一种水冷换热设备除垢方法研究

唐 安

（华中师范大学第一附属中学，武汉430223）



一种水冷换热设备除垢方法研究

唐 安

（华中师范大学第一附属中学，武汉430223）

摘 要：本文针对水冷换热设备运行过程中的内壁结垢，分析了水垢形成的原因和除垢的电化学机理，设计了一种用合金材料构成的防垢除垢设备，通过试验验证此方式可行。

关键词：除垢 换热设备 合金

Keyword:descaling; heat exchanging device; alloy

0 引言

换热器在工业和民用领域有这广泛应用，在船舶动力装置中包括主机、辅机等设备会产生大量的热量，这些热量需要由冷却水通过换热设备带走。由于冷却循环水中存在大量的钙镁离子，长期循环使用极易产生结垢的现象，同时在换热器的换热表面冷热温差变化剧烈，特别容易产生水垢，水垢一旦形成会不断增厚，大大降低了换热器的换热系数[1]，从而影响换热器的正常工作甚至是整个设备的正常工作。

现在除垢的方法有化学和物理两大类，这两类方法又派生出很多种除垢的技术和设备。其中化学的方法主要是对垢的化学成分分析后利用酸碱中和的原理，对垢进行清理，它的优点是除垢效率高、简单方便，缺点是容易造成二次污染；物理除垢技术主要以机械清理为主，目前还有量子除垢、电化学除垢[2,3]等设备。物理除垢主要缺点是彻底除垢困难，设备体积较大，尤其对于船舶而言适应性较差。

这里研究设计一种合金在水溶液中的原电池反应来去除水垢的方法。产生的电化学反应过程对水垢（碳酸钙晶体）生长产生了影响，从而抑制了碳酸钙析晶过程，减少水垢的形成。

1 化学原理

1.1水垢的形成

循环冷却水通常为普通自来水，水中溶解了一定量的碳酸钙，此时的碳酸钙是以离子形式存在的，在常温常压下，碳酸钙的溶解度保持平衡，只是偶尔有少量碳酸钙晶体析出；但当温度压力发生变化，导致碳酸钙的溶解度降低时，便会形成较多固体水垢，同时还使水中碳酸氢钙分解如式（1）而结垢。

为何在换热器表面最容易形成水垢呢？就是因为温度的升高造成水溶液的溶解度降低从而析出了碳酸钙晶体。

1.2除垢机理

金属的电位差越大，原电池反应越显著。电极电位较低的金属Zn如首先被氧化为离子进入水中，反应方程式如式（2），释放出来的电子也入水中。相比CO32-和自由电子，Ca2-和带正电的胶体更容易与电子结合，形成稳定结构，不再进行吸附，减少结垢。

在长期循环的水溶液中便不易形成碳酸钙固体，其已经被金属离子与电子结合的状态所替代。

2 实现方法

2.1材料的确定

为了实现较大的电位差，可选择高电位的金属有汞：+0.789 V，银：+0.799 V，铂：+1.19 V，钯：+0.987 V，金：+1.68 V，铜：+0.377 V，高电位金属中铜虽然电位不是最高的，但是它在自然界中最容易获得；低电位的金属可选择性锌Zn：-0.762 V。通过以上分析，可选择铜锌合金作为除垢的材料。

2.2结构的设计

结构设计的原则是：1）尽量增大合金与流动水的接触面积；2）结构简单、便于加工。

图1为除垢设备的拓扑结构图，将铜锌合金材料做成图1中间部分的形状放置与水管的管道中，在循环水的长期工作中便可以实现除垢的效果。

图1 除垢设备结构示意图

2.3试验验证

水的流速对合金除垢性能有什么影响?对此我们进行了试验研究.

分别选择水流流量为500 L/h，800 L/h，1000 L/h，1200 L/h，除垢设备通流直径20 mm，在常温下进行防垢循环试验，试验结果如图2。假定流量为500 L/h时循环水中剩余钙离子浓度为100%作为标准值。

图2 不同流量循环试验剩余钙离子浓度变化

可以看出，随着流量的增加，剩余钙离子浓度呈下降趋势，表明流量的变换影响剩余钙离子的浓度，流量越大，剩余钙离子浓度越小。

3 展望

本文对冷却水循环系统换热器结垢原因进行了分析，并从电化学角度分析了合金的阻垢机理，并提出合金除垢设备的拓扑结构，同时对此结构试样进行了流量VS钙离子的试验。可以看出，铜锌合金对循环冷却水具有抑制其水垢产生的能力。此除垢技术发展进一步优化后有望能够真正实用到船舶循环冷却系统中。

参考文献：

[1]钱伯章.换热器节能技术综述.化工装备技术,2014,33（4）:50-56

[2]李森.王海峰.电化学法处理冷却循环水技术应用.化工进展,2013,32（10）:2514-2517

[3]徐浩,延卫.阴极电流密度对电化学除垢技术生成水垢的影响.西安交通大学学报,2013,47（7）:47-51.

How to Clean the Water-cooling Heat Exchanging Device

Tang An
(No.1 Middle School Attached to Huazhong Normal University,Wuhan 430223,China )

Abstract:Aimed at wall fouling in water-cooling heat exchanging device,this paper analyzes the reason of lime-scale forming and the mechanism of electrochemical descaling,and designs a device with a kind of alloy to prevent deposit and scaling.Experiment verifies the availability of alloy.

作者简介：唐安（1998-），女，华中师范大学第一附属中学学生。

收稿日期：2015-11-19

中图分类号：TQ085

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0069-02