简述换热器污垢增长性研究

宋俊麒

摘  要：换热器污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐积聚起来的一层固态物质。它广泛存在于化工、动力及制冷等工程技术领域的各种换热设备中。污垢在换热器表面的沉积能造成传热恶化，使壁温升高、影响传热效果、降低生產效率。此外，污垢的沉积还会使流体的流通截面积变小，增大流动阻力。本文从换热器的结构出发，由套管式换热器的传热计算入手，设计了套管式换热器实验台，旨在通过实验台对污垢沉积特性曲线进行测定，研究出良好的水质稳定剂，抑制结垢。

关键词：换热器;污垢;实验台位;水质稳定剂

引言：

换热器是化工生产中广为使用的设备之一，据调查90%以上的换热设备都存在不同程度的污垢问题。污垢是指在与不洁流体相接触的固体表面上逐渐积聚起来的那层固态物质，它通常是以混合物的形态存在;是热的不良导体，其导热系数一般只有换热面主要用材碳钢的十分之一，和铜等热的良导体相比，差别就更大了。由于污垢的存在，使换热设备的传热能力降低，介质流体阻力增大，由此而造成了一系列的经济损失。因此，在实际生产中如何减少污垢的形成，如何行之有效地除去污垢，越来越引起人们的重视。因此，在换热器的设计、使用中如何防垢、抑垢、除垢就显得非常重要。

1.换热器概述

传热设备简称为换热器，它将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递，又称热交换器。广泛应用于企业供暖、制冷，轻工等行业的一种通用设备。在换热器中，至少有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量;另一种流体则温度较低，吸收热量。在工程实践中有时也会存在两种以上的流体参加换热，但它的基本原理与前一种情形并无本质上的区别。

2.换热器设计

本文拟对循环水换热器结垢过程中热流密度、流体温度、换热面温度以及循环水流速，溶液的pH值等因素的影响大小进行实验研究，揭示出循环水结垢过程中不同污垢浓度和流动速度条件下的加速污垢数据，以及热流密度、流体温度、换热面温度以及循环水流速，溶液的pH值等因素与污垢沉积率和污垢层的增长间的相关性。故选择的换热器需要有足够的换热系数、管径、管长等，通过大量的校核计算，选择合适的换热器参数，如下为1m钢管的计算。

3.换热器污垢生长速率与污垢导热系数的测试原理

本文拟对循环水换热器结垢过程中热流密度、流体温度、换热面温度以及循环水流速，溶液的pH值等因素的影响大小进行实验研究，揭示出循环水结垢过程中不同污垢浓度和流动速度条件下的加速污垢数据，以及热流密度、流体温度、换热面温度以及循环水流速，溶液的pH值等因素与污垢沉积率和污垢层的增长间的相关性。通过对污垢的几个积累过程：起始、输运、附着、剥蚀的试验测试，探索换热器污垢的沉积、形成机理，计算换热器壁面在运行条件下污垢厚度，并通过理论研究，分析污垢沉积率和污垢层的增长情况。

4.数值模拟

数值模拟是研究换热器流道内传热与流动状态的必备手段，本项目的一个研究内容是将理论分析、工程分析模型及预测试验公式结合起来对换热器内结垢进行数值模拟，用试验数据进行校正，利用数值计算结果[14]，分析换热器壁面换热特性及流动特性之间的关系。模拟换热器较多，空间密度上已经较为拥挤，故支撑尽量简化，由4根木材做横梁支撑7个换热器，横梁由4个pvc材料做的支撑固定，循环水总管由角钢焊接的钢架支撑，如下图所示：

6. 数据处理

6.1流动阻力系数

6.2污垢厚度

由于本模拟装置中测试段管外的换热为自然对流换热，被带走的热量很少，因此， （流体出口温度）和 （流体入口温度）的差别很小，这给实验带来了很大的难度，无法计算热平衡，所以，我们采用称重法测量污垢厚度，即用分析天平分别测量清洁试验段和污垢试验段的质量，测量污垢厚度。

（1）实验前将实验段管道清洗干净，干燥并在室温的条件下，进行实验段管道的称重，质量为 ;

（2）通过一定时间周期 后，取出实验段管道，干燥，在室温条件下称重，质量为 ;

（3）污垢厚度（假设污垢在管内壁均匀沉淀）

（4）单位时间内污垢在管内壁的沉积量：

（5）3 污垢层的导热系数

整个实验要测量的温度有 。在实验前将实验段管道清洗干净，实验室只监测实验段管道，这样就可以有效的测出污垢热阻及其生长状况。污垢的厚度与流速有直接关系。这可通过一定时间周期污垢平衡厚度随流速的变化特性的实验，获得不同流速下的污垢平衡状态的厚度。污垢沉积随时间的变化关系，可通过实验运行时间采用一定的周期测试，在实验台后期由于污垢已经趋于稳定，污垢变化较缓慢，验证污垢换热器内污垢沉积随时间的变化，并按预计模型公式拟合出污垢沉积随时间的变化曲线

参考文献

[1]  陆博福 李学臣 杨丽，不锈钢换热器设计与最佳壳体结构选择[B]。中图分类号：TQ050.2文章编号：1673-3355（2006）01-0004-03。

[2]  陈明尧，换热器设计中适宜管间距的选择方法[期刊论文]。化工时刊1998年（12）卷第11期。