如何判断管壳式换热器是否结垢？如何解决？

作者：HETA

本文我们一起来探讨下管壳式换热器结垢的判断和预防、以及解决办法。

本文我们一起来探讨下管壳式换热器结垢的判断和预防、以及解决办法。

一、结垢的成因与危害

管壳式换热器结垢主要是由于冷热流体中所含的无机盐、有机物、微生物等杂质在换热面上析出或沉积而形成的。常见的垢层类型有水垢、油垢、灰垢和生物垢等[1]。结垢会导致换热器传热恶化、流动阻力增大、腐蚀加剧等问题,严重时还可能引起设备堵塞或损坏,影响生产安全[2]。因此,深入研究管壳式换热器的结垢机理,开发高效的防垢和清洗技术,对于提高设备性能、延长使用寿命具有重要意义。

二、影响结垢的关键因素
影响管壳式换热器结垢的因素错综复杂,主要包括:
(1)水质条件:水中杂质种类和浓度直接决定垢层的成分和性质。一般来说,水的硬度、pH值、溶解固体等指标越高,结垢倾向越大[3]。
(2)操作参数:换热器的操作温度、流速、压力等参数显著影响垢层的形成和生长。温度升高会加速结晶和沉淀,流速减小有利于杂质在换热面上聚集[4]。
(3)设备材质:换热管的材质特性如表面粗糙度、润湿性等,会影响杂质在其表面的吸附和结合[5]。比如,高能表面更容易吸引杂质,促进成核和生长。
(4)水处理措施:进入换热器的冷热流体若经过合理的预处理如软化、过滤、加药等,可有效减缓垢层的形成[6]。但处理不当也可能引入新的结垢风险。

三、结垢过程的理论分析

为阐明管壳式换热器结垢的内在机制,研究人员开展了大量理论分析工作,主要集中在以下几个方面:
(1)热力学:根据杂质在换热面上的溶解度、过饱和度等热力学参数,判断其结晶沉淀的可能性和趋势[7]。
(2)动力学:采用经典的成核-生长理论,描述垢层形成的动力学过程,预测垢层厚度随时间的变化规律[8]。
(3)传递现象:考虑垢层存在条件下的传热传质过程,建立耦合了流体流动、热量传递和杂质迁移的数学模型[9],揭示局部结垢的演化行为。
(4)表/界面:分析杂质分子与换热面之间的相互作用力如范德华力、静电力等,探讨表/界面性质对垢层形成的调控机制[10]。

这些理论分析为深入理解管壳式换热器结垢奠定了基础,但仍存在一些不足,如模型过于简化,难以全面反映实际工况的复杂性;机理阐释不够清晰,定量预测能力有限等。未来有必要在现有研究基础上,开发更加精细和普适的结垢理论。同时,加强多学科交叉融合,综合运用材料、化学、流体力学等学科的前沿方法,必将拓展结垢问题研究的新视野。

四、结垢检测方法

为有效监测管壳式换热器结垢状况,准确评估垢层对传热性能的影响,亟需发展先进的检测与评估技术。目前,主要有以下几类方法:

(1)直接测量法:

通过测量换热器进出口的温度、压力、流量等参数,基于传热和流动方程,计算污垢热阻或附加压降[11],但容易受测量误差和工况波动的影响。

以某品牌的冷水机组为例。通过触摸屏查看机组运行参数，把冷凝压力和蒸发压力换算成相应的冷凝饱和温度和蒸发饱和温度。如果冷凝温度和蒸发温度可在触摸屏上查询，那这个值就是对应的冷凝饱和温度和蒸发饱和温度。一旦你算出端温差大于5℃，就可以初步判断换热器已经结垢了。如果端温差超过7℃，那么就说明你的换热器已经严重积垢了。

举个例子，如上图所示，我们可以看到冷凝温度是36度；冷却水出水温度是32.3度，按照我们上面说的：

冷凝端温差=36℃-32.3℃=3.7℃；

蒸发端温差=12.1℃-9.7℃=2.4℃

(2)光学检测法:

利用内窥镜、激光等设备,直接观测管内垢层的生长过程[12],具有在线、实时和可视化的优势,但仅能获得局部信息,推广应用受限。

(3)超声检测法:

利用超声波在垢层和管壁中传播速度和衰减的差异,测量垢层厚度并成像[13],操作简便,灵敏度高,但存在耦合剂污染和信号失真等问题。

(4)射线检测法:

利用X射线、γ射线穿透管束,根据垢层对射线的衰减规律,重建垢层的三维分布[14],图像直观,定量性好,但射线源有放射性危害。

(5)电学检测法:

测量管壁电阻或电容随垢层生长而产生的变化,间接表征结垢程度[15],设备简单,成本低,但易受杂散电流干扰。

这些检测与评估技术各有优缺点,实际应用时需根据具体工况条件,优化组合。未来,随着传感器、电子和信息技术的进步,在线智能检测系统必将得到广泛应用。同时,应加强垢层表征方法的标准化工作,提高检测数据的可比性和互认性。建立垢层生长的数据库,为结垢规律总结和防垢对策制定提供支撑。

五、结垢的防治策略与方法
针对管壳式换热器结垢问题,目前采取的防治对策主要有:
(1)优化设计:在换热器设计阶段,合理选择换热管材质和表/界面形式,避免采用高能表面;优化管束布置和管间距,减少死区和泄漏;控制设计裕度,降低垢层容限[16]。
(2)水质处理:对冷热流体进行预处理,去除可能引起结垢的杂质。常用的方法有软化、除氧、pH调节、加药等[17]。采用物理水处理装置如电子除垢仪,也可抑制垢层的形成。
(3)操作调控:合理设定换热器的操作参数如温度、流速等,避免进入结垢的高风险区。定期调整操作工况,扰动垢层的稳定生长。必要时提高设计裕度,增加结垢容限[18]。
(4)清洗维护:定期对换热器进行在线或离线清洗,去除垢层恢复换热性能。化学清洗使用酸、碱、盐等清洗剂溶解垢层;物理清洗采用高压水射流、刷子、弹簧等机械力去除垢层[19]。
(5)在线监测:布置在线检测装置,实时监控换热器结垢状况,及时发现和处理结垢故障。采用智能控制算法,根据在线数据优化操作参数,实现结垢的主动防控[20]。

上述防治措施需紧密结合,系统优化,才能最大限度减缓管壳式换热器结垢,提高设备长周期安全运行能力。应坚持"预防为主,防治结合"的原则,将防垢措施前移,把清洗措施常态化。建立覆盖设计、制造、运行、维护全生命周期的结垢管理体系,协同推进管壳式换热器结垢综合治理。未来,还应借鉴仿生学、材料学等领域的先进理念,开发具有抗垢、自清洁等功能的新型换热面。发展基于大数据和人工智能的结垢智能诊断和预警技术,最终实现管壳式换热器结垢的精准预防和高效治理。