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换热器清洗与结垢原因分析

2020-03-25

换热器是使热量从热流体传递到冷流体的设备,它在化工、炼油、动力等许多工业领域得到了广泛的应用。污垢是一种极为普遍的现象,它广泛的存在于各种传热过程中,是许多换热设备经常遇到的问题。换热器的结垢预防及清洗是急需解决的问题。污垢沉积物热阻较高,大大降低了传热速率,有时由于污垢的存在使传热面积需增加100%Il;即使是用水质较好的新鲜水冷却,一年后的污垢厚度也达2~3mm。而污垢的导热性差,是钢的1/30~1/50,因而严重地影响了换热器的传热效率。据Garrett—Price121统计,美国每年由于换热器结垢而造成的损失高达80~100亿美元以上。污垢还会引起垢下腐蚀,流体阻力加大和有效容积减少等问题。因此换热器的污垢清洗问题急需得到解决。1结垢原因结垢的原因有很多,流体速度、流体性质、流体流动状态、以及换热设备的参数等都对污垢的形成有一定的影响,所以分析结垢影响因素是一个非常复杂的工作。

从应用角度考虑,我们只有找出主要原因才能使结垢问题得到有效解决。对于特定流体而言,换热器结垢的主要原因有以下几个方面:

(1)流体的流动速度。流体的流速可通过对传热传质的影响和机械作用力使结垢受到影响,该影响过程非常复杂。事实上,流速对不同类型结垢产生的影响是不同的,对不同类型换

热设备结垢的影响程度也不相同。在换热器中,流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响,对于所有各类污垢,由于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著,所以污垢增长率随着流速的增大而减小…。但是在实际运行中,流速的增加将增大能耗,所以,流速并不是越高越好,应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。

(2)流体性质。流体的性质包括流体本身的性质和不溶于流体或被流体夹带的各种物质的特性。在冷却水系统中,水质特性对污垢沉积起关键作用,若含有盐和其他物质,可能因温度或浓度的变化而结晶等;若含有不溶解气体会影响金属表面的腐蚀;若含有微生物和养分也对生物污垢有影响。

(3)传热壁面的温度。流体温度及其传热系数决定该界面温度。化学反应速度取决于温度,生物污垢也取决于温度,流体温度的增加一般会导致化学反应速度和生物污垢速度的增大,从而对污垢的沉积量产生影响,导致污垢增长率升高。

(4)换热设备参数。

一是换热面材料:通常结垢情况与材料有很大关系。研究发现J,铜合金材料对生物污垢起抑制作用。而对于其他常用的碳钢、不锈钢而言,只是通过腐蚀产物的沉积而影响结垢,而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料,则不易发生结垢。

二是换热面状态:换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积,表面粗糙度越大,越有利于污垢的形成和沉积。三是换热器结构:经验表明,一般板式换热器和螺旋板换热器的抗垢性能要优于管壳式换热器。

2污垢的类型对于常用的换热器而言,根据结垢机理,一般将污垢分为以下几类:(1)析晶污垢:指在过饱和流动的液体中溶解的无机盐结晶而沉积于换热器的表面所形成的污垢,就称为析晶污垢。水垢是工业设备中最常见的积垢,在水冷却系统中,由于水中过饱和的钙、镁盐类由于温度、pH等变化而从水中结晶沉积在换热器表面,即形成了水垢。

(2)微粒型污垢:流体系统中悬浮的固体颗粒如砂粒、灰尘、炭黑,在换热面上的积聚而形成的污垢。

(3)化学反应污垢:加热表面与流体之间,由于自氧化和聚合反应即化学反应而造成的沉积物形成。

(4)腐蚀型污垢:由于流体具有腐蚀性或含有腐蚀性的杂质而腐蚀换热面,产生腐蚀产物沉积于换热面上而形成污垢。

(5)生物型污垢:是由微生物群体及其排泄物与化学污染物、泥浆等组分粘附在换热管、管道等壁面上形成的胶粘状沉积物,称生物型污垢。

(6)凝固污垢:在过冷的换热面上,清洁液体或多组分溶液的高溶解组分凝固沉积而形成的污垢。以上的分类只是表明了某个过程对形成该类污垢是一个主要过程,结垢往往是多种过程的共同作用结果而且相互影响,换热面上的实际污垢中,常常是多种污垢混合在一起的。不过为了研究的简化,有必要先就单一污垢进行研究。

3除垢措施

3.1机械清洗机械清洗是提供一种大于污垢黏附力的力而去除附着在表面的污垢,这种清洗方法可以除去化学方法不能除去的碳化污垢和硬质垢。机械清洗的方法可分为以下两类:

(1)强力清洗。强力清洗法是利用喷射设备将介质以极高的冲击力喷入换热器的管侧和壳侧,起到除垢的目的。常见的强力清洗法有喷丸清洗、高压水射流清洗、喷气清洗、喷砂清洗、强力清管器等。其中的高压水射流清洗多用于清除炭化垢或硬垢,而对于仅仅依靠冲击力是不能去除而必须依靠热量才能使其松动的污垢,则使用蒸汽喷射清洗。

(2)软机械清洗。这种清洗方法依靠插入物在管内的运动,与管子内表面接触,达到去除污垢的效果。这种软机械清洗也称在线机械清洗j。常见的方法有旋转螺旋线法、液固流态化法、旋转纽带法、螺旋弹簧振动法、海绵胶球在线清洗法等。插入物的型式多种多样,其中的海绵胶球法是将直径比管子内径稍大的海绵球挤入管内以起到除垢的目的,还可以使用钢丝刷来清洗较低硬度的污垢。

3.2化学清洗化学清洗是通过化学清洗液的使用,产生某种化学反应,使换热器传热管表面的水垢和其他沉积物溶解、脱落或剥离。此方法清洗时问短,操作简单,除垢彻底干净,是目前使用最为广泛、有效的清洗方法之一。化学清洗可以在现场完成,劳动强度比机械清洗低而且清洗更完全,可以清洗机械清洗所不能到达的地方,并可避免机械清洗对换热面造成一定的机械损伤;而且化学清洗可以不用拆开设备,对于不能拆开的管壳式换热设备具有机械清洗所不能比拟的优点。在清洗之前,应了解清洗的设备的结构、材质、污垢的分布和厚度以及其组成,从而合理地选择清洗主剂、缓蚀剂、和助剂,并且选择合适的清洗剂用量、浓度、速度、温度和时间,最后应做好清洗废液的处理排放工作,避免对环境造成影响。

3.3物理清洗物理清洗是借助各种机械外力和能量使污垢粉碎、分离并剥离离开物体表面,从而达到清洗的效果。常见的方法有,超声波除垢、PIG清管技术、电场除垢技术等。超声波除垢是利用超声波的空化效应、活化效应、剪切效应和抑制效应,从而起到除垢的效果。超声波除垢技术的关键是选择合适的超声波功率和频率大小以及清洗液的温度。


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