一種水冷換熱設(shè)備除垢方法研究

唐 安

（華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，武漢430223）

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一種水冷換熱設(shè)備除垢方法研究

唐 安

（華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)，武漢430223）

摘 要：本文針對(duì)水冷換熱設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的內(nèi)壁結(jié)垢，分析了水垢形成的原因和除垢的電化學(xué)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種用合金材料構(gòu)成的防垢除垢設(shè)備，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證此方式可行。

關(guān)鍵詞：除垢 換熱設(shè)備 合金

Keyword:descaling; heat exchanging device; alloy

0 引言

換熱器在工業(yè)和民用領(lǐng)域有這廣泛應(yīng)用，在船舶動(dòng)力裝置中包括主機(jī)、輔機(jī)等設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量需要由冷卻水通過(guò)換熱設(shè)備帶走。由于冷卻循環(huán)水中存在大量的鈣鎂離子，長(zhǎng)期循環(huán)使用極易產(chǎn)生結(jié)垢的現(xiàn)象，同時(shí)在換熱器的換熱表面冷熱溫差變化劇烈，特別容易產(chǎn)生水垢，水垢一旦形成會(huì)不斷增厚，大大降低了換熱器的換熱系數(shù)[1]，從而影響換熱器的正常工作甚至是整個(gè)設(shè)備的正常工作。

現(xiàn)在除垢的方法有化學(xué)和物理兩大類，這兩類方法又派生出很多種除垢的技術(shù)和設(shè)備。其中化學(xué)的方法主要是對(duì)垢的化學(xué)成分分析后利用酸堿中和的原理，對(duì)垢進(jìn)行清理，它的優(yōu)點(diǎn)是除垢效率高、簡(jiǎn)單方便，缺點(diǎn)是容易造成二次污染；物理除垢技術(shù)主要以機(jī)械清理為主，目前還有量子除垢、電化學(xué)除垢[2,3]等設(shè)備。物理除垢主要缺點(diǎn)是徹底除垢困難，設(shè)備體積較大，尤其對(duì)于船舶而言適應(yīng)性較差。

這里研究設(shè)計(jì)一種合金在水溶液中的原電池反應(yīng)來(lái)去除水垢的方法。產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程對(duì)水垢（碳酸鈣晶體）生長(zhǎng)產(chǎn)生了影響，從而抑制了碳酸鈣析晶過(guò)程，減少水垢的形成。

1 化學(xué)原理

1.1水垢的形成

循環(huán)冷卻水通常為普通自來(lái)水，水中溶解了一定量的碳酸鈣，此時(shí)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(dāng)溫度壓力發(fā)生變化，導(dǎo)致碳酸鈣的溶解度降低時(shí)，便會(huì)形成較多固體水垢，同時(shí)還使水中碳酸氫鈣分解如式（1）而結(jié)垢。

為何在換熱器表面最容易形成水垢呢？就是因?yàn)闇囟鹊纳咴斐伤芤旱娜芙舛冉档蛷亩龀隽颂妓徕}晶體。

1.2除垢機(jī)理

金屬的電位差越大，原電池反應(yīng)越顯著。電極電位較低的金屬Zn如首先被氧化為離子進(jìn)入水中，反應(yīng)方程式如式（2），釋放出來(lái)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(jié)合，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不再進(jìn)行吸附，減少結(jié)垢。

在長(zhǎng)期循環(huán)的水溶液中便不易形成碳酸鈣固體，其已經(jīng)被金屬離子與電子結(jié)合的狀態(tài)所替代。

2 實(shí)現(xiàn)方法

2.1材料的確定

為了實(shí)現(xiàn)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(guò)以上分析，可選擇銅鋅合金作為除垢的材料。

2.2結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是：1）盡量增大合金與流動(dòng)水的接觸面積；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工。

圖1為除垢設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(huán)水的長(zhǎng)期工作中便可以實(shí)現(xiàn)除垢的效果。

圖1 除垢設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.3試驗(yàn)驗(yàn)證

水的流速對(duì)合金除垢性能有什么影響?對(duì)此我們進(jìn)行了試驗(yàn)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(shè)備通流直徑20 mm，在常溫下進(jìn)行防垢循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2。假定流量為500 L/h時(shí)循環(huán)水中剩余鈣離子濃度為100%作為標(biāo)準(zhǔn)值。

圖2 不同流量循環(huán)試驗(yàn)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(shì)，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(duì)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)換熱器結(jié)垢原因進(jìn)行了分析，并從電化學(xué)角度分析了合金的阻垢機(jī)理，并提出合金除垢設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)此結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行了流量VS鈣離子的試驗(yàn)。可以看出，銅鋅合金對(duì)循環(huán)冷卻水具有抑制其水垢產(chǎn)生的能力。此除垢技術(shù)發(fā)展進(jìn)一步優(yōu)化后有望能夠真正實(shí)用到船舶循環(huán)冷卻系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]李森.王海峰.電化學(xué)法處理冷卻循環(huán)水技術(shù)應(yīng)用.化工進(jìn)展,2013,32（10）:2514-2517

[3]徐浩,延衛(wèi).陰極電流密度對(duì)電化學(xué)除垢技術(shù)生成水垢的影響.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),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(jiǎn)介：唐安（1998-），女，華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)學(xué)生。

收稿日期：2015-11-19

中圖分類號(hào)：TQ085

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-0069-02