換熱器金屬表面行為對其析晶污垢生成特性的影響研究.pdf

1、污垢曾被稱為“傳熱學中未被解決的主要問題”，污垢形成的復雜性和不確定性，特別是一些共性問題的認識上缺乏統(tǒng)一，嚴重阻礙了污垢研究的進度。因此，本文在前言中通過論述國內(nèi)外污垢研究的現(xiàn)狀，重點總結了近二十年來文獻中較模糊的四個基礎性問題，分別是析晶污垢晶核的成核方式問題、析晶污垢和顆粒污垢的爭議問題、析晶污垢吸附作用的組成問題，以及材料表面能用于抗垢性能評價的局限性問題，從原始的科學問題出發(fā)展開論述。從污垢形成的全局特性出發(fā)，針對這四個基礎性

2、問題中被忽略的研究空白，即材料表面行為對污垢特性的影響作為本文研究的重點。通過生垢實驗及進一步的分析，研究了表面粗糙度、表面改性、表面能和表面腐蝕等表面行為對碳酸鈣析晶污垢形成和附著的影響。
　　 首先從表面粗糙度入手，研究了6種不同粗糙程度的304不銹鋼材料表面生垢特性，發(fā)現(xiàn)污垢的附著量并不是和表面粗糙度成線性關系。污垢增重最快的試樣對應于粗糙度居中的試樣；而拋光處理的試樣對抗垢能力的改善沒有大的提高。表面粗糙度對污垢附著的影

3、響是通過對由腐蝕或氧化形成的過渡界面來影響的，粗糙度不一樣造成試樣的抗蝕性也不一樣，易于腐蝕的表面也容易生垢。而且這種影響只作用在污垢附著的誘導期內(nèi)，且這種微小的差別對改善材料的抗垢能力沒有本質(zhì)的影響。
　　 進而在換熱器常見金屬材料表面行為方面，分別表征了碳鋼、紫銅和304不銹鋼的表面能和耐腐蝕性能，使用稱重法繪制了它們在28小時內(nèi)連續(xù)生垢的污垢增重圖，并且觀察了它們生垢前后的形貌變化，并用X射線衍射表征了生垢過程不同時間段析

4、出物的組成，分別解明了這三種材料在污垢增重圖中不同表現(xiàn)的原因。分析指出污垢的長期生長表現(xiàn)和光潔狀態(tài)下金屬材料的表面自由能沒有必然的聯(lián)系，而表面腐蝕行為對污垢形成和附著的影響包括兩個方面，一是耐腐蝕性能，它決定了表面將形成多深的凹坑，決定了過渡界面的性能，同時決定了表面將釋放多少相應的金屬離子；二是這些相應金屬離子將對污垢的晶型和力學性能等方面產(chǎn)生更微觀層面的影響，并最終影響到污垢在表面的附著。結果表明，碳鋼因為耐腐蝕性能太差，腐蝕失重過

5、多，而難以準確得出污垢附著的重量，因此用增重來衡量材料抗垢效果的方法對于碳鋼來說不適用；而對于紫銅和不銹鋼來講，在生垢實驗的前半部分的時間點，不銹鋼都比銅片增重多；而在后半部分的時間點，銅片上污垢的生長明顯加快。這種現(xiàn)象和兩種金屬腐蝕釋放的離子對污垢性能的作用不同有關。
　　 為了進一步探索表面腐蝕釋放的金屬離子對碳酸鈣污垢晶體學特性方面的影響，采用直接向生垢液中添加一定量換熱面金屬相應離子的方法，研究了不同種類和濃度的離子對碳

6、酸鈣析晶污垢的微觀形貌、晶相組成、晶粒尺寸和污垢強度的影響。分析指出，從晶型方面看，銅離子、鎳離子、二價鐵離子和三價鐵離子等四種離子表現(xiàn)出了基本相同的規(guī)律，即隨著離子濃度的增加，碳酸鈣文石相的強度增加，方解石相的強度降低。從晶粒尺寸和強度方面看，在濃度相同的情況下，按照添加鐵離子、鎳離子和銅離子的順序，平均晶粒尺寸逐漸減小，又可以產(chǎn)生兩方面的效果，一是晶粒長大速率降低，表現(xiàn)為污垢在短時間內(nèi)不易積聚；二是屈服應力和硬度逐漸增大，表現(xiàn)為污垢

7、的剝蝕也越來越困難，如果長時間使用該種金屬材料，污垢就有可能在后期增長加快。
　　 綜合比較來看，鎳離子對提高材料抗垢性能有著相對較為積極地作用，因此在碳鋼基體上施鍍鎳基合金鍍層進行防護。成功開發(fā)了高效長壽命的Ni-P鍍層和Ni-Cu-P鍍層的配方和工藝，并選擇其中三種配方進行了研究，分別表征了三種鍍層的表面能和耐腐蝕性能，使用稱重法繪制了它們在28小時內(nèi)連續(xù)生垢的污垢增重圖，觀察了它們生垢前后的形貌變化，進一步用X射線衍射解析

8、了生垢過程不同時間段析出物的組成，結果表明污垢的長期生長表現(xiàn)和光潔狀態(tài)下金屬材料的表面自由能沒有必然的聯(lián)系，而三種鍍層隨著在生垢反應液中耐蝕性能的增強，其抗垢性能也在增強。
　　 綜合以上的實驗結果，材料表面行為對污垢形成特性的影響上不是一個孤立的問題。相對于表面能的影響，表面腐蝕特性的影響更為重要。材料表面的耐蝕性能以及腐蝕釋放的離子種類和濃度將直接影響到過渡界面基體與污垢的結合狀態(tài)，以及所生成污垢的晶體類型、強度和剝蝕性能等