换热器的防垢除垢

换热器的防垢除垢

1. 换热器结垢危害

结垢是指与不洁净流体相接触而在固体表面上逐渐积聚起来的那层固态物质。结垢对换热设备的影响主要有2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Rf折算在总传热系数中。随着换热器运转时间的增加,污垢热阻Rf也在增加,从而导致总传热系数下降。总的传热系数决定了冷、热流体之间热量传递的多少,当总传热系数降到一定值时,换热器将不能满足工业生产的要求,就必须对换热器进行清洗,以除去结垢层。由换热器结垢而引起的费用增加主要来自两方面

(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,这是合理的费用投资,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①结垢使设备热交换效率大幅下降,能源消耗大幅增加,生产成本上升热交换设备中结生的污垢,随着化学成分的不同,其导热系数也有较大的差异。污垢的导热系数一般在为0.464~0.696W/(m•K),仅为钢铁导热系数的1/40~1/80。是铜导热系数的1/300。也就是说,1mm厚水垢的传热能力和40~80mm 厚钢板、300mm厚铜板差不多。由于污垢的导热系数极小,结垢会严重影响热交换设备的传热性能,使生产能源消耗量大幅度上升。国内外大量热工试验结果表明,设备传热表面积结1mm厚水垢,热交换设备就会多消耗8%~10%的能源。也就是说,1mm厚的水垢,可以使燃煤锅炉多烧10%的煤炭,从而导致工业产品生产成本费用大幅度上升。②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。由于换热器的结垢而引起的投资、运行操作和维修费用是十分巨大的。

2.换热器垢质分类

对于常用的换热器而言。根据结垢机理,我们一般将结垢分为以下几类:

(1)类析晶结垢:如水冷却系统,由于水中过饱和的钙、镁盐类由于温度、pH 等变化而从水中结晶沉积在换热器表面,而形成了水垢;

(2)粒结垢:流体中悬浮的同体颗粒在换热面上的积聚;

(3)化学反应结垢:由于化学反应而造成的同体沉积;

(4)腐蚀结垢:换热介质腐蚀换热面,产生腐蚀产物沉积于受热面上而形成污垢;

(5)生物结垢:对于常用的冷却水系统来讲,工业水巾往往含有微生物及其所需的营养,这些微生物群体繁殖,其群体及其排泄物同泥浆等在换热表面形成生物垢;

(6)凝同结垢:在过冷的换热面上,纯液体或多组分溶液的高溶解组分凝同沉积。以上的分类只是表明某个过程对形成该类污垢是一个主要过程。结垢往往是多种过程的共同作用结果,因此换热面上的实际污垢,常常是多种污垢混合在一起的。

3.影响换热器结垢的因素

(1)流体的流动速度:在换热器中,流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响,对于各类污垢,由于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著,所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在换热器的实际运行中,流速的增加将增大能耗,所以,流速也不是越高越好,应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。

(2)传热壁面的温度:温度对于化学反应结垢和盐类析晶结垢有着重要的作用,流体温度的增加一般会导致化学反应速度和结晶速度的增大,从而对污垢的沉积量产生影响,导致污垢增长率升高。

(3)换热面材料和表面质量:对于常用的碳钢、不锈钢而言,腐蚀产物的沉积会影响结垢;而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料,则不易发生结垢。换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积,表面粗糙度越大,越有利于污垢的形成和沉积。

3．换热器的清洗方法

根据清洗方法的不同,主要清洗方法为物理清洗和化学清洗。利用力学、声学、光学,电学、热学的原理,依靠外来能量的作用,如机械摩擦,超声波、负压、高压冲击,紫外线,蒸汽等去除物体表面污垢的方法叫物理清洗;依靠化学反应的作用,利用化学药品或其它溶剂清除物体表面污垢的方法叫化学清洗。如用各种无机或有机酸去除物体表面的锈迹、水垢,用氧化剂去除物体表面的色斑,用杀菌剂、消毒剂杀灭微生物并去除霉斑等。物理清洗和化学清洗都存在着各自的优缺点,又具有很好的互补性。在实际应用过程中,通常都是把两者结合起来使用,以获得更好的清洗效果。

3.1物理方法

3.1.1机械方法

(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。

(4)螺旋形弹簧在线系统在换热器管道中安装弹簧,弹簧在流体流动力的作用下,在管内旋转拉动,从而减少垢层的形成。需要指出的是,一些强化传热管如低肋管、扭带插入物等也具有减少污垢的功效。

3.1.2超声波方法

超声波防、除垢超声波是频率大于以上的声波，是一种机械振动在介质中的传播过程，其频率高，波长短。超声波装置主要由超声波发生器、传声系统和置于管道内的压电换能器等组成。超声波防垢主要是利用超声波功率声场处理液体，使液体中成垢物质在强声场作用下，理化指标和形态发生变化，使成垢分散、松散、粉碎、脱落，不易附着在管壁上，从而达到防垢、除垢的效果，改善并提高了热传导效率。

①超声波的剪切作用。由于超声波在液体、垢质和容器管壁中的吸收和传导速率不同，因而在不同介质中产生传播速度差，在液体、垢层和管壁之间形成剪切力，直接导致垢层疲劳、松动、脱落。通过超声波处理，对液体中成垢物质的特性产生了明显影响。

②超声波的空化作用。超声波能量可使被处理液体中产生大量的空穴和气泡，当这些空穴和气泡迅速湮灭时，便在特定范围内形成强大的压力峰，使成垢物质迅速被粉碎成细小的垢粒而悬浮于液体中，并且导致已形成的垢物被破碎和脱落。

③超声波的活化作用。通过超声波的作用，可提高液体和成垢物质的分子活性，使垢晶状态发生明显改变，由原来的四方晶体转变成不规则的无棱晶体，且体积只有超声波作用前的百分之一至万分之一，改变了垢晶生成和沉积的条件，降低了液体的分子表面张力，改善了流变性。

3.1.3电磁抗垢

在交变电磁场的作用下，晶体的结构和水分子的物理性能都发生了变化。

首先，在晶体结构方面，对于未处理的溶液，在换热器表面由于温度的影响而形成霞石型晶体，该晶体结构致密，且附着力强，很难清除掉。而磁场处理过的溶液，则在换热表面形成方解石型晶体，这种晶体结构松散，对壁面的附着力