楊丁丁，柳建華，徐小進(jìn)，張良

（1-上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2-上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；3-中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

0 引言

隨著現(xiàn)代化社會(huì)和能源工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)冷卻水的需求越來(lái)越大。尤其在能源化工[1]、熱力發(fā)電[2]、熱泵空調(diào)[3-5]等領(lǐng)域，需要大型冷凝器和大量的冷卻水來(lái)降低工質(zhì)或機(jī)組的溫度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全美電力工業(yè)消耗冷卻水 6,700 m3/s，占到美國(guó)工業(yè)用水的80%和總用水量的三分之一[6]。我國(guó)對(duì)冷卻水的需求也非常巨大，據(jù)統(tǒng)計(jì) 2012年全國(guó)工業(yè)用水總量為1,423.9億噸，其中冷卻水用量占到85%以上[7]。

目前，工業(yè)冷卻水主要是采用天然水源，地球上理想的低位冷熱源有海水、江河水、湖水、地下水、城市污水等[8]。由于使用淡水資源成本較高，且法律法規(guī)和環(huán)保因素的影響較大，大規(guī)模使用江河湖泊的淡水較為困難；比較而言，海水的資源相當(dāng)豐富，使用成本低，熱容大，換熱系數(shù)高，四季溫差變化小。正因?yàn)楹Ｋ鋮s水具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在沿海地區(qū)的化工企業(yè)、發(fā)電廠、船舶碼頭廣泛使用海水作為冷卻水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì) 70年代美國(guó)42%的發(fā)電廠使用海水作為冷卻水[9]，我國(guó)沿海地區(qū)的海水冷卻用水量為1,009億噸，大部分作為火電廠及核電廠的冷卻用水[10]。

雖然海水冷卻水具有諸多優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用十分廣泛，但是海水冷卻水也存在弊端，最主要的就是結(jié)垢問(wèn)題。海水容易在海水冷卻換熱器中生成析晶污垢、腐蝕污垢和生物污垢，主要是因?yàn)楹Ｋ泻写罅康臒o(wú)機(jī)鹽和有機(jī)物。有研究表明[11]海水中鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%及以上就會(huì)出現(xiàn)可溶性鹽的結(jié)晶。同時(shí)，海水中的Mg2+和Ca2+在O2和CO2的電化學(xué)作用下容易生成Mg(OH)2和CaCO3污垢。海水換熱器污垢的生成會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率的急劇下降和流動(dòng)阻力的增加，DRAKE等[12]的研究表明海水污垢熱阻占到了換熱總熱阻的72%，其中析晶污垢占到了總熱阻的33%，生物粘膜占到了39%。WALKER等[13]的研究表明一個(gè)550 MW的燃煤發(fā)電廠，由于冷凝器結(jié)垢造成的燃料附加和產(chǎn)能下降將造成40萬(wàn)～220萬(wàn)美元的損失，占到電廠收益的0.38%～2.10%。

大量的研究者對(duì)海水污垢生長(zhǎng)規(guī)律和影響因素進(jìn)行了研究。寧佳等[14]利用動(dòng)態(tài)熱阻法污垢監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)試了0、3.5%、7%、14%等4個(gè)鹽度下在相同流速、主體溫度和熱通量的條件下的污垢特性。結(jié)果表明，隨鹽度的增加，污垢熱阻呈現(xiàn)由小到大，再減小的趨勢(shì)。IZADI等[15]研究了美國(guó)東海岸不同海域海水樣本的結(jié)垢情況，結(jié)果顯示高氯低鈉的Hampton海水樣本的結(jié)垢率明顯較高。PUGH等[9]研究了換熱表面溫度和流速對(duì)不同海水污垢類(lèi)型的影響，結(jié)果顯示隨著海水換熱表面溫度的升高，析晶污垢呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，腐蝕污垢呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外研究者針對(duì)海水換熱和結(jié)垢的研究側(cè)重點(diǎn)不同。國(guó)內(nèi)研究偏向于研究新型換熱器以提高海水換熱效率和緩解結(jié)垢現(xiàn)象，主要從設(shè)備角度，宏觀分析和研究海水換熱器的優(yōu)劣特點(diǎn)；而國(guó)外研究者偏向于海水結(jié)垢特性及抗垢措施的原位研究，研究對(duì)象是工廠或企業(yè)的海水冷卻換熱器，針對(duì)實(shí)際發(fā)生的海水結(jié)垢問(wèn)題的分析和結(jié)論，目的性很強(qiáng)，但是缺少系統(tǒng)性的研究成果。另外，全球各海域的海水組成差異很大。

目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在海水的濃度、換熱表面的溫度以及流速等因素對(duì)海水結(jié)垢的影響，但是熱流密度、雷諾數(shù)以及換熱管材料等因素對(duì)海水結(jié)垢的研究相對(duì)不足，對(duì)污垢元素組成和晶體形貌的研究資料也不多。

鑒于國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的不足，本文搭建了一臺(tái)套管式海水換熱與結(jié)垢實(shí)驗(yàn)臺(tái)，綜合運(yùn)用X射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）、掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和X射線能譜（Energy Dispersive X-Ray，EDX）等分析手段，對(duì)海水動(dòng)態(tài)污垢進(jìn)行了物相與形態(tài)觀測(cè)，清晰地認(rèn)識(shí)了海水污垢的元素組成和晶體形貌；并對(duì)海水動(dòng)態(tài)結(jié)垢進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了熱流密度、雷諾數(shù)、進(jìn)口溫度以及換熱管材料等因素對(duì)海水動(dòng)態(tài)結(jié)垢的影響。對(duì)海水污垢種類(lèi)的辨別、生成機(jī)理和除垢措施的制定提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

在海水冷卻水系統(tǒng)中通常采用套管式和殼管式換熱器，緊湊型套管換熱器也是海水冷卻換熱器的發(fā)展趨勢(shì)。本文搭建了一臺(tái)套管式海水換熱與結(jié)垢實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)海水動(dòng)態(tài)污垢的影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

除此之外，海水污垢的組成與海水的樣本有一定的相關(guān)性。本實(shí)驗(yàn)使用的海水樣本是取自于中國(guó)黃海海域，海水樣本成分如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的海水冷卻水動(dòng)態(tài)結(jié)垢裝置系統(tǒng)圖如圖2所示，主要包括了海水結(jié)垢測(cè)試段、水箱、制冷機(jī)，水泵、流量計(jì)和采集系統(tǒng)。該裝置是一套海水循環(huán)系統(tǒng)，核心的實(shí)驗(yàn)段為下進(jìn)上出的透明玻璃管，便于直接觀察結(jié)垢現(xiàn)象，管長(zhǎng)為1,000 mm，內(nèi)徑 21 mm。玻璃管內(nèi)有不銹鋼加熱棒，外徑12 mm。恒溫水箱內(nèi)設(shè)置有換熱盤(pán)管，盤(pán)管內(nèi)乙二醇與制冷機(jī)組相連，該機(jī)組能夠保證水箱內(nèi)的海水溫度波動(dòng)在±1 ℃。裝置通過(guò)與水泵并聯(lián)的旁通閥和主管段上的球閥來(lái)控制循環(huán)系統(tǒng)的流量。裝置在海水進(jìn)出口位置、加熱管管壁設(shè)置有熱電偶傳感器，熱電偶傳感器布置圖如圖3所示，采用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)。表1為該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的規(guī)格參數(shù)表。

圖1 海水樣本成分

圖2 海水冷卻水動(dòng)態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖

圖3 海水結(jié)垢測(cè)試部分示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的規(guī)格參數(shù)表

2 海水動(dòng)態(tài)污垢熱阻的計(jì)算方法及誤差分析

在上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，本文提出了海水動(dòng)態(tài)污垢熱阻的計(jì)算方法，針對(duì)直接測(cè)量的參數(shù)和間接測(cè)量的參數(shù)，給出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的誤差分析。

2.1 海水動(dòng)態(tài)污垢熱阻的計(jì)算方法

套管式海水冷卻器在動(dòng)態(tài)換熱過(guò)程中，換熱表面的成垢離子受到加熱，不斷在換熱表面成核，從而逐漸在換熱表面生成污垢。采用直接稱(chēng)重的方法顯然不能滿(mǎn)足操作簡(jiǎn)便和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，因此可以通過(guò)海水換熱表面污垢熱阻的增加來(lái)表征海水結(jié)垢量的增加。該模型是一個(gè)定熱流密度加熱狀態(tài)，即通過(guò)加熱棒來(lái)加熱流動(dòng)的海水，海水受熱后其中的成垢離子在加熱管的表面結(jié)垢，形成的污垢在加熱棒表面成為附加熱阻。通過(guò)熱力平衡測(cè)量加熱棒表面熱阻的增加量，就能夠得出污垢的熱阻值，從而表征污垢結(jié)垢量的變化，如式(1)。

式中：

Rf——污垢的熱阻值，m2K/W；

Uf——結(jié)垢條件下總換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Uc——清潔條件下總換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

根據(jù)熱力平衡，加熱棒的發(fā)熱量與套管試驗(yàn)段的換熱量相等，可得出加熱棒與海水的總換熱系數(shù)，如式(2)所示。

式中：

Q——加熱棒的發(fā)熱量，W；

A——加熱棒的表面積，m2；

Δt——對(duì)數(shù)平均溫差，K。

其中加熱棒發(fā)熱量為：

式中：

I——加熱棒的電流，A；

R——加熱棒的電阻，Ω。

對(duì)數(shù)平均溫差為：

式中：

to——海水出口溫度，℃；

ti——海水入口溫度，℃；

tw,i——加熱棒壁面入口溫度，℃。

將上式代入式(1)即可得出海水污垢熱阻的計(jì)算公式：

式中：

Δtf——結(jié)垢條件下對(duì)數(shù)平均溫差，K；

Δtc——清潔條件下對(duì)數(shù)平均溫差，K。

當(dāng)(tw,i-ti) / (tw,i-to) ＜ 2時(shí)，可用算術(shù)平均溫差代替對(duì)數(shù)平均溫差，誤差小于4%[16]。則式(5)可簡(jiǎn)化為：

式中：

tw,i,f——結(jié)垢條件下加熱棒進(jìn)口溫度，℃；tw,o,f——結(jié)垢條件下加熱棒出口溫度，℃；tw,i,c——清潔條件下加熱棒進(jìn)口溫度，℃；tw,o,c——清潔條件下加熱棒出口溫度，℃。

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量加熱棒電壓、電流、壁溫、海水的進(jìn)出口溫度等參數(shù)，通過(guò)式(5)和式(6)就可以計(jì)算出污垢的熱阻。通過(guò)熱阻的大小就能夠表征出海水污垢的結(jié)垢量，熱阻的變化就反應(yīng)出海水結(jié)垢量的變化。

2.2 誤差分析

海水動(dòng)態(tài)污垢熱阻是由許多直接測(cè)量的基本參數(shù)間接計(jì)算得出的，根據(jù)誤差的傳遞性，基本參數(shù)的測(cè)量精度會(huì)對(duì)海水動(dòng)態(tài)污垢熱阻的測(cè)量精度造成直接的影響，進(jìn)而決定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。

對(duì)于直接測(cè)量的參數(shù)，其相對(duì)誤差定義為絕對(duì)誤差Δx與被測(cè)量真值x0的比值，即

式中：

ε——直接測(cè)量參數(shù)的相對(duì)誤差，%；

Δx——絕對(duì)誤差；

x0——被測(cè)量真值。

本文直接測(cè)量的參數(shù)有海水冷卻水流量、加熱棒表面溫度以及海水進(jìn)口溫度。

當(dāng)直接測(cè)量的各個(gè)參數(shù)相互獨(dú)立時(shí),滿(mǎn)足：

式中：

1,2,...,n——參數(shù)；

y——n個(gè)參數(shù)的函數(shù)值。

間接測(cè)量誤差按照下式計(jì)算：

式中：

εy——間接測(cè)量誤差，%；

εxi——第i個(gè)參數(shù)的相對(duì)誤差，%。

本文間接測(cè)量的參數(shù)包括熱流密度、Re數(shù)、污垢熱阻等。其中，與熱流密度的間接測(cè)量誤差相關(guān)的參數(shù)包括加熱棒電壓、電流、外徑；與Re數(shù)的間接測(cè)量誤差相關(guān)的參數(shù)包括海水流量、加熱棒外徑、玻璃管內(nèi)徑；與污垢熱阻的間接測(cè)量誤差相關(guān)的參數(shù)包括加熱棒電壓、電流、外徑、壁溫以及海水進(jìn)出口溫度等。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的誤差分析，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的誤差分析

3 動(dòng)態(tài)污垢的成分與形態(tài)分析

由于海水含有大量的微量元素，存在電化學(xué)腐蝕，換熱和動(dòng)力系統(tǒng)中的金屬元素也會(huì)進(jìn)入海水中，與海水中的 Ca2+、Mg2+等離子以及空氣中的CO2和O2發(fā)生反應(yīng)，生成海水換熱污垢。因此海水污垢的成分也是十分復(fù)雜的。為了明確海水污垢的主要成分，本文對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的海水污垢樣本進(jìn)行物相分析，主要方法是XRD、SEM和EDX。

3.1 X射線衍射物相分析

XRD是利用X射線照射樣本，得到X射線衍射圖譜。下圖4為海水動(dòng)態(tài)析晶污垢X射線衍射圖。經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射圖譜庫(kù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，海水污垢與水合氫氧化鎂鋁（Mg6Al2(OH)18·4.5H2O）的 X 射線衍射圖譜十分相似，可以初步斷定為海水污垢的主要元素和晶體結(jié)構(gòu)與水合氫氧化鎂鋁十分相似。

圖4 海水動(dòng)態(tài)污垢X射線衍射圖

3.2 掃描電鏡形貌分析

為了更好地觀察海水污垢的晶體結(jié)垢，對(duì)海水污垢進(jìn)行了掃描電鏡（SEM）分析，分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出動(dòng)態(tài)污垢的微觀形態(tài)，晶體顆粒的大小和形狀參差不齊。從圖中 100 μm和50 μm的范圍可以直觀地看出，海水動(dòng)態(tài)污垢由大小不一的晶體微團(tuán)組成。在5 μm和10 μm的范圍內(nèi)可以更加清晰地發(fā)現(xiàn)，污垢的主要晶體結(jié)垢是針狀或條狀，長(zhǎng)度大約為 1 μm左右，針狀團(tuán)簇的長(zhǎng)度5 μm左右。

圖5 海水動(dòng)態(tài)污垢SEM圖

3.3 X射線能譜元素分析

除XRD和SEM之外，海水動(dòng)態(tài)污垢也進(jìn)行了EDX分析。表3為海水動(dòng)態(tài)污垢元素分析表。從表中可以看出，海水動(dòng)態(tài)污垢中含量最多的元素是O，原子百分?jǐn)?shù)達(dá)到了50%，其次是Mg，質(zhì)量百分?jǐn)?shù)占到了污垢的1/4。Mg是污垢中含量最多的金屬元素，其次是Al。在EDX分析中Ca元素的含量很低，幾乎沒(méi)有檢出。原因有兩點(diǎn)：一是在海水動(dòng)態(tài)結(jié)垢過(guò)程中，碳酸鈣并沒(méi)有吸附在加熱棒表面，而是在海水中以均相成核的形式析出；二是在海水樣本中Ca2+的濃度比較低，因此鈣鹽并不是主要的污垢成分，這與一般冷卻水的結(jié)垢有很大不同。從表中還發(fā)現(xiàn)了原子百分?jǐn)?shù)在9%左右的C元素存在，說(shuō)明污垢中存在一定的碳酸鹽。此外由于換熱器金屬在海水中還會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，金屬元素會(huì)沉入海水中，最終以污垢的形式沉積在換熱表面，因此在污垢元素中存在少量的Fe、Zn和Ni等元素。另外需要說(shuō)明的是，EDX方法是不能分析出H元素的，因此在對(duì)海水污垢成分的討論和推斷中，應(yīng)該考慮到H元素的存在。

表3 海水動(dòng)態(tài)污垢EDX元素分析表

綜合海水污垢的XRD、SEM和EDX的物相分析，可以推斷出下面的結(jié)論，海水污垢是一種成分復(fù)雜的化合物，包括金屬氧化物、金屬氫氧化物、碳酸鹽等，本文采用的海水樣本和實(shí)驗(yàn)條件下，其主要的成分是水合氫氧化鎂鋁（Mg6Al2(OH)18·4.5H2O）。

4 不同參數(shù)對(duì)海水結(jié)垢的影響

流體在換熱表面結(jié)垢的初期，污垢的生長(zhǎng)往往不是十分明顯，在表觀上不能觀察到結(jié)垢現(xiàn)象，在污垢熱阻上，熱阻不僅不會(huì)增加，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生降低的情況。這一階段被稱(chēng)為結(jié)垢的誘導(dǎo)期。誘導(dǎo)期的定義[17]是指從流體與換熱表面接觸時(shí)刻起，到由污垢引起的傳熱熱阻為零或?yàn)樨?fù)值時(shí)所需要的時(shí)間間隔。在海水結(jié)垢實(shí)驗(yàn)中，在實(shí)驗(yàn)初期污垢增長(zhǎng)不明顯的這段時(shí)間就是誘導(dǎo)期，表4為不同工況下海水結(jié)垢誘導(dǎo)期和熱阻匯總表。

表4 不同工況下海水結(jié)垢誘導(dǎo)期和熱阻匯總表

4.1 熱流密度對(duì)海水結(jié)垢的影響

熱流密度反映了換熱表面換熱的強(qiáng)度。在其他換熱條件相同的情況下，加熱棒熱流密度越大，意味著換熱表面的溫度越高。因此，不同熱流密度對(duì)海水污垢的影響實(shí)質(zhì)是不同換熱表面溫度對(duì)結(jié)垢的影響，顯然較高的熱流密度能夠獲得較高的換熱表面溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 6所示，同一時(shí)期1×105W/m2熱流密度下的海水換熱污垢熱阻遠(yuǎn)大于0.5×105W/m2熱流密度下的海水換熱污垢熱阻。100 h內(nèi) 1×105W/m2熱流密度下平均熱阻達(dá)到了7.38×10-5m2K/W，是 5×104W/m2熱流密度下平均熱阻的 1.93倍。較大的熱流密度能夠加快海水結(jié)垢，是因?yàn)檩^高的污垢表面溫度能夠提高化學(xué)反應(yīng)速率和結(jié)晶速率。而且由于熱流密度升高造成的表面溫度變化非常大，多達(dá)幾十度。如此大的溫度變化情況下，不能忽略主要污垢成分氫氧化鎂的溶解度變化，因此溫度上升引起的氫氧化鎂及其絡(luò)合物溶解度的下降，也導(dǎo)致了海水結(jié)垢量的增加。同時(shí)，較高的污垢表面溫度還能增加污垢的附著強(qiáng)度，從而減少污垢的剝蝕率。

圖6 不同熱流密度下污垢熱阻隨時(shí)間的變化（Tin=32 ℃，Re=1,600）

4.2 Re數(shù)對(duì)海水污垢的影響

Re數(shù)對(duì)污垢的影響有截然不同的說(shuō)法，有研究表明Re數(shù)的增大意味著流速的增大，使得海水的水力摩擦阻力系數(shù)增大，從而使污垢受到的剝蝕剪切力增大、結(jié)垢量下降；另一方面，流速的增加使成垢離子從流體到結(jié)垢表面的傳質(zhì)系數(shù)增大，從而使得表面結(jié)垢量增多。從相關(guān)文獻(xiàn)可以看出海水結(jié)垢活化能與成垢離子在水中擴(kuò)散過(guò)程的活化能更為接近，因此海水結(jié)垢是一種擴(kuò)散控制過(guò)程。海水Re數(shù)的增加對(duì)提高擴(kuò)散系數(shù)作用很大，特別是在本實(shí)驗(yàn)對(duì)比組中Re數(shù)較低，分別處于靠近臨界區(qū)的層流和紊流區(qū)域，Re數(shù)的增加導(dǎo)致海水流態(tài)從層流變?yōu)槲闪?，擴(kuò)散系數(shù)大大提高。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也印證了這一觀點(diǎn)，如圖7所示，Re數(shù)為6,283的海水污垢熱阻要大于Re數(shù)為1,600的海水污垢熱阻。另外從換熱角度考慮，Re數(shù)從1,600上升到6,283，流速增加了，海水進(jìn)出口平均溫度下降了，從而降低了海水的均相成核，因此流體中成垢離子的濃度上升，增加了換熱表面異相成核的速率，海水結(jié)垢量增加。綜上所述，Re數(shù)的增加雖然加大了剝蝕率，但是提高了換熱表面海水中成垢離子濃度和擴(kuò)散速率，從而增加了海水結(jié)垢量。

4.3 進(jìn)口水溫對(duì)海水結(jié)垢的影響

海水進(jìn)口水溫的大小直接影響了加熱棒壁面溫度和海水平均溫度，一方面與海水均相成核密切相關(guān)；另一方面與擴(kuò)散速率和反應(yīng)速率有關(guān)。隨著海水進(jìn)口溫度的升高，海水傳質(zhì)速率和離子反應(yīng)速率也是增加的。如圖8所示，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著海水流體溫度從 32 ℃上升到 50 ℃，同一時(shí)段海水換熱污垢的結(jié)垢量反而是下降的，說(shuō)明海水進(jìn)口溫度的上升，并沒(méi)有增加換熱表面的污垢量。這是因?yàn)榱黧w溫度的升高對(duì)結(jié)晶速率的提高是針對(duì)整個(gè)流體，包括流體內(nèi)的均相成核和換熱表面的異相成核。均相成核是成垢離子在流體中由于靜電力等作用自發(fā)碰撞結(jié)晶成核的作用，而異相成核是成垢離子被吸附在固體雜質(zhì)表面或晶體表面而形成晶核的過(guò)程。根據(jù)晶體成核理論，均相成核發(fā)生在流體中，而異相成核通常發(fā)生在固體表面，因此流體溫度對(duì)均相成核速率的影響要顯著大于異相成核，后者主要取決于換熱表面溫度。本實(shí)驗(yàn)中，海水進(jìn)口溫度從32 ℃上升至50 ℃，海水的均相成核速率大大增加，增加了成垢離子的消耗量，反而降低了換熱表面成垢離子的濃度，從而降低了換熱表面的結(jié)垢量。盛健等[18]通過(guò)碳酸鈣的靜態(tài)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。另外，進(jìn)口溫度對(duì)海水結(jié)垢的影響與熱流密度的影響不同，由于進(jìn)口溫度變化造成的壁溫的變化并不大，因而氫氧化鎂溶解度隨溫度的變化可以忽略。

圖7 不同Re數(shù)下污垢熱阻隨時(shí)間的變化（Tin=32 ℃，q=5×104 W/m2）

圖8 不同進(jìn)口溫度下污垢熱阻隨時(shí)間的變化（q=5×104 W/m2，Re=1,600）

4.4 不同金屬材料對(duì)海水結(jié)垢的影響

不同的金屬材料的海水結(jié)垢的情況也不盡相同，這主要是由于金屬材料的表面物理和化學(xué)性質(zhì)不同。不同的表面自由能和吸附特性，影響了污垢微粒在換熱表面的附著和生長(zhǎng)。不同金屬的化學(xué)反應(yīng)活性也不同，比如說(shuō)鋅的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，容易與海水發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鋅晶體，而不銹鋼在海水中的抗腐蝕性能較好，能在不銹鋼表面生成污垢的成垢離子主要是海水中的Mg2+和Al3+。圖9為不銹鋼加熱棒和黃銅在相同工況下的污垢熱阻的變化趨勢(shì)。在起始階段，兩種金屬的污垢熱阻變化十分相似。而在20 h后，不銹鋼的污垢熱阻開(kāi)始明顯大于銅管熱阻。這是由于銅的表面粗糙度和表面自由能明顯小于不銹鋼的表面粗糙度和表面自由能，吸附和固著在銅表面的海水析晶污垢要小于不銹鋼表面。

圖9 不同材料污垢熱阻隨時(shí)間的變化（q=5×104 W/m2，Tin=32 ℃，Re=1,600）

5 結(jié)論

本文搭建了一套海水動(dòng)態(tài)結(jié)垢實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)熱阻的變化來(lái)表征在加熱管外表面污垢結(jié)垢量的變化，利用XRD、SEM和EDX法對(duì)海水動(dòng)態(tài)污垢進(jìn)行了物相與形態(tài)分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，分析了熱流密度、海水Re數(shù)、進(jìn)口溫度和不同材料對(duì)海水結(jié)垢的影響，得到的結(jié)果如下：

1）動(dòng)態(tài)海水在不銹鋼表面形成污垢的主要成分是水合氫氧化鎂鋁（Mg6Al2(OH)18·4.5H2O），即氫氧化鎂和氫氧化鋁的絡(luò)合物，海水動(dòng)態(tài)污垢的晶形比較統(tǒng)一，主要形狀為針狀，長(zhǎng)度大約為 1 μm左右；

2）Re數(shù)對(duì)海水析晶污垢的誘導(dǎo)期影響比較小，而進(jìn)口溫度和熱流密度對(duì)結(jié)垢誘導(dǎo)期有一定影響，誘導(dǎo)期隨進(jìn)口溫度的增加而增長(zhǎng)，隨著熱流密度的增大而增長(zhǎng)。最長(zhǎng)誘導(dǎo)期出現(xiàn)在進(jìn)口溫度為50 ℃，Re數(shù)1,600，熱流密度為1×105W/m2的工況；

3）在 100 h內(nèi)，熱流密度為 1×105W/m2工況下的平均熱阻是熱流密度 5×104W/m2工況下平均熱阻的1.93倍；Re數(shù)為6,283的海水污垢熱阻大于Re數(shù)為 1,600的海水污垢熱阻；海水流體溫度從32 ℃上升到 50 ℃，同一時(shí)段海水換熱污垢的結(jié)垢量是下降的；

4）銅管在動(dòng)態(tài)結(jié)果過(guò)程中并沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕情況，并且在經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)期之后，銅管的污垢熱阻顯著小于不銹鋼管，說(shuō)明銅管的抗垢性能要優(yōu)于不銹鋼管。

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