换热设备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。本文对循环水系统中碳酸钙的结垢过程和电磁抗垢技术进行了较为系统的理论与实验研究，分析了它们的物理机制和存在的问题。概括起来主要有以下几项工作： 在自制的实验台上对模拟硬水在低温条件下的结垢过程进行了实验研究。通过对结垢过程中溶液的混浊时间和结垢诱导期的比较，以及溶液中的颗粒尺寸分布的研究，证实了本实验中的污垢形成以碳酸钙自结晶生成的颗粒垢为主，是析晶垢和颗粒污垢共同作用的结果。考察了不同流速、结垢表面温度、溶液温度、硬度及溶液pH值下换热表面上的结垢行为，获得了不同操作条件下的污垢热阻随时间的变化曲线。发现随着流速的减小，初始壁面温度、水硬度、液体温度以及溶液pH的升高，污垢热阻增大，结垢诱导期缩短。从污垢形成机理角度解释了各因素对结垢过程的影响结果。 针对污垢结构中的致密层和疏松层在污垢附着和脱除中的不同作用，提出了污垢形成的分层固化一部分脱除物理模型，将湍流猝发理论用于污垢剥蚀机制的研究，建立了污垢预测的数学模型。模型中各项参数可由猝发的时间间隔、猝发的面积分额、剥蚀效率以及沉积速度确定，物理意义明确。解释了Hasson模型与某些文献实际结果间的矛盾，模型预测值与实验结果基本一致，说明了本文模型的可靠性。 以碳酸钙为例，对析晶垢结垢过程的控制机理进行分析，给出了对流传质阻力与表面反应阻力之间的关系式，计算表明，流速越大，过饱和度越小，结垢过程越易为表面反应所控制。流速越小，过饱和度越大，结垢过程越易为对流传质所控制，且往往发生在液壁温差较大，壁温较高的情况下，解释了文献中一些实验结论。垢层生长过程中，在恒壁温条件下，垢层表面温度逐渐降低，对流传质阻力在整个结垢过程中所占的比重逐步减小，在有些情况下，可能由对流传质与表面反应共同控制结垢过程转变为只由表面反应控制结垢过程。在恒热流条件下，对流传质阻力和表面反应阻力基本不变。 分别就施加交变电磁场前后碳酸钙在低温(换热面温度低于35℃)和高温(换热面温度高于90℃)换热面上的结垢行为进行了实验研究，应用扫描电镜技术对交变电磁场前后碳酸钙晶体形态进行了研究，应用激光光散射粒度分析技术对溶液中晶粒尺寸的分布进行了分析。在低温条件下，电磁场处理对碳酸钙晶体的类型和形状没有影响，处理前后形成的碳酸钙晶体均为方解石。交变电磁场使得溶液中离子之间以及微晶之间的碰撞频率和碰撞效率大大增加，初始时溶液中形成大量的微晶，尺寸很小，随着电磁处理时间的延长，溶液中微晶逐步絮凝成大的颗粒，在结垢行为上表现为结垢诱导期的延长和诱导期过后污垢热阻的突然增大。在高温条件下，溶液未经交变电磁处理时形成的碳酸钙晶体为质地坚硬、难以剥离的树枝状的文石，经过电磁处理以后，形成了的碳酸钙晶体为不定形态。经电磁处理后，由于大量的碳酸钙颗粒沉积在实验段底部，使得换热面上碳酸钙的结垢速率大大减小。因此，应用交变电磁场抗垢时，应该注意颗粒垢在换热表面上的沉积问题，使溶液中的污垢颗粒在设备的低洼处沉积下来并及时排放。