溶解氧對板式換熱器結(jié)垢影響的研究

徐津平，杜祥云，董兵

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

在冷卻水系統(tǒng)中，污垢是非常有害的，它可以縮小管道有效流通面積，降低供水量和增大管道阻力，引起換熱器污垢下金屬腐蝕，降低傳熱效率，從而增加維修和運(yùn)行費用。據(jù)統(tǒng)計，污垢造成的損失占工業(yè)總產(chǎn)值的0.3%［1］。因此，研究污垢生成的影響因素，尋找抑制或減少污垢生成的方法，對提高換熱效率，提高設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。

污垢的生成是個復(fù)雜的物理化學(xué)和生物過程。其形成主要有起始、運(yùn)輸、附著、剝蝕和老化這五個階段，與水質(zhì)參數(shù)、壁面材料、運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)。楊衛(wèi)國等［2］通過研究水中溶解氧在一定的外加條件(如溫度、酸堿度等)對金屬壁面的破壞，得出其在某些場合(如敞開式循環(huán)水系統(tǒng))是破壞設(shè)備的主要原因。徐志明等［3］將水質(zhì)參數(shù)和板式換熱器結(jié)垢進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得出減少溶解氧量可抑制污垢的生成。本文用板式換熱器進(jìn)行實驗，在溫度和流速保持穩(wěn)定的情況下，通過測量污垢熱阻值和定時取樣測量冷卻水的水質(zhì)參數(shù)，得出溶解氧和其它參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，最終分析其對污垢生成的影響。

1 冷卻水動態(tài)模擬實驗系統(tǒng)

實驗裝置如圖1所示。冷卻水用松花江水，在板式換熱器冷、熱進(jìn)出口兩端分別安裝有Pt100電阻溫度計和壓差計，冷卻水管和熱水管分別安裝有流量計。各個測量信號通過Agilent數(shù)據(jù)采集儀存貯到電腦上。

實驗時，冷卻水由水泵抽送流經(jīng)流量計進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行換熱，然后流回冷卻水箱，由空冷換熱器進(jìn)行冷卻，使冷卻水維持在一個恒定的溫度。進(jìn)行換熱后的熱水流回?zé)崴?，采用溫控儀控制電加熱器來維持高溫介質(zhì)的溫度恒定。工質(zhì)的環(huán)路開有旁通閥，以此來調(diào)節(jié)流量和壓差。實驗運(yùn)行的過程中，冷端和熱端流入板式換熱器的溫度和流量都是一定的，因而影響板式換熱器污垢生成的因素只有水質(zhì)參數(shù)和時間的變化。根據(jù)換熱器進(jìn)出口兩端的溫度采用污垢熱阻法計算冷卻水的污垢熱阻。冷卻水加入實驗裝置時進(jìn)行第一次采樣，連續(xù)采樣8天。對采集的水樣分別進(jìn)行溶解氧、Ph值、細(xì)菌總數(shù)、鐵離子等水質(zhì)參數(shù)的測定。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

2 溶解氧影響腐蝕污垢和生物污垢生成的分析

實驗運(yùn)行的初始階段換熱面沒有污垢生成，水中的溶解氧以對流傳質(zhì)的方式與換熱面接觸。金屬設(shè)備由于表面的溫度不均勻、溶液濃度不均勻和表面沉淀物不均勻等因素使其電極電位存在差別，兩個電極電位不同的部分組成原電池，形成電化學(xué)腐蝕［4］。氧在電化學(xué)反應(yīng)中是必不可少的，所以污垢的增長率和溶解氧運(yùn)輸?shù)綋Q熱面的速率及消耗氧的速率有關(guān)。將金屬表面腐蝕污垢用md表示，則其可以表示成如下形式:

式中K為反應(yīng)常數(shù)，可由反應(yīng)方程式得出;m為單位換熱面上的氧質(zhì)量;θ為時間。

可知氧輸送到換熱面上是分為兩個步驟的，第一是從換熱工質(zhì)到污垢層的對流運(yùn)輸，第二是在腐蝕產(chǎn)物中擴(kuò)散?？梢苑謩e表示如下:

式中:C1是主流水中的氧氣濃度，C2是污垢層界面上氧的濃度，K是水和污垢層的界面運(yùn)輸系數(shù)，D為氧在污垢層中的質(zhì)量擴(kuò)散率，δ為污垢層的厚度，C3為腐蝕反應(yīng)前腐蝕位置的氧濃度。

式(2)與式(3)相加消除污垢層與水界面上氧的濃度C2可得到如下關(guān)系式:

假定腐蝕反應(yīng)是關(guān)于氧的一階反應(yīng)且反應(yīng)速率為K1，且陰極反應(yīng)消耗掉腐蝕位置所有的氧，則可得到式(5):

將(4)與(5)相加可得到式(6):

一般認(rèn)為腐蝕速率K1要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它的兩項，所以1/K1這項可以忽略，則式(6)可變?yōu)?/p>

將(7)帶入(1)，則污垢的沉積率可以表示為

式(8)中C1為實測的冷卻水中溶解氧的濃度，1/K和δ/D分別為對流傳質(zhì)項和擴(kuò)散傳質(zhì)項。Mahato等［5］將污垢分為上層松散的衰減湍流層和下層老化的多孔污垢層，建立模型得出對流傳質(zhì)要比擴(kuò)散傳質(zhì)大一個數(shù)量級，說明對流傳質(zhì)是主要控制著氧到換熱面的因素。本實驗是在流速一定的條件下進(jìn)行的，所以可以認(rèn)為對流傳質(zhì)項是一個不變的系數(shù)。故通過上式可以得出換熱器表面的腐蝕污垢的沉積率和冷卻水中的溶解氧濃度直接相關(guān)。

微生物所引起的腐蝕主要是微生物的代謝活動促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕和代謝產(chǎn)物的腐蝕作用，促進(jìn)電化學(xué)腐蝕主要有濃差電池作用和去極化作用。微生物在金屬表面形成粘膜后，其生長和繁殖消耗掉了附近的溶解氧和其它的養(yǎng)分，形成了粘膜厚度方向的濃度差異，從而形成了濃度差腐蝕電池。水中的金屬腐蝕通常取決于陰極的反應(yīng)速度，然而某些微生物由于生命活動所需促進(jìn)了極化作用，使陰極反應(yīng)加速進(jìn)行。溶解氧是微生物生命活動所必須的物質(zhì)，其在水中的存在直接促進(jìn)上述生成污垢過程的進(jìn)行。

3 實驗結(jié)果與分析

3 .1溶解氧對板式換熱器污垢熱阻的影響

冷卻水中的污垢沉積率不能直接的測出，但測出的污垢熱阻值可間接的反應(yīng)沉積率，污垢熱阻值上升的速率越快，說明沉積的速度也就越快。實驗開始的一段時間內(nèi)，換熱器表面逐漸形成污垢，水中的溶解氧是直接對流傳質(zhì)到換熱器表面，傳質(zhì)速度較快，迅速的與金屬表面進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)且和溶液中的離子反應(yīng)生成沉淀，附著于換熱器表面形成污垢［6］。而當(dāng)污垢層達(dá)到一定的厚度時，溶解氧與換熱器表面接觸主要靠擴(kuò)散傳質(zhì)，速度變慢，此時污垢的增長變?yōu)樯镂酃负腿芤褐械某恋砦锔街谝呀?jīng)產(chǎn)生的污垢層上。

圖2 冷卻水中的溶解氧隨時間的變化

圖3 污垢熱阻值

圖2表示的是冷卻水中溶解氧的濃度隨時間的變化，從圖中可以看出前60個小時內(nèi)水中的溶解氧消耗的很快，這期間主要是電化學(xué)腐蝕消耗和冷卻水中微生物生長繁殖消耗。圖3表示的是污垢熱阻值隨時間的變化，從圖中可以看出污垢熱阻值在前60小時迅速增大，然后緩慢的增長。在前60個小時微生物數(shù)量有限，產(chǎn)生污垢量較少，板式換熱器湍流強(qiáng)烈，難以在較短的時間內(nèi)形成較多的沉淀。實驗說明，在此階段內(nèi)電化學(xué)腐蝕和微生物增值對污垢的生成起著重要的作用，可知水中溶解氧對污垢早期的生成是一個很重要的影響因素。

3 .2溶解氧對冷卻水中pH、鐵離子、微生物總數(shù)的影響

圖4表示的是冷卻水的pH值隨時間的變化。pH值越低，金屬的腐蝕就越嚴(yán)重，pH值在中等范圍內(nèi)(4.5～10)時，引起金屬腐蝕的主要因素是含氧量［7］。從圖中可以看出冷卻水的pH值在前24小時迅速增大，之后在一個很小的范圍內(nèi)波動，在開始階段電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的OH－被帶入到主流中，導(dǎo)致pH值瞬時的增大。因換熱器表面污垢的生成消耗了OH－，使溶液的pH值在一定的范圍內(nèi)波動，可以得出冷卻水中的溶解氧在初始階段對pH值的影響較小，所以在此pH范圍內(nèi)是促進(jìn)污垢生成的。

圖5表示的是冷卻水中的Fe3+隨時間的變化。圖中可以看出其變化趨勢是緩慢減小的，因為鐵離子是由工質(zhì)輸運(yùn)到換熱器表面后再與電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)物反應(yīng)結(jié)垢的，和流速有一定的關(guān)系，且水中溶解氧量的變化對冷卻水中鐵離子結(jié)垢的影響較小。隨著時間的增加，冷卻水中的鐵離子濃度降低，如果溶解氧比較充足，則Fe(OH)2會進(jìn)一步氧化，生成黃色的鐵銹Fe(OOH);如果水中溶解氧不充足，則Fe(OH)2會進(jìn)一步氧化為綠色的水合物四氧化三鐵或黑色的無水四氧化三鐵［1］。

圖4冷卻水中pH值隨時間的變化

圖5冷卻水中的Fe3+隨時間的變化

圖6表示的是冷卻水中的微生物總數(shù)隨時間的變化。如圖中所示，微生物總數(shù)的變化趨勢是先增加后減少的。水中的溶解氧是微生物生長和繁殖所必須的物質(zhì)，微生物在冷卻水中生長繁殖并產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，冷卻水的循環(huán)流動將其帶到換熱器表面，通過沉積附著在換熱器表面形成生物污垢。水中溶解氧的減少直接影響到微生物的數(shù)量，在前80小時水中的溶解氧大量消耗后，微生物的數(shù)量達(dá)到最大值，隨后開始逐漸減少。此階段產(chǎn)生的大量微生物促進(jìn)了微生物污垢的生成，可見水中的溶解氧是微生物污垢生成的重要影響因素。

圖6冷卻水中微生物總數(shù)隨時間的變化

4 結(jié)論

(1)水中的溶解氧對污垢的早期生成起著重要的作用，污垢的熱阻值在開始的一段時間內(nèi)快速的增加，在此期間內(nèi)溶解氧也迅速的減少，此時在換熱器表面已經(jīng)形成了一定厚度的污垢層。

(2)冷卻水中的溶解氧對鐵離子和pH值的變化自始至終影響不大，其和流速等其它因素有關(guān)，且在本實驗的pH值范圍內(nèi)是有利于污垢生成的。

(3)冷卻水中的溶解氧對微生物的生長繁殖有較大的影響，但在初始階段微生物的數(shù)量和其代謝產(chǎn)物較少，隨后因溶解氧充足而大量增殖，從而促使了生物垢的生成。

［1］楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設(shè)備污垢與對策［M］.2版.北京:科學(xué)出版社，2004.

［2］楊衛(wèi)國，徐君銘.容氧腐蝕——一種容易被忽視的腐蝕形式［J］.廣州化工，2005，33(3):74－75.

［3］徐志明，郭進(jìn)生，黃興等.水質(zhì)參數(shù)與板式換熱器結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)［J］.化工學(xué)報，2011，62(2):344－347.

［4］孫淑娟，鄭美麗.板式換熱器的腐蝕與防護(hù)［J］.石油化工設(shè)備，1996，25(5):47－49.

［5］Mahato B K，Cha C Y，Shemilt L W.Unsteady Mass Transfer Coefficients Controlling Steel Pipe Corrosion under Isothermal Flow Conditons［J］.Corr.Sci.，1980，20:421－441.

［6］Rosmaninho R，Visser H，Melo L F.The Role of Calcium Phosphate in Milk Protein Fouling at Moderate and Elevated Temperatures［J］.Proc.of Heat Exchanger Fouling:Fundamental Applications and Technical Solutions，Davos，Switzerland，2001，7:8－13.

［7］陳永昌，馬重芳，邢曉凱，陳小磚，等.換熱表面結(jié)垢過程及機(jī)理的實驗研究［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，31:86－89.