在線清洗對管殼式換熱器傳熱性能的影響

董開岳

摘要：由于管殼式換熱器具有結構簡單、維修方便等優勢，通常被用作溴化鋰制冷機組中的吸收器和冷凝器。然而，管殼式換熱器也存在著諸多缺點，當換熱管內形成污垢后，會增大流體的流動阻力和熱阻，影響換熱器傳熱性能和制冷機組的性能系數。傳統清洗管內污垢的方法無法避免長期運行對換熱器傳熱性能帶來的不利影響。而膠球在線清洗可在不停機的情況下，自動清洗管殼式換熱器管內的污垢，不僅節省了勞動力成本，而且能延長換熱器的使用壽命。由于膠球在線清洗系統可以及時清除附著在換熱管表面的污垢，使換熱管表面始終保持清潔和高效換熱狀態，在制冷、化工、電力等行業得到越來越多的應用。

關鍵詞：膠球在線清洗;污垢熱阻;投球率;啟停比

引言

換熱器是大型壓縮機機組中不可缺少的換熱裝置，它的高效運行是壓縮機機組正常運行的必要條件，也是壓縮器內工藝氣體的溫度在安全范圍內的保證。在設計范圍內，換熱器的換熱效率和壽命與多種因素密切相關。其中，換熱管內外介質的組成對換熱管束的腐蝕有顯著的影響[4]。某煉化公司一臺水煤氣壓縮機換熱器，管內介質為水煤氣，管外介質為循環水。換熱器殼程溫度在30℃～120℃，管程工作溫度在20℃～40℃，工作壓力在0.2MPa～1.2MPa。該換熱器的換熱管管束在短期內（<6個月）便發生泄漏。導致泄漏的原因很多，本文從多方面分析泄漏的原因。在分析的基礎上，對介質的組成、換熱管束的清洗以及后續的實時檢測提出相應的措施，以保證換熱器工作效率及使用壽命。

1管殼式換熱器內部垢質分析

由于管殼式換熱器具有結構簡單、維修方便等優勢，通常被用作溴化鋰制冷機組中的吸收器和冷凝器。然而，管殼式換熱器也存在著諸多缺點，當換熱管內形成污垢后，會增大流體的流動阻力和熱阻，影響換熱器傳熱性能和制冷機組的性能系數。某企業研究了流速、溫度、濃度、材料表面和其他因素對減少結垢和顆粒沉積的影響[1]。傳統清洗管內污垢的方法無法避免長期運行對換熱器傳熱性能帶來的不利影響。而膠球在線清洗可在不停機的情況下，自動清洗管殼式換熱器管內的污垢，不僅節省了勞動力成本，而且能延長換熱器的使用壽命[2][3]。由于膠球在線清洗系統可以及時清除附著在換熱管表面的污垢，使換熱管表面始終保持清潔和高效換熱狀態，在制冷、化工、電力等行業得到越來越多的應用。將管道式與端蓋式兩種膠球在線清洗裝置安裝在離心式冷水機組上進行實驗測試。運行結果表明，該技術可顯著降低冷凝器的端溫差，提高電制冷冷水機組的能效比。研究表明，將膠球在線裝置用于發電廠凝汽器的循環冷卻水系統，可降低凝汽器端溫差5.2.℃左右[4][5]。通過實驗驗證了膠球在線清洗系統用于電制冷冷水機組的節能性和經濟性。

2管殼式換熱器在線清洗優化措施

2.1優化清洗工藝的選擇

打開四個換熱器面板，因為系統中溶劑含有大量雜質，設備中存在大量污物，附著在換熱器板上，板通道嚴重堵塞。抓取樣品的一部分并檢查其視覺特征：顏色為灰色和黑色，產生焦化，紋理堅硬，含有大量的油和焦炭。根據第一次清洗經驗，一般采用物理清洗方法，高壓噴水沖洗。這種清洗對焦粉、油泥等有很好的清洗效果它們不附著在板面上，但對于附著在板面上的硬污物，甚至堵塞的通道，都不能有效加固，不能達到清洗效果，也不能滿足技術要求。化學清洗劑的選用是化學清洗的關鍵，不要損傷熱置換板，還要有效溶解污物清洗。通過對樣品的分析，我們知道樣品的主要成分是FeS2。通過浸漬樣品的溶解試驗，發現硫化鐵鈍化劑可以有效地軟化粘土樣品，便于清洗。

2.2化學清洗和處置碎石的方法

拆下換熱器板，檢查沉積情況，如果換熱器板狀況嚴重，應進行化學清洗。使用化學方法清洗和去除污垢，選擇清洗液至關重要。化學清洗清洗方法適用于各種鋼。對于不銹鋼熱交換器板，使用稻草酸溶液清洗熱交換器板具有最佳的除污效果，不僅保護不銹鋼熱交換器內的帶和板，而且降低工作強度。由于草酸和熱交換器板沉積的化學反應，沉積轉化為溶解性材料，從而消除熱交換器板沉積。如果熱交換器板產生大量擠壓，則必須嚴格按照《用戶指南》中的安裝和拆卸步驟拆卸熱交換器板。將拆下的換熱器板放入水槽約50c處，加入葉酸溶液的5%用于浸泡，8～10小時打濕后取出脂肪酸溶液。搖晃--大約3小時后用4%的磷酸鈉溶液，取下熱交換器板，用高壓水槍吹它，碎石就會脫落干凈。一旦熱交換器板干燥，即可重新安裝及使用。

2.3鹽酸清洗方法

鹽酸清洗方法具備應用成本低、應用范圍廣的特征，因此在需要化學清理方法中都存在鹽酸清洗方式。鹽酸清洗方法具備剝離、溶解以及輸送的價值作用。鹽酸因對于換熱器中的碳鋼以及不銹鋼區域也會帶來基礎腐蝕，因此在利用鹽酸清洗過程中需要增添一定量的緩蝕劑，降低鹽酸清洗基本腐蝕帶來的負面影響。在進行鹽酸清洗液配置過程中，需要佩戴好相應的防護用具，注意鹽酸配置濃度，確保鹽酸清洗的效果。

2.4循環水日常管理

循環水管理素有“三分藥劑，七分管理”之說。在循環水正常運行后，在升溫、蒸發和冷卻的過程中，水質會發生變化。因此，日常運行主要根據水質變化情況進行及時調整，每天定時分析和上報。與此同時，還要對容器的腐蝕速度和結垢進行測定。將一定規格的金屬掛片安裝在循環水出口管線上的引出管中，一個月后取出稱重。根據掛片的失重情況，可判斷腐蝕速度。根據《工業循環水冷卻水處理設計規范》（GN50050-2007）規定，冷熱設備碳鋼管關閉的腐蝕速度<0.075mm/a。采用監測換熱器法，模擬換熱器的操作條件，用飽和蒸汽作介質。運行一個月后取下測算腐蝕率和黏附速率，污垢熱阻反映結構情況。要求達到《工業循環水冷卻水處理設計規范》（GN50050-2007）規定：換熱設備水側管壁的年污垢熱阻<3.44×10-4m2·k/w;水面污垢沉積速率≤20mg/cm2·月。

2.5機械清洗

換熱器的機械清洗方法主要是利用高壓射流方法進行清洗。這種清洗手段多應用于化學清洗方法應用后，對于換熱器中的碳化污垢層進行清洗處理。機械性清洗處理方法對于換熱器設備的磨損率相對較小，同時機械清洗的經濟成本相對較低。在機械清洗工作開展前，工作人員需要先進行預實驗工作，在得到合適的水壓清洗范圍后開展高壓射流清洗工作，避免過高或過低出現，清洗效果不理想或是損壞設備的問題。機械清洗方法適用于管內、管外以及外殼內壁等區域的清洗工作，在對碳鋼以及不銹鋼材料進行機械清洗過程中，需要嚴格控制水中Cl-濃度，將清洗水壓控制在5070MPa之中，避免機械清晰過程中出現不必要的財產損失。

2.6超聲波除垢法

該方法是在管程或殼程上外加一個超聲波發生裝置，通過超聲波的作用，減少污垢在設備表面的附著作用，從而大大緩解污垢的附著速度，甚至不產生結垢。這種方法效果好對保證設備的長周期動行有很大優勢，適用范圍廣，不受結構形式的限制等。缺點是一次投入高，有一定的運行成本，超聲波的設置有一定難度，超聲波存在衰減問題等。目前該方法還沒有得到廣泛應用。

結束語

通過上述分析可知，本文中換熱管材質合格，造成換熱管束短時期失效的主要原因是循環水水質的問題。因此，針對該問題提出了解決方案。首先對腐蝕嚴重的換熱管清洗。其次，對循環水水質進行阻垢緩蝕處理。在正常運行后，分別對換熱管的腐蝕和循環水的水質進行監控。保證換熱器在設計工況下進行運行的同時，定期進行清洗以使換熱器達到高效換熱并延長使用壽命。

參考文獻

[1]，換熱器板片高效便捷式清洗架的研發及產業化.安徽省，安徽普瑞普勒傳熱技術有限公司，2019-12-04.

[2]胡松，張孝光，王建民.原油加熱器（有機酸）在線清洗可行性研究[J].天津科技，2018，45（12）：29-30+33.

[3]梁光遠，劉水清，徐濤忠.MJTR主熱交換器清洗時間的估算[J].核動力工程，2018，39（S2）：121-123.

[4]代峰燕，陳遠清，畢洪磊，王冰，李哲.換熱器管程清洗自動控制系統研究[J].北京石油化工學院學報，2018，26（04）：53-57.

[5]林雪銀.膠球在線清洗對管殼式換熱器傳熱特性的影響研究[D].天津大學，2018.

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