宋俊麒

摘? 要：換熱器污垢是指流體中的組分或雜質(zhì)在與之相接觸的換熱表面上逐漸積聚起來的一層固態(tài)物質(zhì)。它廣泛存在于化工、動(dòng)力及制冷等工程技術(shù)領(lǐng)域的各種換熱設(shè)備中。污垢在換熱器表面的沉積能造成傳熱惡化，使壁溫升高、影響傳熱效果、降低生產(chǎn)效率。此外，污垢的沉積還會(huì)使流體的流通截面積變小，增大流動(dòng)阻力。本文從換熱器的結(jié)構(gòu)出發(fā)，由套管式換熱器的傳熱計(jì)算入手，設(shè)計(jì)了套管式換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，旨在通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)污垢沉積特性曲線進(jìn)行測(cè)定，研究出良好的水質(zhì)穩(wěn)定劑，抑制結(jié)垢。

關(guān)鍵詞：換熱器;污垢;實(shí)驗(yàn)臺(tái)位;水質(zhì)穩(wěn)定劑

引言：

換熱器是化工生產(chǎn)中廣為使用的設(shè)備之一，據(jù)調(diào)查90%以上的換熱設(shè)備都存在不同程度的污垢問題。污垢是指在與不潔流體相接觸的固體表面上逐漸積聚起來的那層固態(tài)物質(zhì)，它通常是以混合物的形態(tài)存在;是熱的不良導(dǎo)體，其導(dǎo)熱系數(shù)一般只有換熱面主要用材碳鋼的十分之一，和銅等熱的良導(dǎo)體相比，差別就更大了。由于污垢的存在，使換熱設(shè)備的傳熱能力降低，介質(zhì)流體阻力增大，由此而造成了一系列的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中如何減少污垢的形成，如何行之有效地除去污垢，越來越引起人們的重視。因此，在換熱器的設(shè)計(jì)、使用中如何防垢、抑垢、除垢就顯得非常重要。

1.換熱器概述

傳熱設(shè)備簡(jiǎn)稱為換熱器，它將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，又稱熱交換器。廣泛應(yīng)用于企業(yè)供暖、制冷，輕工等行業(yè)的一種通用設(shè)備。在換熱器中，至少有兩種溫度不同的流體，一種流體溫度較高，放出熱量;另一種流體則溫度較低，吸收熱量。在工程實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)存在兩種以上的流體參加換熱，但它的基本原理與前一種情形并無本質(zhì)上的區(qū)別。

2.換熱器設(shè)計(jì)

本文擬對(duì)循環(huán)水換熱器結(jié)垢過程中熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素的影響大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，揭示出循環(huán)水結(jié)垢過程中不同污垢濃度和流動(dòng)速度條件下的加速污垢數(shù)據(jù)，以及熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素與污垢沉積率和污垢層的增長(zhǎng)間的相關(guān)性。故選擇的換熱器需要有足夠的換熱系數(shù)、管徑、管長(zhǎng)等，通過大量的校核計(jì)算，選擇合適的換熱器參數(shù)，如下為1m鋼管的計(jì)算。

3.換熱器污垢生長(zhǎng)速率與污垢導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試原理

本文擬對(duì)循環(huán)水換熱器結(jié)垢過程中熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素的影響大小進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，揭示出循環(huán)水結(jié)垢過程中不同污垢濃度和流動(dòng)速度條件下的加速污垢數(shù)據(jù)，以及熱流密度、流體溫度、換熱面溫度以及循環(huán)水流速，溶液的pH值等因素與污垢沉積率和污垢層的增長(zhǎng)間的相關(guān)性。通過對(duì)污垢的幾個(gè)積累過程：起始、輸運(yùn)、附著、剝蝕的試驗(yàn)測(cè)試，探索換熱器污垢的沉積、形成機(jī)理，計(jì)算換熱器壁面在運(yùn)行條件下污垢厚度，并通過理論研究，分析污垢沉積率和污垢層的增長(zhǎng)情況。

4.數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是研究換熱器流道內(nèi)傳熱與流動(dòng)狀態(tài)的必備手段，本項(xiàng)目的一個(gè)研究?jī)?nèi)容是將理論分析、工程分析模型及預(yù)測(cè)試驗(yàn)公式結(jié)合起來對(duì)換熱器內(nèi)結(jié)垢進(jìn)行數(shù)值模擬，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，利用數(shù)值計(jì)算結(jié)果[14]，分析換熱器壁面換熱特性及流動(dòng)特性之間的關(guān)系。模擬換熱器較多，空間密度上已經(jīng)較為擁擠，故支撐盡量簡(jiǎn)化，由4根木材做橫梁支撐7個(gè)換熱器，橫梁由4個(gè)pvc材料做的支撐固定，循環(huán)水總管由角鋼焊接的鋼架支撐，如下圖所示：

6. 數(shù)據(jù)處理

6.1流動(dòng)阻力系數(shù)

6.2污垢厚度

由于本模擬裝置中測(cè)試段管外的換熱為自然對(duì)流換熱，被帶走的熱量很少，因此， （流體出口溫度）和 （流體入口溫度）的差別很小，這給實(shí)驗(yàn)帶來了很大的難度，無法計(jì)算熱平衡，所以，我們采用稱重法測(cè)量污垢厚度，即用分析天平分別測(cè)量清潔試驗(yàn)段和污垢試驗(yàn)段的質(zhì)量，測(cè)量污垢厚度。

（1）實(shí)驗(yàn)前將實(shí)驗(yàn)段管道清洗干凈，干燥并在室溫的條件下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)段管道的稱重，質(zhì)量為 ;

（2）通過一定時(shí)間周期 后，取出實(shí)驗(yàn)段管道，干燥，在室溫條件下稱重，質(zhì)量為 ;

（3）污垢厚度（假設(shè)污垢在管內(nèi)壁均勻沉淀）

（4）單位時(shí)間內(nèi)污垢在管內(nèi)壁的沉積量：

（5）3 污垢層的導(dǎo)熱系數(shù)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)要測(cè)量的溫度有 。在實(shí)驗(yàn)前將實(shí)驗(yàn)段管道清洗干凈，實(shí)驗(yàn)室只監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)段管道，這樣就可以有效的測(cè)出污垢熱阻及其生長(zhǎng)狀況。污垢的厚度與流速有直接關(guān)系。這可通過一定時(shí)間周期污垢平衡厚度隨流速的變化特性的實(shí)驗(yàn)，獲得不同流速下的污垢平衡狀態(tài)的厚度。污垢沉積隨時(shí)間的變化關(guān)系，可通過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間采用一定的周期測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)后期由于污垢已經(jīng)趨于穩(wěn)定，污垢變化較緩慢，驗(yàn)證污垢換熱器內(nèi)污垢沉積隨時(shí)間的變化，并按預(yù)計(jì)模型公式擬合出污垢沉積隨時(shí)間的變化曲線

參考文獻(xiàn)

[1]? 陸博福 李學(xué)臣 楊麗，不銹鋼換熱器設(shè)計(jì)與最佳殼體結(jié)構(gòu)選擇[B]。中圖分類號(hào)：TQ050.2文章編號(hào)：1673-3355（2006）01-0004-03。

[2]? 陳明堯，換熱器設(shè)計(jì)中適宜管間距的選擇方法[期刊論文]。化工時(shí)刊1998年（12）卷第11期。