兩種斜翅管表面碳酸鈣垢初始階段結垢特性

盛 健， 張 華， 趙 萍

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

兩種斜翅管表面碳酸鈣垢初始階段結垢特性

盛 健， 張 華， 趙 萍

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

進行了3種強化管在不同碳酸鈣溶液濃度和流速下的動態結垢實驗，得到碳酸鈣濃度、流速和不同管型對碳酸鈣析晶垢結垢過程的影響.結果表明，碳酸鈣濃度增大，使溶液中均相成核速率和所形成晶核的生長速率增大，使溶液換熱表面界面的污垢晶粒濃度和成垢離子濃度均增大，前者使更多的污垢附著換熱面，而后者使表面異相成核速率和生長速率增大.流速增大，使光管表面形成的晶核、污垢晶體和污垢熱阻均減少，而誘導期延長；使平直和鋸齒斜翅管初始成核增多，但誘導期延長，而結垢量和污垢熱阻減小.平直和鋸齒斜翅管在清潔狀態和結垢狀態下均具有比光管更大的總換熱系數、更小的污垢熱阻，盡管結垢量略多.在相同結垢狀態下，鋸齒斜翅管的結垢量和污垢熱阻大于平直斜翅管的，但是，其總換熱系數仍大于平直斜翅管.

斜翅管；碳酸鈣；析晶污垢

對強化換熱管的結垢特性以及在結垢條件下的強化換熱效果均進行了研究，但其研究結果卻頗為矛盾：就結垢速率、污垢熱阻和誘導期而言，Rabas等［1］和徐志明等［2］發現螺旋槽管的結垢速率和污垢熱阻大于光管的；而Sheiholeslami等［3］、帥志明等［4］和張仲彬等［5］則發現斜翅管具有比光管更小的結垢速率和污垢熱阻、更大的換熱系數和更長的誘導期；就斜翅管表面參數而言，錢頌文等［6］發現斜翅管槽越深，防垢性能越好；而劉震等［7］發現螺旋槽管參數對污垢熱阻有明顯影響，螺距最小時具有最小污垢熱阻，但當螺距增大時，污垢熱阻的增長并未出現單調變化；朱冬生等［8］和Webb等［9-10］研究發現，管參數和操作條件對斜翅管的結垢過程有不同程度的影響，結垢速率取決于斜翅管的幾何參數；Panchal等［11］則認為斜翅管結垢與斜翅管的幾何參數無關.可見斜翅管在結垢條件下的換熱和結垢現象受很多條件的影響，是非常復雜的過程，需要通過大量而深入的實驗來探索和發現其規律.

斜翅管是在低翅管的基礎上沿與管軸向成一定角度將翅片進行分割加工而成，因此，斜翅管具有比低翅管更強的近壁面擾動作用、更大的換熱強化比.根據翅片的不同切割方式，可加工成不同的斜翅管，將翅片分割成等截面直肋的斜翅管稱為平直斜翅管（SOFT），將翅片分割為鋸齒狀肋片的斜翅管稱為鋸齒斜翅管（STOFT）.本文對光管、平直斜翅管和鋸齒斜翅管在清潔狀態和結垢狀態的強化換熱比、初始階段結垢速率和污垢熱阻變化等特性進行了實驗研究.

1 實驗方法與裝置

根據污垢熱阻的定義［12］，采用污垢熱阻法來測量污垢的生長和污垢對平直斜翅管強化換熱效果的影響.

式中，Rf為污垢熱阻，m2·K／W；Uf為結垢狀態下的總換熱系數，W／（m2·K）；U0為清潔狀態下的總換熱系數，W／（m2·K）.

因碳酸鈣的濃度極低，碳酸鈣水溶液的密度可按蒸餾水來計算，并忽略內管壁厚以及其導熱熱阻.需要獲得清潔狀態和不同時間結垢狀態下套管式換熱管的總換熱系數，即可獲得不同結垢時間下的污垢熱阻值.由牛頓冷卻公式和熱平衡方程式可知，需要測量的物理量有：內管的進口、出口熱水溫度及流量，套管管間的進口、出口碳酸鈣溶液的溫度及流量.

實驗系統如圖1所示，包括實驗段5路套管式換熱管、熱水恒溫水箱、碳酸鈣恒溫水箱、保持恒溫的冷卻系統和電加熱器、循環水泵及循環水管路、Pt100鉑電阻溫度傳感器及Agilent數據采集儀和上位機.實驗段由5路同心套管式換熱管組成，熱水從內管管內流過、碳酸鈣水溶液從套管管間逆流流過；內管為實驗管，即光管和平直斜翅管，其中，光管的內外壁面均為光滑壁面，平直斜翅管的外壁面為結垢壁面，為平直斜翅片，內壁面為光滑壁面，外管為不銹鋼304管.光管的尺寸為10 mm×7.6 mm× 1 000 mm（DW×DN×L）.DW為外徑，DN為內徑，L為長度.平直斜翅管與鋸齒斜翅管的尺寸均為12.7 mm×10 mm×1 000 mm（DW×DN×L），外翅高0.65 mm，翅數1 339個／m（34個／inch），翅間距0.2 mm，螺旋角45°，只是齒形不同.實驗中采用3種碳酸鈣濃度（0.5，1.0，2.0mmol／L），2種流速（0.04，0.07 m／s），熱水箱溫度保持60℃，碳酸鈣溶液水箱保持30℃.為保持碳酸鈣水溶液中碳酸鈣濃度相對穩定，每1 h采用EDTA絡合滴定法測量Ca2+濃度，并加入需要量的CaCl2和Na2CO3溶液. 每2 h關閉一路實驗換熱管兩端的截止閥，并調節熱水管路和碳酸鈣溶液管路的三通流量調節閥，使余下換熱管內流速保持恒定.取出已做完實驗的實驗換熱管，并在室溫下晾干，以便觀測其表面結垢形貌.待實驗停止后保存實驗數據，以便計算清潔狀態和不同結垢時間狀態下的總換熱系數，進而獲得污垢熱阻、結垢誘導期等換熱和結垢特性.分別使用0.001 mol／L鹽酸溶液和蒸餾水清洗碳酸鈣溶液水箱及其管路，以便下次實驗使用.

圖1 碳酸鈣污垢動態實驗系統原理圖Fig.1 Experimental setup of CaCO3scaling

2 實驗結果與分析

表1為不同工況下的結垢誘導期和污垢熱阻。

2.1 碳酸鈣濃度對結垢的影響

由圖2～4可見，碳酸鈣濃度增大，會使3種換熱管表面的結垢誘導期均大幅縮短，對于降低換熱器清洗頻率和抗垢等是不利的，原因是流體中Ca2+和CO2-3離子濃度增大時，溶液中均相成核率和換熱表面異相成核率均指數級增大，形成更多的晶核并長大，而使污垢熱阻更早、更大地呈現，使誘導期縮短.t為時間.

另外，碳酸鈣濃度增大，3種換熱管表面初始污垢熱阻增大；速率提高，10 h污垢熱阻值也增大.在相同條件下，斜翅管的污垢熱阻均小于光管的，且濃度越大，兩者之間的差距越大.鋸齒斜翅管的污垢熱阻始終略大于平直斜翅管的，說明在較高碳酸鈣濃度下，斜翅管比光管具有更好的抗垢性能，且平直斜翅管的抗垢性能優于鋸齒斜翅管的.

圖2 光管表面污垢熱阻變化Fig.2 Fouling resistance of plain tube

表1 不同工況下結垢誘導期及污垢熱阻Tab.1 Induction period and fouling resistance under different conditions____________________

圖3 平直斜翅管表面污垢熱阻變化Fig.3 Fouling resistance of straight oblique fin tube

圖4 鋸齒斜翅管表面污垢熱阻變化Fig.4 Fouling resistance of saw-tooth oblique fin tube

低濃度時（0.5 mmol／L），由圖5（a）和5（b）（見下頁）可見，碳酸鈣析晶污垢結垢初始階段（2 h），光管表面僅形成較少的碳酸鈣晶粒，濃度較低，使溶液中碳酸鈣的過飽和度較低，進而導致其在換熱表面的異相成核速率也較低［13-14］；由圖6（a）和6（b）（見下頁）可見，光管表面10 h形成的污垢還較少，僅少數區域被覆蓋，遠未形成完整的污垢層；由圖7（a）和7（b）可見，平直斜翅管表面在結垢2 h時形成很少的碳酸鈣晶粒，主要集中在迎來流方向翅片前側面，而翅片底部基本保持清潔；由圖8（a）和8（b）可見，平直斜翅管表面10 h形成的污垢主要集中在翅片間的間隙中，并且翅片間隙也只是部分被污垢填充；由圖9（a）和9（b）可見，鋸齒斜翅管表面在結垢2 h時形成很少的碳酸鈣晶粒，鋸齒翅片的側面和翅片底部基本保持清潔；由圖10（a）和10（b）可見，鋸齒斜翅管表面10 h形成的污垢主要集中在迎來流方向翅片前側面，而翅片間隙中污垢較少.高濃度時（2.0 mmol／L），由圖5（c）和5（d）可見，碳酸鈣析晶污垢結垢2 h，光管表面形成大量小晶粒，幾乎均勻分布在整個表面；由圖6（c）和6（d）可見，光管表面結垢10 h時形成較為完整的污垢層，但局域較為致密，而致密污垢層的周邊結垢較少；由圖7（c）和7（d）可見，平直斜翅管表面在結垢2 h時形成的晶粒增多，主要集中在迎來流方向翅片前側面、翅片頂面和底面；由圖8（c）和8（d）可見，平直斜翅管表面有更多的翅片間隙被覆蓋，并且表面也形成了小區域的薄污垢層；由圖9（c）和9（d）可見，鋸齒斜翅管表面在結垢2 h時形成的晶粒增多，主要集中在迎來流方向翅片前側面、翅片頂面和底面；由圖10（c）和10（d）可見，鋸齒斜翅管表面有更多的翅片間隙被覆蓋，污垢最多的區域為迎來流方向翅片前側面，以及與同排翅片前側面污垢連接成一排排污垢層，同排翅片之間的間隙被污垢填充較多，而排間翅片之間的間隙較少被污垢填充.

圖5 2 h光管表面污垢形貌Fig.5 Scaling morphology on plain tube at 2 h

圖6 10 h光管表面污垢形貌Fig.6 Scaling morphology on plain tube at 10 h

圖7 2 h平直斜翅管表面污垢形貌Fig.7 Scaling morphology on straight oblique fin tube at 2 h

圖8 10 h平直斜翅管表面污垢形貌Fig.8 Scaling morphology on straight oblique fin tube at 10 h

圖9 2 h鋸齒斜翅管表面污垢形貌Fig.9 Scaling morphology on saw-tooth oblique fin tube at 2 h

圖10 10 h鋸齒斜翅管表面污垢形貌Fig.10 Scaling morphology on saw-tooth oblique fin tube at 10 h

2.2 流速對結垢的影響

由圖2～4可見，相同碳酸鈣溶液濃度時，流速增大，3種換熱管表面結垢誘導期延長，對光管和平直斜翅管表面結垢誘導期的延長作用強于鋸齒斜翅管的，其原因是流速增大并不改變溶液內均相成核速率，但使換熱表面的剝蝕剪力增大，導致碳酸鈣在換熱表面形成的碳酸鈣晶核的接觸角θ減小，進而促使換熱表面碳酸鈣異相成核速率減小，故流速增大使結垢誘導期延長.

較低流速時（0.04 m／s），由圖5（a）和5（c）可見，光管表面2 h形成更多的碳酸鈣晶粒，較大晶粒數量也較多，因為，流速較低，剝蝕剪力較小，碳酸鈣污垢向換熱面法向生長的阻力較小；由圖6（a）和6（c）可見，光管表面10 h形成污垢更多，主要表現為覆蓋更多換熱面和污垢層更厚；由圖7（a）和7（c）可見，平直斜翅管表面2 h形成的碳酸鈣小晶粒較少，尤其翅片底面基本保持清潔；由圖8（a）和8（c）可見，平直斜翅管表面10 h形成的污垢主要填充在翅片間隙中，翅片頂面有很少的污垢形成；由圖9（a）和9（c）可見，鋸齒斜翅管表面2 h形成的碳酸鈣小晶粒較少，主要在鋸齒斜翅管前側面；由圖10（a）和10（c）可見，鋸齒斜翅管表面10 h形成的污垢主要覆蓋在鋸齒翅片表面，翅片前側面和后側面具有較多污垢晶粒形成.較高流速時（0.07 m／s），由圖5（b）和5（d）可見，光管表面2 h形成較少的碳酸鈣晶核，基本沒有較大晶粒，因為，流速增大造成較大的剝蝕剪力，抑制了污垢向換熱面法向生長；由圖6（b）和6（d）可見，光管表面10 h形成的污垢較少，主要表現在覆蓋換熱面的區域較少和污垢層更薄，因為，流體剝蝕剪力增大使碳酸鈣晶粒向換熱面法向生長阻力增大；由圖7（b）和7（d）及圖9（b）和9（d）可見，平直和鋸齒斜翅管表面2 h形成較多的碳酸鈣晶粒，主要集中在迎來流方向翅片前側面；由圖8（b）和8（d）可見，平直斜翅管表面10 h形成的污垢仍主要填充在翅片間隙中，但被填充的間隙較少，翅片頂面由于剝蝕剪力增大而有較少的污垢形成；由圖10（b）和10（d）可見，鋸齒斜翅管表面10 h形成的污垢主要覆蓋在迎來流方向翅片的前側面，在前側面形成較厚污垢層，并與同排相鄰翅片前面污垢相互連接時，后側面僅有很少污垢.因此，流速增大對光管表面結垢始終是抑制作用，而對平直和鋸齒斜翅管是先促進表面碳酸鈣異相成核速率而后抑制進一步生長.

在結垢初始階段，流速增大時光管表面形成的碳酸鈣晶粒較少，但斜翅管表面卻形成了更多碳酸鈣小晶粒；而結垢10 h時，流速增大使光管和斜翅管表面結垢量均減少，且鋸齒斜翅管晶粒數量大于平直斜翅管的.因此，流速增大對光管表面結垢始終是抑制作用，而斜翅管則是先促進表面碳酸鈣異相成核速率而后抑制進一步生長，其原因是在結垢初始階段，由于斜翅管表面翅片叉排的影響，使流速增大時并不能造成整個翅片頂面、側面和底面的剝蝕剪力都增大，反而加強了Ca2+和CO2-3從主流體擴散至翅片表面，導致在剝蝕剪力較小的翅片表面反而形成更多碳酸鈣晶粒；隨著污垢生長，最終堵塞翅片間隙，造成剝蝕剪力增大，導致其結垢量減小.光管由于表面光滑，無論在結垢初期還是生長期，流速增大均會導致剝蝕剪力加強，并且加強幅度大于Ca2+和CO2-3從主流體至表面擴散速率的增強.但對斜翅管，在不同污垢生長階段的影響不同.

2.3 管表面參數對結垢的影響

由表1和圖2～4可見，相同條件下光管的表面結垢誘導期均短于斜翅管的，由圖5、圖7和圖9可見，結垢初始2 h表面形成碳酸鈣晶粒數量，鋸齒斜翅管的大于平直斜翅管大于光管的.碳酸鈣析晶污垢初始階段成核并生長的污垢晶粒對光管表面總換熱系數的影響程度遠大于斜翅管的.由圖6、圖8和圖10可見，結垢10 h光管的表面結垢量也略少于斜翅管的，但其污垢熱阻卻大于斜翅管的.

斜翅管具有更大的結垢速率和結垢量，這是因為在相同材料和公稱直徑下，斜翅管表面具有更大的與碳酸鈣溶液接觸的換熱面積，可進行異相成核的面積增大，故所形成的碳酸鈣晶粒更多.斜翅管增強了碳酸鈣溶液與換熱表面的擾動，使邊界層更薄，并加強Ca2+、CO2-3和溶液中均相成核形成的碳酸鈣污垢晶粒從主流體至表面擴散速率，使異相成核速率、成垢離子濃度和溶液污垢顆粒濃度控制的生長速率均增大，因而初始階段所形成的晶粒增多，之后的生長速率也較大并形成更多污垢，但污垢熱阻卻較小，因為，斜翅管具有更大的總換熱系數，斜翅管的總換熱系數Uq遠大于光管的總換熱系數Ug，斜翅管的總換熱熱阻1／Uq遠小于光管的總換熱熱阻1／Ug，假設形成污垢使兩種換熱管的總換熱系數均下降ΔU，Rq=1／（Uq-ΔU）-1／Uq，Rg= 1／（Ug-ΔU）-1／Ug，Rq為斜翅管的污垢熱阻，Rg為光管的污垢熱阻.顯然Rq＞Rg，故斜翅管的表面結垢量略多于光管的，但其污垢熱阻卻小于光管的.

3 結 論

a.碳酸鈣濃度對結垢的影響.濃度增大使溶液中均相成核速率和晶核生長速率均增大，導致溶液與換熱表面界面的污垢晶粒濃度和成垢離子濃度均增大，前者使更多的污垢附著換熱面，而后者使表面異相成核速率和生長速率增大.

b.流速對結垢的影響.第一，促進污垢的成核和生長，即流速增大使成垢離子和溶液中均相成核形成的碳酸鈣污垢晶粒從主流體至溶液換熱表面界面擴散速率增大，進而使換熱面的異相成核速率和污垢的生長速率增大.第二，抑制污垢的生長，即流速增大使換熱表面流體的剝蝕剪力增大，抑制污垢向換熱面法向生長、污垢層不易增厚.促進和抑制兩作用的強弱決定流速對結垢的最終影響，一般抑制作用強于促進作用，但在污垢不同生長階段影響不同.

c.斜翅管表面參數對結垢的影響.在相同實驗工況下，鋸齒斜翅管的結垢誘導期略短于平直斜翅管的，且鋸齒斜翅管的污垢熱阻大于平直斜翅管的.但在清潔和結垢狀態下，鋸齒斜翅管的總換熱系數大于平直斜翅管的.因為，鋸齒斜翅管的翅片間距較大，總換熱系數也較大，雖然前期結垢速率大于平直斜翅管的，但總換熱系數的下降幅度較小，即使污垢熱阻的上升速率慢于平直斜翅管的，當結垢量達到一定值時，即碳酸鈣污垢的低導熱系數、結垢對翅片間流通面積的減小和對邊界層流體擾動的減弱作用達到一定程度時，鋸齒斜翅管的污垢熱阻上升速率加快，污垢熱阻值也逐漸超過平直斜翅管的.

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（編輯：石 瑛）

Characteristics of the Initial Stage of CaCO3Crystallization Fouling on Two Kinds of Oblique Fin Tube

SHENGJian， ZHANGHua， ZHAOPing
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

To investigate the effect of CaCO3concentration and velocity on CaCO3scaling fouling process on plain，straight oblique and saw-tooth oblique fin tubes，experiments were done at different CaCO3concentration，velocity and surface parameter of the three kinds of tubes.The results show that the homogeneous nucleation rate and the growing rate both increase when CaCO3concentration increases.This makes the scaling particle concentration and fouling ion concentration increase，the former leads to more scaling on tubes and the later enlarges the heterogeneous nucleation rate and growing rate.Higher velocity decreases the nucleation of scaling，scaling crystal and fouling resistance，but it can prolong the induction period.Higher velocity increases nucleation rates on straight oblique fin tube and saw-tooth oblique fin tube，but the induction period extends and the mass of scaling and fouling resistance decrease.Straight oblique fin tube and saw-tooth oblique fin tube have bigger heat transfer coefficient than plain tube under both clean and fouling conditions in despite of smaller fouling resistance and a little more scaling.Under the same condition，saw-tooth oblique fin tubes have bigger heat transfer coefficient and fouling mass than straightoblique fin tubes，but the total heat transfer coefficient is bigger than that of straight oblique fin tubes.

oblique fin tube；calcium carbonate；crystallization fouling

TK 172文獻標示碼：A

1007-6735（2014）05-0443-06

10.13255／j.cnki.jusst.2014.05.007

2013-09-26

上海市重點學科建設資助項目（S30503）

盛 健（1985-），男，實驗師.研究方向：強化換熱與抗垢技術.E-mail：sjhvac＠163.com

張 華（1966-），男，教授.研究方向：制冷及低溫技術.E-mail：zhanghua3000＠163.com