换热器内结垢特性研究进展

殷小明* 陈 艺 宋友立 王 克

（上海市特种设备监督检验技术研究院）

0 前言

换热器具有优良的换热特性、承压能力及稳定性，被广泛应用于化工、能源、炼油及食品等行业。换热器是一种使介质完成热量交换的压力容器，按照使用用途不同可以分为：热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器及加热器等；按照传递原理或传热方式不同可以分为：直接接触式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器及中间载热体式换热器[1]。大量的国内外学者对换热器的强化换热机理进行了研究，主要从扩大换热表面积、增大传热系数及提高传热平均温差等方面展开实验和模拟研究，对降低能源消耗和成本具有重大的意义。但在使用过程中，换热器也存在结垢问题，如果不及时处理，会使其换热效率降低，生产能力减弱，寿命缩短，甚至会导致设备堵塞，危害设备安全，引发安全事故。根据研究发现，90%以上的换热器都存在不同程度的结垢问题，能量被大量浪费，而且现阶段的污垢处理方式仍无法将污垢清理干净。污垢种类繁多，对换热器结垢的机理及影响因素认识不清，会导致污垢清理困难，清理成本高昂。因此，研究污垢成因和换热器结垢的影响因素对于研究除垢技术具有重大的意义。由于换热器用途广泛，其结垢机理也较为复杂，本文从污垢成因、换热器介质、换热器的结构及流体流动特性等几个方面综述了国内外学者的研究现状，可为换热器的设计、使用及除垢过程提供新思路。

1 污垢形成机理及特性

污垢是指因使用一段时间后在流体相接触的界面沉积或剥蚀后形成一层固态或软泥状的物质。目前因换热器使用场合不同，其中的介质也不同，结垢类型也较为多样。Epstein[2]在国际传热会议上根据污垢形成的原因将污垢分为七种类型，分别为：析晶污垢、腐蚀污垢、生物污垢、颗粒污垢、化学反应污垢、凝固污垢和混合污垢。该分类方法一直延用至今。其中，常见的换热器污垢类型主要包括析晶污垢、生物污垢、腐蚀污垢及颗粒污垢。国内外学者对这四类污垢的形成机理及特性进行了相关研究。

1.1 析晶污垢

析晶污垢主要是硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐等溶解性盐在流动过程中由于热表面温度降低导致溶液过饱和，而溶液在换热器管壁析出，从而形成紧密坚实的污垢。结晶污垢的机理通常包括两个主要步骤:离子从散体流体输送到附近的表面，以及使污垢附着到设备表面[3]。析晶污垢的主要影响因素是溶液的过饱和度，溶液过饱和推动了溶液里面的溶解性盐在换热器内表面形成污垢。当溶液饱和浓度越大，溶解的溶质越多时，晶体析出的推动力也越大，而当溶液变为不饱和时，析出的溶质也多，越易在换热器表面形成污垢[4]。污垢的形成增大了换热器内部通道流动的阻力，降低了换热器换热传递效率。结晶污垢的硬度高，密度大，附着力强，热阻大，物理清洗较困难。

杨传芳等[5]研究发现，随着Ca2+、CO32-离子浓度不断增大，析晶污垢热阻先增大，达到最大值后又下降。当溶液中Ca2+和CO32-离子浓度增大到一定程度后，溶液的过饱和度较大，使得CaCO3在溶液中结晶析出，析出的晶粒为更多的籽晶形成创造了条件，使得CaCO3在溶液中二次成核结晶，但前驱结晶到达壁面形成污垢的粒子减少，导致壁面上CaCO3沉积速率降低，析晶污垢形成较慢。

徐志明等[6]采用数值模拟研究了圆管内CaSO4的析晶污垢形成过程，含钙离子的无机盐是逆溶解度的微溶盐类，CaSO4饱和质量浓度随温度升高而降低。在该模型中，圆管被加热，因此管壁温度高于圆管的中心温度，CaSO4在壁面的溶解度最低，易在管壁表面析出形成污垢。在质量浓度梯度的驱动力作用下，Ca2+、S离子不断从高浓度输送到低浓度析晶结垢，但随着污垢逐渐增多，沉积的污垢会导致温度梯度减小，反而影响污垢的沉积率。

Basim 等[7]通过实验研究了热饱和Na2SO4溶液在装有冷水的横流管式换热器中换热产生结晶污垢的形成过程。结果发现，降低管道内表面温度会增加析晶污垢的厚度，而增大管道的内表面温度有利于去除污垢。冷水侧的雷诺数增大，表面温度降低，析晶结垢量将会增加；而热盐溶液侧的雷诺数增大，管内表面温度升高，析晶污垢将会减少。同时也发现，当热盐类侧的雷诺数较高时，晶体层将会受到流体剪切力的侵蚀。

1.2 生物污垢

未经处理的海水、河水或湖水常被用于进行热量交换和传递，但这些循环水中普遍存在微生物，如细菌、真菌及藻类等。在合适的条件下，微生物繁殖及排泄时形成的黏膜在管壁面附着、沉积后形成污垢，这层膜状软泥层会阻碍热量传递，同时膜状软泥层为细小颗粒物及无机盐沉积创造了条件。微生物的种类繁多、生命力顽强、繁殖速度快且分布范围广，给相关学者研究换热器内生物结垢的特性及除垢技术带来了较大困难。

Melo 等[8]通过实验研究了冷却水中多种微生物在换热器表面的生长、发展及形成生物膜的机理，分析了相关因素对生物膜的稳定及增长的影响。Swee等[9]采用实验方法证实了生物污垢形成初期过程的机理，发现在换热器表面，大量的多糖聚积形成生物凝胶，进而一些大分子进一步附着在换热器表面，形成生物污垢。马金军[10]对管式换热器上污垢种类进行了研究，制备了两种常见的微生物:黑曲霉菌和枯草芽孢杆菌，并从污垢的特性、污垢热阻以及外部条件对污垢生成速率的影响进行了研究。Sun 等[11]通过实验研究了铁细菌、黏液菌及硫酸盐还原菌形成的微生物污垢的机理及特性，为抑制微生物污垢提供了方法。

1.3 腐蚀污垢

在使用过程中，换热器表面发生化学腐蚀，从而产生沉积形成污垢。腐蚀污垢极易被流动的液体冲刷，导致壁厚减薄泄漏，危害极大。腐蚀主要包括化学腐蚀和电化学腐蚀。

陈维等[12]对丙烯腈生产装置反应气体冷却器的管板和换热管束端口的腐蚀处进行取样分析，发现管壁减薄位置位于管束结垢处，喷射固体颗粒含有（NH4）2SO4，在高温环境下会分解出SO2，SO2与O2及水蒸气反应生成H2SO4，易在设备表面形成露点腐蚀，同时Fe 与H2SO4发生析氢腐蚀，生成FeSO4，加快了该腐蚀过程。

衡世权等[13]对腐蚀污垢的机理、数学预测模型及其防治措施进行了详细介绍，建立了腐蚀污垢沉积过程的数学模型，并得出了腐蚀热阻的变化率主要取决于溶液中溶解氧到换热器表面输送率及腐蚀反应对氧的消耗速率的结论。

1.4 颗粒污垢

换热流体中存在不溶性杂质颗粒、异相成核颗粒、均相成核颗粒及换热壁面剥蚀产生的颗粒，在重力和碰撞作用下附着在换热器表面形成一层固体沉积物。颗粒污垢的附着力小，集中在壁面的层流区域，且易聚积在表面粗糙处。通常颗粒污垢沉积会增加析晶结垢的成核点数量，促进换热面析晶污垢产生，也会使生物在此聚集、生长及繁殖，形成生物污垢，颗粒污垢促使多种污垢并存、紧实且难以去除。

汤振博[14]对螺纹管内颗粒污垢沉积的过程进行了研究，对现有的沉积模型进行了改进，并提出了新的沉积模型，其中新增了压力梯度力、虚拟质量力及热泳力，以便于对颗粒污垢沉积场进行分析。Beal[15]通过实验研究了颗粒污垢的形成过程，总结得出颗粒污垢沉积的主要机理包括：颗粒的布朗运动、湍流扩散、重力或惯性力，页颗粒的沉积速率与流体介质黏性、速度有关。Watkinson[16]通过实验研究了颗粒污垢与换热管内表面结构的关系，开展一些高浓度的颗粒在抗污性能差和抗污性能强的内表面结构中的结垢实验。

孙奥迪[17]采用数值模拟方法，研究了板翅式换热器颗粒污垢的成长特性，并对板翅式换热器的颗粒污垢进行预测，发现颗粒的沉积特性前期与换热面的物理性质有关，但随着换热面被颗粒污垢覆盖，换热面结构性质被改变，进而影响后续颗粒的沉积过程。当介质流速较低时，小颗粒热扩散运动明显，大颗粒重力沉降现象明显。在热泳力作用下，相同的颗粒在冷通道的最大沉积速率大于热通道中的沉积速率，流速对不同粒径的颗粒沉积影响效果不同。

目前，换热器内常见的几种污垢类型都需经历诱导期、生长期、发展期及沉积、聚积期，然后在换热器表面形成污垢，从而影响换热效率。从国内外研究结果可以发现，目前研究学者大多研究单一的污垢特性或者将几种污垢沉积特性简单叠加，而未对混合污垢的形成机理、特性及对换热器换热效率进行深入的理论和实际研究。且各种污垢的形成机理不同，污垢的特性差异也较大，例如析晶污垢附着力强，污垢紧实，而颗粒污垢附着力小，易聚积在粗糙表面，生物污垢形成的生物黏膜黏性强，而腐蚀污垢易被冲刷，导致换热表面壁厚减薄。因此，研究影响换热器结垢的因素对强化换热及除垢具有重大意义。

2 换热器结垢影响因素

换热器种类繁多，使用范围广泛，其结构相对复杂，换热介质也存在较大差异。对影响换热器结垢的因素进行研究，可以有效减少换热器换热表面结垢现象。污垢类型不同，其特性及形成的机理有也有较大差异。从换热器结构、换热器介质及换热器内流体流动特性三个方面，综述了国内外学者对换热器内结垢因素的研究，为减缓换热器结垢提供思路和方法。

2.1 换热器结构

根据污垢形成的机理可知，换热器表面越光滑，污垢越不易沉积，表面越粗糙，越有助于微生物附着及颗粒污垢沉积。换热器的结构参数不同，导致流体形态也存在差异，从而影响换热器的换热效果。

任智宏等[18]通过实验研究弓形流板换热器、平面螺旋折流板换热器及折面螺旋折流板换热器的流动换热特性后发现，折面螺旋折流板换热综合性能表现最好，其次是平面螺旋折流板换热器，最差的是弓形流板换热器。折面螺旋折流板换热器的压降小，内部流动沿程阻力和局部阻力小，流体对管壁的冲击小，局部结垢和腐蚀情况减弱，有利于换热器平稳运行。Teng 等[19]研究了不同换热器管壁材料对结垢情况的影响，管壁材料分别选用了铜、铝、碳钢、黄铜和不锈钢等。相同条件下，铜材料的管壁上污垢沉积量最大，不锈钢管壁上的污垢沉积量最小，其他管壁材料的污垢沉积量大小依次为：铝＞碳钢＞黄铜。管壁沉积晶体的体积和结垢量的规律相同，换热器材料不同导致结垢量存在差异，这对寻找更高效的管壁材料研究提供了新方向。

郭燕妮[20]基于硫酸钙溶液的特性，对不同结构下缠绕管换热器管内结垢情况进行了分析。在传热面积相同的情况下，缠绕直径和管径越小，换热器越容易结垢，缠绕角度对管内结垢的影响较小。并与直管对比后发现，当换热面积和热通量相同时，缠绕管和直管的结垢量相差无几，虽然缠绕管的结构更复杂，但缠绕管内的二次扰流增加了碳酸钙污垢层的剥蚀程度。缠绕管内结垢量更少，抗垢能力更强，但较大的冲刷力度会导致管壁尤其拐角处壁厚减薄，增强了腐蚀结垢的程度。

于丹等[21]对螺旋槽管污垢特性及其影响因素进行了实验研究，在相同条件下，改变螺距和槽深会对螺旋槽管污垢热阻产生影响。当螺距相同时，槽深越大，螺旋槽管的渐进污垢热阻越小；当槽深相同时，螺距越大，螺旋槽管的渐进污垢热阻越大。

2.2 换热器介质

换热器介质是指换热器内流动换热的溶液，其溶液的离子浓度及类型、溶液度的酸碱度、硬度及pH都会影响换热器的结垢情况。

徐志明等[22]通过实验研究了不同阴离子对换热管内污垢特性的影响。通过改变介质浓度及溶液中的阴离子浓度，观察污垢的沉积现象。实验发现介质浓度（阴离子浓度）升高，污垢热阻的渐进值先增大后减小，换热表面结垢除了受到沉积作用影响外，剥蚀作用也会降低无机盐的浓度，使污垢热阻曲线产生交叉作用。同时Cl-离子循环水的污垢热阻小于NO3-离子的污垢热阻，这是由于Cl-离子易吸附于硫酸钙晶体表面，使得换热管表面污垢不易凝结，污垢层无法承受剥蚀。

王大成等[23]对换热设备微生物结垢过程进行了动态模拟和影响分析。溶液的pH 会影响微生物的生长过程，微生物的生长过程主要为酶促反应，酶促反应速率越快，微生物的生长速度就越快，也越易产生沉积。Fe2+和SO42-离子的含量则会影响铁细菌和硫酸盐还原菌数量，从而影响微生物污垢的形成过程。但实验仅仅考虑了微生物结垢，Fe2+和SO42-离子也会造成设备表面产生析晶污垢。

2.3 换热器内流体流动特性

流体的流动特性包括流体的温度、压力及速度等。对污垢形成的机理进行分析后发现，流体的温度对析晶结垢和生物污垢的影响较大，而流体的速度对颗粒污垢的影响较明显。目前，大量的学者对流体的温度及速度进行了实验研究。

Paakkonen 等[24]通过实验研究了碳酸钙的表面结晶和分散流体中的结晶及其对受热壁污垢速率的影响，发现表面结晶速率主要与壁温有关，表面特征控制了结垢过程。与表面晶体生长的情况相比，分散流体中的结晶显著提高了表面污垢的生长速率。

杨传芳等[25]对流动水中的CaCO3在换热器表面的结垢机理进行了实验研究后发现，控制水流动速率和进口温度时，负溶解性盐CaCO3形成的渐近污垢热阻随热通量和表面温度升高而增大。表面温度上升，使得表面不溶性盐的过饱和度增大，结垢表面反应的推动力也越大。

Ritter[26]对换热器内的硫酸锂和碳酸钙两种析晶结垢过程进行了实验研究后发现，析晶率主要跟过饱和度、表面温度及热流密度有关，尤其过饱和度对析晶结垢的影响较大，热流密度间接跟表面温度有关，当表面温度差异较大时，热流密度也相对较大。张宁[27]研究了SiO2颗粒在圆管中的结垢沉积现象后发现，流速增大时，颗粒污垢热阻的渐进值减少。Paakkonen 等[24]对析晶污垢的特性进行了研究，发现随着流体流速增大，CaCO3在受热壁表面形成污垢的速率减慢。孙奥迪[17]发现不同流速对不同粒径的颗粒沉积影响效果也不同。

从换热器结构、换热介质及流体流动特性综述了国内外相关研究的现状。换热器结构的复杂程度和材质在改善换热器换热性能的同时也会影响其结垢特性，换热器的管径、材料、折流板形状及槽深等都会对结垢量产生影响，寻找更合适的换热器结构和材质是未来的发展方向。换热器介质不同，导致换热器壁面形成的污垢类型和污垢量也不同，溶液本身的属性决定了污垢的类型，因此除垢时可以根据溶液的特性采用不同的除垢技术。流体的流动特性对结垢率和结垢类型的影响较大，也是影响设备结垢的关键因素，尤其是析晶结垢和颗粒结垢，但目前对介质的最佳流速和温度还没有进行充分研究。

3 结论

通过对换热器内结垢特性的研究现状进行综述后发现，换热器污垢类型很多，不同污垢类型形成的机理及影响因素也有差异，主要对四种常见的污垢类型的生成机理及研究现状进行了分析，同时综述了污垢特性的影响因素，并得出了以下几点结论：

（1）不同的污垢类型都需经历诱导期、生长期、发展期及沉积、聚积期，然后在换热器表面形成污垢，污垢在不同时期对管壁换热的影响也不同。目前相关研究大多针对单一污垢类型，对混合污垢的研究较少，且污垢在不同时期的特性研究也不够深入。

（2）从换热器介质、换热器机构及流体流动特性三个方面综述了影响换热器内结垢的特点，发现流体流动特性对结垢率和结垢类型的影响较大，污垢类型的差异主要是由换热器介质造成的，换热器结构和材质对不同污垢类型结垢量的影响也不同，寻找最优的换热器结构及最佳的流体速度和温度将会是下一步的研究方向。