1、第 30 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol. 30 ,No. 22001 年 2 月 Liaoning Chemical Industry February ,2001换热器的结垢问题郭 泉 ,王国玲(沈阳化工股份有限公司 , 辽宁 沈阳 110026)【摘 要】 简述了换热器结垢研究工作的一些情况 ,并说明了结构研究对换热器设计与操作所具有的重要意义。【关键词】 结垢 ;换热器 ;研究【中图分类号】 TQ 051. 5 【文献标识码】 A 【文章编号】 1004 0935 (2001) 02 0088 02Fouling Problem in Heat ExchangerGUO Quan
2、 , WANG Guoling(Shenyang Chemical Co.L th 110026 ,China)【 Abstract】 Some researches of fouling problem in heat exchanger were summarized in this paper. The signifi2cance of fouling research for design and operation of heat exchanger was explained.【 Key words】 Fouling ; Exchanger ; Research1 前 言结垢过程即
3、污垢沉积物在传热表面上形成的过程。对直接接触式换热器 ,则是相界面附着物积聚的过程。污垢沉淀物通常包括结晶体、腐蚀产物、微生物及原油焦化物等。它们具有较高的热阻 ,使总传热效率降低 ;还因其减小了流通截面而使泵功耗增加。对强化传热的场合 ,若不有效控制其形成 ,许多强化传热措施将变得毫无意义。因此 ,换热器一般均设计得比较保守。如对易结垢的蒸汽换热器 ,其所取的传热面积要比无结垢时多 50 % 75 %。 1924 年就有人注意到这一问题的严重性 ,并研究和发表了一些开创性论文。近年来 ,有关论文和专题会议日益增多 ,但结垢是一个相当复杂的问题 ,其机理涉及到多门学科 ,因此迄今仍是一个尚未解
4、决的问题。以下就换热器的研究工作情况作一综合简介。2 结垢曲线污垢是随着时间而逐渐沉积的 ,因此设计时污垢热阻常取一个终点值。事实上 ,当沉积物热阻接近该值时 ,即需停机清洗了。污垢沉积物热阻与时间的函数关系见图 1。其中直线 A 是污垢热阻随着时间呈线形增加的关系。这种换热器运行很短时间后即需停机清洗 ;抛物线 B :污垢热阻随时间呈抛物线关系增加 ,但其增长速率下降。这种换热器运行时间长一些 ;渐近线 C :污垢热阻随时间呈渐近线关系增加 ,但最终达到并保持某一常量。这种属理想型结垢 ,如工业冷却水结垢即属此类。图 1 污垢热阻与时间的关系【收稿日期】 2000211227【作者简介】 郭
5、 泉 (1965 - ) ,男 ,工程师3 结垢方式一般情况把结垢分成 6 种类型 : (1) 析出结垢 :如 CaCO3、 CaSO4 和 MgSiO3 等负熔解性盐溶液因热表面溶解度降低而随盐类析出沉积 ; (2) 微粒结垢 :悬浮于液体中的固体微粒因重力作用而沉积 ; (3) 化学反应结垢 :高温下某些有机物或无机物发生反应、聚合或焦化而产生的固体沉积 ;(4) 腐蚀结垢 :换热面本身起化学变化 ,其产物作为污垢而附于表面上 ; (5) 生物结垢 :未经处理的海水、河水或湖水 ,其中的藻类等产生的沉积 ; (6)凝固结垢 :某种纯液体或液体混合物中某一组分因换热面过冷而固化沉积。事实上结
6、垢过程可能是上述几种类型的综合作用 ,但我们只有找出主要结垢因素才能使问题简化。4 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。4. 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。4. 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 。4. 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
7、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 ,原因是前者为高流速和高湍动度流动。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。5 结垢数据换热器设计时的困难是如何选用适宜的污垢热阻 ,其中 TEMA 标准较全面 ,但遗憾的是多以常量形式表示 ,且仅粗略地考虑了水和部分原油流速与温度的影响。其中还有一概念性错误 ,即所考虑的温度是流体温度而不是换热面的温度。另外 ,该标准还未考虑管程、壳程及折流板等因素的影响。在实际设计中 ,许多设计人员往往不考虑流速及壁温
8、对结垢的影响 ,仅凭自己沿用多年的老办法来确定热阻 ,以致迄今仍没有形成统一的评估方法。6 换热器构型与结垢的关系换热器构型及其流体在其中的流体力学状况与结垢过程密切相关。如 : (1) 在列管式换热器中 ,折流板及其板间距就是结垢的敏感因素。对大折流板且板间距过大时 ,流体流动易形成死区 ,这不但对传热不利 ,且还会助长结垢 ; (2) 在板式及螺旋板式换热器中 ,流体湍动度均较高 ,因此有效地抑制了结垢的沉积 ; (3) 翅片管换热器用的翅片管 ,因流体力学状况的不同而有所差异。翅片有径向、纵向及内外翅片等。换热器中常见的是管外低翅片管 (如螺纹管 ) 。低翅片管有一定的抗垢能力。7 结垢
9、带来的消耗结垢带来的消耗有 : (1) 因结垢而降低了传热速率 ,若用增加传热面积的办法来解决 ,无疑将增大设备尺寸 ;另外 ,对某些要求连续生产的场合 ,还需配备相同型号换热器 ,以供随时切换用 ;(2) 对腐蚀性介质 ,需用钛、不锈钢等贵重材料 ;(3) 因结垢严重而停运 ,可能会造成产品质量下降或停运期间的生产损失 ; (4) 结垢清洗需用各种清洗设备 ,同时还有化学药剂的消耗 ; (5) 结垢后增加了传热阻力 ,若用提高温差来增加传热推动力 ,必然又增加了能量消耗。此外还缩小了流通截面积 ,使压降增加 ,泵功耗增大 ; (6) 定期维修带来设备和劳力等方面的耗费。总之 ,开展换热器防垢、除垢的研究已是当务之急。【参考文献 】1 Norman Epstein. Fouling in Heat Exchangers Proceeding Presentedat the Sixth. International Heat Transfer Conf. 19782 Schmid S. Desalination ,197798第 30 卷第 2 期 郭 泉等 :换热器的结垢问题
