浅谈板式换热器结垢的现象

技术简报
工艺：甜菜和蔗糖
换热器中的结垢
摘自：艾伯特省卡加利季刊，delta，BC
面积余量是板式换热器中一种表示富裕面积的度量。

总的来讲，它比规定一个污垢系数更为有效。

这种污垢系数常用在管壳式换热器中，但对板式换热器，容易引起误解。

在管壳式换热器中，污垢系数通常用来补偿污垢产生的影响。

由于比较低的内部流速，管壳式换热器更容易结垢。

对于结垢或损坏的管子，一般采用焊接或机械堵塞的方法修补列管中的个别漏洞。

在换热器的整个使用寿命中，会有越来越多的漏洞被封堵，直到其性能降至不可用。

因此，会准备大量多余的管子以保证换热器的寿命。

而在板式换热器中，过多的富裕面积实际上会增大结垢的倾向。

增加的板片越多，流经每一张板片的流速越低。

板式换热器比管壳式换热器具有更多的内部湍流，会产生一种自清洗效果，这也是板式换热器总体来说不易结垢的原因。

当内部流速降至非常低时，板间的流体变成层流，这时自清洗功能就会丧失。

比如，管式换热制造商协会（TEMA）规定的一种冷却塔管壳式换热器污垢系数为0.001，相当于板式换热器需要增加大约75%的面积。

这会导致板式换热器非常低的流速以及更大的结垢倾向。

由于必要时可以替换和清洗单个的板片，多余的面积就没有太多必要，因为这只会增加换热器的成本。

否则，相对于合理的面积，多余的面积只会增加维修的频率。

换热器中的结垢
结垢是换热器运行中最为常见的一种问题。

结垢是指沉积物和碎物在换热器表面的堆积，从而阻碍热量的交换。

污垢可以降低换热效率，阻碍介质流动，并会增大换热器压降。

考虑到多方面的操作问题，在设计阶段进行适当的规划，可将污垢的影响降至最低。

通过计算一台换热器运行一段时间可能产生的污垢，设计者采用污垢系数来
提高换热器的寿命，运行时间和效率。

这通常会增加换热器的面积从而降低了污垢的影响。

在很多应用中，比如精炼厂，换热器会连续使用好几年而不进行清洗。

这就意味着换热器必须长时间保持工作效率。

通过增加面积来补偿污垢影响能够使得换热器在结垢的状态下工作好几年。

结垢的类型
结垢有多种类型，每种污垢的形成都取决于流体和条件的类型。

以下是几种比较常见的结垢理论：
“结晶”是最为常见的一种结垢形式。

自然水中常见的盐在热水中具有比冷水中小的溶解度。

因此，当冷却水在冷却过程中被加热时（特别是在管壁）这些溶解的盐就会在表面结晶。

[通常解决方法：降低换热器温度会软化沉积物。

“沉积”——如果是淡水，灰尘、泥沙、铁锈以及其它小物体的沉淀比较常见。

通过换热器的设计可以在某种程度上加以控制。

[通常解决方法：控制流速] “生物有机生长材料”来自化学反应，积累到一定程度会导致严重损坏。

[通常解决方法：合理选择材料]
“化学反应焦化”出现在高温下碳化氢的沉淀。

[通常解决方法：降低流体和换热器表面之间的温度]
“腐蚀”可以破坏换热器的表面，造成重大损失。

除非得到合理解决，否则会降低热量交换并损坏设备。

[通常解决方法：合理选择材料]
“冻结”——换热器表面的过冷导致一些流体流动部分的凝固。

[通常解决方法：降低流体和换热器表面的温度梯度]
污垢系数
污垢系数是管式换热器中最常用的计算污垢影响的方法。

污垢系数是一个参数值，可以表示某种换热器采用某种换热介质时产生的污垢的数量。

在传热公式中，通过污垢系数和其它热阻可以计算得出总热阻，总热阻与传热系数成反比关系。

对于特定的应用中给定的流体，通过直接计算无法决定大概的污垢系数，然而，一些指南却能帮助我们确定污垢系数。

针对一系列应用中的一系列介质，管式换热制造商协会（TEMA）编辑的污垢系数最为常用。

下表列出了管壳式换热器和常见介质及应用的污垢系数。

流体流阻ft2-℉-hr/BTU
变压器油0.001
蒸汽0.0005
压缩空气0.001
液压液0.001
正二醇液0.002
精炼润滑油0.001
海水0.0005（125℉以下）0.001（125℉以上）冷却塔水0.001（125℉以下）0.002（125℉以上）河水（最小）（管速#3英尺秒）0.002（125℉以下）0.003（125℉以上）河水（最小）（管速＞3英尺秒）0.001（125℉以下）0.002（125℉以上）河水（平均）（管速#3英尺秒）0.003（125℉以下）0.004（125℉以上）河水（平均）（管速＞3英尺秒）0.002（125℉以下）0.003（125℉以上）河水（泥水）（管速#3英尺秒）0.003（125℉以下）0.004（125℉以上）河水（泥水）（管速＞3英尺秒）0.002（125℉以下）0.003（125℉以上）
结垢和板式换热器
板式换热器中的结垢和污垢系数不同于管壳式换热器。

板式换热器具有很高程度的湍流，可以加大流体的流动速率，事实上还可以降低板式换热器的结垢倾向。

另外，与大多数管壳式换热器存在结垢的低流速区相比，板式换热器具有更好的等流速分布。

板式换热器通常具有比管壳式换热器更高的传热系数，而且有时会高出很多。

前面已经提到过，在传热公式中，总热阻与传热系数是成反比的。

所以，在相同的使用条件下，板式换热器的总热阻要比管壳式换热器低很多。

将一个应用于管壳式换热器的典型的污垢系数应用在板式换热器的设计中，会明显影响传热系数，导致产生高出设计的传热效果。

当然也存在不好的方面，由于高的传热系数和低的面积，结垢会对板式换热器产生更大的影响。

所以控制结垢对于板式换热器尤为重要。

在大多数板式换热器的应用中，规定面积余量比规定上面说的TEMA污垢系数更加实用。

使结垢最小化
结垢取决于换热器的类型和介质的种类。

对于不同的设计、结构和传热介质，各种换热器会有不同的结构形式。

管壳式换热器中管程通常容易清洗，而壳程不易。

板式换热器可以同时拆开两侧进行清洗。

一些换热器可以在停机的每个晚上进行清洗，而有些换热器要隔几个月甚至一年才能清洗。

为了降低换热器中的结垢程度，应尽可能的对设备进行清洗。

如果板式换热器受到污垢的影响，在框架空间允许的情况下，可以增加多余的板片以重新得到要求的性能。

设计要尽可能降低结垢的影响
在一台指定的换热器中，当设计者需要算出期望的结垢数量时，他们可以采用很多方法进行调节。

-高程度的湍流可以阻止换热器表面的沉积，还可以帮助清洗任何污垢。

所以确保设计足够高的速率以减轻结垢，但也不能太高以避免磨蚀。

-尝试保持整个换热器中相同的高速率可以避免沉积出现。

尽量减少低速率区和死角，以减少结垢。

-应考虑设备清洗的频率，并尽量使清洗方便进行。

-对于板式换热器要选择合适的框架尺寸，以保证在由于结垢降低换热性能时，可以通过增加板片来增加换热面积。

过大的结垢系数
对未来合理的规划和良好的设计会使我们考虑比要求的结垢系数高，以确保安全。

对结构进行预期固然好，但过度设计会加快结垢。

规定一个过大的结垢系数通常会导致更多的流动面积，从而降低流体在换热器中的流速，加快结垢。

另一个风险是，过大尺寸的换热器会更难清洗，可能采取的行动时会降低冷却水的流速，加速结垢。

对于所有的换热器而言，尽量按照接近的设计条件运行非常重要。

成本：
结垢妨碍换热器换热，从而成为增加能源、维修和操作成本的主要因素。

什么是结垢？
结垢通常定义为过程设备表面不需要的物质的积累。

在设计和操作中已经被认为是一种几乎普遍存在的问题，它会在以下两个方面影响设备的运行：-结垢层具有很低的导热性，这会增加热传递的阻力并降低换热器的效率——增加温度。

-结垢处，流道的面积会减小，导致通过装置的压降增大。

结垢导致的成本
尽管与结垢有关的成本巨大，在这个项目上的研究一直非常有限。

当评估各种减缓措施的成本效率时，对结垢经济的可靠知识非常重要。

与结垢有关的总费用可以分为以下四个方面：
-基本建设费用，包括面积余量（10~50%，平均35%）、更强的地基的成本、提供更多的空间、运输和安装成本的增加。

-更多的燃料成本，如果结垢导致炉子或锅炉需要更多的燃料，或者为了克服结垢造成的影响需要更多的电力或过程蒸汽等二次能量，都会增加燃料成本。

-由于结垢，在计划的或未计划的装置停车造成的生产损失。

-这些被认为是结垢产生的主要成本，并且难以估计。

根据普里查德和萨克莱（哈韦尔实验室）的研究，一个过程装置的15%的维修费用是用在换热器和锅炉，而这其中的一半是因为结垢。

因为燃料费用的增加，炼油厂和石油化工厂中因结垢而产生的费用变得非常高，从而导致停工和生产损失，增加了维修费用。

潘修（美国阿贡国家实验室）基于范诺斯丹的研究，重新提出了美国炼油厂中和换热器结垢相关的能源和经济损失，每年高达20亿美元。

基于现行的环境法规，由于维修费用显著增加，美国对维修费有所修改。