冷卻水污垢及其對冷卻器換熱的影響

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1、冷卻水污垢及其對冷卻器換熱的影響1污垢的形成　　在一套空分裝置中，需配置多種氣體冷卻器，以滿足和實現(xiàn)空分裝置的工藝要求。冷卻器中冷卻水質(zhì)的變化，將對冷卻器的運行產(chǎn)生影響。在換熱過程中，冷卻水的水質(zhì)和冷卻器的工作條件不斷變化，換熱表面上污垢的形成過程也很復(fù)雜，形成的污垢種類也不相同。水垢的形成，一般被認(rèn)為是溶解在冷卻水中的固體，由于溫度升高及溶解度的變化及其某些化學(xué)變化，逐漸在換熱表面析出并緊附其上，最終形成水垢。　　結(jié)晶過程形成的鹽垢是污垢的主要種類之一。當(dāng)冷卻水中形成鹽類離子的含量超過了飽和溶解度時，該種

2、鹽類就會結(jié)晶沉淀析出。而離子的飽和溶解度是隨溫度的升高而降低的。在換熱過程中，隨著冷卻水溫度的升高及離子飽和度的降低，鹽類物質(zhì)就會在換熱金屬表面析出，形成水垢。這也就是在冷卻器中，溫度較高的冷卻水出口端的水垢層往往比其他部位厚的原因。　　水垢還有其他多種形式，如藻類、菌類、泥類等。冷卻水結(jié)垢的主要成分是CaCO3，同時也含有CaSO4、Ca3（PO4）2和MgSiO3等成分。由這些鹽垢構(gòu)成的污垢層，其導(dǎo)熱系數(shù)較小、熱阻較大，對換熱器的換熱影響較大，因此在冷卻器的設(shè)計中應(yīng)予以充分重視。2冷卻器污垢層及其熱阻　

3、　在冷卻器中，換熱表面上的結(jié)垢層是不均勻的，并隨著運行時間的變化而變化。污垢層的熱阻主要與垢層厚度以及垢層成分有關(guān)，其關(guān)系可表示為：　　r=δ/λ?????????????（1）　　式中r—污垢層熱阻,m2.h.℃/J；　　δ—污垢層厚度，m；　　λ—污垢層的導(dǎo)熱系數(shù)，J/m.h.℃?！—ビ桑?）式可知，在污垢層成分穩(wěn)定、均勻的條件下，污垢熱阻與其厚度成線性關(guān)系。　　污垢熱阻r和厚度δ是隨著運行時間的推移而增加的，當(dāng)熱阻（或厚度）增加到一定值時，其變化變得緩慢，并趨近一個定值。其表達(dá)式為：　　

4、rD=r∞(1-e-ADδ)?????????????(2)　　式中rD—某瞬間的污垢熱阻，m2.h.℃/J；　　r∞—無窮長時間的極限污垢熱阻，m2.h.℃/J；　　D—運行時間，h；　　A—常數(shù)?！　≡诶鋮s水質(zhì)條件和運行工況穩(wěn)定時，從實際運行的數(shù)據(jù)中可得出，污垢層厚度與運行時間的關(guān)系有以下規(guī)律：在冷卻器開始運行的第一個月中，污垢層厚度迅速增加，一個月后，污垢層增加緩慢。而且第一個月的結(jié)垢厚度為全年的50%，即第一個月的污垢熱阻為全年的一半。目前國內(nèi)大多數(shù)運行單位冷卻水的年污垢熱阻為1×10-

5、5m2.h.℃/J。將年污垢熱阻視為極限污垢熱阻，并由式（2）可得出污垢熱阻與運行時間的關(guān)系：　　r=1.0×10-5×（1-e-0.0231D）???(3)　　同樣，年污垢熱阻為0.5×10-5m2.h.℃/J和1.5×10-5m2.h.℃/J時，污垢熱阻與運行時間的關(guān)系分別由式（4）、（5）表示：　　r=0.5×10-5×（1-e-0.0231D）（4）　　r=1.5×10-5×（1-e-0.0231D）（5）可以看出，冷卻器在運行到180天后，其換熱表面上因結(jié)垢而形成的熱阻值已趨于穩(wěn)定，并接近

6、年污垢熱阻。　影響冷卻器結(jié)垢的因素較多，除了冷卻器的結(jié)構(gòu)、換熱表面質(zhì)量和熱流密度等因素外，還與冷卻水的流速、溫度和熱流體的工礦條件有關(guān)，特別是冷卻水的水質(zhì)條件更為重要。因此在冷卻器的設(shè)計、制造、運行、操作和冷卻水處理方面都應(yīng)注意冷卻器的結(jié)垢問題。3污垢熱阻對換熱系數(shù)和面積的影響　　冷卻器結(jié)垢過程十分復(fù)雜，但在冷卻器換熱設(shè)計中，主要是考慮污垢熱阻對其的影響。　　空分裝置中，主要使用管殼式冷卻器，其中又以疊片（或翅片）式和光管式冷卻器最為常見。低壓空氣冷卻器采用疊片式或翅片式，管程為水，殼程為空氣；中壓氧氣、

7、氮氣冷卻器采用光管式，管程為氣，殼程為水。　　對于疊片式、翅片式冷卻器的換熱系數(shù)K值，常常是通過試驗來確定。此時，K值是某一個水質(zhì)條件的K0值，也就是對應(yīng)某一個污垢熱阻r0的K0值，對于不同污垢熱阻r時的K值，可用式（6）進(jìn)行計算：　　K=1/[K0+B(r-r0)]?????????????(6)　　式中的系數(shù)B在此理解為污垢熱阻放大系數(shù)，它是與換熱單元結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，在換熱單元結(jié)構(gòu)確定后，B值也就確定了。其次，系數(shù)B的含義為熱冷兩側(cè)表面的面積之比?？梢姡鋮s器的換熱效率越高，B值越大，則對污垢熱

8、阻越敏感。這也就是進(jìn)口設(shè)備的冷卻器對水的污垢熱阻很敏感的原因?！—ヒ虼耍酃笩嶙柚惦m小，但對換熱系數(shù)的影響卻很大?！—ノ酃笩嶙韬屠鋮s器換熱面積的關(guān)系如下：　　Ai=[1+K0B(ri-r0)]A0????????????(7)　　式中A0—對應(yīng)r0和K0時所需的換熱面積，m2；　　Ai—對應(yīng)ri和Ki時所需的換熱面積，m2?！　⊥瑯右陨厦娴臄?shù)據(jù)為例，通過（7）式計算可得出下列關(guān)系：A1=1