换热器结垢机理及防治措施之自动化论文

　　摘要：本文自动化论文针对目前换热器结垢严重的问题进行了研究，指出了结垢的机理与危害，针对不同类型的结垢提出了相应的防治措施，同时对污垢清洗技术进行了简要的说明，对解决换热器结垢这一问题有一定的作用。
　　主题词：换热器，结垢，防治措施
　　1、论文前言
　　污垢是一种极为普遍的现象，广泛存在于各种传热过程中，是许多换热设.备经常遇到的问题。综观当今工业界，结垢造成的浪费和损失是很严重。由于许多换热设备相对比较落后，污垢造成的实际损失还可能更高些。由于换热设备中温度梯度的存在，使换热面上的污垢形成机制更为复杂，污垢所带来的危害更为强烈，所以备受科学界和工程技术人员的广泛关注。是涉及国民经济众多产业和部门的一个急需解决的问题。
　　1.1污垢的定义及其对换热设备的影响
　　1.1.1污垢的定义。换热设备污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐积聚起来的那层固态物质。这层物质是“不需要”的多余物质，它通常以混合物的形态存在。污垢是热的不良导体，其热导率一般只有碳钢的数十分之一，不到不锈钢的1/10。一旦换热面上有了污垢，按串联热阻的观点，流体与换热壁面之间的传热热阻（为简单，换热面以平面计)就增加为R=+（1-1）式中：污垢热阻，即污垢层形成的附加热阻，㎡•K/W;R：总传热热阻，㎡•K/W；α：传热系数，W/㎡•K。
　　1.1.2污垢对换热设备及其系统的影响。结垢对换热设备的影响主要有两个方面，一是由于污垢层具有很低的导热系数，从而增加了传热热阻，降低了换热设备的传热效率。二是当换热设备表面有结垢层形成时，换热设备中流体通道的过流面积将减少，导致流体流过设备时的阻力增加，从而消耗更多的泵功率，使生产成本增加。通常，为了补偿由于污垢而引起的换热效率降低，在设计换热器时，要选取过余的换热面积作为补偿，将污垢热阻折算在总传热系数中:
　　=++++式中，为基于管外表面的总传热系数，W/㎡•K；A为管壁面积，为平均管壁面积，㎡；为污垢热阻，为管壁热阻，㎡•K/W；α为对流传热系数，W/㎡•K；下标i、o分别表示管内和管外。
　　（1）初投资费用增加在设计阶段，选用过余换热面积而增加的费用，即为增加的初投资，挟是合理的费用投资，而过多的费用增加有2个因素:①由于设计时选取了比实际污垢高的污垢热阻值，过多换热面积的投资造成浪费，即增加了换热器的初投资。②由于设计时选取了比实际污垢小的污垢热阻值，从而造成换热设备在运行较短的一段时间后，出现换热不足，要增加新的换热器来并联运行，这部分费用也使初投资费用增加。其间还有可能造成停产，因而经济损失更大。
　　（2）操作费用增加由于结垢层的形成，流体流动阻力增大，造成泵功率增大，因而操作费用增加。此外，换热器需经常清洗，也使运行费用增加。
　　2、影响结垢的因素
　　从应用角度看，影响因素有操作参数、流体性质和换热器设计等参数3种。
　　2.1操作参数。（1）流体速度:某些结垢将随流速增加而增加，但同时也引起沉积物卸脱速率的增加。因此总结垢速率可能随流速增加而降低;（2）换热面温度:对化学反应结垢及负溶解性盐类的析出结垢有显著的影响;（3）换热面污垢热阻一般将已随流体主体温度的增加而增大。
　　2.2流体性质。流体性质及其溶解或夹带物性质对结垢有较大影响。
　　2.3换热器参数。（1）材料:某些结垢过程中表面材料可能存在一定催化作用;（2）换热表面的构造:众多微小凸起增加了表面的吸收能力和化学活性，促进了污垢微粒的沉积;（3）换热器构型:螺旋板换热器比管壳式换热器结垢的可能性要低得多，原因是前者为高速和高湍动度流动。翅片管换热器中的翅片高度对污垢的形成影响不大，但翅片密度是一重要影响因素。
　　3、 采取措施
　　3.1设计阶段应采用措施。毫无疑问，在换热设备的设计阶段，掌握一些污垢形成的机理是极为重要的，特别是可能产生污垢的机理，如颗粒污垢、化学反应污垢或生物污垢等。此外，掌握系统参数对污垢形成的影响也是极有帮助的，如流体的流速和温度对污垢形成的影响。这些知识可凭经验而来。但较为理想的是通过实验或分析已有换热器的性能而获得这些信息。通常考虑潜在污垢时的设计，应运用如下原则:①换热器容易清洗和维修。②换热设备安装后，清洗污垢时不需拆卸设备，即能在工业现场进行清洗。③应取最少的死区和低流速区。
　　3.2运行阶段污垢控制。
　　（1）维持设计条件由于在设计换热器时，采用了过余的换热面积，在运行时，为满足工艺需要，需调节流速和温度，从而与设计条件不同，然而应通过旁路系统尽量维持设计条件(流速和温度)，以延长运行时间，推迟污垢的发生。
　　（2）控制参数在换热器运行时，进口物料条件可能变化，因此要定期测试流体中结垢物质的含量、颗粒大小和液体的pH值。
　　（3）维修措施良好换热设备维修过程中产生的焊.点、划痕等可能加速结垢过程形成，流速分布不均可能加速腐蚀。流体泄漏到冷却水中，可为微生物提供营养(也可能起到杀死微生物的作用)，对空气冷却器周围空气中灰尘缺少排除措施，能加速颗粒沉积和换热器的化学反应结垢的形成。用不洁净的水进行水压试验，可引起腐蚀污垢的加速形成，因此，换热设备的良好维修对防结污垢是十分必要的。
　　（4）使用添加剂针对不同类型结垢机理。可用不同的添加剂来减少或消除结垢形成。如生物灭剂和抑制剂、结晶改良剂、分散剂、絮凝剂、缓蚀剂、蚕合剂、化学反应抑制剂和适用于燃烧系统中防止结垢的添加剂等。
　　3.3清洗技术
　　3.3.1化学清洗技术。化学清洗技术是一种广泛应用的方法，有时在设备运行时，也能进行清洗，但其主要缺点是化学清洗液不稳定，对换热器和连结管处有腐蚀。
　　3.3.2机械清洗技术。机械清洗通常用在除去壳侧的污垢，先将管束取出，沉浸在不同的液体中，使污垢泡软、松动，然后用机械方法除去垢层。机械在线除垢技术：
　　（1）使用磨粒在流体中加入固体颗粒来摩擦换热表面，以清除污垢，但对换热表面易产生腐蚀。
　　（2）海绵胶球连续除垢系统主要应用于电站凝汽器中冷却水侧的污垢清除，海绵胶球在换热器管内通过胶球泵打循环，胶球比管子直径略大.通过管子的每只胶球轻微地压迫管壁，在运动中擦除沉积物。
　　（3）自动刷洗系统换热器管道刷洗设施由2个外罩和1个尼龙刷组成，外罩安装在每根管的两端，改变水流方向可使刷子沿管道前后推进刷洗。水流换向由压缩空气驱动并定时控制联结在管道上的四通阀来完成。
　　尽管传热结垢的研究已取得了不少成果，但需要解决的间题仍很多。大量准确污垢热阻值的缺乏，是换热器设计过高或过低的原因。对一些高性能的换热器，如螺旋折流板式换热器，以便设计时选用更准确的污垢热阻值。另外，新的防结垢技术正在不断推出，如用新型的处理表面技术来减少结垢，表面等离子处理技术、复合镀层低能表面技术以及电场防结垢技术研究，为防结垢提供了新途径。