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换热设备污垢研究的现状和展望 2004年第23卷第1O期 化工进展 CHEMICALD)ISTRYANDENGERⅡGPRoGRESS?1091? 换热设备污垢研究的现状和展望 杨善让孙灵芳.徐志明 (I东北电力学院节能与测控技术研究中心,吉林132012; 2哈尔滨工业大学动力工程及工程热物理博士后流动站,哈尔滨150001) 摘要综述了近十余年国内外换热设备污垢领域的研究进展,分析了三个主要研究方向上存在的主要问题, 提出了促进污垢研究发展的三点建议. 关键词换热设备污垢,预测,监测,对策 中图分类号TK124文献标识码A文章编号1000—6613(2004)10—1091—08 2O世纪7O年代,特别是8O年代后期以来的 能源危机,伴随着资源利用效率和环境要求的不断 提高,Somerscales所抱怨的污垢研究一直没能 得到足够关注的状况开始有所转变.进入2O世 纪9O年代以后,污垢研究在其他相关学科的发展, 特别是计算机应用技术飞速发展的推动下,借助国 际合作研究的良好氛围,在预测,监测和对策三个 发展方向上都蓬勃开展起来. 1污垢形成的预测 近1O年来,基于污垢形成机理认识的逐步深 入,污垢的预测和模拟都取得了明显进展.然而换 热设备污垢形成的影响因素众多,是在动量,能 量,质量传递以及生物活动同时存在的多相,多组 分流动过程中进行的,其理论基础除传热传质学 外,还涉及到化学动力学,流体力学,胶体化学, 热力学与统计物理,微生物学,非线性科学以及表 面科学等相关学科,是一个典型的多学科交叉的高 度复杂问题,因而对其机理的清晰理解和准确把握 仍是一项极为艰巨的任务.在2O世纪8O年代中 期,Epstein_1曾以矩阵形式对污垢形成过程的理 论分析和实验研究作了形象的概括,指出了发展趋 势;Pinhero则比较了当时已有的各预测模型,找 出其共同点,为建立一个通用模型做了十分有意义 的工作;而且,Melo也对这期间的进展做了出色 的概括和评述.虽然已取得的成就令人欣慰,但现 状离预期目标仍然相当遥远! 进入2O世纪9O年代以后,寻求对污垢形成机 理的理解,定量预测污垢增长率,为换热设备的设 计者和运行人员提供一个可信而适用的预测模型的 努力仍然历艰而弥坚,涌现出了不少有意义的 成果. 1.1污垢的形成过程 污垢形成的五个阶段(起始,输运,附着,老 化,剥蚀)中,输运,附着,剥蚀相对研究得比较 深入.在起始方面,长期以来人们认为具有低表面 能的材料可以减轻污染物的黏附.Panchal等发现 在一些污垢形成过程中存在阈值现象.包括 Rankin和Adamson,Baier,Kjaer等许多学者报 告说低表面能的聚四氟乙烯(PTFE)或硅酮涂层 表面可以延缓污垢的形成,且易于清洗.可是也有 若干相反的报道说在低表面能表面上更容易形成污 垢.如Addesso和Lund报道蛋白质在PTFE涂层 表面和在不锈钢304,316及钛表面的吸附状况 类似,而Yoon等发现在PTFE表面上牛奶的污垢 速率高于304不锈钢.这除了一些尚未确知的因 素外,涂层本身的热阻,涂层与壁面的结合强度, 耐磨性等因素是导致上述差异的原因.MUller— Steinhagen,赵起等利用DLC和其他材料涂层开 发了一种长久维持低污垢表面.一些专利技术将析 晶污垢减小7O～1O09/6,微生物的黏附减少9O 以上.FOrster等将9种材料的表面能与污垢的诱 导期比较后推测,表面能与污垢特性没有直接关 系.但5种材料的表面铺展系数(spreading coefficients)与诱导期却相关联.但是,这种模型 没能解释为什么DLC涂层表面具有几乎无限长的 诱导期,而PTFE涂层表面却只有很短的诱导期. McGuire等调查了固体表面能对牛奶宏观分子吸附 的影响,提供了沉积率与表面能(或表面张力)的经 验关联式.Miiller—Steinhagen,赵起等还提出 收稿日期2004—02—17;修改稿日期2004—07—21. 第一作者简介杨善让(1938),男,教授,博士生导师,主要从 事换热设备的污垢,节能理论和技术及多相流测控新理论与新方 法的研究.E—mailsryang@public.j1.j1.crl. 化工进展2004年第23卷 了新的表面沉积判据.徐志明等重新定义了污垢 的诱导期. 1.2单类污垢的研究现状 1.2.1腐蚀污垢与混合污垢 单一腐蚀污垢研究主要是在腐蚀学科进行,而 从污垢研究角度看,目前还仅限于它与其他类污垢 相互作用的初步研究,因而本文与混合污垢一起介 绍.Somerscales在评述研究进展时,特地对腐蚀 污垢与生物污垢,颗粒污垢,析晶污垢以及腐蚀污 垢与析晶和颗粒混合污垢的相互关系作了评介; Sheikholeslami的综述