關(guān)于板式換熱器的防垢研究

任效男

蘭州生物制品研究所有限責(zé)任公司 甘肅 蘭州 730046

引言

板式換熱器的維護(hù)保養(yǎng)是我國換熱技術(shù)領(lǐng)域值得討論的一個(gè)問題，板式換熱器在換熱器里屬于使用較廣的一種換熱設(shè)備，它相比于其他換熱器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文通過查閱資料，閱讀文獻(xiàn)，了解板式換熱器工況性能，通過實(shí)踐進(jìn)行清洗維護(hù)保養(yǎng)工作，了解到當(dāng)前這一技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步熟悉換熱站的各項(xiàng)工作，加深對(duì)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的理解，提高解決問題的能力。

1 污垢的形成機(jī)理及危害

1.1 污垢的定義及分類

污垢是指設(shè)備內(nèi)流體中的雜質(zhì)或組分附著在接觸面上，形成固形物并沉積下來，這種物質(zhì)通常以混合物的形式存在。

一般存在于板式換熱器里的污垢按照結(jié)垢形成的沉積機(jī)理，大致分為以下六種，了解并熟悉這些污垢的形成原理和方式，有利于在防垢時(shí)對(duì)癥下藥。

①析晶污垢指過飽和溶液中的無機(jī)鹽，例如：Li2SO4、NaCl、CaSO4、CaCO3、Ca(OH)2、Mg(OH)2和Na2SO4等，在換熱器表面以結(jié)晶形式附著。②微粒型污垢指懸浮于流體中的固體微粒，因重力作用而沉淀，即沉淀污垢和膠體微粒的沉積。③化學(xué)反應(yīng)污垢指在換熱表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的污垢，換熱表面不參與。④腐蝕型污垢指具有腐蝕性的流體或流體中有腐蝕性的雜質(zhì)對(duì)換熱表面腐蝕后所產(chǎn)生的腐蝕物聚積所形成的污垢。⑤凝固型污垢指流體在過冷換熱面上凝固而形成的污垢，溫度分布是否均勻?qū)@種污垢影響很大。⑥生物性污垢指微生物和有機(jī)物附著于換熱面上而形成的污垢。一般黏泥會(huì)為微生物提供繁殖條件，在適宜的溫度下，可發(fā)展成一定厚度的垢層。

1.2 污垢的形成過程

首先是一個(gè)沉積的過程，污垢從流體中緩慢沉積在表面，第二個(gè)過程是沉積的力和剝離的力相互競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)前者大于后者時(shí)便形成了污垢。

1.3 污垢的影響

污垢的熱導(dǎo)率極低，根據(jù)串聯(lián)熱阻公式：

由（1-1）（1-2）[1]得知，越高，則污垢熱阻影響也越大。污垢的主要影響有：它屬于不良導(dǎo)體，影響傳熱；如果太多的污垢聚積在設(shè)備的表面，會(huì)讓腐蝕變得更加劇烈，造成設(shè)備穿孔；若污垢在換熱器內(nèi)部聚積，使得流體的流道截面積變小，流體的阻力增大，設(shè)備的消耗功率也隨之增大，總能量消耗增大；污垢多了需要清洗，設(shè)備停運(yùn)，也會(huì)帶來一定量的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

2 污垢的防止

根據(jù)板式換熱器的特點(diǎn)和污垢形成機(jī)理，可以從設(shè)計(jì)、應(yīng)用、阻垢劑、水質(zhì)處理等方面防止污垢的產(chǎn)生。

2.1 板式換熱器的特點(diǎn)

板式換熱器（如圖1所示），是由一系列金屬片組合疊起的換熱器，通過板片進(jìn)行傳熱。板片的四角均有圓孔，圓孔內(nèi)形成通道供流體流過而達(dá)到能量交換的目的。板片厚度為0.5～3mm，金屬片多是波紋或者槽形。板式換熱器因結(jié)構(gòu)緊湊，熱效率高，熱損失小，板片的加工和制造相對(duì)比較容易，使用壽命長(zhǎng)，輕巧，體積小等優(yōu)點(diǎn)，在供暖、制藥、電力等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)是使用中易結(jié)垢，需頻繁拆卸和清洗，泄露可能性大，有些墊圈材料的性質(zhì)也會(huì)影響傳熱能力。

圖1 板式換熱器外觀

2.2 設(shè)計(jì)板式換熱器時(shí)的注意事項(xiàng)

采用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，板片結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單，死角越少，越不容易藏污納垢，設(shè)備后期的清洗維護(hù)越簡(jiǎn)單。設(shè)備運(yùn)行過程中應(yīng)當(dāng)采用一個(gè)符合運(yùn)行條件下的壓力值。壓力越低污垢越容易沉積，保證流速則會(huì)加大對(duì)污垢的剝蝕力。

2.3 阻垢劑的選用

添加阻垢劑也是防垢的一種方法，通常情況下，阻垢劑的作用分為兩種，一種是阻垢劑與污垢直接反應(yīng)，阻止或減少污垢產(chǎn)生；另一種是對(duì)碳酸鈣晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程有干擾作用從而減少碳酸鈣的形成。從污垢的形成機(jī)理來說，利用阻垢劑將難溶鈣鎂鹽中的鈣鎂離子置換出并穩(wěn)定在水中，抑制了垢的沉積；對(duì)有些無機(jī)垢的結(jié)晶形成干擾，晶體會(huì)發(fā)生畸變，內(nèi)部應(yīng)力增大，從而使晶體容易破裂，阻礙了垢的生長(zhǎng)[2]。

阻垢劑類型可分為單效型阻垢劑和復(fù)合型阻垢劑。目前，比較常見的阻垢劑大多都是多功能復(fù)合型，其具有抗氧、分散、鈍化和緩蝕等多種作用。常見復(fù)合型阻垢劑有磷酸鹽、縮聚磷酸鹽、氨基多羧酸鹽、表面活性劑和聚合物等五大類。阻垢劑的選擇和加入量應(yīng)根據(jù)污垢的性質(zhì)和結(jié)垢程度，再遵循經(jīng)濟(jì)有效的原則結(jié)合實(shí)際來確定。

2.4 水質(zhì)處理

在換熱系統(tǒng)中，以水為熱媒的系統(tǒng)使用最為廣泛。在水為熱媒的系統(tǒng)中，對(duì)水質(zhì)的處理尤為重要，做好水質(zhì)處理，可以大幅度減少系統(tǒng)產(chǎn)生污垢產(chǎn)生。在實(shí)際應(yīng)用中，水質(zhì)處理主要采用兩種軟化處理方式：

2.4.1 鈉離子交換軟化處理此方法是用鈉離子交換去除水中鈣鎂離子，去除鈣鎂鹽類的水垢，從而達(dá)到對(duì)循環(huán)水進(jìn)行軟化處理。

2.4.2 弱酸離子交換樹脂脫堿軟化處理弱酸離子交換樹脂只與水中CaHCO3、MgHCO3發(fā)生交換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為H2CO3，基本可以除去水中80%以上碳酸鹽的硬度。

鈉離子交換軟化處理適用于原水堿度低的時(shí)候，只軟化不要求脫堿；弱酸離子交換軟化處理只能去除碳酸鹽硬度，軟化不夠徹底。所以常常將兩種方法聯(lián)合使用，能達(dá)到既去除堿度又去除硬度的效果。

3 板式換熱器污垢的清洗

由于板式換熱器內(nèi)部通孔徑小，容易結(jié)垢堵塞。當(dāng)加入阻垢劑也不能完全解決問題時(shí)，應(yīng)當(dāng)定期清洗。為了減少換熱器結(jié)垢所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，確定適當(dāng)?shù)那逑捶椒ê陀?jì)劃則是下一步需要考慮的問題。一般采用的清洗方式有以下幾種。

3.1 機(jī)械清洗

機(jī)械清洗是常用的方法之一，以下簡(jiǎn)單介紹用高壓水槍清洗的方法。

目前已被廣泛采用于各領(lǐng)域設(shè)備清洗、清垢、除銹、解堵等。用水作為工作介質(zhì)，利用清洗設(shè)備，高壓水槍，利用水的高壓直接沖洗設(shè)備上的污垢。此方法損耗量小，效果明顯。設(shè)備由高壓泵、調(diào)壓閥、噴槍、水管等組成。高壓泵通過對(duì)水的吸、排，到達(dá)噴嘴并形成一股能量，轉(zhuǎn)化為速度之后形成射流，將垢層擊穿擊碎，速度越大，效果越好。由于金屬硬度高，不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生射流切割作用。沖洗時(shí)可配合軟毛刷，徹底清刷一遍板片。

機(jī)械清洗的優(yōu)點(diǎn)是：作業(yè)時(shí)間短，速度快，效果好，除垢能力強(qiáng)，不污染環(huán)境，損害小。缺點(diǎn)是：需拆開和安裝設(shè)備，工作量大，且中斷設(shè)備運(yùn)行，用水量大，需要較大的動(dòng)力源，對(duì)腐蝕嚴(yán)重的板片容易造成擊穿。

3.2 化學(xué)清洗

化學(xué)清洗是使用藥劑使污垢溶解、剝離而被清除的方法。一般采用酸洗，酸洗的原理是使得污垢能被溶解、剝離、氣掀和疏松的作用。常用的有機(jī)酸有：草酸和甲酸等；無機(jī)酸有：鹽酸和硝酸等。用鹽酸和硝酸作為清洗液，容易對(duì)板片產(chǎn)生強(qiáng)腐蝕，縮短換熱器的使用壽命。從實(shí)際清洗的結(jié)果看，選擇甲酸與草酸清洗，效果最佳[3]。

3.2.1 甲酸清洗。利用甲酸進(jìn)行板式換熱器清洗效果較好，如果在甲酸清洗液中加入適量的緩沖劑和表面活性劑，清洗效果更好，并可降低清洗液對(duì)板片的腐蝕。通過配好的清洗液浸泡，甲酸能夠有效地清除附在板片上的污垢，同時(shí)它對(duì)換熱器板片的腐蝕作用也很小。

甲酸清洗工藝要求：

溫度：提高溫度會(huì)利于除垢，60℃為最佳，太高會(huì)使得酸對(duì)板片造成腐蝕。

濃度：甲酸81%，水17%，緩沖劑1.2%，表面活性劑0.8%。

鈍化：酸洗結(jié)束后嶄新的金屬表面極易腐蝕，應(yīng)當(dāng)對(duì)板片進(jìn)行鈍化處理。

甲酸清洗步驟：

沖洗：在進(jìn)行酸洗前，先要將設(shè)備用循環(huán)水進(jìn)行沖洗，去除表面附著的松軟雜質(zhì)、污垢、泥沙等物質(zhì)，提高酸洗效果的同時(shí)還能節(jié)省耗酸量。

加入清洗劑：將清洗劑加入清洗設(shè)備，再注入板式換熱器中，開始酸洗工作。

酸洗：浸泡2小時(shí)后，再動(dòng)態(tài)循環(huán)3～4小時(shí)，并每隔半小時(shí)進(jìn)行正反交替清洗，如果酸洗結(jié)果pH大于2，則表示清洗劑可以再次使用，pH小于2要中和排出去。

堿洗：酸洗后將磷酸三鈉、軟化水按照一定的配比進(jìn)行匹配，再次利用動(dòng)態(tài)循環(huán)的方式將換熱器進(jìn)行清潔，目的是為了（能夠酸堿）中和殘留的酸，而不會(huì)損傷設(shè)備。

水洗：以上步驟完成，用軟化水再清洗半小時(shí)，確保將內(nèi)部的雜質(zhì)徹底清除。

記錄：主要將各個(gè)步驟時(shí)間進(jìn)行記錄，最后檢查清洗效果。

3.2.2 草酸清洗。草酸清洗工藝要求：溫度：水溫小于16℃。濃度：3%～5%。進(jìn)出口閥：必須關(guān)嚴(yán)，防止溶液進(jìn)入系統(tǒng)。

草酸清洗步驟：將換熱器進(jìn)、出口閥門里安裝注水閥門，不用拆開換熱器，根據(jù)換熱器的使用經(jīng)驗(yàn)注入3%～5%的草酸注入設(shè)備中，利用循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)清洗。循環(huán)清洗兩次，一次3～4小時(shí)即可。再用2%磷酸三鈉清潔后，清水沖洗兩次即可。掌握時(shí)間做好記錄，最后檢查清洗效果。

草酸與甲酸的使用量根據(jù)經(jīng)濟(jì)環(huán)保并結(jié)合實(shí)際情況而定?；瘜W(xué)清洗的優(yōu)點(diǎn)是：清洗效果好，對(duì)于頑固污垢有很強(qiáng)的剝蝕力，浸泡基本無死角全方位都能涉及。缺點(diǎn)是：要考慮廢液處理，考慮化學(xué)藥劑的費(fèi)用，清洗作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，工作人員作業(yè)量大。

3.3 在線沖洗

在線沖洗也可稱反沖洗，是指改變換熱器中水的流向達(dá)到清洗的目的，效果比正沖洗好，速度要達(dá)到正常運(yùn)行流速的1.5倍左右才能有效果，反向往往能松動(dòng)或沖走軟垢等。其優(yōu)點(diǎn)是：反沖洗不用拆卸換熱器，方便快捷，操作簡(jiǎn)單，在應(yīng)急除垢時(shí)可以使用。缺點(diǎn)是：除垢不太徹底，只能用來除去部分污垢，對(duì)于硬垢和沉積物，則效果不明顯。

4 結(jié)束語

在北方地區(qū)供熱站，換熱設(shè)備每年冬天都要使用，所以板式換熱器的防垢除垢工作相當(dāng)重要。除垢技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)供熱站，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。除了在運(yùn)行中抓緊防垢工作外，每當(dāng)冬季供暖結(jié)束后，為保證下一次供暖的順利，都應(yīng)進(jìn)行板換的清洗除垢工作。板式換熱器離不開人為的清洗維護(hù)保養(yǎng)，在供暖系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中除垢極為重要，它為強(qiáng)化傳熱，節(jié)電節(jié)水，減少污染都帶來了不小的作用，為換熱設(shè)備的正常安全運(yùn)行提供了可靠的保證，從而獲得明顯的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。