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含阻垢剂冷却水在换热表面污垢生成机理研究

时间:2016/6/6 16:20:10

含阻垢剂冷却水在换热表面污垢生成机理研究

(国家自然科学基金地区基金51166007

本项目首先对光管内CaCO3结垢特性及其与雷诺数的关系进行了研究,揭示了CaCO3结垢在诱导期及污垢生长期内的生长规律,并在层流、过渡流和湍流条件下,得到了污垢生长过程中管内Nu数与雷诺数及时间的关联式,对碳酸钙污垢在诱导期的初始阶段的传热特性进行了深入研究其次HPMA作用下CaCO3316L不锈钢圆管内结垢特性及其对传热的影响,羧基对碳酸钙的作用存在临界阀值效应;再次对CaCO3污垢生长引起负热阻的机理进行了数值分析研究,其模拟结果与实验结果相符,目前正在进行结垢初期纳米级的碳酸钙微晶对传热特性影响的研究;最后进行了羧基官能团阻垢机理及其影响因素的研究

1.光管内CaCO3结垢特性及其与雷诺数的关系

我们研究了CaCO3污垢在不锈钢管内污垢热阻随时间与雷诺数(Re=600~10000)的变化规律。在冷流体进口温度、冷流体进出口温度差、热流体温度、溶液pH值恒定时,建立了污垢生长特性与雷诺数及时间的关联式;并用称重法获得污垢平均生长速率随雷诺数的变化规律。结果表明:污垢热阻随时间变化趋势可分为个不同的区域(见图1):初始阶段正污垢热阻区、负污垢热阻区、污垢热阻随时间快速增长区及污垢稳定增长区。

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 1 不同雷诺数下污垢热阻随时间变化的曲线

多年来人们对污垢诱导期的理解是:最初阶段污垢热阻为零,紧接着是负热阻阶段。而我们的研究显示,初始阶段污垢热阻并不为零,而是显示为正热阻,且这个阶段的时间长短取决于流体速度。

2. HPMA作用下CaCO3316L不锈钢圆管内结垢特性及其对传热的影响

以水解聚马来酸酐(HPMA)和碳酸钙为研究对象,在Re=2850和流量为20 L/h的条件下,研究了316L不锈钢管在CaCO3浓度分别为40060080010001200 mg/L及添加比(马来酸酐/碳酸钙)分别为1.6/1002.4/1003.2/1004/1004.8/100时的结垢特性及其对传热的影响,揭示了羧酸基阻垢剂阻/抑碳酸钙污垢与CaCO3浓度及添加比之间的影响规律如图2所示。

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2 不同CaCO3浓度及不同β值下不锈钢K/K0与时间t的关系:

(a)空白样;(b) 400 mg/L(c) 600 mg/L(d) 800 mg/L(e) 1000 mg/L(f) 1200 mg/L

不同CaCO3溶液浓度及不同βd(K/K0)/dt值的影响。分别以HPMA的羧酸基与CaCO3的摩尔比α=n(-COOH)/n(CaCO3)CaCO3浓度c为横坐标,取图2K/K0直线的斜率d(K/K0)/dt为纵坐标作图,如图3(a)和图4(b)所示:

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3 CaCO3浓度及α值对d(K/K0)/dt的影响

(1) α= n(-COOH)/n(CaCO3)的增大,污垢的生长速率降低;当CaCO3浓度为1000 mg/L1200 mg/L时,对应的α分别为0.03330.0312,此时HPMA分子容忍Ca2+的能力达到最大值;由于溶剂效应,溶液浓度越小容忍Ca2+的能力越大。

(2) 随溶液浓度的增大,除β1.6/1002.4/100的两条曲线外,污垢的生长速率增大;在低添加量、高CaCO3浓度的情况下,HPMACaCO3垢存在临界阀值效应。

3. CaCO3污垢生长引起负热阻机理的数值分析

在圆管中选择的计算区域如图4(a)所示,图4(b)为在面积为AB的管壁上生长一颗晶体。该壁面面积的大小可根据实验获得的晶体表面分布率σ来获得,该参数表示单位平方毫米面积上的晶体个数。

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4 圆管内选取的计算区域物理模型示意图

5分别为24 h48 h72 h96 h120 h不同晶体粒径进行数值模拟所得的Nu/Nu0随晶体粒径变化的关系图。

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5 不同时间Nu/Nu0随晶体粒径变化关系

不同时间的Nu/Nu0随晶体粒径的增大而逐渐减小,这一过程分为两个阶段:负热阻阶段、正热阻阶段。图6表示晶体生长过程中Nu/Nu0随时间变化关系。

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6 Nu/Nu0随时间变化关系

4. 羧基官能团阻垢(抑垢)的机理及其影响因素的研究

乙氧基(EO)个数对羧基官能团阻垢(抑垢)的影响。羧基官能团吸附在持续生长的碳酸钙微晶上,使碳酸钙晶体的生长发生扭曲变形,抑制了晶体因继续生长而最终发生沉淀,实现阻垢(抑垢)的目的。AEC分子中EO基团的存在直接影响羧基官能团的电负性,而羧基电负性的大小与它吸附碳酸钙微晶的能力相关联,且电负性越大吸附碳酸钙微晶的能力越强;随着EO基团个数增大,AEC分子羧基电负性越小,羧基阻垢(抑垢)的能力越小。

 7  AECEO单元数对阻碳酸钙污垢的影响含阻垢剂冷却水在换热表面污垢生成机理研究

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