CN109342258A - 一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法 - Google Patents

一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法 Download PDF

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万川
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Abstract

本发明涉及一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，该方法包括下列步骤：1)配置含一定浓度的碳酸氢钠及氯化钙的溶液，将其作为热交换金属表面的成垢溶液；2)以去离子水作为加热介质，在一定温度下，通过空白实验获取不锈钢杯加入成垢溶液实验前后的杯体重量；3)通过阻垢实验获取加入水处理药剂或实施其他阻垢方法后的不锈钢杯的杯体重量；4)根据步骤2)、3)获取的各杯体重量计算阻垢率；6)重复步骤1)～5)，获取成垢溶液中加入不同浓度阻垢剂或实施其他阻垢方法后的阻垢率，并以此来评价不同阻垢方法的阻垢性能。与现有技术相比，本发明可以较好地模拟热交换金属表面的结垢与阻垢状况，适用于所有阻垢技术的性能评价。

Description

一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其是涉及一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法。
背景技术
冷却水系统中热交换金属表面结垢问题是影响热交换效率的重要因素，目前普遍采用阻垢剂进行结垢控制。为满足环保与节能需要，绿色环保高效阻垢剂及其它新型阻垢技术的开发一直是冷却水处理的研究热点。如何准确、有效、简便地评价阻垢技术的性能是阻垢技术开发的关键问题之一。目前常用的阻垢剂有聚合磷酸盐、有机膦酸盐、有机低分子量聚合物等有机物质，阻垢剂阻垢性能的评价方法一般可以分为静态阻垢法、动态模拟法、电化学方法、鼓泡法、浊度法、临界pH法、pH位移法、电导率法和诱导期法、极限碳酸盐硬度法、浊度法、电势测定法等。这些方法大多测得的是阻垢技术抑制成垢盐类在溶液中的析出程度。常规的阻垢性能评价方法几乎均通过测定成垢溶液中剩余Ca2+的浓度来评价阻垢性能，测定的其实是阻垢技术对溶液中Ca2+的增溶性能，不能反映碳酸钙等垢样在热交换表面的阻垢特性。此外，在实际冷却水系统中，结垢造成的危害主要是附着在热交换表面的垢，若水中有较高的晶体析出量，但并不沉积和附着在传热表面上，就不会造成很大的危害，因此直接评定金属表面的结垢程度具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，该方法包括下列步骤：
步骤一、配置含一定浓度的碳酸氢钠及氯化钙的溶液，将其作为热交换金属表面的成垢溶液。
步骤二、以去离子水作为加热介质。
步骤三、通过空白实验获取不锈钢杯加入成垢溶液前后的杯体重量。
步骤四、通过阻垢实验获取加入水处理药剂或实施其他阻垢方法技术后的不锈钢杯的杯体重量。
步骤五、根据步骤三、四获取的各杯体重量计算阻垢率η：
式中：M0为空白实验前的不锈钢杯质量，M1为空白试验后的不锈钢杯质量，M2为阻垢实验后的不锈钢杯质量；
步骤六、重复步骤一～五，获取成垢溶液中加入不同浓度阻垢剂或实施其他阻垢方法后的阻垢率，并以此评价不同阻垢的阻垢性能。
优选地，所述的空白实验的具体流程为：
a1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
a2.添加步骤一的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M1。
优选地，所述的阻垢实验的具体流程为：
b1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
b2.添加步骤一的成垢溶液至不锈钢杯，加入一定浓度的阻垢剂或实施其他阻垢方法对成垢溶液进行处理；
b3.添加步骤b2处理后的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M2。
优选地，所述的空白实验的具体流程为：
a1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
a2.对步骤一的成垢溶液进行机械搅拌及超声处理；
a3.添加步骤一的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M0。
优选地，所述的阻垢实验的具体流程为：
b1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
b2.对步骤一的成垢溶液进行机械搅拌及超声处理；
b3.添加步骤一的成垢溶液至不锈钢杯，加入一定浓度的阻垢剂或实施其他阻垢方法对成垢溶液进行处理；
b4.添加步骤b2处理后的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M2。
优选地，碳酸氢钠标准溶液1mL含10-50mg HCO3 -；氯化钙标准溶液1mL含有5-50mgCa2+。
优选地，所述的不锈钢杯的直径为5～8cm，高度为9～12cm。
优选地，所述的不锈钢杯的材质为304不锈钢或316不锈钢。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法采用在成垢溶液和去离子水中耐蚀性能优异的不锈钢杯进行实验，实验过程中其自身质量几乎不发生变化，同时不锈钢也是一种冷却管材料，利用不锈钢进行表面阻垢实验可以更好地模拟热交换系统中金属冷却管表面的结垢状况，更加符合实际生产中热交换金属表面的结垢和阻垢状况；
(2)本发明方法相比于常规通过测定成垢溶液中剩余Ca2+的浓度来评价阻垢性能的方法，更加适用于各种阻垢方法的性能评价，适用范围广，应用性强。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明方法的实验装置结构图；
图2中标号所示：
1、玻璃通气管，2、橡胶塞，3、不锈钢实验杯，4、恒温水浴锅。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明涉及一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，该方法包括以下步骤：
S1、配置含一定浓度的碳酸氢钠及氯化钙的溶液，将其作为热交换金属表面的成垢溶液。
S2、实验前不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后，称重，记为M0；
S3、进行空白实验，采用的装置结构如图2所示，向不锈钢杯中加入步骤S1的成垢溶液，并放入一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅4中，不锈钢内壁逐渐生成碳酸钙垢，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，记为M1。测试用不锈钢杯在实验过程中自身重量不发生变化。不锈钢实验杯的材质为304不锈钢或316不锈钢，在称重前用水冲洗悬浮垢样和外壁，保留紧密附着在不锈钢内壁的硬垢进行称量，另外还可以采用磁力搅拌或机械搅拌对溶液进行搅拌模拟动态工况。
S4、进行阻垢实验，在成垢溶液中加入水处理药剂或实施其他阻垢技术，其他过程同步骤S3，实验后的不锈钢杯质量记为M2。
S5、计算阻垢率η(％)
S5、重复步骤S1～S5，获取成垢溶液中加入不同浓度阻垢剂或实施其他阻垢方法后的阻垢率，并以此来评价不同阻垢技术的阻垢性能。
本实施例取成垢溶液250mL，分别含有12mmol/L碳酸氢钠(732mg/L碳酸氢根)，6mmol/L氯化钙(240mg/L钙离子)，恒温水浴锅控制水温为50℃，加热时间为12h。
添加2-磷酸基-1，2，4-三羧酸丁烷(PBTCA)阻垢剂到上述溶液中，使其浓度分别为0(空白)，1mg/L，2mg/L，4mg/L，6mg/L。经过12h加热后，通过称重得到其表面附着的垢量分别为0.0894g，0.0401g，0.0052g，0.013g，0.004g，通过计算得到PBTCA浓度分别为1mg/L，2mg/L，4mg/L，6mg/L时，阻垢率分别为55.1％，94.1％，98.1％，99.6％。从结果可知，加入2mg/L及以上浓度的PBTCA，就可以达到94％以上的阻垢率。
实施例2
本实施例的具体工艺操作过程同实施例1，其中，取成垢溶液250mL，分别含有12mmol/L碳酸氢钠(732mg/L碳酸氢根)，6mmol/L氯化钙(240mg/L钙离子)，恒温水浴锅控制水温为50℃，加热时间为12h。
添加水解聚马来酸(HPMA)阻垢剂到上述溶液中，使其浓度分别为0(空白)，1mg/L，2mg/L，4mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L。经过12h加热后，通过称重得到其表面附着的垢量分别为0.0892g，0.0530g，0.397g，0.194g，0.185g，0.0026g，0.0009g，通过计算得到HPMA浓度分别为1mg/L，2mg/L，4mg/L，6mg/L，10mg/L，15mg/L时，阻垢率分别为40.6％，55.5％，78.3％，79.3％，97.1％，98.9％。从结果可知，加入10mg/L及以上浓度的HPMA，就可以达到97％以上的阻垢率。对比实施例1可知，在相同浓度下，PBTCA的阻垢性能优于HPMA。
实施例3
本实施例的工艺步骤和成垢溶液与实施例2相同，不同之处在于步骤S3中的空白实验：不锈钢杯中滴加碳酸氢钠标准溶液前，先机械搅拌5min，超声处理30min。S4的阻垢实验：在滴加碳酸氢钠标准溶液之前加氧化铝纳米颗粒(γ-phase，粒径20nm)，先机械搅拌5min，超声处理30min。
添加的氧化铝纳米颗粒浓度分别为0(空白)，50mg/L，100mg/L，300mg/L500mg/L。经过12h加热后，通过称重得到其表面附着的垢量分别为0.885g，0.838g，0.528g，0.264g，0.181g，通过计算得到氧化铝纳米颗粒浓度分别为50mg/L，100mg/L，300mg/L，500mg/L时，阻垢率分别为5.31％，40.3％，70.2％，79.5％。可见纳米颗粒具有一定的阻垢性能，且随着纳米颗粒浓度的提高，阻垢率增大。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)配置含一定浓度的碳酸氢钠及氯化钙的溶液，将其作为热交换金属表面的成垢溶液；
2)以去离子水作为加热介质；
3)通过空白实验获取不锈钢杯加入成垢溶液前后的杯体重量；
4)通过阻垢实验获取加入水处理药剂或实施其他阻垢方法技术后的不锈钢杯的杯体重量；
5)根据步骤3)、4)获取的各杯体重量计算阻垢率η：
式中：M0为空白实验前的不锈钢杯质量，M1为空白试验后的不锈钢杯质量，M2为阻垢实验后的不锈钢杯质量；
6)重复步骤1)～5)，获取成垢溶液中加入不同浓度阻垢剂或实施其他阻垢方法后的阻垢率，并以此评价不同阻垢的阻垢性能。
2.根据权利要求1所述的一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，所述的空白实验的具体流程为：
a1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
a2.添加步骤1)的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M1。
3.根据权利要求2所述的一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，所述的阻垢实验的具体流程为：
b1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
b2.添加步骤1)的成垢溶液至不锈钢杯，加入一定浓度的阻垢剂或实施其他阻垢方法对成垢溶液进行处理；
b3.添加步骤b2处理后的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M2。
4.根据权利要求1所述的一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，所述的空白实验的具体流程为：
a1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
a2.对步骤1)的成垢溶液进行机械搅拌及超声处理；
a3.添加步骤1)的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M1。
5.根据权利要求4所述的一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，所述的阻垢实验的具体流程为：
b1.对不锈钢杯经过酸洗除垢、冲洗、烘干后称重，获取实验前不锈钢杯的杯体重量M0；
b2.对步骤1)的成垢溶液进行机械搅拌及超声处理；
b3.添加步骤1)的成垢溶液至不锈钢杯，加入一定浓度的阻垢剂或实施其他阻垢方法对成垢溶液进行处理；
b4.添加步骤b2处理后的成垢溶液至不锈钢杯，将不锈钢杯置于一定温度的、以去离子水为加热介质的恒温水浴锅中，一定时间后取出不锈钢杯，移除杯中溶液，采用去离子水冲洗不锈钢杯内外壁，烘干称重，获取当前杯体重量M2。
6.根据权利要求1所述的一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，碳酸氢钠标准溶液1mL含10-50mg HCO3 -；氯化钙标准溶液1mL含有5-50mg Ca2+。
7.根据权利要求3或5所述的一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，所述的不锈钢杯的直径为5～8cm，高度为9～12cm。
8.根据权利要求3或5所述的一种热交换金属表面阻垢性能的评价方法，其特征在于，所述的不锈钢杯的材质为304不锈钢或316不锈钢。
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