换热器污垢热阻对设计的影响分析

在当前换热器市场日益激烈的竞争中，一个问题日益突出，应当引起足够的重视，那就是污垢系数问题。

污垢系数，即换热器使用过程中污垢对换热产生的影响程度。

由于换热器传热面本身导热系数很大，其热阻通常可忽略。

但如果壁面上结有污垢，则对传热性能和压降影响很大，其热阻有时可达到起控制作用的数量级。

据报道，一台结垢严重的冷凝器，其有效的传热面积仅为清洁状态的1/2。

因此，在换热器设计中必须考虑污垢热阻对传热性能的影响。

一传热系数的计算
在实际工作中，对于污垢系数的选用，有三套标准：一种标准为用户在设计换热器时就明确提出的标准数值，参考国家标准，针对工业用水、循环冷却水和洁净自来水分别提出污垢系数要求；第二种为项目技术人员提出的标准，由于担心换热器运行时传热性能达不到要求，故将污垢热阻提得很大；第三种为换热器设计单位提出的参考值，在以往换热器设计中，用户一般习惯不提污垢热阻的要求，在换热器设计计算过程中不考虑污垢热阻的影响，只在最后取传热系数时取 0.85 的系数（即取计算值的 85%）作为考虑污垢热阻后的最终传热系数。

对于实际选用的污垢系数标准是否合理，下面以常用的一种冷却元件做一个计算比较，以便共同探讨：
设定一，气侧换热系数hk=65.5 W/(m2.℃)，水侧换热系数hl=7353 W/(m2.℃)，肋化系数ψ=19.7，换热管壁厚δ=0.001m，换热管导热系数λ=39W/(m2.℃)，气侧污垢系数 rk=0，水侧污垢系数rl=0，计算换热器传热系数 K，代入各数值计算：
设定二，气侧污垢系数rk=0，水侧污垢系数rl=0.000172m2.℃/W(洁净自来水时所取的污垢系数)，其余条件与设定一样，代入计算：
设定三，气侧污垢系数rk= 0.000172m2.℃/W（常压空气），水侧污垢系数rl=0.000172 m2.℃/W(洁净自来水时所取的污垢系数)，其余条件与设定一样，代入计算：
比较设定一和设定二，不难得出水侧取污垢热阻后的传热系数是没有考虑污垢热阻时的传热系数的 0.85 倍，比较设定一和设定三，可知气侧和水侧都取常规污垢热阻时的传热系数是没有考虑污垢热阻时的传热系数的 0 . 8 4 倍，这说明原来习惯上取的 0.85 的系数是合适的，同时还说明我们管片式热热器计算中气侧的污垢热阻比水侧的污垢热阻对传热系数的影响小，气侧污垢热阻对总体传热系数的影响可以忽略不计，也就是说管外污垢热阻比管内污垢热阻的影响小。

这就说明在过去我们常规设计中，取 0.85 倍的传热系数是得当的和可行的, 也是考虑污垢热阻时最简便的一种经验方法了。

二污垢对传热的影响
近几年随着我国换热器行业产品的快速发展，换热器产品使用条件和换热器产品客户发生了根本的改变，用户对换热器产品设计提出了更高、更严、更具体的要求，如产品压力、面积、体积和工艺介质方面都与以往大不相同。

最明显的一点，用户在水的污垢热阻都提出了更明确的要求，明确提出水的污垢热阻是 0.000344 m2.℃/W（是原来洁净自来水的2倍，这一般是用户的最低要求）、0.0004 m2.℃/W，有的甚至提到了0.0005 m2.℃/W。

气侧一般是压缩空气，用户一般没有明确提出要求，但按《换热器原理及计算》书中明确规定其污垢热阻0.000344m2.℃/W。

从这些数据看出污垢系数是常规产品污垢系数的 2 倍，甚至 3 倍，这样，就会让人对以往那种对污垢系数的考虑方法是否适用和得当发生疑问。

为此，仍拿上面的一种冷却元件来做计算比较：
设定四，气侧污垢系数rk=0，水侧污垢系数rl=0.000344m2.℃/W，其余条件与设定一一样，代入计算：
与设定一比较，设定四的传热系数是设定一传热系数的0.73 倍；设定五，气侧污垢系数rk=0，水侧污垢系数rl=0.0004m2.℃/W，其余条件与设定一一样，代入计算：
与设定一比较，设定五传热系数是设定一传热系数 0.70 倍；设定六，气侧污垢系数rk=0，水侧污垢系数rl=0.0005m2.℃/W，其余条件与设定一一样，代入计算：
与设定一比较，设定六传热系数是设定一传热系数 0.65 倍；设定七，气侧污垢系数rk= 0.000344m2.℃/W，水侧污垢系数 rl=0，其余条件与设定一样，代入计算：
与设定一比较，设定七传热系数是设定一传热系数 0.98 倍；设定八，气侧污垢系数rk= 0.000344m2.℃/W，水侧污垢系数 rl=0.000344，其余条件与设定一样，代入计算：
与设定一比较，设定八传热系数是设定一传热系数 0.72 倍；与设定四比较，设定八传热系数是设定四传热系数 0.99 倍；设定九，气侧污垢系数rk= 0.000344m2.℃/W，水侧污垢系数 rl=0.0004，其余条件与设定一样，代入计算：
与设定一比较，设定九传热系数是设定一传热系数 0.69 倍；与设定五比较，设定九传热系数是设定五传热系数 0.99 倍。

从上面几种污垢热阻组合计算比较，可以看出水侧取不同污垢热阻时，对传热系数的影响是不同的，并且都超过了原来的0.85的系数，当水侧污垢系数rl= 0.000344m2.℃/W 时，系数变为 0.73；当水侧污垢系数rl=0.0004m2 .℃/W 时，系数变为0.70；当水侧污垢系数rl=0.0005m2.℃/W时，系数变为 0.65；总之水侧的污垢热阻大大削弱了传热性能。

套片式换热器气侧污垢系数改变时，传热系数变化不大，也就是说气侧污垢热阻对传热系数影响仍然可以忽略不计。

显而易见，可知现在设计计算中仍按原来取 0.85 系数计算方法是不适用的，而应该在换热器设计中根据具体不同的污垢系数具体计算。

因此，在换热器设计中必须考虑由于污垢热阻使传热削弱的补偿措施，如加大流速、总平均温差或传热面积等。

这样，在换热器设计中，如何考虑污垢的影响，往往成为换热器设计成败的关键因素。

三选用污垢系数
了解了污垢对传热的影响，在产品设计中，到底取多大的污垢热阻是合理的？有人认为选取较大的污垢热阻比较可靠，其实这往往会带来更严重后果，因为在传热量一定的条件下，势必要加大传热面积或总平均温差，从而增加换热器成本。

而传热面过大会导致热流体出口温度过低、冷流体出口温度过高，这不仅影响工艺要求，而且有时在运行中为避免此结果常将介质流速降低、致使壁面温度上升，这样反而促使污垢更迅速地增长；同样平均温差过大，就要求提高热介质温度或降低冷却介质温度，导致介质与壁面的温差加大，结果也是促使污垢增长，特别是沸腾蒸发受热面，温差过大有可能出现膜态沸腾，不仅使传热大为削弱、污垢迅速发展，甚至会使传热面过热毁坏。

此外，多孔的沉积物还会起到腐蚀剂的作用，在壁温高时会加速金属的腐蚀；结垢物质还会在金属表面上形成氢或氧的浓差电池导致“垢下腐蚀”。

恰当选用污垢系数涉及物理和经济两个因素。

物理上考虑的因素有：流体和沉积物的性质。

流体温度管壁温度；管壁材料和光洁度；物体流速以及清洗周期。

经济上应考虑的因素有：换热器生产成本；费用随尺寸而变动的情况；必要的清洗周期；清洗费用，包括生产损失在内；折旧费；税率；正常维修费用；输送泵费用及能耗；要求的投资回收期。

最佳的设计污垢热阻应在技术经济比较中使初投资折旧费（随污垢热阻增加而增加）与清洗和停运费用（随污垢热阻增加而减少）所构成的费用总额为最小。

由于缺少换热器在实际使用过程中的结垢情况数据，建议各生产厂家切实做好产品售后服务跟踪，特别是要通过多渠道，多方式收集结垢数据。

这样才能在今后的换热器设计工作中设计出更好、更有竞争力的换热器产品。