综述：关于通过表面改性减轻换热器结晶污垢问题的批判性综述

《Surfaces and Interfaces》：A Critical Review on Mitigation of Crystallization Fouling in Heat Exchangers through Surface Modification

　　阿马尔·艾哈迈德 | 卡利姆乌拉·谢赫 | 萨利姆·纽瓦兹·卡齐 | 莫哈德·纳什鲁尔·莫哈德·祖比尔 | 拉布·纳瓦兹 | 萨姆尔·乌尔·哈斯奈因
马来西亚马来亚大学工程学院机械工程系

**摘要**
结晶结垢仍然是工业换热器中持续存在的运行和经济挑战，需要有效的缓解策略。本文批判性地研究了结垢缓解技术，重点关注表面处理方法，如涂层、表面粗糙度修改、图案化和离子注入。文章对结垢类型进行了分类，解释了结晶结垢的机制及其影响因素，并介绍了用于预防的技术。研究通过标准化指标（包括诱导时间乘数和结垢减少率）整合了实验数据，以建立定量性能框架。为了弥合材料科学与工业实践之间的差距，本文评估了新兴的表面修改技术，并讨论了它们的可扩展性限制。最后，基于当前的案例研究，在理论技术经济框架内初步评估了防垢表面的经济影响。本文强调，优化的表面修改不仅能够延缓结晶结垢的发生并减少晶体附着，还有助于提高清洁性能，为高性能换热器的可持续设计提供了基础。

**引言**
换热器在各种行业中发挥着关键作用，通过在两种流体之间传递热量来实现多种目的。它们有多种形状和尺寸，常见的类型包括壳管式、双管式、板式、翅管式、螺旋盘管式和印刷电路板换热器。换热器几乎应用于所有工业领域，从能源和食品到化工和制造工厂。为了最大限度地利用宝贵能源并减少浪费，必须保持换热器的效率。通常，由于结垢现象，换热器的性能会随时间下降。换热器结垢是指固体物质在传热表面上的不希望出现的沉积和生长[1]。这些沉积物在传热表面和流经其上的流体之间形成额外的固体层，从而增加了热传递的阻力，提高了换热器的整体热阻。由于这种阻力的增加，换热器的整体热传递系数降低，最终影响了换热器的效率以及流体出口参数[2]。

结垢可分为五种类型：结晶结垢、颗粒结垢、化学反应或腐蚀结垢、固化结垢和生物结垢[3]。结垢可能是由于盐类在换热器热表面沉淀造成的（称为结晶结垢）。颗粒结垢是由于工作流体中的颗粒在固体表面沉积和积累引起的。化学反应结垢是由于流体与换热器固体表面发生反应引起的；如果反应腐蚀了固体基材，则称为腐蚀结垢。由于流体参数（如温度和压力）的局部或整体变化，流体可能在固体冷表面上固化（称为固化结垢）。最后，生物结垢是指有机物质（包括蛋白质、微生物、海洋植物等）在换热器表面沉积。在大多数实际应用中，这些类型可能同时存在。

在不同类型的结垢中，结晶结垢在工业换热器中最常见。它是指离子在传热表面结合形成盐类，占所有结垢现象的约25%[4,5,6]。局部过饱和是这一结晶过程背后的驱动力，它通过成核开始相变。成核通过两种不同的机制发生：流体中的整体（均匀）结晶和传热壁上的表面（非均匀）结晶[7]。在工业换热器中，表面结晶占主导地位，因为预先存在的固体壁显著降低了晶体形成所需的热力学活化能障碍。这一关系由经典成核理论表述为：
ΔGhetero* = ΔGhomo* × f(θ)
其中ΔGhomo*是整体均匀成核能障碍，f(θ)是一个润湿因子（≤1），随晶体-壁接触角变化[8]。由于壁面不可避免地降低了这一能量障碍并提供了受保护的活性位点，因此结垢会迅速在界面形成。因此，本文主要关注其缓解措施。在后续章节中讨论的各种结晶结垢缓解方法中，本文特别关注表面改性的技术，包括表面涂层、表面图案化、离子注入和表面粗糙度修改。本文中的结垢类型、缓解技术概述以及不同的表面改性方法如图1所示。

本文批判性地研究了通过表面改性技术缓解换热器结晶结垢的已发表研究。文献搜索涵盖了Scopus、Web of Science和Google Scholar等主要学术数据库，包括截至2025年10月关于通过表面改性（涂层、粗糙度、图案、离子注入）缓解结晶结垢的所有相关研究。使用相关关键词和搜索字符串（如“结晶结垢”、“换热器”、“表面改性”、“涂层”、“地形”和“离子注入”来查找同行评审的文章。为了确保分析的严谨性，实施了两阶段筛选过程：首先根据标题和摘要的相关性识别记录；其次，根据严格的纳入和排除标准评估全文文章。优先考虑那些报告了受控实验结果并提供可量化性能指标（诱导时间、渐近结垢阻力或污染物质量沉积）的研究文章。缺乏明确材料表征或定义实验设置的实验研究被排除在分析之外。这种系统方法使得可以将不同的发现整合到一个框架中，使用两个标准化参数（诱导时间乘数t*和结垢减少率Rred）直接比较各种缓解技术。这些指标作为关键指标，用于在每项研究中使用未改性基材时提供相对性能基准。然而，本文认识到这些比率并非独立存在，其值本质上与雷诺数、热流密度和过饱和度等实验条件相关。因此，这些比率不应被视为绝对值，而应结合每项研究的流体动力学和热特性来解释。

本文旨在通过对其关键表面属性在不同研究中的作用的批判性分析和协调，加强文献基础。通过比较不同研究的标准化性能指标，本文建立了一个全面的设计指南。此外，本文通过分析新兴技术，提供耐用性、热传递权衡以及主要改性策略的长期技术经济可行性等方面的详细分析，解决了关键问题。在后续章节中，讨论了结晶结垢机制和影响因素，接着讨论了表面自由能在结垢缓解中的作用，并对金属、碳、复合材料和聚合物表面涂层以及不同的地形改性进行了批判性评估。最后几节专门分析了新兴的表面改性技术、热传递权衡、耐用性和这些解决方案的技术经济可行性，并提出了未来研究的方向。

**结晶结垢机制**
液体中的离子可能由于溶解度的变化而结晶，并在表面沉积一层不需要的盐类。在不同应用中（例如冷却电厂或海水淡化）使用原始水（来自河流、运河和海洋）的换热器更容易发生这种类型的结垢，因为它们具有一定的过饱和度。钙盐和镁盐是导致结晶结垢的主要原因，其中可能包括它们的碳酸盐和硫酸盐。

**影响结晶结垢的因素**
有多种因素影响污染物在换热器表面的附着倾向，包括盐浓度、pH值、雷诺数、温度、表面条件和流体相态。这些因素的详细影响在下面的小节中进行了说明。

**结垢缓解方法**
结垢是一种复杂的现象，取决于多种因素，需要有效的缓解策略。结晶结垢的缓解方法大致可以分为三个领域：设计修改、在线处理和离线清洁方法。最佳缓解技术的选择取决于流体化学性质、应用和结垢沉积的程度。

**表面处理和表面自由能**
在上一节讨论的所有结垢缓解方法中，最好在换热器的设计中加入防垢性能。虽然大规模的几何修改可能成本较高，但微纳级表面处理为结晶结垢问题提供了一种有前景且侵入性较小的解决方案。这些修改针对流体和固体之间的界面，这一点至关重要，因为结垢本质上是由此引起的。

**关于表面涂层效果的研究综述**
表面自由能（SFE）和润湿性在调控成核和附着方面起着重要作用，因此表面改性计划需要针对这些因素进行控制。表面涂层是最通用和被广泛研究的技术，用于在界面获得所需的材料和能量特性。为了在不同研究中进行一致比较，考虑了两个标准化参数：诱导时间乘数和结垢减少率。

**表面地形修改技术的防垢性能**
污染物在传热表面的附着倾向也可以通过表面地形的变化来影响。这种方法通过改变表面粗糙度、引入工程几何图案或利用离子注入在原子层面改变表面能量来干扰结晶机制。理论上，这些修改旨在减少可用的附着面积并提高流体动力学的去除能力。

**新兴的表面改性技术**
金属表面改性领域正在从依赖被动屏障系统转向开发先进的、动态的自主表面技术。传统的被动涂层常常会因磨损或降解而形成成核位点。相比之下，这些新型改性技术不仅为基材提供保护，还能主动响应环境刺激并自主修复损伤。

**设计指南和选择框架**
第6节和第7节关于表面涂层效果和表面地形修改技术的综述已被转化为本节中选择和实施防垢表面的方法论。所提出的框架将第5节讨论的成核抑制和附着减少的理论机制与换热器的实际热力和流体动力学约束相一致。

**操作耐用性和清洁性**
虽然表面改性的主要目标是延缓结垢的发生，但不可避免的污染物沉积的结构和附着也很重要。这些技术的工业可行性取决于它们的清洁性、兼容性、机械耐用性和可扩展性。一个能够延缓结垢数小时但不能被清洁或承受工业侵蚀和热循环的表面几乎没有实际价值。研究表明，优化表面自由能不仅可以...

**表面改性技术的经济影响**
如第1节所述，换热器中的结晶结垢不仅是一个技术问题，也是各个工业领域中的重大经济负担。在传热表面上形成基于盐的沉积物（碳酸盐、硫酸盐或磷酸盐）会导致一系列经济损失，影响运营效率和资本支出。结晶结垢的经济影响可以概括为...

**未来建议**
为了将表面改性技术推向工业规模，需要填补耐用性、可扩展性和标准化方面的关键空白。根据本文的分析，未来的研究应优先考虑以下领域：
•现有文献的一个局限性是无法比较不同实验条件下的结果，这限制了通用预测模型的发展。因此，未来的实验应...

**结论**
结晶结垢问题在工业换热器的性能中持续存在，导致极端的热效率低下和经济损失。本综述对表面改性技术进行了全面评估，结果表明这是一种可行的、被动的缓解措施。基于金属（如TiO2、Zr）、基于碳（如DLC）以及复合材料（如Ni-P-PTFE）的涂层均显示出在延长诱导时间方面的巨大潜力。

**资金支持**
本研究得到了欧洲研究执行机构（European Research Executive Agency）通过HORIZON–MSCA2022-SE-01-01计划（项目编号101130406，ice-Link，IF049-2024）以及马来西亚大学（Universiti Malaya）的UMREG034-2024、UMREG006-2025、MG032-2025和RMF0400-2021项目的资助。

**作者贡献声明**
Ammar Ahmed：撰写原始稿件、数据可视化、结果验证、方法论设计、实验研究及概念构建。
Kaleemullah Shaikh：撰写修订稿件、方法论设计、实验研究指导。
Salim Newaz Kazi：撰写修订稿件、研究监督及资源协调、资金申请。
Mohd Nashrul Mohd Zubir：撰写修订稿件、研究监督及资源协调。
Rab Nawaz：撰写修订稿件、资源协调及数据整理。
Samr Ul Hasnain：数据可视化、资源提供及形式化数据分析。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
作者感谢马来西亚大学先进制造与材料加工中心（AMMP Centre）、能源科学中心（CES）、先进材料中心（CAM）以及机械工程系（Department of Mechanical Engineering）对本研究工作的支持。