王兵兵，王超，徐志明

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

引 言

換熱器作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中關(guān)鍵的節(jié)能設(shè)備之一，在熱量傳遞與回收等方面發(fā)揮著重要作用[1]。天然水是熱力工程中最易獲得且成本最低的傳熱工質(zhì)，但其中普遍含有多種溶解無機(jī)鹽及其他雜質(zhì)[2-3]。工質(zhì)與換熱表面發(fā)生熱量交換時，其中具有反常溶解性的無機(jī)鹽易在換熱表面上沉積導(dǎo)致?lián)Q熱表面結(jié)垢。結(jié)垢表面具有較高導(dǎo)熱熱阻，工質(zhì)流動阻力也因此增加，其在惡化換熱設(shè)備傳熱性能的同時加劇工質(zhì)輸運(yùn)設(shè)備的能耗。

抑制表面水垢沉積是提高換熱器傳熱效率的有效途徑之一[4-6]。目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用的除垢與抑垢方法分為化學(xué)法和物理法。其中，物理抑垢法主要是利用超聲波、電場、磁場及其耦合等物理場作用于水體，通過改變水體本身或其中成垢粒子的物理化學(xué)性質(zhì)以達(dá)到阻垢除垢的目的[7-20]。電磁抑垢[15-17]是將導(dǎo)電線圈布置在換熱實(shí)驗(yàn)段前管道，通入電流后形成磁場與電場，實(shí)現(xiàn)電磁場抑垢的目的。但通入電流的線圈是閉合回路，耗電量大，同時，線圈會產(chǎn)生熱量，在抑垢實(shí)驗(yàn)中只能通入較小電流。靜電場阻垢技術(shù)在應(yīng)用中不需要形成閉合回路，具有能耗低與可施加高壓等優(yōu)勢，在抑垢領(lǐng)域受到越來越廣泛關(guān)注。

Kim 等[18]以方解石為研究對象，分析了電場對于預(yù)防水垢形成與降低結(jié)垢的適用性。研究發(fā)現(xiàn)電場處理方法對于減輕CaCO3污垢沉積十分有效。同時，施加電場增加CaCO3晶體的粒徑。Tijing 等[19]研究電場對加熱銅管表面CaCO3污垢沉積的影響，通過對比分析有無電場作用下所得沉淀物的差異發(fā)現(xiàn)，經(jīng)處理后的污垢均為方解石晶相，其附著力較弱且更易于清除。常宏亮[20]研究了勻強(qiáng)電場作用對CaCO3污垢特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論電場作用在實(shí)驗(yàn)測試段前部還是實(shí)驗(yàn)測試段處，電場對CaCO3污垢的結(jié)垢速率均有較好抑制作用。不同電場強(qiáng)度下?lián)Q熱表面上垢層的分布情況及結(jié)垢量存在差別。王大放[21]采用分子動力學(xué)模擬高壓電場作用下CaCO3水溶液體系，研究結(jié)果表明高壓電場作用可以促進(jìn)陳垢的溶解。田裕鑫[22]采用分子動力學(xué)方法，從微觀角度分析論述靜電水處理技術(shù)的作用機(jī)理，為靜電水處理技術(shù)的研究提供相關(guān)理論依據(jù)。

目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在電場抑垢領(lǐng)域的研究方向廣泛，有效的電場抑垢方案眾多。但由于相關(guān)研究中所選取的電場形式、作用方式等存在區(qū)別，相關(guān)研究中的工況參數(shù)等條件因素也并不統(tǒng)一，導(dǎo)致難以直觀地評判不同電場抑垢方案效果的優(yōu)劣，這阻礙該技術(shù)切實(shí)有效地推廣到實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中。本文將一簡單圓筒柱面電極布置在換熱器入口管道處，并與高壓電源正極連接，研究圓筒電極形成的非勻強(qiáng)電場對換熱表面CaCO3污垢沉積的影響。通過改變電極電壓大小，揭示圓筒電極作用下CaCO3污垢沉積的規(guī)律。同時分析平行板電極（勻強(qiáng)電場）作用下CaCO3污垢沉積，通過對比獲得圓筒電極抑垢優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為換熱器抑垢的電場設(shè)計(jì)提供新的優(yōu)化思路。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

本文所采用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。主要包括：實(shí)驗(yàn)工質(zhì)循環(huán)管路，工質(zhì)攪拌裝置，溫度控制裝置，實(shí)驗(yàn)換熱器，數(shù)據(jù)采集及電場施加設(shè)備。實(shí)驗(yàn)過程中工質(zhì)的循環(huán)流通在循環(huán)管路內(nèi)完成。其中包括低溫恒溫循環(huán)水浴槽、實(shí)驗(yàn)測試段流道、流通管道及管件、閥門等。BILON-W-3001S型低溫恒溫循環(huán)水浴槽內(nèi)置循環(huán)泵輸運(yùn)工質(zhì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

實(shí)驗(yàn)工質(zhì)在循環(huán)泵驅(qū)動下經(jīng)水浴槽出口流出，經(jīng)由流通管道及實(shí)驗(yàn)換熱器所處實(shí)驗(yàn)測試段流道后，由入口流入水浴槽，完成整個實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的循環(huán)過程。水浴槽上方安裝有變頻工質(zhì)攪拌設(shè)備以使所添加的鹽溶液與蒸餾水充分混合。系統(tǒng)中的溫度控制裝置包括水浴槽內(nèi)置加熱及制冷控制裝置以及實(shí)驗(yàn)換熱器內(nèi)嵌加熱控制裝置，二者分別控制實(shí)驗(yàn)測試段入口工質(zhì)溫度以及實(shí)驗(yàn)換熱器表面溫度，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental heat exchanger

換熱器內(nèi)部為一根緊密嵌入加熱棒的316A 不銹鋼管筒，總長度為420 mm。有效換熱面為緊密嵌入加熱棒的不銹鋼管筒外壁，其中加熱段長度為150 mm，由距離加熱棒頂端100 mm 處開始至加熱棒末端。加熱管筒兩端為絕熱設(shè)計(jì)。加熱管筒與有機(jī)玻璃套管之間即為循環(huán)工質(zhì)的環(huán)狀流動通道（當(dāng)量直徑20 mm）。在不銹鋼管筒3 mm 的壁厚內(nèi)貼近外表面嵌入長度為175 mm 的Pt100 鉑熱電阻，通過4根測溫?zé)犭娮铚y量結(jié)果的算數(shù)平均值表示換熱面溫度。利用水浴槽內(nèi)的溫控裝置調(diào)控進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測試段的循環(huán)工質(zhì)的入口溫度。

本文選取的兩種不同作用形式靜電場，分別是銅質(zhì)圓筒柱面電極激發(fā)的非勻強(qiáng)電場與由銅質(zhì)平行板電極激發(fā)的勻強(qiáng)電場，如圖3、圖4 所示。圓筒電極高度為200 mm，直徑為100 mm，幾何尺寸固定，與高壓直流電源正極連接，電源負(fù)極接地。平行板電極極板面積均為300 mm×200 mm，厚度為2 mm，間距固定為100 mm，分別與高壓直流電源正負(fù)極相連接。圓柱面電極與平行板電極的有效作用高度相同，圓柱面直徑等于兩板間距，以確保兩種靜電場的作用范圍相同。

圖3 銅質(zhì)柱面電極（a）及內(nèi)部非勻強(qiáng)靜電場分布（b）示意圖Fig.3 Schematic diagram of copper cylinder electrode(a)and internal non-uniform electrostatic field distribution(b)

圖4 平行銅板電極（a）及內(nèi)部勻強(qiáng)靜電場分布（b）示意圖Fig.4 Schematic diagram of parallel copper plate electrode(a)and internal uniform electrostatic field distribution(b)

實(shí)驗(yàn)過程中需要采集的主要工況參數(shù)有實(shí)驗(yàn)測試段進(jìn)、出口溫度，實(shí)驗(yàn)換熱器換熱面溫度及循環(huán)工質(zhì)體積流量。實(shí)驗(yàn)測試段進(jìn)、出口處循環(huán)工質(zhì)溫度由2 根分別安裝在實(shí)驗(yàn)測試段進(jìn)、出口處的Pt100 鉑熱電阻采集。換熱面溫度由前述加熱管筒內(nèi)部的4 根Pt100 鉑熱電阻采集。循環(huán)工質(zhì)的體積流量由安裝在循環(huán)管路中的前述電磁流量計(jì)采集，測量精度為±3 mm·s-1。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，溫度與流量信號采集記錄頻率為30 s一次。

1.2 工質(zhì)溶液制備與實(shí)驗(yàn)流程

由于CaCO3晶體不易溶于水[18]，實(shí)驗(yàn)中CaCO3晶體的形成和生長過程會受到靜電場作用的影響，因此不宜采用溶解法制備CaCO3溶液。本實(shí)驗(yàn)研究通過化學(xué)反應(yīng)人工配制過飽和CaCO3溶液。使用人造硬水研究CaCO3析晶污垢的主要原因是其制備方便，且所配制的人造硬水有著更可控的初始水質(zhì)化學(xué)條件，可獲得較天然水體更高的CaCO3濃度，形成水垢的時間更短并且便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[19]。由于Na+的引入不會對CaCO3的晶相產(chǎn)生明顯影響[16]，使用分析純（AR）無水CaCl2和NaHCO3[3,19,23]，以蒸餾水為溶劑分別配制實(shí)驗(yàn)用溶液，通過兩種鹽溶液反應(yīng)獲得過飽和CaCO3溶液。

實(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)對整個實(shí)驗(yàn)工質(zhì)循環(huán)管路和管路中相關(guān)裝置及設(shè)備進(jìn)行細(xì)致清洗。完成清洗并排空循環(huán)管路后，向低溫恒溫循環(huán)水浴槽內(nèi)注入30 L 蒸餾水。啟動水浴槽循環(huán)泵，預(yù)平衡階段運(yùn)行20 h 左右，當(dāng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)穩(wěn)定且無明顯波動后，根據(jù)單次實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)需要將電極施加裝置布置在實(shí)驗(yàn)測試段前部。預(yù)平衡階段結(jié)束后，將預(yù)先配制好的CaCl2溶液和NaHCO3溶液依次緩慢倒入循環(huán)水浴槽內(nèi)，即時開啟工質(zhì)攪拌裝置。實(shí)驗(yàn)自兩種實(shí)驗(yàn)溶液添加完畢開始至20 h結(jié)束。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

污垢沉積會增加實(shí)驗(yàn)工質(zhì)與換熱面間的傳熱過程熱阻。換熱壁面上的污垢熱阻Rf(m2?K?W-1)由傳熱過程中換熱壁面在潔凈狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)kc(W?m-2?K-1)及換熱壁面在有污垢沉積狀態(tài)下的總傳熱系數(shù)kfd(W?m-2?K-1)二者經(jīng)計(jì)算得到：

將實(shí)驗(yàn)換熱器內(nèi)嵌的加熱控制裝置視為純電阻電路，則加熱直流電源輸出電功率P(W)即為加熱棒加熱功率，則實(shí)驗(yàn)換熱器換熱壁面的熱流量Φ的計(jì)算方法為：

實(shí)驗(yàn)換熱器換熱壁面的平均溫度Tw(K)為加熱棒內(nèi)嵌的4 根Pt100 鉑熱電阻測量溫度的算數(shù)平均值：

流體流過換熱壁面時流體溫度不斷變化，對流換熱計(jì)算中流體溫度為平均溫度值，當(dāng)進(jìn)出口溫差不大時，流體平均溫度為進(jìn)、出口處溫度的算數(shù)平均值。本文流動工質(zhì)進(jìn)出口溫度溫差小于2 K，因此，工質(zhì)溫度Twm為實(shí)驗(yàn)測試段進(jìn)、出口處工質(zhì)溫度的算術(shù)平均值：

其中，T1～4及Tin與Tout的測點(diǎn)位置參考圖1。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析與重復(fù)性驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)研究中，總傳熱系數(shù)k為相關(guān)直接測量數(shù)據(jù)經(jīng)過一定函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到的間接測量值。直接測量數(shù)據(jù)的測量過程受制于上述因素影響會存在測量誤差，因而間接測量數(shù)值也會存在誤差。相關(guān)參數(shù)誤差由表1給出。

表1 相關(guān)參數(shù)誤差Table 1 Maximum relative error for parameters

本實(shí)驗(yàn)研究依照均方根法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析[24]?？倐鳠嵯禂?shù)誤差主要與體積流量、溫度的測量誤差以及直流電壓、直流電流、線路電阻所引起的誤差有關(guān)，如式(8)所示：

根據(jù)式(9)與表1 中給出各項(xiàng)相對誤差值，計(jì)算得到總傳熱系數(shù)k的最大相對誤差為1.03%。由式(2)可知，污垢熱阻Rf與總傳熱系數(shù)k二者誤差的影響因素相同。換熱表面在潔凈狀態(tài)下總傳熱系數(shù)kc的絕對誤差Δkc可忽略不計(jì)，因此污垢熱阻Rf的最大相對誤差亦為1.03%。其他參數(shù)最大相對誤差均小于1.00%。

為驗(yàn)證本系統(tǒng)穩(wěn)定性與測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在相同實(shí)驗(yàn)工況下進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)。本組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)選取濃度為350 mg·L-1的過飽和CaCO3溶液作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)溶液，實(shí)驗(yàn)測試段入口工質(zhì)溫度為40℃，工質(zhì)體積流量為0.4 m3·h-1，實(shí)驗(yàn)換熱器加熱段熱通量為39.26 kW·m-2。本組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時間為10 h，實(shí)驗(yàn)中不使用電場施加裝置。圖5給出兩次實(shí)驗(yàn)的污垢熱阻變化曲線對比結(jié)果。兩次實(shí)驗(yàn)的污垢熱阻變化曲線無明顯差異，漸近污垢熱阻值相對誤差為0.27%，表明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和結(jié)果可重復(fù)性。

圖5 污垢熱阻重復(fù)性驗(yàn)證Fig.5 Repeatability verification of fouling thermal resistance

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜電場作用對CaCO3污垢沉積的影響

為研究施加圓筒電極作用下?lián)Q熱表面CaCO3污垢沉積特性，本組實(shí)驗(yàn)選取的電壓值為0、200、500、1000、2500 和5000 V。選取濃度為500 mg·L-1的過飽和CaCO3溶液作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)溶液，實(shí)驗(yàn)測試段入口工質(zhì)溫度為40℃，工質(zhì)體積流量為0.4 m3·h-1，實(shí)驗(yàn)換熱器加熱段熱通量為39.26 kW·m-2，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時間為20 h。

由于CaCO3具有反常溶解性，實(shí)驗(yàn)過程中CaCO3污垢主要沉積在高溫實(shí)驗(yàn)換熱表面。圖6 展示了換熱表面潔凈狀態(tài)與不同電壓工況下CaCO3污垢層形貌。由圖6(b)可知，在無電場作用時，換熱表面污垢層極其致密且十分均勻，表面被污垢完全覆蓋。由圖6(c)可知，在電壓值為500 V 的實(shí)驗(yàn)工況下，污垢層的厚度明顯減小，污垢為微小的斑點(diǎn)形態(tài)且污垢分布稀疏。由圖6(d)可知，在電壓值為5000 V 的實(shí)驗(yàn)工況下，污垢的分布再次變得致密，部分區(qū)域出現(xiàn)了較厚的斑塊狀污垢附著的情況，換熱表面整體被污垢層所覆蓋。通過對比圖6(a)～(d)可以發(fā)現(xiàn)，不同電壓值工況下的換熱表面污垢層的宏觀形貌不盡相同。隨著電壓從無到有，不斷增大，換熱表面上沉積的污垢層厚度的整體變化趨勢為先減小后增加。其中，電壓值為500 V 的實(shí)驗(yàn)工況對不銹鋼換熱表面上CaCO3污垢沉積的抑制效果最顯著。

圖6 圓筒電極不同施加電壓時換熱表面上CaCO3污垢層宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphology of CaCO3 fouling layer on heat transfer surface under various voltages of the cylinder electrode

污垢沉積會增加換熱面導(dǎo)熱熱阻。不同電壓值工況下?lián)Q熱表面上CaCO3污垢熱阻的變化情況如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)中CaCO3污垢生長過程中均未出現(xiàn)明顯的結(jié)垢誘導(dǎo)期。在電壓值為0 V 的實(shí)驗(yàn)工況下，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至約2.5 h 時，污垢熱阻值開始以基本不變的速率穩(wěn)定上升，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，污垢熱阻值增加至22.5904×10-5m2·K·W-1。在電壓值為500 V 的實(shí)驗(yàn)工況下，漸近污垢熱阻值為3.8409×10-5m2·K·W-1，與電壓值為0 V 結(jié)果相比，污垢熱阻值減小83%。

圖7 圓筒電極施加不同電壓時換熱表面上CaCO3污垢熱阻變化曲線Fig.7 Curves of CaCO3 fouling thermal resistance on heat exchange surface under various voltages of the cylinder electrode

為對比非勻強(qiáng)電場與勻強(qiáng)電場對CaCO3污垢沉積抑制效果差異，同時進(jìn)行勻強(qiáng)電場抑垢實(shí)驗(yàn)，選取電壓值為0、500、1000、2500與5000 V。圓筒與平行電極作用下CaCO3污垢抑垢率如圖8 所示。隨著靜電壓的增大，抑垢率呈現(xiàn)先升高后降低。但圓筒電極與平行電極實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異：在圓筒電極電壓為200 V 的實(shí)驗(yàn)工況下，抑垢率達(dá)到78.31%。電壓值為500 V 的實(shí)驗(yàn)工況下抑垢率為83%，相較于平行電極的抑垢率高65.42%。當(dāng)電壓值繼續(xù)增大時，抑垢率降低。電壓為1000 V 的實(shí)驗(yàn)工況下抑垢率為74.16%，略高于平行電極抑垢率（73.27%），電壓為2500 V的實(shí)驗(yàn)工況下抑垢率為61.13%，略低于勻強(qiáng)電場的抑垢率（63%），當(dāng)電壓值繼續(xù)增大到5000 V 時，抑垢率為49.46%，相較于勻強(qiáng)電場其抑垢率高23.16%。因此，圓筒電極具有更好的抑垢效果，且最佳抑垢電壓為500 V，最佳抑垢電壓更低，可降低電的消耗。

圖8 不同電壓下抑垢率Fig.8 Scale inhibition rate under different voltages at various voltages

通過掃描電子顯微鏡采集本組實(shí)驗(yàn)的CaCO3污垢樣品微觀掃描圖像，圓筒電極電壓分別為0、500和5000 V 時，CaCO3垢樣晶體形貌如圖9 所示。在無外加電場作用時，污垢樣品的晶體形貌主要為樹枝狀的文石晶簇[圖9(a)]。當(dāng)施加圓筒電極電壓為500 V 時，污垢樣品的晶體形貌主要為大小不一的不規(guī)則類球狀晶塊與少量尺寸較小的方解石晶粒共存的狀態(tài)，而未觀察到明顯的文石晶體結(jié)構(gòu)。隨著電壓值增大到5000 V 時，污垢樣品的晶體形貌變?yōu)榫哂械湫头浇馐蚊蔡卣鞯谋舜硕询B生長的立方塊狀晶群。

圖9 圓筒電極作用下CaCO3污垢樣品SEM圖像Fig.9 SEM images of CaCO3 fouling sample under the action of the cylinder electrode

平行電極電壓分別為0、1000 和5000 V 時，CaCO3晶體形貌如圖10所示。當(dāng)電極電壓為1000 V時，污垢樣品中文石晶簇?cái)?shù)量及單簇文石分枝的數(shù)量均明顯減小，且文石分枝的尺寸明顯變小。方解石晶塊的分布變得較為稀疏。隨著電壓值增大到5000 V 時，具有文石特征晶體結(jié)構(gòu)有消失的趨勢，而方解石的晶粒尺寸明顯增大，呈致密分布且堆疊生長的狀態(tài)。平行電極作用會促進(jìn)方解石晶相生長，但不利于文石晶相的形成。結(jié)果表明，施加電場一方面降低換熱表面CaCO3污垢量的形成，另一方面改變CaCO3晶體形態(tài)。不同形貌晶體的熱導(dǎo)率存在差異，是影響換熱表面污垢熱阻的重要因素。

圖10 平行電極作用下CaCO3污垢樣品SEM圖像Fig.10 SEM images of CaCO3 fouling sample under the action of the parallel electrode

2.2 靜電場作用對CaCO3沉積特性影響分析

靜電場對CaCO3工質(zhì)溶液體系的影響主要分為兩大方面：靜電場對體系中水分子的影響與靜電場對體系中成垢離子的影響。水分子是一種偶極子，無外加電場作用時，由于自身熱運(yùn)動的原因，極性水分子呈混亂排列，其固有偶極矩矢量在各方向的分布概率相等。相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，工質(zhì)溶液流經(jīng)靜電場作用范圍時，在高壓靜電場作用下，電場力會使水分子電偶極矩方向隨電場方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時工質(zhì)溶液與電場間存在能量交換，電場能的轉(zhuǎn)變使得溶液體系能量增加。水中原有締合形成的鏈狀、團(tuán)簇大分子團(tuán)破裂成諸多小分子團(tuán)或單個水分子，相較于大分子團(tuán)，小分子團(tuán)及單個水分子的活性更強(qiáng)[3,20,25]。

水分子活性的增加會提高工質(zhì)溶液中游離態(tài)的成垢陰陽離子碰撞概率，形成較固相晶核更小的準(zhǔn)晶微粒。準(zhǔn)晶微粒具有較高界面自由能，會選擇性吸附溶液中成垢陰陽離子，使溶液局部過飽和度下降，降低體系的相變驅(qū)動力，阻礙體系均相成核。使工質(zhì)溶液在過飽和度較高情況下仍能保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，不易于水垢的生成[20,25-26]。同時電場作用使溶液體系的各向異性明顯增強(qiáng)[22]，各方向不同活性導(dǎo)致CaCO3晶體不能按晶體階梯生長理論生長，晶體生長面上的堆積形式發(fā)生改變[27]，導(dǎo)致污垢形貌發(fā)生變化。結(jié)合圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著電壓值的增大，抑垢率均呈現(xiàn)出先升高后降低趨勢。在較低的電壓值工況下，靜電場對工質(zhì)溶液中水分子的影響作用占主導(dǎo)地位?；钚栽黾拥乃肿哟龠M(jìn)了工質(zhì)溶液中準(zhǔn)晶微粒的生成，由于準(zhǔn)晶微粒會選擇性吸附工質(zhì)溶液中的成垢離子，生成的微晶態(tài)沉淀以彌散狀懸浮于溶液中，易隨工質(zhì)流動，從而實(shí)現(xiàn)抑制污垢在換熱表面沉積效果。

在較高電場作用下，電場抑垢率降低。分析原因可能是當(dāng)電壓高時，靜電場對溶液中成垢離子的影響作用占據(jù)主導(dǎo)地位。有相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究指出，在電場強(qiáng)度較高的情況下，溶液的電導(dǎo)率會發(fā)生變化，且過飽和水溶液的電導(dǎo)率相較于普通水的變化更為明顯[28-30]。靜電場作用使CaCO3解離成Ca2+和CO2-3的電離活化能降低，導(dǎo)致CaCO3在靜電場作用下的電離現(xiàn)象更易發(fā)生。由于在溶液中生成的CaCO3在靜電場的作用下再次被解離成Ca2+和CO2-3，使溶液中的成垢離子濃度保持在較高的水平。工質(zhì)溶液過飽和度的增加利于流動工質(zhì)與換熱面間的對流傳質(zhì)[22]，導(dǎo)致成垢陰陽離子在換熱表面上反應(yīng)形成污垢。

平行電極與圓筒電極抑制換熱表面CaCO3污垢沉積效率存在差別。圓筒電極形成的非勻強(qiáng)電場與平行電極形成的勻強(qiáng)電場分布如圖3 與圖4 所示，非勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度矢量在其作用范圍空間內(nèi)連續(xù)變化，而勻強(qiáng)電場中各場點(diǎn)的電場強(qiáng)度矢量均相等。在勻強(qiáng)電場作用下，電場強(qiáng)度矢量不隨空間位置發(fā)生變化，電場力不對工質(zhì)溶液中的水分子做功，工質(zhì)溶液的流動狀態(tài)基本不受影響，工質(zhì)溶液的物理性質(zhì)（黏度與擴(kuò)散系數(shù)）變化很小。靜電場對體系中水分子的影響（極化作用）為主要影響因素。在圓筒電極作用下，除前述靜電場作用對溶液體系中水分子產(chǎn)生的影響外，在其形成的非勻強(qiáng)電場作用時，沿水分子運(yùn)動方向上電場強(qiáng)度矢量會發(fā)生改變，電場力會對水分子做功，從而降低水分子的擴(kuò)散系數(shù)，工質(zhì)溶液的黏度增加，導(dǎo)致CaCO3晶體的成核速率降低，固-液界面處溶質(zhì)的通量減少，阻礙CaCO3晶體的析出。因此，圓筒電極形成的非勻強(qiáng)電場的抑垢效果更好。

3 結(jié) 論

本文以通過CaCl2和NaHCO3的化學(xué)反應(yīng)配制CaCO3過飽和溶液為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)溶液，基于流動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過改變施加在實(shí)驗(yàn)測試段前的圓筒與平行電極電壓大小，分析不同形式電場對換熱表面CaCO3污垢沉積的影響規(guī)律，得到結(jié)論如下。

(1)隨著施加電壓值的增加，換熱表面CaCO3污垢層厚度先減小后增加，圓筒與平行電極抑垢率均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。當(dāng)施加圓筒電極時，最佳抑垢電壓為500 V，最佳抑垢率為83%，當(dāng)施加平行電極時，最佳抑垢電壓為1000 V，最佳抑垢率為73.27%。

(2)無外電場作用時，換熱表面CaCO3污垢晶體形貌主要是樹枝狀的文石晶簇結(jié)構(gòu)。在圓筒電極電壓為500 V 工況下，污垢晶體為類球狀晶塊與方解石晶粒共存狀態(tài)。隨著電壓值增大到5000 V，CaCO3污垢晶體變?yōu)槎询B生長的立方塊狀晶群。對于平行電極電壓為1000 V 工況，形成的文石晶簇與單簇構(gòu)型的文石數(shù)量明顯減少，方解石晶塊的分布稀疏，但晶粒尺寸和形貌無明顯變化。當(dāng)電壓值增大至5000 V 時，文石晶體結(jié)構(gòu)減少，方解石晶粒增多。