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赖耀辉，韩 刚，陆 璋 （中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222） 摘要：污垢是热的不良导体，污垢热阻的存在，不仅使得换热器传热效率大大降低，还会增加流体的传输能耗，有时甚至会带来生产隐患。运用传热学基本理论，分析了地表水换热系统中污垢对管壳式换热器（水—水，无相变）传热性能的影响变化，并针对一次冷却水系统提出了阻垢对策。 关键词：污垢；换热器性能；阻垢 引 言我国江海湖泊众多，有着丰富的地表水资源，因此水源热泵空调系统在沿海城市、河流湖泊水资源丰富的地区，有着广泛的应用和发展。以地表水为冷热源，向其放出热量或吸收热量，不仅节水节地，而且环保效益显著。对水资源既不消耗也不污染；省去了锅炉房、冷却塔等设施，节省了建筑空间；水源热泵机组没有了矿物燃料（煤、石油、天然气）的燃烧，避免了废气、烟尘的排放，一定程度上减小了城市雾霾的污染。譬如港口、码头的辅助建筑、海景房及近海岸发电厂等等，一般都优先考虑海水源热泵空调系统。然而结垢与腐蚀是海水源热泵运行中一个非常突出的问题。由于海水含盐量高，主要含有氯化钠、氯化镁和少量的硫酸钠、硫酸钙，因此海水具有较强的腐蚀性和较高的硬度，极易生成污垢晶体。污垢的产生致使换热器性能大大降低，换言之，地表水换热系统仍有进一步的节能空间。 1 地表水换热系统地表水换热系统分为开式和闭式两种形式，闭式系统是将换热盘管按照一定的原则投放在地表水体中，传热介质通过壁面与地表水之间进行热交换。而开式系统是指地表水经过处理后在水泵的驱动下，直接流经水源热泵机组进行热交换或通过中间换热器间接换热（如图1所示）。例如天津港某邮轮码头辅助建筑的空调系统采用的就是开式地表水换热系统—间接式海水源热泵系统；由于海水腐蚀性强、硬度大，即使对海水进行处理后也不宜直接进入水源热泵机组，同样会腐蚀损坏机组，且海水处理成本很高，故不宜选用直接式海水源热泵系统。本工程中海水侧换热器选用的是抗腐蚀性强的不锈钢管壳式换热器，且其配套管路、阀门等部件均具有防腐蚀能力。并且在换热器前加了氯气处理装置，以防止海洋藻类在换热器内部滋生，即尽量避免或减小生物垢的生成。但是间接式海水源热泵系统仍然逃不开换热过程中的常规难题—污垢问题。  图1 地表水开式换热系统示意 2 污垢对换热器性能的影响污垢普遍地存在于我们的日常生活以及各类工业生产的过程之中，它往往以多种物质的混合态存在。污垢是聚积在固体换热表面上的一层固体形态或软泥状物质[1]。污垢的存在大大降低了换热器的传热效率，还增大了流体的流动阻力，一定程度上减缓了传质过程，增加了系统的传输能耗。换热面上沉积的污垢还会引起设备局部过热，导致换热器机械性能下降，严重时可能会引起设备管道壁的点腐蚀。 2.1 结垢状态下的传热系数 污垢是热的不良导体，污垢层构成了附加的导热热阻（即污垢热阻），从而减小了换热器的传热系数。 根据传热学基本原理可知传热方程的一般形式为：  式中： Q为换热量，W； k为换热器任一微元面上的传热系数，W/(m2·℃)； dF为微元传热面，m2； Δt为冷热流体间的温差，℃。 式（1）中k和Δt均是F的函数，且不同换热器其函数关系也不相同；为了方便计算，工程上多采用简化的传热方程如式（2）所示：  式中： K为换热器的平均传热系数，W/(m2·℃)； F为换热面积，m2； Δtm为冷热流体间的对数平均温差，℃。 换热器运行一段时间后，壁面上会沉积一定厚度的污垢，利用串联热阻叠加原则很容易得出换热壁附着污垢层情形下的传热系数计算公式：  式中： Kt为结垢状态下换热器的平均传热系数，W/(m2·℃)； K0为清洁状态下换热器的平均传热系数，W/(m2·℃)； Rt为结垢状态下换热器的平均热阻，W/(m2·℃)； R0为清洁状态下换热器的平均热阻，W/(m2·℃)； Rf为污垢热阻（亦称为污垢系数），W/(m2·℃)； Rf1、Rf2为换热面两侧的污垢热阻（亦称为污垢系数），W/(m2·℃)； Rh1、Rh2为换热面两侧的对流换热热阻，W/(m2·℃)； Rλ为换热壁面的导热热阻，W/(m2·℃)。 2.2 传热性能的变化 Steinhagen[2]调查表明2 mm厚的污垢就会使换热设备的总体传热系数减小47 %，要达到相同的传热效果，换热设备需要增大30 %～50 %的换热面积。下面以管壳式换热器为例，分析污垢热阻对传热效率的影响程度。 管壳式换热器（图2）是把多管式的管束插入圆筒壳体中而组成，让两种流体分别从管程和壳程流过进行热量的交换。管壳式换热器是间壁式热交换器这一大类中研究得最多、应用得最普遍的一种换热器。已知管壳式（光管）换热器传热系数的经验值为：1 000～2 000 W/(m2·℃)（蒸馏水—蒸馏水，含垢阻，无相变）[3]；根据TEMA[4]管壳式换热器污垢热阻设计参考值，可知蒸馏水的污垢热阻值为0.08 6×10-3(m2·℃)/W；由公式（4）（含垢阻传热系数取经验平均值1 500 W/(m2·℃)），可以计算出管壳式（光管）换热器（蒸馏水—蒸馏水，无垢阻，无相变）的平均传热系数为2 013 W/(m2·℃)；由于污垢的存在，管壳式换热器（蒸馏水—蒸馏水，无相变）含垢阻时的平均传热系数较无垢阻时约下降了约25.5 %。根据传热学基本理论可知：对于不同种类的水质，其Re数及Pr数近似等值，即无垢阻时平均传热系数近似相同。同样根据TEMA可知海水的污垢热阻值为0.17×10-3(m2·℃)/W；湖水的污垢热阻值为0.34×10-3(m2·℃)/W。故由公式（3）～（5），可以推算出在相同流速和温度的情况下，管壳式（光管）换热器（蒸馏水—海水，含垢阻，无相变）的平均热系数为1 328 W/(m2·℃)；管壳式（光管）换热器（蒸馏水—湖水，含垢阻，无相变）的平均传热系数为1 083 W/(m2·℃)。  图2 管壳式换热器 综上所述，管壳式换热器（蒸馏水—海水，无相变）含垢阻时的平均传热系数较无垢阻时约下降了34 %；管壳式换热器（蒸馏水—湖水，无相变）含垢阻时的传热系数较无垢阻时约下降了46.2 %。可见，污垢热阻对换热性能的影响程度很大，换热器的传热效率大大降低，造成了极大的能源浪费，为工业生产过程带来额外的经济损失。Steinhagen[5]在1992年对发达国家的工业部门因污垢造成的经济损失进行了粗略估计，全世界污垢损失约占到国民生产总值的四百分之一。若污垢损失按国民生产总值的0.25 %进行计算，仅2016年上半年我国的污垢损失就约达850亿人民币。 2.3 阻力性能的变化 换热器性能的好坏，不仅表现在传热性能上，且还表现在它的阻力性能上。换热器的阻力包括整个换热系统的阻力，即ΔP=ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4，其中ΔP1为换热器接口管路的阻力，包括阀门、弯头、过滤器、流量及温度等测量装置；ΔP2为换热器进口处的阻力，即可视为突然扩大过程所造成的局部阻力损失；ΔP3为流体流过换热壁面的阻力；ΔP4相应的为换热器出口的阻力，可视为突然缩小过程所造成的局部阻力损失。 污垢沉积在换热壁面，增大了换热壁面的流动阻力系数，ΔP3增加；介质中的污垢颗粒随流体流动聚集在管路进出口，阀门、弯头等狭窄通道，增大了局部阻力系数，ΔP1、ΔP2、ΔP4增加；流动阻力增加，增加了系统的传输能耗，且使得泵的介质传输流量减少，一定程度上减缓了传质过程。换热面上沉积的污垢还会引起设备局部过热，导致换热器机械性能下降，严重时可能会引起设备管道壁的点腐蚀。 3 阻垢对策污垢问题可以说是传热领域内一个不易攻关的难题，目前阻垢技术中，化学处理是一种比较传统的水处理技术，通过投加不同作用的缓蚀剂和阻垢剂等化学药剂以达到除垢和杀菌的目的，对于一次冷却水系统，冷却水在换热器与被冷却介质换热后直接排放；因此使用高浓度的缓蚀剂和阻垢剂是不经济的，一般不经处理直接运行。为抑制水垢和防止由此引起管壁的局部腐蚀，可使用2～5 ppm的低浓度聚磷酸盐类和硅酸类的缓蚀剂。或定期拆卸清洗，但一般清洗工序复杂，过程时间较长，清洗成本高，且含有化学药剂的清洗废水会带来二次污染。采用化学除垢时，需根据水垢特性及结垢程度综合权衡剂量和种类。 而物理阻垢技术主要是指通过声、光、电、磁等技术改变硬水中离子的形态和分子的结构，抑制污垢晶体的生成。物理阻垢技术主要有磁阻垢技术、静电阻垢技术、电子阻垢技术和超声波阻垢技术。但目前物理阻垢技术还未得到普遍的应用，在蔗糖工业、石油化工等少数领域有所应用并取得了一定的阻垢效果。 目前物理阻垢技术中较为前沿的一种新技术是超声波在线防除垢技术，它主要利用超声波产生的空化作用、活化作用、剪切作用、抑制作用。通过超声阻垢模拟实验[6]，人工配置初始水硬度（以CaCO3计）为500 mg/L，冷水入口温度设定为22.5 ℃，超声波换能器频率为20.7 kHz；结果表明超声波功率为50 W时，平均传热系数可增加5 %，超声波功率为100 W时，平均传热系数可增加8 %；若应用于管壳式换热器（蒸馏水—海水，无相变），相当于含垢阻时的平均传热系数较无垢阻时约下降了28.7 %；超声波作用可以使污垢的增长期缩短3～4 h，并不断减小污垢的瞬时增长速度，使得污垢热阻保持在较低水平，抑制了污垢的形成，从而一定程度上增强了换热，降低了传输阻力，减少了经济损失。 物理阻垢技术往往具有多种功能，不仅可以阻垢、除垢、缓蚀，还可以起到杀菌消毒的作用。目前超声波阻垢技术在一次冷却水系统（发电厂常年可运用海水、湖水作为冷却介质，对于热泵系统指供冷工况时）中的应用及研究较少，完善的技术研究应用到工程实践还需要时间，但由于其具有低成本、使用方便、无污染等优点，因此有着比较广阔的应用前景。 4 结 语污垢的存在，增加了换热器传热热阻，降低了传热效率，对于管壳式换热器（水—水，无相变）来讲，可使得换热器的传热效率降低最大幅度约46.2 %；换言之，为克服污垢热阻影响，达到预定换热效果，需投入多一倍的能量消耗；污垢不仅增加了能耗，而且还可能给工业过程带来生产隐患。一次（直流式）冷却水系统相对于循环冷却水系统而言，其本身就具有节水、节地、节能、环保的优点，将物理阻垢技术应用于其换热系统，最大可能减少污垢对换热设备的影响，进一步提升节能空间，对促进我国节能减排，提高能源利用率，发展绿色循环经济有着重大的现实意义。 参考文献： [1] 杨善让, 徐志明, 孙灵芳. 换热设备污垢与对策：第二版[M]. 北京：科学出版社, 2004. [2] Steinhagen H M. Cooling Water Fouling in Heat Exchanger[J]. Advance in Heat Transfer, 1999, 33：415-496. [3] 钱滨江. 简明传热手册[M]. 北京：高等教育出版社, 1983. [4] TEMA. Standard of the Tubuler Exchanger Manufactures Assoc[S]. Inc, New York, 1959 [5] Steinhagen R, Steinhagen H M, maani K. Problems and Costs due to Heat Exchanger Fouling in New Zealand Industries[J]. 1993：19-30. [6] 赖耀辉. 超声波传播及阻垢性能的研究[D]. 北京：北京工业大学, 2016. Impact of Fouling on Performance of Surface Water Heat Exchange System Lai Yaohui, Han Gang, Lu Zhang Abstract：As a poor conductor to heat, the fouling resistance not only lowers the heat transfer efficiency of heat exchanger greatly, but also increases the energy consumption of transmission in fluid, sometimes even causes hidden danger. Basic theory of heat transfer has been used to analyze the impact of fouling in surface water heat exchange system on the performance of tube-shell heat exchanger (water-water, no phase-change) and its change. In addition, anti-fouling countermeasures to one-off cooling water system are put forward. Key words：fouling; performance of heat exchanger; anti-fouling 中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1004-9592（2017）01-0089-04 DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170120 收稿日期：2016-08-23 作者简介：赖耀辉（1983-），男，工程师，主要从事暖通、动力、节能等方面的设计工作。 |
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