换热器的结垢分析

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时间:2019-06-26

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1、换热器的结垢分析(上海轻工业研究所有限公司研发中心杨林)摘要:本文换热器污垢的主要类型、形成机理以及影响污垢生长的因素。同时,提供了简单判定具体结垢的类型的化学分析方法。关键词:换热器结垢分类区分换热器是石油、化工装置中重要的设备之一,也是其它工业生产过程中广泛应用的通用设备。由于换热器内有流体、气体等物质流动,在其运行过程中,管内及壳程必然要发生腐蚀和结垢,致使传热效率下降、流量降低。在换热设备中,大多数是作为冷却器使用的,而作为冷却介质的工业用水(或其它介质)中的溶解物随温度的变化和冷却水的蒸发都会产生沉淀、凝聚而生成水垢或

2、污垢。另外,换热器内的腐蚀产物以及微生物滋生也是污垢生成的原因。1污垢的分类从结垢机制的角度,液侧污垢可分为如下6类:析晶污垢、微粒污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢、凝固污垢以及混合污垢。需要指出的是,通常的污垢形成过程可能是几种污垢形成机理共同作用的结果。如析晶污垢和腐蚀污垢就常常混合而共存于同一换热面,并且换热壁面上往往同时生成几种污垢且相互影响。因此,针对每一基本结垢类型,弄清其形成机理对防止结垢是十分重要的。(1)析晶污垢:指过饱和的流动溶液中溶解的无机盐垫析在换热面上的结晶体,如果是冷却水或蒸发设备中的液体时,这

3、种污垢又称作水垢。(2)颗粒污垢:指悬浮在流体中的固体颗粒在换热面上的积聚。这种污垢包括较大固体粒子在水平换热面上的重力沉淀和以其他机制形成的胶体粒子沉淀物。(3)化学反应污垢:指由于化学反应形成的换热面上的沉积物,但是如果换热面材料本身参与反应所形成的污垢则不在此列。(4)腐蚀污垢:指换热面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。这种污垢不仅本身污染了换热面,而且还可能促使其他潜在污垢组分附着于换热面上形成污垢。(5)生物污垢:指由细菌、藻类等微生物及其排泄物沉积于固体表面并生长、繁殖而形成的生物粘膜或有机物膜。这种生物粘膜

4、既为宏观生物和无机物的附着和生长提供了条件,也为宏观生物的生长提供了必要的养分。(6)凝固污垢:指工质或其组分在过冷的换热面上的凝固而形成的。(7)混合污垢:指在某换热过程中,上述六种污垢形成机制中的一种以上的几种机制同时发生而形成的污垢。在六大类单一类型的污垢中,析晶污垢是最普遍的污垢形式,常见的是难溶性的钙盐、镁盐。如碳酸钙、硫酸钙、氢氧化镁、硫酸钙等。由于水质的原因,欧洲学者的研究表明,CaS04是该区域析晶污垢的主要成分。而经过我国学者邹勇、程林等人的调查发现,在我国的换热器污垢中,最典型的是CaC03垢。除了其水合物以

5、外,碳酸钙有三种常见的晶相,按照溶解度逐渐降低和稳定性逐渐增强的顺序,分别为球霰石、文石和方解石2污垢的形成机理污垢形成的五个阶段(起始,输运,附着,老化,剥蚀)中,输运、附着、剥蚀相对研究得比较深入。在起始方面,长期以来人们认为具有低表面能的材料可以减轻污染物的黏附。Panchal等发现在一些污垢形成过程中存在阈值现象。包括Rankin和Adamson、Baier、Kjaer等许多学者报告说低表面能的聚四氟乙烯(PTFE)或硅酮涂层表面可以延缓污垢的形成,且易于清洗。可是也有若干相反的报道说在低表面能表面上更容易形成污垢。如A

6、ddesso和Lund报道蛋白质在PTFE涂层表面和在不锈钢304#、316#及钛表面的吸附状况类似,而Yoon等发现在PTFE表面上牛奶的污垢速率高于304#不锈钢。这除了一些尚未确知的因素外,涂层本身的热阻、涂层与壁面的结合强度、耐磨性等因素是导致上述差异的原因。l、起始起始过程是指从污垢在洁净的换热面形成开始,到换热面被污垢完全覆盖结束。以前众多的污垢工作者把污垢的起始过程与污垢的诱导期等同起来。污垢的诱导期定义为:从换热面与工质接触时起,到由污垢引起的(对流)传热热阻的减少等于污垢层导热热阻时所需的时间间隔。诱导期的深入

7、研究很有意义,因为诱导期内污垢的热阻小于或者等于零,所以只要无限制的延长污垢的诱导期,我们就能延缓污垢的形成过程。2、输运输运过程是污垢微粒向传热面的迁移过程。目前,输运过程是污垢形成过程中各阶段中研究得最为充分的一个过程。污垢形成的运输过程的模型很多,目前已被确认的运输机制的模型有以下八种:(1)布朗扩散或分子扩散,(2)化学反应率支配的输运,(3)湍流扩散,(4)电泳,(5)热泳,(6)惯性碰撞,(7)重力,(8)扩散泳。3、附着实验研究表明,流体中的颗粒物质,只有在其重力忽略不计的情况下,也就是其粒径在1um以下时才会附着

8、于换热面而形成污垢。穿过流动边界层被输运到固体表面的污秽粒子,通常不会全部附着于表面而形成污垢,其中部分粒子往往又从表面反弹出来,这种表面粒子的附着还是反弹完全是随机的。微生物细胞对换热面的附着过程是生物污垢形成的必要阶段,微生物细胞的附着机制主要有两类,一类是

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