管殼式換熱器的結(jié)垢分析
 
   一、管殼式換熱器結(jié)垢機(jī)理及狀態(tài)：
因?yàn)楣軞な綋Q熱器大多是以水為載熱體的換熱系統(tǒng)，由于某些鹽類在溫度升高時從水中結(jié)晶析出。附著于換熱管表面，形成水垢。在冷卻水中加入聚磷酸鹽類緩沖劑，當(dāng)水的pH值較高時，也可導(dǎo)致水垢產(chǎn)生。初期形成的水垢比較松軟，但隨著垢層的生成，傳熱條件惡化，水垢中的結(jié)晶水逐漸失去，垢層即變硬，牢固地附著于換熱管表面上。此外，如同水垢一樣，當(dāng)換熱器的工作條件適合溶液產(chǎn)生銹體時。換熱管表面上即可積附銹體結(jié)晶形成的垢層；當(dāng)流體所含的機(jī)械雜質(zhì)有機(jī)物較多、而流體的流速較小時，部分機(jī)械雜質(zhì)或有機(jī)物也會在換熱器內(nèi)沉積，形成疏松、多孔或膠狀污垢。
 
    二、管殼式換熱器除垢及清洗必要性：
管殼式換熱器是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛，也是最典型的間壁式換熱器，其結(jié)構(gòu)主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。其優(yōu)點(diǎn)是單位體積設(shè)備所提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡單，操作彈性大，可用多種材料制造。但換熱器在使用過程中。污垢沉積物會不可避免地出現(xiàn)在傳熱表面上，出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，污垢沉積物熱阻較高，大大降低了導(dǎo)熱率；同時由于結(jié)垢減小了流體流量，流體介質(zhì)流動阻力增大，能耗增加。多年來，各單位所用大部分管殼式換熱器都存在管道及殼體結(jié)垢而影響使用效果的問題，由此而造成了一系列的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計，我國每年由于換熱器結(jié)垢導(dǎo)致能耗增加而造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)上百億元以?！　∫虼斯軞な綋Q熱器清洗除垢是很有必要性的。換熱器運(yùn)行質(zhì)量的好壞和時間長短，與日常維護(hù)、清洗保養(yǎng)是否及時有著密不可分的關(guān)系。對于容易結(jié)垢的流體，可在規(guī)定的時間采用合適的方式進(jìn)行清洗除垢。最近幾年，我們?yōu)榱烁玫那逑磽Q熱器污垢，先后無數(shù)次對管殼式換熱器清洗結(jié)垢做權(quán)威試驗(yàn)，為客戶提供了最佳解決方案。
    三、管殼式換熱器結(jié)垢只要因素：
影響結(jié)垢的因素有很多，流體速度、流體流動狀態(tài)、流體組分的組成和含量以及換熱器的結(jié)構(gòu)等都對污垢的形成有一定的影響，從應(yīng)用角度考慮，我們只有找出主要因素才能使結(jié)垢問題得到有效解決。對于特定流體而言，影響換熱器結(jié)垢的主要因素有以下幾個方面：　　流體的流動速度：在換熱器中，流速對污垢的影響應(yīng)該同時考慮其對污垢沉積和污垢剝蝕的影響，對于各類污垢，用于流速增大引起剝蝕率的增大較污垢沉積的速率更為顯著，所以污垢增長率隨著流速的增大而減小。但是在換熱器的實(shí)際運(yùn)行中，流速的增加將增大能耗，所以，流速也不是越高越好，應(yīng)就能耗和污垢兩個方面來綜合考慮。

傳熱壁面的溫度：溫度對于化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢和鹽類析晶結(jié)垢有著重要的作用，流體溫度的增加一般會導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度和結(jié)晶速度的增大．從而對污垢的沉積量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致污垢增長率升高?！　Q熱面材料和表面質(zhì)量：對于常用的碳鋼、不銹鋼換熱器而言．只是通過腐蝕產(chǎn)物的沉積而影響結(jié)垢；而如果采用耐蝕性能良好的石墨或陶瓷等非金屬材料，則不易發(fā)生結(jié)垢。換熱面材料的表面質(zhì)量會影響污垢的形成和沉積．表面粗糙度越大．越有利于污垢的形成和沉積。
    四、管殼式換熱器垢體成分分析：
    結(jié)晶垢體：如水冷卻系統(tǒng)中，由于水中過飽和的鈣、鎂鹽類由于溫度、pH值等變化而從水中結(jié)晶沉積在換熱器表面，而形成了水垢；

顆粒垢體：流體中懸浮的同體顆粒在換熱面上的積聚；　　化學(xué)反應(yīng)垢體：由于化學(xué)反應(yīng)而造成的同體沉積：

腐蝕垢體：換熱介質(zhì)腐蝕換熱面，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物沉積于受熱面上而形成污垢；

生物垢體：對于常用的冷卻水系統(tǒng)來講，工業(yè)水巾往往含有微生物及其所需的營養(yǎng)，這些微生物群體繁殖，其群體及其排泄物同泥漿等在換熱表面形成生物垢；

混合垢體：在過冷的換熱面上，純液體或多組分溶液的高溶解組分凝同沉積。以上的分類只是表明．某個過程對形成該類污垢是一個主要過程。結(jié)垢往往是多種過程的共同作用結(jié)果。因此換熱面上的實(shí)際污垢，常常是多種污垢混合在一起的。
     五、管殼式換熱器管道清洗除垢方法：
   （一）物理清洗方法：

噴射清洗法：噴射清洗是一種強(qiáng)力清洗法，它是利用沖刷噴射設(shè)備將介質(zhì)以極高的沖擊力噴人換熱器的管側(cè)和殼側(cè)，起到除垢的目的。常用的介質(zhì)是水、蒸汽或石英砂。對于僅僅依靠沖擊力是不能去除而必須依靠熱量才能使其松動的污垢，又名蒸汽噴射清洗方法。

物體管內(nèi)插人清洗法：這種方法只能用作清除去管子里面的污垢，它依靠插入物在管內(nèi)的運(yùn)動。與管子內(nèi)表面接觸摩擦，達(dá)到清除污垢的效果。插入物的種類多種多樣，可以是在軟性軸的端部裝上刮刀或鉆頭．也可以使用鋼絲刷子來清洗低硬度的污垢。

物理清洗對于換熱器管內(nèi)污垢，以上兩種換熱器清洗方法，我們都采用過，我們認(rèn)為采用管內(nèi)插人物清洗效果比直接噴射清洗效果明顯，但插入物清洗勞動強(qiáng)度相對較大。我們試著將兩種方法結(jié)合使用，在用插入物清洗同時用高壓水噴射．結(jié)果效果大大提高。但缺點(diǎn)是清洗設(shè)備需裝拆，易對設(shè)備造成機(jī)械損傷。

（二）化學(xué)清洗方法：

利用清洗設(shè)備與管殼式換熱器連接，形成獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng)，在儲水箱中加入高效化學(xué)清洗劑，化學(xué)清洗可以在現(xiàn)場完成，清洗強(qiáng)度較低；但清洗更徹底，可以清洗那些機(jī)械清洗所不能到達(dá)的地方．并可避免機(jī)械清洗對換熱面造成一定的機(jī)械損傷；而且化學(xué)清洗可以不用拆開設(shè)備，對于不能拆開的管殼式換熱設(shè)備具有機(jī)械清洗所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（三）超聲波除垢法　　除了上述幾種常用的清洗方法，據(jù)資料顯示．現(xiàn)在出現(xiàn)了新的換熱器清洗技術(shù)——超聲波除垢。它利用超聲波的空化效應(yīng)、活化效應(yīng)、剪切效應(yīng)和抑制效應(yīng)除垢，超聲波除垢技術(shù)在石油化T、制糖等一些T、I 行、II，-得到了運(yùn)用，并取得了很好的效果。這項(xiàng)新技術(shù)目前還有很多空白領(lǐng)域需要研究。超聲波除垢技術(shù)的關(guān)鍵是針對不同物料、不同裝昔類型和傳熱面積的大小，選擇合適的超聲波功率和頻率大小。
      六、管殼式換熱器清洗之重要性：
      結(jié)垢對換熱器的危害很大，需要積極地預(yù)防和定期地清除除垢。影響結(jié)垢的因素很多，只有找出主要因素才能使問題簡化，對于不同類型的垢體，應(yīng)采取針對性清洗除垢措施，有效地治理換熱器的結(jié)垢問題，以提高換熱器傳熱效率及運(yùn)行壽命。

    現(xiàn)在來談?wù)劰軞な綋Q熱器的優(yōu)化設(shè)計
    對于完成某一任務(wù)的換熱器,往往有多個選擇,如何確定最佳的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問題,即采用優(yōu)化方法使設(shè)計的換熱器滿足最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。在換熱器設(shè)計中,最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)是指包括設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用在內(nèi)的總費(fèi)用最小。本文主要針對管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優(yōu)化問題,利用一般優(yōu)化設(shè)計的原理和方法,以操作費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo),給出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),并用MATLAB語言編寫了計算程序,最后給出了一個計算實(shí)例。
    目標(biāo)函數(shù)
    對于以水為冷卻介質(zhì)的管殼式冷卻器,進(jìn)口水溫一定時,由傳熱學(xué)的基本原理分析可知,冷卻水的出口費(fèi)用將影響傳熱溫差,從而影響換熱器的傳熱面積和投資費(fèi)用。若冷卻水出口溫度較低,所需的傳熱面積可以較小,即換熱器的投資費(fèi)用減少;但此時的冷卻水的用量則較大,所需的操作費(fèi)用增加,所以存在使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用之和為最小的最優(yōu)冷卻水出口溫度。
設(shè)換熱器的年固定費(fèi)用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費(fèi)用,元;KF———換熱器的年折舊率, 1 /y;CA———換熱器單位傳熱面積的投資費(fèi)用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。換熱器的年操作費(fèi)用FB =Cu•WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費(fèi)用,元;Cu———單位質(zhì)量冷卻水費(fèi)用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運(yùn)行時間, h。因此換熱器的年總費(fèi)用即目標(biāo)函數(shù)F = FA + FB = KFCAA +Cu•WuHy/1000 (3)2A與Wu的數(shù)學(xué)模型———熱平衡方程換熱器的熱負(fù)荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負(fù)荷, kJ /h;G———換熱器熱介質(zhì)處理量, kg/h;cpi———熱流體介質(zhì)比熱容, kJ / ( kg•℃) ;T1、T2———熱流體的進(jìn)出口溫度,℃。當(dāng)換熱器操作采用逆流換熱時,則熱平衡方程為Q =Wu cpw ( t2 - t1 ) =GcPi ( T1 - T2 ) = KA& tm (5)式中cpw———冷卻水比熱容, kJ / ( kg•℃) ;t1、t2———冷卻水的進(jìn)出口溫度,℃;& tm———對數(shù)平均溫度差,℃。& tm =( T1 - t2 ) - ( T2 - t1 )/In(T1 - t2/T2 - t1) (6)由此可得Wu =Q/cpw ( t2 - t1 ) (7)A = Q/K& tm (8)K———總傳熱系數(shù), (m2•h•℃)。將(4)和(6)代入(7)和(8) ,然后再代入(3) ,得F = KFCAGcpi ( T1 - T2 )/cpw ( t2 - t1 )+Cu•HyGcpi ( T1 - T2 )/K{ ln(( T1 - t2 ) / ( T2 - t1 ))}1000 (9)
     一般來說,對于設(shè)計的換熱器, G、T1、T2、t1及Hy均為定值;水的比熱容cpw和熱介質(zhì)的比熱容cpi變化不大,可取為常數(shù); Cu、CA、FA可由有關(guān)資料查得;總傳熱系數(shù)K通常也可由經(jīng)驗(yàn)確定,所以換熱器的年總費(fèi)用F僅是冷卻水出口溫度t2的函數(shù)。當(dāng)F取最小值時,相應(yīng)的t2既為最優(yōu)冷卻水出口溫度,進(jìn)而可由式(7)、(8)得到所需的冷卻水量和最優(yōu)的傳熱面積。

    程序設(shè)計
 
     由上面分析可知,以上問題屬于單變量最優(yōu)化問題。對于此類問題求解方法比較成熟,可以用解析法和黃金分割法或函數(shù)逼近法等數(shù)值方法求解。這里,采借用MATLAB語言計算,采用其工具箱中Nelder - Mead單純形法函數(shù)fmin2search ( )優(yōu)化,定義TF ( )為目標(biāo)函數(shù)(9) ,函數(shù)Water ( )、Ar2ea ( )則根據(jù)式(7)、(8)分別用以求傳熱面積A和冷卻水用量Wu。以上分析盡管是針對管殼式水冷卻器而得出的結(jié)果,由于分析方法和傳熱機(jī)理相似,對于其它介質(zhì)的管殼式換熱器只要在公式上稍作變形即可得出類似的結(jié)論。因此,對管殼式換熱器問題的優(yōu)化具有一定的普遍性,其求解結(jié)果可以作為設(shè)計管殼式換熱器重要依據(jù),從而為節(jié)約生產(chǎn)成本,推動設(shè)計的科學(xué)性方面作出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。程序清單如下:clear all; clcglobal T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc QT1 = 135; T2 = 40; G = 4e4; t1 = 30;JA = 400; beta = 0. 15; K = 840;Theta = 7900; Jw = 0. 1; Cw = 4. 184;Cc = 2. 092;Q = G3 (T1 - T2) ;T0 = 50;T2 = fiminsearch (@Totalfee, t0) ;Fp rintf (‘優(yōu)化結(jié)果: /n /n’)Fp rintf (‘換熱器最優(yōu)出口溫度: %. 2% s/n’, t2,’℃’)Allfee = totalfee ( t2 ) ; fp rintf (‘最小年費(fèi)用為: %. 3f元/n’, allfee)[AW ] =Area_water ( t2) ; frintf (‘換熱器傳熱面積為: %.3fm^2 /n’,A)fp rintf (‘每小時用水量為: %. 1fkg/h /n’,W)fee1 = JA3 A3 beta; fee2 = JW3 theta3 W /1000; %function J = totalfee ( t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc Q[AW ] =Area_water( t2) ; J = JA3 A3 beta +JW3 theta3 W /1000%function [A,W ] =Area_water ( t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc Qvar1 = T1 - t2; var2 = T2 - t1; dtm = ( var1 - var2 ) / log( var1 /var2) ;A =Q / (K3 dtm) ;W =Q /Cw/ ( t2 - t1) ;
 
    設(shè)計實(shí)例
 
 
     例:某石化公司需將處理量為G = 4×104 kg/h的煤油產(chǎn)品從T1 = 135℃冷卻到T2 = 40℃,冷卻介質(zhì)是水,初始溫度t1= 30℃。要求設(shè)計一臺管殼式水冷卻器(采用逆流操作) ,使該冷卻器的年度總費(fèi)用最小。以知數(shù)據(jù)如下:冷卻器單位面積的總投資費(fèi)用CA = 400元/m2 ;冷卻器年折舊率KF = 15%;冷卻器總傳熱系數(shù)K = 840 kJ / (m2•h•℃) ;冷卻器每年運(yùn)行時間7900h;冷卻水單價Cu = 0. 1元/噸;冷卻水比熱容cpw =4. 184 kJ / ( kg•℃) ;煤油比熱容cp i = 2. 092kJ / ( kg•℃)。