摘要：热交换器的污垢问题是国民经济众多产业和部门急需解决的问题，也是传热学界未彻底解决的主要问题之一。在工业生产中，由于热交换器污垢的影响，使其传热效率降低，严重的还会引起传热面污垢下腐蚀、穿孔以及泄漏，造成设备安全可靠性下降，可能引起巨大的经济损失。深入研究热交换器污垢形成机理以及污垢形成的影响因素，对热交换器污垢的防治和清除、提高热交换器的传热效率和安全性、增加热交换器的使用寿命以及节能降耗具有重要的意义。
关键词：热交换器；防垢；措施
换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，在石油、冶金、轻工、机械等行业得到广泛的应用。然而，换热器存在不同程度的污垢问题，污垢是指在与流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的固态或软泥状物质，通常以混合物的形态存在。由于污垢的存在，使换热器的传热效率降低，严重时传热面腐蚀、穿孔、泄漏，设备安全可靠性下降，造成巨大的经济损失。因此，研究换热器的结垢机理及防治对策引起了各国的关注。
一、污垢的形成机理
换热器污垢的形成是一个非常复杂的物理、化学过程，是质量交换、热量交换和动量交换的综合效应。影响污垢沉积的因素很多，如流体性质、壁温、流体与壁面的温度梯度、壁面材料、表面粗糙度、流体流速、湍流强度、流体与壁面的剪切力、污秽物质粒子的形状、组成、浓度、粒径分布、作用域粒子的热、电磁和引力等，因此污垢的理论研究难度较大。虽然有学者从事这方面的研究，[2]对水溶液中矿物质离子在换热表面的结垢过程及对换热性能的影响进行试验研究，实验测量了换热表面的换热系数，得到换热面的结垢变化规律，考察了各种因素对结垢过程的作用和影响，分析了结垢过工程的工作机理。结果表明：换热面的温度及流体温度是结垢现象的主要影响因素，且工质硬度增加，也促使结垢过程加速进行。通过实验测得CaCO3 在铜、铝、不锈钢和渗铝钢四种材料和不同运行工况下的结垢过程，比较分析了材料表面、浓度、流体温度及流速对污垢成垢过程的影响，得出了材料表面能、温度、流速和浓度是影响污垢过程的主要因素的结论。但至今污垢形成的机理仍未达成共识。所有各类污垢的形成一般都经历起始、输运、附着、剥蚀和老化等阶段。
二、热交换器污垢类型及成因
结垢是一个复杂的物理化学过程，根据不同的物理化学过程对污垢进行分类，了解各种成分污垢的成因，才能针对不同类型的污垢采取相应的防治和清除措施，这对于热交换器污垢清洗的研究尤为重要。按照污垢形成的主要物理化学过程，污垢可分为以下类型。
1、析晶污垢。析晶污垢是指过饱和的流动溶液中溶解的无机盐析出在换热面上的结晶体，在热交换器内部附着于换热管表面上的一层不溶性盐类就是析晶污垢，具有质地坚硬、厚实以及结晶紧密的特点，又可称之为水垢。生成水垢的不溶性盐类通常包括碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙及硅酸镁，其中最常见的是碳酸钙。这些不溶性盐的形成原因：①这些盐类的溶解度很低，并且随着温度的升高而降低。在热交换器表面上，它们很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出，特别当水流速较低和传热表面较粗糙时，这些结晶沉淀物就会沉积在传热表面上。②一般冷却水中溶解有大量极不稳定的碳酸氢钙、碳酸氢镁，在循环冷却水降温蒸发、换热管表面温度升高、冷却水的PH值上升等条件下极易形成碳酸盐，从而也使水垢源源不断地生成。
2、颗粒污垢。颗粒污垢是指悬浮在流体中的固体颗粒在换热面上的积聚，这种污垢包括较大固体粒子在水平换热面上的重力沉淀以及其他机制形成的胶体粒子沉淀物。流体中的有些物质往往是亲水性的，很容易在换热管内形成体积庞大、湿而软的污泥。污泥一般发生在冷却水系统中在制冷系统中，冷却水系统几乎都是开式系统，大气中的各种物质都有可能进入到冷却水中，随着冷却水一起循环。当流速较低时，水中的机械杂质会因重力作用而沉积成垢，久而久之就会在换热管内表面形成一层厚厚的污泥。
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三、污垢成长影响因素的分析
1、热交换器运行参数的影响
（1）流体速度。流体的流速可对传热介质的影响和机械作用力使结垢受到一定的影响，并且这个影响过程较为复杂。其实，对不同类型结垢产生，流体的流速在影响方面是不同的，不同类型换热设备结构影响程度在这方面也是不相同的。
（2）温度和温差的影响。影响结垢程度的关键参数是流体和污物之间的界面温度，决定该界面温度的是流体温度及其传热数。对于化学反应污垢对主要化学反应的影响上主要体现在温度对其的影响。一般时候，污垢的增长率越大温度就越高。沉积率和剥蚀率共同决定污垢的增长率。其他各项参数较稳定的污染流体，对于常壁热流加热方式会使污垢表面温度恒定，也让污垢沉积率均匀而稳定。污垢层越厚污垢表面温度越低，是在常壁温加热的方式下，污垢的沉积率才能降低，经过一段时间后污垢增长率在剥蚀过程的共同作用下趋于某一值。结垢过程不但受到温度的影响，而且更为重要的是受壁温和溶液温度间温差的影响，一般情况下，热流密度与温差结果基本成正比。为了达到较大的热流密度需要大的温差，在工业过程中也相应有一个大的浓度差。操作条件的选择和结垢的形成是受饱和浓度随温度变化关系的直接影响，并且有可能出现各种各样的情况。
2、热交换器结构参数的影响
（1）热交换器材料。换热面材料的影响体现在表面能的影响、界面缺陷的影响、表面形态对诱导期的影响３个方面，其中表面能是指为了评价起始阶段内表面材料对污垢特性的影响而必须考虑的影响污垢组分和界面相互作用的一个重要参数。
（2）换热面粗糙度。不同污垢的诱导期都随换热面粗糙度的增加而减小，这是由于凸出部分有利于成核、吸收和表面化学活性的增加，而凹下部分则为沉积物提供了避开流体冲刷的场所，这两个方面都使污垢便于沉积。表面粗糙度的增加有利于剥蚀的进行，可作为对污垢沉积率和剥蚀率的影响因素之一。
3、流动介质性质对污垢所产生的影响。流体本身的性质和不溶于流体或被流体夹带的各种物质是流体性质对污垢的影响。流体含有的无机物颗粒会引起颗粒沉积结垢是在燃气过程中，发生反应或因漏入的氧气引发反应为流体内部成分，部分流体中含有的微量元素如钒、铬可起催化作用，从而产生难以预测的反应。水质特性对污垢沉积起关键作用是在冷却水系统和蒸汽发生器水测。因温度或浓度的变化而结晶时是因为流体中含有盐或其他物质。另外水中的不溶解气体会影响金属表面的腐蚀是一个因素，水中的微生物和养分含量对生物污垢也具有一定的影响，并且流体中固体物质的浓度和粒径对污垢特性也是一个影响因素。流体中固态物质的粒子直径影响粒子运输而且还影响粒子的附着过程和剥蚀过程。导致粒子附着力减小、剥蚀力增大是受粒子增大的原因。污垢层比较疏松，易于被剥蚀的是粒径大的粒子。
热交换器污垢的形成受到热交换器结构参数的影响，这就要求在热交换器设计过程中，在综合考虑热交换器传热性能、耐腐蚀性能、使用寿命等方面的情况下合理选择热交换器材质，在综合考虑结垢率和剥蚀率的情况下选择合适的换热面粗糙度或者采用表面涂层等措施，并尽量选择板式热交换器或螺旋管热交换器等抗垢性能较好的结构类型。此外，热交换器工作时应尽量采用较高流速，并合理调整温度分布和介质浓度，尽可能避免形成适合污垢生长的环境。
参考文献：
[1]杨善让，等.污垢阻动态模拟自动监测装置及其应用[J].工程热物理学报，2013，22（S1）：12.
[2]孙灵芳.污垢在线监测技术不确定性的时间序列法分析[J].热科学与技术，2013，2（3）：29.
[3] 孔庆军.污垢热阻实验装置的开发及珠江水污垢热阻实验研究[D].广州：华南理工大学，2012.
论文作者:郭宇,陈海芳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/11
标签：污垢论文; 热交换器论文; 流体论文; 温度论文; 换热论文; 过程论文; 粒子论文; 《电力设备》2018年第21期论文;