換熱器內(nèi)結(jié)垢特性研究進(jìn)展

殷小明* 陳 藝 宋友立 王 克

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院）

0 前言

換熱器具有優(yōu)良的換熱特性、承壓能力及穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于化工、能源、煉油及食品等行業(yè)。換熱器是一種使介質(zhì)完成熱量交換的壓力容器，按照使用用途不同可以分為：熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器及加熱器等；按照傳遞原理或傳熱方式不同可以分為：直接接觸式換熱器、蓄熱式換熱器、間壁式換熱器及中間載熱體式換熱器[1]。大量的國內(nèi)外學(xué)者對換熱器的強(qiáng)化換熱機(jī)理進(jìn)行了研究，主要從擴(kuò)大換熱表面積、增大傳熱系數(shù)及提高傳熱平均溫差等方面展開實(shí)驗(yàn)和模擬研究，對降低能源消耗和成本具有重大的意義。但在使用過程中，換熱器也存在結(jié)垢問題，如果不及時處理，會使其換熱效率降低，生產(chǎn)能力減弱，壽命縮短，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備堵塞，危害設(shè)備安全，引發(fā)安全事故。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，90%以上的換熱器都存在不同程度的結(jié)垢問題，能量被大量浪費(fèi)，而且現(xiàn)階段的污垢處理方式仍無法將污垢清理干凈。污垢種類繁多，對換熱器結(jié)垢的機(jī)理及影響因素認(rèn)識不清，會導(dǎo)致污垢清理困難，清理成本高昂。因此，研究污垢成因和換熱器結(jié)垢的影響因素對于研究除垢技術(shù)具有重大的意義。由于換熱器用途廣泛，其結(jié)垢機(jī)理也較為復(fù)雜，本文從污垢成因、換熱器介質(zhì)、換熱器的結(jié)構(gòu)及流體流動特性等幾個方面綜述了國內(nèi)外學(xué)者的研究現(xiàn)狀，可為換熱器的設(shè)計、使用及除垢過程提供新思路。

1 污垢形成機(jī)理及特性

污垢是指因使用一段時間后在流體相接觸的界面沉積或剝蝕后形成一層固態(tài)或軟泥狀的物質(zhì)。目前因換熱器使用場合不同，其中的介質(zhì)也不同，結(jié)垢類型也較為多樣。Epstein[2]在國際傳熱會議上根據(jù)污垢形成的原因?qū)⑽酃阜譃槠叻N類型，分別為：析晶污垢、腐蝕污垢、生物污垢、顆粒污垢、化學(xué)反應(yīng)污垢、凝固污垢和混合污垢。該分類方法一直延用至今。其中，常見的換熱器污垢類型主要包括析晶污垢、生物污垢、腐蝕污垢及顆粒污垢。國內(nèi)外學(xué)者對這四類污垢的形成機(jī)理及特性進(jìn)行了相關(guān)研究。

1.1 析晶污垢

析晶污垢主要是硫酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽等溶解性鹽在流動過程中由于熱表面溫度降低導(dǎo)致溶液過飽和，而溶液在換熱器管壁析出，從而形成緊密堅實(shí)的污垢。結(jié)晶污垢的機(jī)理通常包括兩個主要步驟:離子從散體流體輸送到附近的表面，以及使污垢附著到設(shè)備表面[3]。析晶污垢的主要影響因素是溶液的過飽和度，溶液過飽和推動了溶液里面的溶解性鹽在換熱器內(nèi)表面形成污垢。當(dāng)溶液飽和濃度越大，溶解的溶質(zhì)越多時，晶體析出的推動力也越大，而當(dāng)溶液變?yōu)椴伙柡蜁r，析出的溶質(zhì)也多，越易在換熱器表面形成污垢[4]。污垢的形成增大了換熱器內(nèi)部通道流動的阻力，降低了換熱器換熱傳遞效率。結(jié)晶污垢的硬度高，密度大，附著力強(qiáng)，熱阻大，物理清洗較困難。

楊傳芳等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著Ca2+、CO32-離子濃度不斷增大，析晶污垢熱阻先增大，達(dá)到最大值后又下降。當(dāng)溶液中Ca2+和CO32-離子濃度增大到一定程度后，溶液的過飽和度較大，使得CaCO3在溶液中結(jié)晶析出，析出的晶粒為更多的籽晶形成創(chuàng)造了條件，使得CaCO3在溶液中二次成核結(jié)晶，但前驅(qū)結(jié)晶到達(dá)壁面形成污垢的粒子減少，導(dǎo)致壁面上CaCO3沉積速率降低，析晶污垢形成較慢。

徐志明等[6]采用數(shù)值模擬研究了圓管內(nèi)CaSO4的析晶污垢形成過程，含鈣離子的無機(jī)鹽是逆溶解度的微溶鹽類，CaSO4飽和質(zhì)量濃度隨溫度升高而降低。在該模型中，圓管被加熱，因此管壁溫度高于圓管的中心溫度，CaSO4在壁面的溶解度最低，易在管壁表面析出形成污垢。在質(zhì)量濃度梯度的驅(qū)動力作用下，Ca2+、S離子不斷從高濃度輸送到低濃度析晶結(jié)垢，但隨著污垢逐漸增多，沉積的污垢會導(dǎo)致溫度梯度減小，反而影響污垢的沉積率。

Basim 等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了熱飽和Na2SO4溶液在裝有冷水的橫流管式換熱器中換熱產(chǎn)生結(jié)晶污垢的形成過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降低管道內(nèi)表面溫度會增加析晶污垢的厚度，而增大管道的內(nèi)表面溫度有利于去除污垢。冷水側(cè)的雷諾數(shù)增大，表面溫度降低，析晶結(jié)垢量將會增加；而熱鹽溶液側(cè)的雷諾數(shù)增大，管內(nèi)表面溫度升高，析晶污垢將會減少。同時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱鹽類側(cè)的雷諾數(shù)較高時，晶體層將會受到流體剪切力的侵蝕。

1.2 生物污垢

未經(jīng)處理的海水、河水或湖水常被用于進(jìn)行熱量交換和傳遞，但這些循環(huán)水中普遍存在微生物，如細(xì)菌、真菌及藻類等。在合適的條件下，微生物繁殖及排泄時形成的黏膜在管壁面附著、沉積后形成污垢，這層膜狀軟泥層會阻礙熱量傳遞，同時膜狀軟泥層為細(xì)小顆粒物及無機(jī)鹽沉積創(chuàng)造了條件。微生物的種類繁多、生命力頑強(qiáng)、繁殖速度快且分布范圍廣，給相關(guān)學(xué)者研究換熱器內(nèi)生物結(jié)垢的特性及除垢技術(shù)帶來了較大困難。

Melo 等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究了冷卻水中多種微生物在換熱器表面的生長、發(fā)展及形成生物膜的機(jī)理，分析了相關(guān)因素對生物膜的穩(wěn)定及增長的影響。Swee等[9]采用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了生物污垢形成初期過程的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在換熱器表面，大量的多糖聚積形成生物凝膠，進(jìn)而一些大分子進(jìn)一步附著在換熱器表面，形成生物污垢。馬金軍[10]對管式換熱器上污垢種類進(jìn)行了研究，制備了兩種常見的微生物:黑曲霉菌和枯草芽孢桿菌，并從污垢的特性、污垢熱阻以及外部條件對污垢生成速率的影響進(jìn)行了研究。Sun 等[11]通過實(shí)驗(yàn)研究了鐵細(xì)菌、黏液菌及硫酸鹽還原菌形成的微生物污垢的機(jī)理及特性，為抑制微生物污垢提供了方法。

1.3 腐蝕污垢

在使用過程中，換熱器表面發(fā)生化學(xué)腐蝕，從而產(chǎn)生沉積形成污垢。腐蝕污垢極易被流動的液體沖刷，導(dǎo)致壁厚減薄泄漏，危害極大。腐蝕主要包括化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

陳維等[12]對丙烯腈生產(chǎn)裝置反應(yīng)氣體冷卻器的管板和換熱管束端口的腐蝕處進(jìn)行取樣分析，發(fā)現(xiàn)管壁減薄位置位于管束結(jié)垢處，噴射固體顆粒含有（NH4）2SO4，在高溫環(huán)境下會分解出SO2，SO2與O2及水蒸氣反應(yīng)生成H2SO4，易在設(shè)備表面形成露點(diǎn)腐蝕，同時Fe 與H2SO4發(fā)生析氫腐蝕，生成FeSO4，加快了該腐蝕過程。

衡世權(quán)等[13]對腐蝕污垢的機(jī)理、數(shù)學(xué)預(yù)測模型及其防治措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹，建立了腐蝕污垢沉積過程的數(shù)學(xué)模型，并得出了腐蝕熱阻的變化率主要取決于溶液中溶解氧到換熱器表面輸送率及腐蝕反應(yīng)對氧的消耗速率的結(jié)論。

1.4 顆粒污垢

換熱流體中存在不溶性雜質(zhì)顆粒、異相成核顆粒、均相成核顆粒及換熱壁面剝蝕產(chǎn)生的顆粒，在重力和碰撞作用下附著在換熱器表面形成一層固體沉積物。顆粒污垢的附著力小，集中在壁面的層流區(qū)域，且易聚積在表面粗糙處。通常顆粒污垢沉積會增加析晶結(jié)垢的成核點(diǎn)數(shù)量，促進(jìn)換熱面析晶污垢產(chǎn)生，也會使生物在此聚集、生長及繁殖，形成生物污垢，顆粒污垢促使多種污垢并存、緊實(shí)且難以去除。

湯振博[14]對螺紋管內(nèi)顆粒污垢沉積的過程進(jìn)行了研究，對現(xiàn)有的沉積模型進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了新的沉積模型，其中新增了壓力梯度力、虛擬質(zhì)量力及熱泳力，以便于對顆粒污垢沉積場進(jìn)行分析。Beal[15]通過實(shí)驗(yàn)研究了顆粒污垢的形成過程，總結(jié)得出顆粒污垢沉積的主要機(jī)理包括：顆粒的布朗運(yùn)動、湍流擴(kuò)散、重力或慣性力，頁顆粒的沉積速率與流體介質(zhì)黏性、速度有關(guān)。Watkinson[16]通過實(shí)驗(yàn)研究了顆粒污垢與換熱管內(nèi)表面結(jié)構(gòu)的關(guān)系，開展一些高濃度的顆粒在抗污性能差和抗污性能強(qiáng)的內(nèi)表面結(jié)構(gòu)中的結(jié)垢實(shí)驗(yàn)。

孫奧迪[17]采用數(shù)值模擬方法，研究了板翅式換熱器顆粒污垢的成長特性，并對板翅式換熱器的顆粒污垢進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)顆粒的沉積特性前期與換熱面的物理性質(zhì)有關(guān)，但隨著換熱面被顆粒污垢覆蓋，換熱面結(jié)構(gòu)性質(zhì)被改變，進(jìn)而影響后續(xù)顆粒的沉積過程。當(dāng)介質(zhì)流速較低時，小顆粒熱擴(kuò)散運(yùn)動明顯，大顆粒重力沉降現(xiàn)象明顯。在熱泳力作用下，相同的顆粒在冷通道的最大沉積速率大于熱通道中的沉積速率，流速對不同粒徑的顆粒沉積影響效果不同。

目前，換熱器內(nèi)常見的幾種污垢類型都需經(jīng)歷誘導(dǎo)期、生長期、發(fā)展期及沉積、聚積期，然后在換熱器表面形成污垢，從而影響換熱效率。從國內(nèi)外研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，目前研究學(xué)者大多研究單一的污垢特性或者將幾種污垢沉積特性簡單疊加，而未對混合污垢的形成機(jī)理、特性及對換熱器換熱效率進(jìn)行深入的理論和實(shí)際研究。且各種污垢的形成機(jī)理不同，污垢的特性差異也較大，例如析晶污垢附著力強(qiáng)，污垢緊實(shí)，而顆粒污垢附著力小，易聚積在粗糙表面，生物污垢形成的生物黏膜黏性強(qiáng)，而腐蝕污垢易被沖刷，導(dǎo)致?lián)Q熱表面壁厚減薄。因此，研究影響換熱器結(jié)垢的因素對強(qiáng)化換熱及除垢具有重大意義。

2 換熱器結(jié)垢影響因素

換熱器種類繁多，使用范圍廣泛，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，換熱介質(zhì)也存在較大差異。對影響換熱器結(jié)垢的因素進(jìn)行研究，可以有效減少換熱器換熱表面結(jié)垢現(xiàn)象。污垢類型不同，其特性及形成的機(jī)理有也有較大差異。從換熱器結(jié)構(gòu)、換熱器介質(zhì)及換熱器內(nèi)流體流動特性三個方面，綜述了國內(nèi)外學(xué)者對換熱器內(nèi)結(jié)垢因素的研究，為減緩換熱器結(jié)垢提供思路和方法。

2.1 換熱器結(jié)構(gòu)

根據(jù)污垢形成的機(jī)理可知，換熱器表面越光滑，污垢越不易沉積，表面越粗糙，越有助于微生物附著及顆粒污垢沉積。換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，導(dǎo)致流體形態(tài)也存在差異，從而影響換熱器的換熱效果。

任智宏等[18]通過實(shí)驗(yàn)研究弓形流板換熱器、平面螺旋折流板換熱器及折面螺旋折流板換熱器的流動換熱特性后發(fā)現(xiàn)，折面螺旋折流板換熱綜合性能表現(xiàn)最好，其次是平面螺旋折流板換熱器，最差的是弓形流板換熱器。折面螺旋折流板換熱器的壓降小，內(nèi)部流動沿程阻力和局部阻力小，流體對管壁的沖擊小，局部結(jié)垢和腐蝕情況減弱，有利于換熱器平穩(wěn)運(yùn)行。Teng 等[19]研究了不同換熱器管壁材料對結(jié)垢情況的影響，管壁材料分別選用了銅、鋁、碳鋼、黃銅和不銹鋼等。相同條件下，銅材料的管壁上污垢沉積量最大，不銹鋼管壁上的污垢沉積量最小，其他管壁材料的污垢沉積量大小依次為：鋁＞碳鋼＞黃銅。管壁沉積晶體的體積和結(jié)垢量的規(guī)律相同，換熱器材料不同導(dǎo)致結(jié)垢量存在差異，這對尋找更高效的管壁材料研究提供了新方向。

郭燕妮[20]基于硫酸鈣溶液的特性，對不同結(jié)構(gòu)下纏繞管換熱器管內(nèi)結(jié)垢情況進(jìn)行了分析。在傳熱面積相同的情況下，纏繞直徑和管徑越小，換熱器越容易結(jié)垢，纏繞角度對管內(nèi)結(jié)垢的影響較小。并與直管對比后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換熱面積和熱通量相同時，纏繞管和直管的結(jié)垢量相差無幾，雖然纏繞管的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但纏繞管內(nèi)的二次擾流增加了碳酸鈣污垢層的剝蝕程度。纏繞管內(nèi)結(jié)垢量更少，抗垢能力更強(qiáng)，但較大的沖刷力度會導(dǎo)致管壁尤其拐角處壁厚減薄，增強(qiáng)了腐蝕結(jié)垢的程度。

于丹等[21]對螺旋槽管污垢特性及其影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在相同條件下，改變螺距和槽深會對螺旋槽管污垢熱阻產(chǎn)生影響。當(dāng)螺距相同時，槽深越大，螺旋槽管的漸進(jìn)污垢熱阻越??；當(dāng)槽深相同時，螺距越大，螺旋槽管的漸進(jìn)污垢熱阻越大。

2.2 換熱器介質(zhì)

換熱器介質(zhì)是指換熱器內(nèi)流動換熱的溶液，其溶液的離子濃度及類型、溶液度的酸堿度、硬度及pH都會影響換熱器的結(jié)垢情況。

徐志明等[22]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同陰離子對換熱管內(nèi)污垢特性的影響。通過改變介質(zhì)濃度及溶液中的陰離子濃度，觀察污垢的沉積現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)介質(zhì)濃度（陰離子濃度）升高，污垢熱阻的漸進(jìn)值先增大后減小，換熱表面結(jié)垢除了受到沉積作用影響外，剝蝕作用也會降低無機(jī)鹽的濃度，使污垢熱阻曲線產(chǎn)生交叉作用。同時Cl-離子循環(huán)水的污垢熱阻小于NO3-離子的污垢熱阻，這是由于Cl-離子易吸附于硫酸鈣晶體表面，使得換熱管表面污垢不易凝結(jié)，污垢層無法承受剝蝕。

王大成等[23]對換熱設(shè)備微生物結(jié)垢過程進(jìn)行了動態(tài)模擬和影響分析。溶液的pH 會影響微生物的生長過程，微生物的生長過程主要為酶促反應(yīng)，酶促反應(yīng)速率越快，微生物的生長速度就越快，也越易產(chǎn)生沉積。Fe2+和SO42-離子的含量則會影響鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌數(shù)量，從而影響微生物污垢的形成過程。但實(shí)驗(yàn)僅僅考慮了微生物結(jié)垢，F(xiàn)e2+和SO42-離子也會造成設(shè)備表面產(chǎn)生析晶污垢。

2.3 換熱器內(nèi)流體流動特性

流體的流動特性包括流體的溫度、壓力及速度等。對污垢形成的機(jī)理進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，流體的溫度對析晶結(jié)垢和生物污垢的影響較大，而流體的速度對顆粒污垢的影響較明顯。目前，大量的學(xué)者對流體的溫度及速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

Paakkonen 等[24]通過實(shí)驗(yàn)研究了碳酸鈣的表面結(jié)晶和分散流體中的結(jié)晶及其對受熱壁污垢速率的影響，發(fā)現(xiàn)表面結(jié)晶速率主要與壁溫有關(guān)，表面特征控制了結(jié)垢過程。與表面晶體生長的情況相比，分散流體中的結(jié)晶顯著提高了表面污垢的生長速率。

楊傳芳等[25]對流動水中的CaCO3在換熱器表面的結(jié)垢機(jī)理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，控制水流動速率和進(jìn)口溫度時，負(fù)溶解性鹽CaCO3形成的漸近污垢熱阻隨熱通量和表面溫度升高而增大。表面溫度上升，使得表面不溶性鹽的過飽和度增大，結(jié)垢表面反應(yīng)的推動力也越大。

Ritter[26]對換熱器內(nèi)的硫酸鋰和碳酸鈣兩種析晶結(jié)垢過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)，析晶率主要跟過飽和度、表面溫度及熱流密度有關(guān)，尤其過飽和度對析晶結(jié)垢的影響較大，熱流密度間接跟表面溫度有關(guān)，當(dāng)表面溫度差異較大時，熱流密度也相對較大。張寧[27]研究了SiO2顆粒在圓管中的結(jié)垢沉積現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，流速增大時，顆粒污垢熱阻的漸進(jìn)值減少。Paakkonen 等[24]對析晶污垢的特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著流體流速增大，CaCO3在受熱壁表面形成污垢的速率減慢。孫奧迪[17]發(fā)現(xiàn)不同流速對不同粒徑的顆粒沉積影響效果也不同。

從換熱器結(jié)構(gòu)、換熱介質(zhì)及流體流動特性綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究的現(xiàn)狀。換熱器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和材質(zhì)在改善換熱器換熱性能的同時也會影響其結(jié)垢特性，換熱器的管徑、材料、折流板形狀及槽深等都會對結(jié)垢量產(chǎn)生影響，尋找更合適的換熱器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)是未來的發(fā)展方向。換熱器介質(zhì)不同，導(dǎo)致?lián)Q熱器壁面形成的污垢類型和污垢量也不同，溶液本身的屬性決定了污垢的類型，因此除垢時可以根據(jù)溶液的特性采用不同的除垢技術(shù)。流體的流動特性對結(jié)垢率和結(jié)垢類型的影響較大，也是影響設(shè)備結(jié)垢的關(guān)鍵因素，尤其是析晶結(jié)垢和顆粒結(jié)垢，但目前對介質(zhì)的最佳流速和溫度還沒有進(jìn)行充分研究。

3 結(jié)論

通過對換熱器內(nèi)結(jié)垢特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述后發(fā)現(xiàn)，換熱器污垢類型很多，不同污垢類型形成的機(jī)理及影響因素也有差異，主要對四種常見的污垢類型的生成機(jī)理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，同時綜述了污垢特性的影響因素，并得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）不同的污垢類型都需經(jīng)歷誘導(dǎo)期、生長期、發(fā)展期及沉積、聚積期，然后在換熱器表面形成污垢，污垢在不同時期對管壁換熱的影響也不同。目前相關(guān)研究大多針對單一污垢類型，對混合污垢的研究較少，且污垢在不同時期的特性研究也不夠深入。

（2）從換熱器介質(zhì)、換熱器機(jī)構(gòu)及流體流動特性三個方面綜述了影響換熱器內(nèi)結(jié)垢的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)流體流動特性對結(jié)垢率和結(jié)垢類型的影響較大，污垢類型的差異主要是由換熱器介質(zhì)造成的，換熱器結(jié)構(gòu)和材質(zhì)對不同污垢類型結(jié)垢量的影響也不同，尋找最優(yōu)的換熱器結(jié)構(gòu)及最佳的流體速度和溫度將會是下一步的研究方向。