导　　师： 丘泰球

学科专业： H2202

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 物理防垢设备相对简单、维护操作简便、寿命长、运行费用较低、无污染问题，不仅能减缓换热设备积垢形成，还有能除去原有沉积物的作用。但物理场防垢机理的研究还不是很深入，且物理场对溶液物理化学性质的影响较小，防垢效果受使用条件及设备的影响很大，为了提高物理场处理对溶液的影响，提高防垢率及扩大使用范围，本研究提出了超声场-静电场协同防垢技术。超声场防垢在工业中已有应用，但防垢机理的研究还很少，为了揭示超声场-静电场协同防垢的机理，首先进行了超声防垢机理的研究，在此基础上研究协同防垢的机理。 　　设计的超声场-静电场协同防垢装置，超声参数为：频率40KHZ，功率0～100W连续可调；静电参数为：静电压0～4KV连续可调；高压电极的绝缘材料使用聚四氟乙烯，击穿电压10KV，安全可靠。 　　使用常压蒸发模拟装置对协同防垢的各因素：静电压、超声功率和处理时间进行优化选择。各因素对协同防垢率影响大小为：静电压＞超声功率＞处理时间。最优协同参数为：超声功率60W、静电压力4KV、处理时间60S。静电压与超声功率的影响显著，处理时间的影响不显著。超声场与静电场有很好的协同防垢效果，优于单独使用及串联使用的效果。 　　超声处理过程保持温度恒定，处理时间短，不考虑超声热效应对溶液的影响。过饱和溶液吸收了超声空化产生的微观热量，成核诱导期缩短，成核速率增大，大量的晶核迅速生成，过饱和度下降，晶粒长大速度减慢，晶体以微小颗粒的形式存在。微小的晶体颗粒沉降速度减慢，悬浮于溶液中，减缓了积垢的形成。超声的机械效应对结晶影响不大。对于碳酸钙晶体，超声处理后，由于成核速率变大，晶核大量形成，吉布斯自由能迅速下降，晶粒长大的推动力减小，在低的过饱和度溶液中，无超声处理的溶液，有部分的方解石生成，超声处理后，晶体以文石的形式存在；在较高的过饱和溶液中，不经超声处理的溶液生成的晶体为方解石，超声处理后，形成的晶核数目增多，晶体以文石的形式存在或只有部分的晶体可以继续转变成方解石；在更高的过饱和溶液中，有或无超声处理，生成的晶体均为方解石，但有超声处理的晶体较无超声处理生成的晶体微小。X射线衍射结果表明，超声处理仅影响晶体的形成速度与大小，不改变晶体的结构，对晶体没有畸变作用。 　　静电场中超声波传播速度没有改变，静电场的微扰动作用，增加了产生空化的气泡半径，降低空化阈值，使空化更容易进行，增强了超声空化效应。超声空化的增强，生成的微观能量增加，成核诱导期进一步缩短，生成的晶核数增多。在相同的过饱和度下，无处理时，生成的晶体为方解石，超声处理，晶体中文石的含量占36.14％，超声场-静电场处理，晶体中文石含量占90.99％。文石呈针状，密度小，可以较长时间悬浮于溶液中，沉积速度慢，随着溶液前进，减少沉积量。同时，静电场中的水在极化力的作用下趋于器壁，进一步阻碍晶体微粒靠近器壁而沉积下来，这两种物理场的协同作用，增强了防垢效果。 　　物理场处理增大碳酸钙的溶解度，对碳酸钙在水中的溶解度影响大小顺序为：超声-静电协同场＞静电场＞超声场＞无处理。超声空化产生略带负电的*OH自由基与成垢阳离子CA2+结合，增加水的溶解能力；静电场产生的水偶极子破坏碳酸钙分子间的结合力，增加碳酸钙的溶解度；超声场与静电场协同，声化学产额增加，进一步增加了碳酸钙的溶解度，使已经形成的碳酸钙积垢溶解，垢层变疏松，变软，溶液在表面流动可使其脱落，从而达到除垢的效果。 　　超声场与静电场协同防垢，防垢效果增加，同时也增大了设备的投资与使用费用。使用多目标决策的方法对超声场防垢、静电场防垢及超声场-静电场协同防垢方案进行评价，综合考虑了防垢率、设备造价、功率消耗、积垢清洗难度、设备稳定性及日常维护费等多个指标。用TOPSIS法求解得方案的优劣顺序为：超声场-静电场协同防垢优于超声场防垢，超声场防垢又优于静电场防垢。表明超声场与静电场协同防垢经济可行，可以进一步进行放大实验，为物理法防垢提供一种新的高效的防垢方法。

关 键 词： 超声场 静电场 碳酸钙 积垢 换热设备

分 类 号： [TQ021.9 TQ051.5]

领　　域： [化学工程]