCO3具有反常溶解性，实验过程中CaCO3污垢主要沉积在高温实验换热表面。图6 展示了换热表面洁净状态与不同电压工况下CaCO3污垢层形貌。由图6(b)可知，在无电场作用时，换热表面污垢层极其致密且十分均匀，表面被污垢完全覆盖。由图6(c)可知，在电压值为500 V 的实验工况下，污垢层的厚度明显减小，污垢为微小的斑点形态且污垢分布稀疏。由图6(d)可知，在电压值为5000 V 的实验工况下，污垢的分布再次变得致密，部分区域出现了较厚的斑块状污垢附着的情况，换热表面整体被污垢层所覆盖。通过对比图6(a)～(d)可以发现，不同电压值工况下的换热表面污垢层的宏观形貌不尽相同。随着电压从无到有，不断增大，换热表面上沉积的污垢层厚度的整体变化趋势为先减小后增加。其中，电压值为500 V 的实验工况对不锈钢换热表面上CaCO3污垢沉积的抑制效果最显著。

图6 圆筒电极不同施加电压时换热表面上CaCO3污垢层宏观形貌Fig.6 Macroscopic morphology of CaCO3 fouling layer on heat transfer surface under various voltages of the cylinder electrode

污垢沉积会增加换热面导热热阻。不同电压值工况下换热表面上CaCO3污垢热阻的变化情况如图7 所示。实验中CaCO3污垢生长过程中均未出现明显的结垢诱导期。在电压值为0 V 的实验工况下，实验进行至约2.5 h 时，污垢热阻值开始以基本不变的速率稳定上升，实验结束时，污垢热阻值增加至22.5904×10-5m2·K·W-1。在电压值为500 V 的实验工况下，渐近污垢热阻值为3.8409×10-5m2·K·W-1，与电压值为0 V 结果相比，污垢热阻值减小83%。

图7 圆筒电极施加不同电压时换热表面上CaCO3污垢热阻变化曲线Fig.7 Curves of CaCO3 fouling thermal resistance on heat exchange surface under various voltages of the cylinder electrode

为对比非匀强电场与匀强电场对CaCO3污垢沉积抑制效果差异，同时进行匀强电场抑垢实验，选取电压值为0、500、1000、2500与5000 V。圆筒与平行电极作用下CaCO3污垢抑垢率如图8 所示。随着静电压的增大，抑垢率呈现先升高后降低。但圆筒电极与平行电极实验结果存在差异：在圆筒电极电压为200 V 的实验工况下，抑垢率达到78.31%。电压值为500 V 的实验工况下抑垢率为83%，相较于平行电极的抑垢率高65.42%。当电压值继续增大时，抑垢率降低。电压为1000 V 的实验工况下抑垢率为74.16%，略高于平行电极抑垢率（73.27%），电压为2500 V的实验工况下抑垢率为61.13%，略低于匀强电场的抑垢率（63%），当电压值继续增大到5000 V 时，抑垢率为49.46%，相较于匀强电场其抑垢率高23.16%。因此，圆筒电极具有更好的抑垢效果，且最佳抑垢电压为500 V，最佳抑垢电压更低，可降低电的消耗。

图8 不同电压下抑垢率Fig.8 Scale inhibition rate under different voltages at various voltages

通过扫描电子显微镜采集本组实验的CaCO3污垢样品微观扫描图像，圆筒电极电压分别为0、500和5000 V 时，CaCO3垢样晶体形貌如图9 所示。在无外加电场作用时，污垢样品的晶体形貌主要为树枝状的文石晶簇[图9(a)]。当施加圆筒电极电压为500 V 时，污垢样品的晶体形貌主要为大小不一的不规则类球状晶块与少量尺寸较小的方解石晶粒共存的状态，而未观察到明显的文石晶体结构。随着电压值增大到5000 V 时，污垢样品的晶体形貌变为具有典型方解石形貌特征的彼此堆叠生长的立方块状晶群。

图9 圆筒电极作用下CaCO3污垢样品SEM图像Fig.9 SEM images of CaCO3 fouling sample under the action of the cylinder electrode

平行电极电压分别为0、1000 和5000 V 时，CaCO3晶体形貌如图10所示。当电极电压为1000 V时，污垢样品中文石晶簇数量及单簇文石分枝的数量均明显减小，且文石分枝的尺寸明显变小。方解石晶块的分布变得较为稀疏。随着电压值增大到5000 V 时，具有文石特征晶体结构有消失的趋势，而方解石的晶粒尺寸明显增大，呈致密分布且堆叠生长的状态。平行电极作用会促进方解石晶相生长，但不利于文石晶相的形成。结果表明，施加电场一方面降低换热表面CaCO3污垢量的形成，另一方面改变CaCO3晶体形态。不同形貌晶体的热导率存在差异，是影响换热表面污垢热阻的重要因素。

图10 平行电极作用下CaCO3污垢样品SEM图像Fig.10 SEM images of CaCO3 fouling sample under the action of the parallel electrode

2.2 静电场作用对CaCO3沉积特性影响分析

静电场对CaCO3工质溶液体系的影响主要分为两大方面：静电场对体系中水分子的影响与静电场对体系中成垢离子的影响。水分子是一种偶极子，无外加电场作用时，由于自身热运动的原因，极性水分子呈混乱排列，其固有偶极矩矢量在各方向的分布概率相等。相关学者认为，工质溶液流经静电场作用范围时，在高压静电场作用下，电场力会使水分子电偶极矩方向随电场方向发生偏转，产生极化现象，同时工质溶液与电场间存在能量交换，电场能的转变使得溶液体系能量增加。水中原有缔合形成的链状、团簇大分子团破裂成诸多小分子团或单个水分子，相较于大分子团，小分子团及单个水分子的活性更强[3,20,25]。

水分子活性的增加会提高工质溶液中游离态的成垢阴阳离子碰撞概率，形成较固相晶核更小的准晶微粒。准晶微粒具有较高界面自由能，会选择性吸附溶液中成垢阴阳离子，使溶液局部过饱和度下降，降低体系的相变驱动力，阻碍体系均相成核。使工质溶液在过饱和度较高情况下仍能保持相对稳定状态，不易于水垢的生成[20,25-26]。同时电场作用使溶液体系的各向异性明显增强[22]，各方向不同活性导致CaCO3晶体不能按晶体阶梯生长理论生长，晶体生长面上的堆积形式发生改变[27]，导致污垢形貌发生变化。结合图8 实验结果，随着电压值的增大，抑垢率均呈现出先升高后降低趋势。在较低的电压值工况下，静电场对工质溶液中水分子的影响作用占主导地位。活性增加的水分子促进了工质溶液中准晶微粒的生成，由于准晶微粒会选择性吸附工质溶液中的成垢离子，生成的微晶态沉淀以弥散状悬浮于溶液中，易随工质流动，从而实现抑制污垢在换热表面沉积效果。

在较高电场作用下，电场抑垢率降低。分析原因可能是当电压高时，静电场对溶液中成垢离子的影响作用占据主导地位。有相关实验研究指出，在电场强度较高的情况下，溶液的电导率会发生变化，且过饱和水溶液的电导率相较于普通水的变化更为明显[28-30]。静电场作用使CaCO3解离成Ca2+和CO2-3的电离活化能降低，导致CaCO3在静电场作用下的电离现象更易发生。由于在溶液中生成的CaCO3在静电场的作用下再次被解离成Ca2+和CO2-3，使溶液中的成垢离子浓度保持在较高的水平。工质溶液过饱和度的增加利于流动工质与换热面间的对流传质[22]，导致成垢阴阳离子在换热表面上反应形成污垢。

平行电极与圆筒电极抑制换热表面CaCO3污垢沉积效率存在差别。圆筒电极形成的非匀强电场与平行电极形成的匀强电场分布如图3 与图4 所示，非匀强电场的电场强度矢量在其作用范围空间内连续变化，而匀强电场中各场点的电场强度矢量均相等。在匀强电场作用下，电场强度矢量不随空间位置发生变化，电场力不对工质溶液中的水分子做功，工质溶液的流动状态基本不受影响，工质溶液的物理性质（黏度与扩散系数）变化很小。静电场对体系中水分子的影响（极化作用）为主要影响因素。在圆筒电极作用下，除前述静电场作用对溶液体系中水分子产生的影响外，在其形成的非匀强电场作用时，沿水分子运动方向上电场强度矢量会发生改变，电场力会对水分子做功，从而降低水分子的扩散系数，工质溶液的黏度增加，导致CaCO3晶体的成核速率降低，固-液界面处溶质的通量减少，阻碍CaCO3晶体的析出。因此，圆筒电极形成的非匀强电场的抑垢效果更好。

3 结 论

本文以通过CaCl2和NaHCO3的化学反应配制CaCO3过饱和溶液为实验工质溶液，基于流动实验系统，通过改变施加在实验测试段前的圆筒与平行电极电压大小，分析不同形式电场对换热表面CaCO3污垢沉积的影响规律，得到结论如下。

(1)随着施加电压值的增加，换热表面CaCO3污垢层厚度先减小后增加，圆筒与平行电极抑垢率均呈现先增加后减小的变化趋势。当施加圆筒电极时，最佳抑垢电压为500 V，最佳抑垢率为83%，当施加平行电极时，最佳抑垢电压为1000 V，最佳抑垢率为73.27%。

(2)无外电场作用时，换热表面CaCO3污垢晶体形貌主要是树枝状的文石晶簇结构。在圆筒电极电压为500 V 工况下，污垢晶体为类球状晶块与方解石晶粒共存状态。随着电压值增大到5000 V，CaCO3污垢晶体变为堆叠生长的立方块状晶群。对于平行电极电压为1000 V 工况，形成的文石晶簇与单簇构型的文石数量明显减少，方解石晶块的分布稀疏，但晶粒尺寸和形貌无明显变化。当电压值增大至5000 V 时，文石晶体结构减少，方解石晶粒增多。