冷却水污垢及其对冷却器换热的影响

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1、冷却水污垢及其对冷却器换热的影响1污垢的形成　　在一套空分装置中，需配置多种气体冷却器，以满足和实现空分装置的工艺要求。冷却器中冷却水质的变化，将对冷却器的运行产生影响。在换热过程中，冷却水的水质和冷却器的工作条件不断变化，换热表面上污垢的形成过程也很复杂，形成的污垢种类也不相同。水垢的形成，一般被认为是溶解在冷却水中的固体，由于温度升高及溶解度的变化及其某些化学变化，逐渐在换热表面析出并紧附其上，最终形成水垢。　　结晶过程形成的盐垢是污垢的主要种类之一。当冷却水中形成盐类离子的含量超过了饱和溶解度时，该种盐类就会结晶沉淀析出。而离子的饱和溶解度是随温度的升高而降低的。在换热过程中，随

2、着冷却水温度的升高及离子饱和度的降低，盐类物质就会在换热金属表面析出，形成水垢。这也就是在冷却器中，温度较高的冷却水出口端的水垢层往往比其他部位厚的原因。　　水垢还有其他多种形式，如藻类、菌类、泥类等。冷却水结垢的主要成分是CaCO3，同时也含有CaSO4、Ca3（PO4）2和MgSiO3等成分。由这些盐垢构成的污垢层，其导热系数较小、热阻较大，对换热器的换热影响较大，因此在冷却器的设计中应予以充分重视。2冷却器污垢层及其热阻　　在冷却器中，换热表面上的结垢层是不均匀的，并随着运行时间的变化而变化。污垢层的热阻主要与垢层厚度以及垢层成分有关，其关系可表示为：　　r=δ/λ       

3、      （1）　　式中r—污垢层热阻,m2.h.℃/J；　　δ—污垢层厚度，m；　　λ—污垢层的导热系数，J/m.h.℃。　由（1）式可知，在污垢层成分稳定、均匀的条件下，污垢热阻与其厚度成线性关系。　　污垢热阻r和厚度δ是随着运行时间的推移而增加的，当热阻（或厚度）增加到一定值时，其变化变得缓慢，并趋近一个定值。其表达式为：　　rD=r∞(1-e-ADδ)             (2)　　式中rD—某瞬间的污垢热阻，m2.h.℃/J；　　r∞—无穷长时间的极限污垢热阻，m2.h.℃/J；　　D—运行时间，h；　　A—常数。　　在冷却水质条件和运行工

4、况稳定时，从实际运行的数据中可得出，污垢层厚度与运行时间的关系有以下规律：在冷却器开始运行的第一个月中，污垢层厚度迅速增加，一个月后，污垢层增加缓慢。而且第一个月的结垢厚度为全年的50%，即第一个月的污垢热阻为全年的一半。目前国内大多数运行单位冷却水的年污垢热阻为1×10-5m2.h.℃/J。将年污垢热阻视为极限污垢热阻，并由式（2）可得出污垢热阻与运行时间的关系：　　r=1.0×10-5×（1-e-0.0231D）   (3)　　同样，年污垢热阻为0.5×10-5m2.h.℃/J和1.5×10-5m2.h.℃/J时，污垢热阻与运行时间的关系分别由式（4）、（5）表示：　　r=0

5、.5×10-5×（1-e-0.0231D）（4）　　r=1.5×10-5×（1-e-0.0231D）（5）可以看出，冷却器在运行到180天后，其换热表面上因结垢而形成的热阻值已趋于稳定，并接近年污垢热阻。　影响冷却器结垢的因素较多，除了冷却器的结构、换热表面质量和热流密度等因素外，还与冷却水的流速、温度和热流体的工矿条件有关，特别是冷却水的水质条件更为重要。因此在冷却器的设计、制造、运行、操作和冷却水处理方面都应注意冷却器的结垢问题。3污垢热阻对换热系数和面积的影响　　冷却器结垢过程十分复杂，但在冷却器换热设计中，主要是考虑污垢热阻对其的影响。　　空分装置中，主要使用管壳式冷却器，

6、其中又以叠片（或翅片）式和光管式冷却器最为常见。低压空气冷却器采用叠片式或翅片式，管程为水，壳程为空气；中压氧气、氮气冷却器采用光管式，管程为气，壳程为水。　　对于叠片式、翅片式冷却器的换热系数K值，常常是通过试验来确定。此时，K值是某一个水质条件的K0值，也就是对应某一个污垢热阻r0的K0值，对于不同污垢热阻r时的K值，可用式（6）进行计算：　　K=1/[K0+B(r-r0)]             (6)　　式中的系数B在此理解为污垢热阻放大系数，它是与换热单元结构有关的常数，在换热单元结构确定后，B值也就确定了。其次，系数B的含义为热冷两侧表面的面积之比。可见，冷却器的

7、换热效率越高，B值越大，则对污垢热阻越敏感。这也就是进口设备的冷却器对水的污垢热阻很敏感的原因。　因此，污垢热阻值虽小，但对换热系数的影响却很大。　污垢热阻和冷却器换热面积的关系如下：　　Ai=[1+K0B(ri-r0)]A0            (7)　　式中A0—对应r0和K0时所需的换热面积，m2；　　Ai—对应ri和Ki时所需的换热面积，m2。　　同样以上面的数据为例，通过（7）式计算可得出下列关系：A1=1