簡述換熱器污垢增長性研究

宋俊麒

摘? 要：換熱器污垢是指流體中的組分或雜質在與之相接觸的換熱表面上逐漸積聚起來的一層固態(tài)物質。它廣泛存在于化工、動力及制冷等工程技術領域的各種換熱設備中。污垢在換熱器表面的沉積能造成傳熱惡化，使壁溫升高、影響傳熱效果、降低生產效率。此外，污垢的沉積還會使流體的流通截面積變小，增大流動阻力。本文從換熱器的結構出發(fā)，由套管式換熱器的傳熱計算入手，設計了套管式換熱器實驗臺，旨在通過實驗臺對污垢沉積特性曲線進行測定，研究出良好的水質穩(wěn)定劑，抑制結垢。

關鍵詞：換熱器;污垢;實驗臺位;水質穩(wěn)定劑

引言：

換熱器是化工生產中廣為使用的設備之一，據(jù)調查90%以上的換熱設備都存在不同程度的污垢問題。污垢是指在與不潔流體相接觸的固體表面上逐漸積聚起來的那層固態(tài)物質，它通常是以混合物的形態(tài)存在;是熱的不良導體，其導熱系數(shù)一般只有換熱面主要用材碳鋼的十分之一，和銅等熱的良導體相比，差別就更大了。由于污垢的存在，使換熱設備的傳熱能力降低，介質流體阻力增大，由此而造成了一系列的經(jīng)濟損失。因此，在實際生產中如何減少污垢的形成，如何行之有效地除去污垢，越來越引起人們的重視。因此，在換熱器的設計、使用中如何防垢、抑垢、除垢就顯得非常重要。

1.換熱器概述

傳熱設備簡稱為換熱器，它將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。廣泛應用于企業(yè)供暖、制冷，輕工等行業(yè)的一種通用設備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量;另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實踐中有時也會存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質上的區(qū)別。

2.換熱器設計

本文擬對循環(huán)水換熱器結垢過程中熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素的影響大小進行實驗研究，揭示出循環(huán)水結垢過程中不同污垢濃度和流動速度條件下的加速污垢數(shù)據(jù)，以及熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素與污垢沉積率和污垢層的增長間的相關性。故選擇的換熱器需要有足夠的換熱系數(shù)、管徑、管長等，通過大量的校核計算，選擇合適的換熱器參數(shù)，如下為1m鋼管的計算。

3.換熱器污垢生長速率與污垢導熱系數(shù)的測試原理

本文擬對循環(huán)水換熱器結垢過程中熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素的影響大小進行實驗研究，揭示出循環(huán)水結垢過程中不同污垢濃度和流動速度條件下的加速污垢數(shù)據(jù)，以及熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素與污垢沉積率和污垢層的增長間的相關性。通過對污垢的幾個積累過程：起始、輸運、附著、剝蝕的試驗測試，探索換熱器污垢的沉積、形成機理，計算換熱器壁面在運行條件下污垢厚度，并通過理論研究，分析污垢沉積率和污垢層的增長情況。

4.數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是研究換熱器流道內傳熱與流動狀態(tài)的必備手段，本項目的一個研究內容是將理論分析、工程分析模型及預測試驗公式結合起來對換熱器內結垢進行數(shù)值模擬，用試驗數(shù)據(jù)進行校正，利用數(shù)值計算結果[14]，分析換熱器壁面換熱特性及流動特性之間的關系。模擬換熱器較多，空間密度上已經(jīng)較為擁擠，故支撐盡量簡化，由4根木材做橫梁支撐7個換熱器，橫梁由4個pvc材料做的支撐固定，循環(huán)水總管由角鋼焊接的鋼架支撐，如下圖所示：

6. 數(shù)據(jù)處理

6.1流動阻力系數(shù)

6.2污垢厚度

由于本模擬裝置中測試段管外的換熱為自然對流換熱，被帶走的熱量很少，因此， （流體出口溫度）和 （流體入口溫度）的差別很小，這給實驗帶來了很大的難度，無法計算熱平衡，所以，我們采用稱重法測量污垢厚度，即用分析天平分別測量清潔試驗段和污垢試驗段的質量，測量污垢厚度。

（1）實驗前將實驗段管道清洗干凈，干燥并在室溫的條件下，進行實驗段管道的稱重，質量為 ;

（2）通過一定時間周期 后，取出實驗段管道，干燥，在室溫條件下稱重，質量為 ;

（3）污垢厚度（假設污垢在管內壁均勻沉淀）

（4）單位時間內污垢在管內壁的沉積量：

（5）3 污垢層的導熱系數(shù)

整個實驗要測量的溫度有 。在實驗前將實驗段管道清洗干凈，實驗室只監(jiān)測實驗段管道，這樣就可以有效的測出污垢熱阻及其生長狀況。污垢的厚度與流速有直接關系。這可通過一定時間周期污垢平衡厚度隨流速的變化特性的實驗，獲得不同流速下的污垢平衡狀態(tài)的厚度。污垢沉積隨時間的變化關系，可通過實驗運行時間采用一定的周期測試，在實驗臺后期由于污垢已經(jīng)趨于穩(wěn)定，污垢變化較緩慢，驗證污垢換熱器內污垢沉積隨時間的變化，并按預計模型公式擬合出污垢沉積隨時間的變化曲線

參考文獻

[1]? 陸博福 李學臣 楊麗，不銹鋼換熱器設計與最佳殼體結構選擇[B]。中圖分類號：TQ050.2文章編號：1673-3355（2006）01-0004-03。

[2]? 陳明堯，換熱器設計中適宜管間距的選擇方法[期刊論文]?；r刊1998年（12）卷第11期。