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1、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—082O
2、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,
3、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
4、,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Add
5、esso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(spreadingcoeffi
6、cients)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
7、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的综述则着重于生物污垢与无机物污垢的相互作用.这都为混合污垢特性研究的开展作了极有意义的引导和准备.Turner和KlimasE4]的协同作用模型指出,生物污垢的存在使颗粒沉
