一種水冷換熱設備除垢方法研究

唐 安

（華中師范大學第一附屬中學，武漢430223）

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一種水冷換熱設備除垢方法研究

唐 安

（華中師范大學第一附屬中學，武漢430223）

摘 要：本文針對水冷換熱設備運行過程中的內壁結垢，分析了水垢形成的原因和除垢的電化學機理，設計了一種用合金材料構成的防垢除垢設備，通過試驗驗證此方式可行。

關鍵詞：除垢 換熱設備 合金

Keyword:descaling; heat exchanging device; alloy

0 引言

換熱器在工業和民用領域有這廣泛應用，在船舶動力裝置中包括主機、輔機等設備會產生大量的熱量，這些熱量需要由冷卻水通過換熱設備帶走。由于冷卻循環水中存在大量的鈣鎂離子，長期循環使用極易產生結垢的現象，同時在換熱器的換熱表面冷熱溫差變化劇烈，特別容易產生水垢，水垢一旦形成會不斷增厚，大大降低了換熱器的換熱系數[1]，從而影響換熱器的正常工作甚至是整個設備的正常工作。

現在除垢的方法有化學和物理兩大類，這兩類方法又派生出很多種除垢的技術和設備。其中化學的方法主要是對垢的化學成分分析后利用酸堿中和的原理，對垢進行清理，它的優點是除垢效率高、簡單方便，缺點是容易造成二次污染；物理除垢技術主要以機械清理為主，目前還有量子除垢、電化學除垢[2,3]等設備。物理除垢主要缺點是徹底除垢困難，設備體積較大，尤其對于船舶而言適應性較差。

這里研究設計一種合金在水溶液中的原電池反應來去除水垢的方法。產生的電化學反應過程對水垢（碳酸鈣晶體）生長產生了影響，從而抑制了碳酸鈣析晶過程，減少水垢的形成。

1 化學原理

1.1水垢的形成

循環冷卻水通常為普通自來水，水中溶解了一定量的碳酸鈣，此時的碳酸鈣是以離子形式存在的，在常溫常壓下，碳酸鈣的溶解度保持平衡，只是偶爾有少量碳酸鈣晶體析出；但當溫度壓力發生變化，導致碳酸鈣的溶解度降低時，便會形成較多固體水垢，同時還使水中碳酸氫鈣分解如式（1）而結垢。

為何在換熱器表面最容易形成水垢呢？就是因為溫度的升高造成水溶液的溶解度降低從而析出了碳酸鈣晶體。

1.2除垢機理

金屬的電位差越大，原電池反應越顯著。電極電位較低的金屬Zn如首先被氧化為離子進入水中，反應方程式如式（2），釋放出來的電子也入水中。相比CO32-和自由電子，Ca2-和帶正電的膠體更容易與電子結合，形成穩定結構，不再進行吸附，減少結垢。

在長期循環的水溶液中便不易形成碳酸鈣固體，其已經被金屬離子與電子結合的狀態所替代。

2 實現方法

2.1材料的確定

為了實現較大的電位差，可選擇高電位的金屬有汞：+0.789 V，銀：+0.799 V，鉑：+1.19 V，鈀：+0.987 V，金：+1.68 V，銅：+0.377 V，高電位金屬中銅雖然電位不是最高的，但是它在自然界中最容易獲得；低電位的金屬可選擇性鋅Zn：-0.762 V。通過以上分析，可選擇銅鋅合金作為除垢的材料。

2.2結構的設計

結構設計的原則是：1）盡量增大合金與流動水的接觸面積；2）結構簡單、便于加工。

圖1為除垢設備的拓撲結構圖，將銅鋅合金材料做成圖1中間部分的形狀放置與水管的管道中，在循環水的長期工作中便可以實現除垢的效果。

圖1 除垢設備結構示意圖

2.3試驗驗證

水的流速對合金除垢性能有什么影響?對此我們進行了試驗研究.

分別選擇水流流量為500 L/h，800 L/h，1000 L/h，1200 L/h，除垢設備通流直徑20 mm，在常溫下進行防垢循環試驗，試驗結果如圖2。假定流量為500 L/h時循環水中剩余鈣離子濃度為100%作為標準值。

圖2 不同流量循環試驗剩余鈣離子濃度變化

可以看出，隨著流量的增加，剩余鈣離子濃度呈下降趨勢，表明流量的變換影響剩余鈣離子的濃度，流量越大，剩余鈣離子濃度越小。

3 展望

本文對冷卻水循環系統換熱器結垢原因進行了分析，并從電化學角度分析了合金的阻垢機理，并提出合金除垢設備的拓撲結構，同時對此結構試樣進行了流量VS鈣離子的試驗。可以看出，銅鋅合金對循環冷卻水具有抑制其水垢產生的能力。此除垢技術發展進一步優化后有望能夠真正實用到船舶循環冷卻系統中。

參考文獻：

[1]錢伯章.換熱器節能技術綜述.化工裝備技術,2014,33（4）:50-56

[2]李森.王海峰.電化學法處理冷卻循環水技術應用.化工進展,2013,32（10）:2514-2517

[3]徐浩,延衛.陰極電流密度對電化學除垢技術生成水垢的影響.西安交通大學學報,2013,47（7）:47-51.

How to Clean the Water-cooling Heat Exchanging Device

Tang An
(No.1 Middle School Attached to Huazhong Normal University,Wuhan 430223,China )

Abstract:Aimed at wall fouling in water-cooling heat exchanging device,this paper analyzes the reason of lime-scale forming and the mechanism of electrochemical descaling,and designs a device with a kind of alloy to prevent deposit and scaling.Experiment verifies the availability of alloy.

作者簡介：唐安（1998-），女，華中師范大學第一附屬中學學生。

收稿日期：2015-11-19

中圖分類號：TQ085

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0069-02