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外部条件对碳酸钙析晶污垢影响实验研究

作　者: 赵亮
导　师: 程林
学　校: 山东大学
专　业: 工程热物理
关键词: 碳酸钙 污垢 晶相 晶格常数 粒子尺寸
分类号: TK172
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


换热设备中污垢的形成是一个极其复杂的能量、质量和动量传递的物理化学过程。污垢的存在给换热设备的设计和运行造成了极大的经济损失,是传热学界十分关注而又没能完全解决的主要问题之一。根据统计数据表明,我国境内几乎所有的地区都存在碳酸钙类型的污垢,因此研究碳酸钙型污垢是针对我国国情出发的。鉴于碳酸钙污垢形成的复杂性以及形成种类的不确定性,本文重点研究了外界条件对碳酸钙形成种类及特性的影响,利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段,分析了在不同的外界条件作用下碳酸钙污垢形成的类型以及其他性质。概括起来主要有以下几项工作：(1)鉴于目前在模拟研究污垢形成的研究中,多采用配置硬水的办法来加速污垢的形成,然而这类硬水与实际冷却水中形成的污垢是否有区别,也就是是否完全可以用模拟硬水来代替实际情况并没有太多的报道。鉴于此问题,本研究将常用的几种反应方法集中研究对比,研究了不同反应方法对碳酸钙析晶污垢类型及微观结构的影响。试验研究表明：目前采用的各种化学反应手段或加热模拟硬水的方法,对研究纯方解石类碳酸钙的形成及微观特性上没有太大的影响,析出的碳酸钙污垢多为方块状的方解石晶相；但和自来水煮沸烧结所得碳酸钙析晶污垢还是有一定的差别,因为自来水中含有镁离子等金属离子,析出的碳酸钙污垢含有成花瓣状的文石晶相。反应溶液中的离子越充足其结晶的污垢晶粒尺寸越大；常温反应或加热煮沸等条件的变化对析出污垢的晶格常数影响不大,但是自来水中镁离子等的参与将导致析出污垢的晶格常数大大降低。(2)目前污垢的研究主要集中在高温沸腾形成的污垢,然而对于低温结垢的研究却鲜有报道。本研究针对低温换热过程中可能出现的结垢现象,采用自制的低温沸腾装置,研究了不同温度对碳酸钙析晶污垢形成类型与微观结构的影响。试验研究表明：温度不但影响到析出的碳酸钙污垢的类型,也影响到析出相的晶格常数和析出粒子尺寸；随着温度的升高,晶格常数减小及晶粒尺寸呈减小的趋势,这将影响到污垢层的强度。温度较低时碳酸钙污垢主要为方解石晶相,随着温度的升高析出的文石晶相逐渐增加；同时低温沸腾产生的扰动可以有效地减小碳酸钙污垢粒子的聚集尺寸。(3)通过添加不同量的金属离子,研究了不同的金属离子对碳酸钙析晶污垢类型与微观结构的影响。试验研究表明：钠离子对碳酸钙析晶污垢的晶型并没有明显的影响,试验中只获得了方解石晶相的碳酸钙污垢,但是该方解石的晶格常数随着钠离子浓度的增加而有所变化；然而,镁离子和铝离子明显的促使了文石晶相的形成,进一步通过用第一性原理对方解石的不同元素参杂计算可知,掺杂镁离子和铝离子的方解石整体上提高了晶胞的能量,即晶胞趋于不稳定,而钠离子的参杂对晶胞的影响较小。随着镁离子和铝离子浓度的增大,碳酸钙晶胞的最终能呈增大趋势,从而造成晶格的不稳定促进方解石向文石的转变。

全文目录


目录  4-6
CONTENTS  6-8
摘要  8-10
Abstract  10-12
第1章 绪论  12-26
  1.1 背景及意义  12-16
  1.2 国内外研究现状  16-23
    1.2.1 污垢种类及模型的研究  16-18
    1.2.2 碳酸钙污垢  18-23
  1.3 存在的主要问题  23
  1.4 研究的主要内容  23-26
第2章 反应方法对析晶碳酸钙污垢的影响  26-34
  2.1 反应方法  26
  2.2 实验方法  26-27
  2.3 实验分析  27-33
    2.3.1 析晶污垢的表面形貌  27-30
    2.3.2 XRD分析  30-33
  2.4 本章小结  33-34
第3章 温度对换热器析晶碳酸钙污垢形成的影响  34-44
  3.1 温度的影响  34-35
  3.2 实验方法  35-36
  3.3 实验分析  36-42
    3.3.1 析晶污垢的表面形貌  36-39
    3.3.2 XRD分析  39-42
  3.4 结果分析  42-43
    3.4.1 温度的影响  42
    3.4.2 沸腾扰动的影响  42-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章 金属离子对碳酸钙析晶污垢的影响  44-56
  4.1 金属离子的影响  44
  4.2 试验方法及计算方法  44-46
    4.2.1 试验方法  44-45
    4.2.2 计算方法  45-46
  4.3 试验分析  46-56
    4.3.1 添加钠离子的试验分析  46-49
    4.3.2 添加镁离子和铝离子的试验分析  49-53
    4.3.3 金属离子参杂方解石晶胞的第一性原理计算  53-56
第5章 结论与展望  56-58
参考文献  58-64
致谢  64-66
攻读硕士学位期间发表论文  66-68
学位论文评阅及答辩情况表  68

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 工业用热工设备 > 换热设备
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