换热器的结垢分析

换热器的结垢分析

（上海轻工业研究所有限公司 研发中心 杨林）

摘要：本文换热器污垢的主要类型、形成机理以及影响污垢生长的因素。同时，提供了简单判定具体结垢的类型的化学分析方法。

关键词：换热器 结垢 分类 区分

换热器是石油、化工装置中重要的设备之一, 也是其它工业生产过程中广泛应用的通用设备。由于换热器内有流体、气体等物质流动, 在其运行过程中, 管内及壳程必然要发生腐蚀和结垢, 致使传热效率下降、流量降低。在换热设备中,

大多数是作为冷却器使用的, 而作为冷却介质的工业用水( 或其它介质)中的溶解物随温度的变化和冷却水的蒸发都会产生沉淀、凝聚而生成水垢或污垢。另外,

换热器内的腐蚀产物以及微生物滋生也是污垢生成的原因。

1 污垢的分类

从结垢机制的角度, 液侧污垢可分为如下6类:析晶污垢、微粒污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢、凝固污垢以及混合污垢。需要指出的是, 通常的污垢形成过程可能是几种污垢形成机理共同作用的结果。如析晶污垢和腐蚀污垢就常常混合而共存于同一换热面, 并且换热壁面上往往同时生成几种污垢且相互影响。因此, 针对每一基本结垢类型, 弄清其形成机理对防止结垢是十分重要的。

(1)析晶污垢：指过饱和的流动溶液中溶解的无机盐垫析在换热面上的结晶体，如果是冷却水或蒸发设备中的液体时，这种污垢又称作水垢。

(2)颗粒污垢：指悬浮在流体中的固体颗粒在换热面上的积聚。这种污垢包括较大固体粒子在水平换热面上的重力沉淀和以其他机制形成的胶体粒子沉淀物。

(3)化学反应污垢：指由于化学反应形成的换热面上的沉积物，但是如果换热面材料本身参与反应所形成的污垢则不在此列。

(4)腐蚀污垢：指换热面材料本身参与化学反应所产生的腐蚀物的积聚。这种污垢不仅本身污染了换热面，而且还可能促使其他潜在污垢组分附着于换热面上形成污垢。

(5)生物污垢：指由细菌、藻类等微生物及其排泄物沉积于固体表面并生长、繁殖而形成的生物粘膜或有机物膜。这种生物粘膜既为宏观生物和无机物的附着和生长提供了条件，也为宏观生物的生长提供了必要的养分。

(6)凝固污垢：指工质或其组分在过冷的换热面上的凝固而形成的。

(7)混合污垢：指在某换热过程中，上述六种污垢形成机制中的一种以上的几种机制同时发生而形成的污垢。

在六大类单一类型的污垢中，析晶污垢是最普遍的污垢形式，常见的是难溶性的钙盐、镁盐。如碳酸钙、硫酸钙、氢氧化镁、硫酸钙等。由于水质的原因，欧洲学者的研究表明，CaS04是该区域析晶污垢的主要成分。而经过我国学者邹勇、程林等人的调查发现，在我国的换热器污垢中，最典型的是CaC03垢。除了其水合物以外，碳酸钙有三种常见的晶相，按照溶解度逐渐降低和稳定性逐渐增强的顺序，分别为球霰石、文石和方解石

2 污垢的形成机理

污垢形成的五个阶段( 起始, 输运, 附着, 老化, 剥蚀) 中, 输运、附着、剥蚀相对研究得比较深入。在起始方面, 长期以来人们认为具有低表面能的材料可以减轻污染物的黏附。Panchal等发现在一些污垢形成过程中存在阈值现象。包括Rankin 和Adamson、Baier、Kjaer等许多学者报告说低表面能的聚四氟乙烯( PTFE) 或硅酮涂层表面可以延缓污垢的形成,且易于清洗。可是也有若干相反的报道说在低表面能表面上更容易形成污垢。如Addesso 和Lund报道蛋白质在PTFE 涂层表面和在不锈钢304#、316#及钛表面的吸附状况类似,而Yoon等发现在PTFE表面上牛奶的污垢速率高于304#不锈钢。这除了一些尚未确知的因素外, 涂层本身的热阻、涂层与壁面的结合强度、耐磨性等因素是导致上述差异的原因。

l、起始

起始过程是指从污垢在洁净的换热面形成开始，到换热面被污垢完全覆盖结束。以前众多的污垢工作者把污垢的起始过程与污垢的诱导期等同起来。污垢的诱导期定义为：从换热面与工质接触时起，到由污垢引起的(对流)传热热阻的减少等于污垢层导热热阻时所需的时间间隔。诱导期的深入研究很有意义，因为诱导期内污垢的热阻小于或者等于零，所以只要无限制的延长污垢的诱导期，我们就能延缓污垢的形成过程。

2、输运

输运过程是污垢微粒向传热面的迁移过程。目前，输运过程是污垢形成过程中各阶段中研究得最为充分的一个过程。污垢形成的运输过程的模型很多，目前已被确认的运输机制的模型有以下八种：(1)布朗扩散或分子扩散，(2)化学反应率支配的输运，(3)湍流扩散，(4)电泳，(5)热泳，(6)惯性碰撞，(7)重力，(8)扩散泳。

3、附着

实验研究表明，流体中的颗粒物质，只有在其重力忽略不计的情况下，也就是其粒径在1um以下时才会附着于换热面而形成污垢。穿过流动边界层被输运到固体表面的污秽粒子，通常不会全部附着于表面而形成污垢，其中部分粒子往往又从表面反弹出来，这种表面粒子的附着还是反弹完全是随机的。微生物细胞对换热面的附着过程是生物污垢形成的必要阶段，微生物细胞的附着机制主要有两类，一类是物理、化学力，如静电力；一类是微生物本身所具有的附着结构和分泌的胞外聚合物。

4、剥蚀

剥蚀过程是指沉积在换热面上的污垢重新脱离换热面或污垢层被流体带走的过程。该过程包含两个同时发生的子过程：污秽物质从流。固界面处的脱离和污秽物质从表面到流体中的输运过程。前者通常称为剥离，后置则称为重夹。污秽物质脱离表面的形态有三种：离子、颗粒和大块，按照污秽物质脱离表面的不同形态，研究者提出了相对应的三种剥蚀机制：溶解、磨蚀和剥落。

5、老化

污垢的老化从污垢在换热面上一形成时就开始了，老化表现为：(1)沉积物质的聚合作用，(2)晶体结构的变化，(3)换热面释放出的腐蚀产物造成的微生物中毒，(4)污垢与换热面界面处发生的溶解过程，(5)热应力的发展，(6)微生物的饥饿死亡。老化的进行使得沉积物的特性发生变化，因而剥蚀过程也会随之改变。如微生物污垢的剥蚀开始是一磨蚀(污垢以微粒形式脱离换热面)的形式进行。经过一段时间以后，由于微生物死亡而不再黏附于表面，剥蚀则是以剥落(污垢以大块或大片脱离表面)的形式进行。

3 影响污垢生长的因素

影响污垢形成的因素非常复杂，可将这些因素分为换热器运行参数、换热器结构参数及流动介质的性质。

3.l 换热器运行参数的影响

换热器运行参数主要包括流体流动速度、换热面温度及流体温度等。

(1)流体速度

微生物污垢增长率的影响具有两重性，一方面，较低的流速有利于微生物的附着；另一方面，以附着的微生物希望有较高的流速带来充足的氧和营养，但是微生物的繁殖又为高速流体的剪切所限制。Melo通过实验考查了流体流速对微生物污垢厚度的影响。在湍流流动中，较高的流速容易产生较薄的生物污垢，而在低于1.0m/s水流速下进行的一些实验则得出这样的结论：生物污垢的厚度随流体流速的增加而增加。这说明此流速范围内，养分量的传递是生物污垢增长的限制因素。但在实际污水应用中污水流速均大于1.Om/s，这么大的流动速度对污垢的影响很大，在实际情况污垢层的厚度随流速的增加而减小。

(2)温度

温度对污垢的影响，迄今为止的研究还远远不足。Watkinson和Martinezl511研究表明，在常壁温条件下，污垢热阻先随主流温度增加而增加，但达到某一最大值后，主流温度的进一步增加，污垢的热阻又开始下降。 3.2 换热器结构参数的影响

换热器结构参数主要包括：换热面材料、换热面状态及换热面的型式和几何尺寸。

(1)换热面的材料

换热面的材料对腐蚀污垢的影响主要通过腐蚀产物影响其他污垢的沉积。但是，铜合金比较例外，由于铜合金能够释放铜离子，且铜离子具有生物杀灭剂的作用可对生物污垢起抑制作用。

(2)换热面粗糙度

不同污垢的诱导期都随换热面粗糙度的增加而减小，这是由于凸出部分有利于成核、吸收和表面化学活性的增加，而凹下部分则为沉积物提供了避开流体冲刷的场所，这两个方面都使污垢便于沉积。但是，与此同时，表面粗糙度的增加有利于剥蚀的进行。

(3)换热器结构

换热器的结构与换热器内流体流速、湍流度、换热面光滑度等因素有关，这些因素直接影响了换热器内结垢情况。因此，一般板式换热器和螺旋管换热器的抗垢性能要优于管壳式换热器。

3.3 生物污垢的影响因素

因为生物污垢外侧有黏膜，所以使得微生物的活动特征有别于无机物垢。影响微生物污垢生长的因素有：温度、pH值、溶解氧、养分、流速、底质特征、悬浮固体、光线和痕量元素等。

4 垢样的成分与分析

垢样包括软垢、硬垢、腐蚀产物及生物黏泥等。硬垢一般在管道壁上附着比较坚固, 很难用勺子刮下来。软垢则比较稀松, 沉积在管道上, 与管道壁黏附不结实, 易用水冲下来, 用手捏着有细小颗粒的感觉, 干时为粉末状。若有黏泥,

则颜色较黑, 手捏时带有一定黏性。腐蚀产物大多为电化学腐蚀产生或微生物腐蚀产生的腐蚀锈瘤。生物黏泥一般是由连成丝的裹有相当密实黏液层的杆菌组成,

外观为灰黑色, 闻着有腥味,手捏着有滑感。

垢样分析的第1 步为取样, 基本要求是所取的垢样应具有代表性。采取量一般为100~200g,在满足试验需要量的同时留有一定的保留量, 以备复查考证。

定性分析通常采用化学试验的方法对垢样进行分析。

仪器与试剂:药物天平, 常用玻璃器皿；HCl5% (CP),BaCl210%(CP),NaF0.5%

( CP),乙醚。

试验步骤: 用天平称取重约5g大小的垢样5块,分别置于编有序号的100mL烧杯中。先在1号烧杯中加入5%HCl30mL, 观察垢样,记录其变化状况；然后在2号烧杯中加入10% BaCl230mL观察垢样, 记录其变化状况；再在3号烧杯中加入0.5% NaF30 mL左右观察垢样, 记录其变化状况；取4号烧杯将垢样用研钵研碎后,移入烧杯中加入50 mL乙醚溶剂观察垢样,记录其变化状况。

污垢成分简易鉴定方法说明如下：

1) 加入5%HCl后, 垢块溶解, 同时生成大量气泡, 溶液剩余残渣量极少。污垢成分为碳酸盐垢。

2) 在HCl中几乎不溶解,无气泡产生,加入10%BaCl2溶液后产生大量白色沉淀。污垢成分为硫酸盐垢。

3) 在HCl中不溶解,加入0.5%NaF可缓慢溶制。污垢成分为硅酸盐垢。

4) 加入5% HCl后即可溶解, 其酸液呈黄绿色。污垢成分为氧化铁垢。

5) 将乙醚加入研碎垢样中, 乙醚液层呈浅黄颜色, 不溶的垢呈灰白色。污垢成分为油垢。

污垢组成是十分复杂的, 除单一型污垢外, 混合型垢也是常见的。所以通常要经过几步的鉴别试验才能确定垢样的主要成分, 但对某些简单的单一型垢样经一步或二步试验基本确定后, 不一定要每步鉴别试验都做。

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