【正文】 熱面上存在的正常換熱和使得物料流過(guò)換熱面時(shí)阻力增加的物質(zhì)均為污垢 [1]。 Epstein 在第六屆國(guó)際傳熱大會(huì)上通過(guò)對(duì)污垢形成的主要機(jī)制對(duì)其分類 [2]，因其利于對(duì)污垢特性的認(rèn)識(shí)和研究而被國(guó)際科技工程所接受。 根據(jù)能夠造成 污垢沉積的主要物理 或 化學(xué) 原因 ，污垢 的種類 可分為 以 下 幾 類 ： （ 1） 由于結(jié)晶而析出的污垢；飽和的物料在流經(jīng)換熱面時(shí)，物料中的無(wú)機(jī)鹽物質(zhì)與換熱面接觸并附著在換熱面上的結(jié)晶體。而這種污垢的形式正是最為常見(jiàn)的污垢種類，大多是都是無(wú)機(jī)鹽在作怪，我們常見(jiàn)的鎂類鹽物質(zhì) 、鈣鹽等等都是最易形成污垢的鹽溶液。眾所周知，中國(guó)的水質(zhì)問(wèn)題一直很嚴(yán)重不能得到改善。所以中國(guó)工廠中許多的換熱器都是由于水質(zhì)問(wèn)題，導(dǎo)致碳酸鈣形成的污垢附著在換熱器的換熱面上，使得換熱效率降低，大大影響到生產(chǎn)效率。 微粒污垢：指漂浮在物料中的固態(tài)狀微粒堆積在和它接觸的換熱面上而造成的污垢。這類污垢包含了相對(duì)大的固態(tài)狀微粒在固體的表層上由于重力形成的沉降，即常說(shuō)的沉積污垢和以其它不同原因形成的膠狀的粒子沉積物質(zhì)。 （ 2） 化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)形成的污垢：化學(xué)反應(yīng)無(wú)處不在，物料彼此之間參與反應(yīng)很正常，這也就導(dǎo)致了物料之間反應(yīng)所產(chǎn)生的 物質(zhì)附著在換熱面上。但這并不代表?yè)Q熱面也是反應(yīng)物，有時(shí)候換熱面能夠使化學(xué)反應(yīng)加快。這樣的離子數(shù)不勝數(shù)，所以在選取材料時(shí)候一定要注意。許多化合物之間的聚合等都可以造成在這種效果。在選取換熱器使用的材料時(shí)，需要根據(jù)要處理的物料來(lái)確定，這樣就不會(huì)對(duì)傳熱系數(shù)造成太大的影響。 （ 3） 腐蝕污垢：指流體中含有腐蝕性的雜質(zhì)或者流體具有腐蝕性對(duì)換熱器的換熱面腐蝕，甚至是流體與換熱面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的污垢。這種污垢一旦形成不但污染了換熱面，還有可能使其他的污染物附著在換熱面從而形成新的垢層。就一般情況下而言，雖然腐蝕的程度原因有很 多，但主要是因?yàn)槲锪系某煞謫?wèn)題，物料自身進(jìn)料的溫度還有物料的酸堿度來(lái)決定。 （ 4） 生物污垢：生物污垢是工業(yè)污垢的重要組成部分。它是指因?yàn)槲⑸锾旖蚩萍即髮W(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 2 和可視狀態(tài)的有機(jī)物質(zhì)依著在傳遞面上從而形成的污垢。流體中的生物產(chǎn)生污垢，形成的污垢層反過(guò)來(lái)又為生物繁殖提夠條件，其對(duì)溫度很敏感且在適宜條件下可形成相當(dāng)厚度的污垢層。 形成污垢的微生物生長(zhǎng)條件不是太苛刻，一旦它們找到了對(duì)它們適合的條件，它們會(huì)瘋狂的繁殖，不斷地附著在換熱器的換熱面上。這樣的話，換熱器的污垢熱阻會(huì)受到影響，而且還會(huì)大大影響到傳熱系數(shù)，不但影響到生產(chǎn)效率，對(duì)換熱設(shè)備 還會(huì)腐蝕造成損害。嚴(yán)重的時(shí)候，由于換熱設(shè)備在不為人知的情況下發(fā)生損害，導(dǎo)致停機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中都是很正常的。 （ 5） 物料凝固形成的污垢：物料進(jìn)入換熱器以后，如果換熱器剛好處在冷的狀態(tài)下，物料有可能在碰到換熱面是固化，凝結(jié)在換熱面上，等換熱器達(dá)到正常溫度時(shí)，它不脫落就形成了污垢。對(duì)正常換熱也會(huì)起到阻礙的作用。 （ 6） 混亂污垢：每一種污垢都有他們自身形成污垢的原理，雖然不盡相同，可卻是存在的。如果一個(gè)換熱器內(nèi)存在許許多多的污垢，而且每種污垢都不一樣，它們又混合在一起，這種污垢就是混亂污垢。 以上分類中的不同種類只是說(shuō)明 這些原因?qū)π纬晌酃甘鞘滓囊蛩?，但不一能是決定污垢沉積率的原因。 污垢對(duì)換熱設(shè)備的影響 污 垢是不良的導(dǎo)體，它對(duì)熱量的傳導(dǎo)能力很低，有時(shí)候不足碳鋼的三十分之一，不銹鋼對(duì)熱量的傳導(dǎo)能力也很低，但和污垢比較起來(lái)的話，污垢對(duì)熱量的傳導(dǎo)能力是它的十幾分之一。而換熱面的表面一旦有了污垢，會(huì)影響到換熱效率，直接的表 現(xiàn)就是換熱額阻力增大，具體增加數(shù)值可根據(jù)式 11 計(jì)算出來(lái)，具體增加為 [3] RR ???1 f (11) 式中： Rf—— 污垢熱阻； R—— 總的傳熱熱阻； Α—— 傳熱系數(shù)。 換熱設(shè)備的性能是由傳熱性能即傳熱系數(shù)而決定的。 RibK ???? ??? 111 ? f （ 12） 式中： K—— 總的傳熱系數(shù)； α0 、 αi—— 兩面的傳熱膜 系數(shù)； b—— 筒體的壁厚； λ—— 筒體壁材料的熱導(dǎo)率。 由 以上可以看出污垢熱阻對(duì)傳熱系數(shù)起到一定的影響，降低生產(chǎn)效率。傳熱系數(shù) K 越大，污垢對(duì)熱量的傳遞能力降低，阻力也會(huì)變高，阻力變高傳熱效率就會(huì)降低。為了提高傳熱系數(shù)從而提高換熱效率 [4]，除了改變材料的導(dǎo)熱率以外更天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 3 需要降低傳熱熱阻。 在化工、電力及紡織等行業(yè)中，大多是以水為載體的熱交換器，這種是最常見(jiàn)的，再加上中國(guó)自身水質(zhì)的問(wèn)題，有污垢出現(xiàn)是很正常的現(xiàn)象。這不僅導(dǎo)致?lián)Q熱設(shè)備的效率降低，還影響到設(shè)備的安全問(wèn)題。 ?換 熱設(shè)備結(jié)垢以后，換熱面的傳熱性能變差，傳熱阻力變大，而燃燒所釋放的熱量不能迅速的傳遞到指定部位，影響傳熱效果，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)或泵的耗功率增加，污垢增加必然導(dǎo)致自動(dòng)清洗設(shè)備的動(dòng)力消耗增加。污垢造成燃料的浪費(fèi)資源的浪費(fèi)，不僅提高了成本還不符合國(guó)家建設(shè)新型節(jié)能型社會(huì)的準(zhǔn)則。與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)后構(gòu)筑物的效果降低，甚至嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞管道從而威脅設(shè)備的安全運(yùn)行，水垢嚴(yán)重的企業(yè)有時(shí)會(huì)被迫停產(chǎn)。 ?投資增加。由于污垢的導(dǎo)熱率極低，當(dāng)換熱面上形成污垢，不僅使得流體與換熱面之間能量傳遞的阻力增加還降低了設(shè)備的性能與壽命。為了補(bǔ)償因?yàn)槲酃笇?dǎo)致 換熱效率的降低，必然會(huì)增加換熱器，增加的換熱器又會(huì)產(chǎn)生消耗等，必然會(huì)導(dǎo)致投資的增大；而為了避免換熱器的更換過(guò)于頻繁，必須要采取一些措施，一般會(huì)改變換熱面的材料來(lái)減小腐蝕程度，而不容易腐蝕又附合條件的的材料價(jià)格都比較昂貴，這樣防腐蝕的目的可以達(dá)到了，但是同樣的對(duì)工廠所需要付出的資金也會(huì)提高，投資成本變高了，間接地使得效率降低。 ?產(chǎn)量降低。污垢的形成導(dǎo)致設(shè)備維修周期變短，而維修量卻大大增加，致使產(chǎn)品的產(chǎn)量降低。加之設(shè)備在啟動(dòng)、停止期間，條件達(dá)不到規(guī)定的要求，還需要運(yùn)行一段時(shí)才能夠生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，可能造成產(chǎn)品的 質(zhì)量隨之降低?？偠灾m然換熱器的污垢與日常生活中的無(wú)污染有共同的機(jī)制，但由于工業(yè)生產(chǎn)存在一定的溫度梯度，致使換熱面上污垢中類變得更加復(fù)雜，換熱面的污染情況越來(lái)越復(fù)雜。而且，換熱面上的污染嚴(yán)重起來(lái)十分的復(fù)雜，對(duì)換熱器的危害也很嚴(yán)重，后果不能估量 。 值得一提的是，在污垢層剛開(kāi)始形成時(shí)，換熱器常常出現(xiàn)換熱效率增強(qiáng)的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在上世紀(jì)已經(jīng)被學(xué)者證實(shí) [5]，對(duì)于這一現(xiàn)象人們通常認(rèn)為是由于污垢的形成導(dǎo)致表面粗糙度的變化造成的，而 Ceylan 等人實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其對(duì)傳熱的增強(qiáng)并無(wú)有效 [6]，這一現(xiàn)象仍是不解之謎，仍 需要我們努力研究從而對(duì)這一現(xiàn)象加以理論解釋。 污垢層的監(jiān)測(cè) 自從 80 年代開(kāi)始，對(duì)污垢監(jiān)測(cè)的技術(shù)取得了較大的發(fā)展。為了更好的對(duì)污垢提前做好準(zhǔn)備工作，提前做好防除工作，通過(guò)對(duì)不同條件下污垢的數(shù)據(jù)記錄，研制出了許許多多的對(duì)形成污垢的沉降物的監(jiān)測(cè)方法。污垢的監(jiān)測(cè)方法有很多，不過(guò)大體上來(lái)說(shuō)，可以分為兩大類：熱量法、非熱量傳遞這兩種方法可以對(duì)污垢進(jìn)行監(jiān)測(cè)。熱學(xué)法包括溫差法和熱阻表示法；另一種非熱量傳遞的監(jiān)測(cè)方法種類繁多，不同的人們的分類方法也不同，在這里就簡(jiǎn)單介紹幾種，如：時(shí)間推移拍攝法、顯微鏡照相法、厚度測(cè) 量法、放射性技術(shù)檢測(cè)法、電解法、化學(xué)法以及離天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 4 子濃度差法。 （ 1） 熱學(xué)法 這里主要介紹無(wú)污垢熱阻 Rf 法 [7]。污垢熱阻 Rf 法用來(lái)表征無(wú)構(gòu)成計(jì)量的主要參數(shù)有：污垢層平均厚度 163。f、單位為表面積上的污垢質(zhì)量 mf 和污垢熱阻 Rf。污垢熱阻可以通過(guò)在無(wú)污垢時(shí)設(shè)備的傳熱系數(shù)與有污垢的傳熱系數(shù)之間測(cè)量而間接地測(cè)量出來(lái)。當(dāng)然所測(cè)得的是設(shè)備的平均污垢熱阻，如果需要測(cè)量局部的污垢熱阻可以通過(guò)需要側(cè)部位的筒壁溫度和熱通量測(cè)得 。 （ 2）非傳熱量的污垢監(jiān)測(cè)方法 [8,9] 由于非傳熱量的污垢監(jiān)測(cè)方法有許多種， 在這里簡(jiǎn)單的介紹幾種。厚度測(cè)量法：可以通過(guò)顯微鏡觀測(cè)或者用裝有移動(dòng)探針上的測(cè)微計(jì)來(lái)測(cè)量污垢的厚度。利用污垢的導(dǎo)電率比一般金屬要小的特點(diǎn)來(lái)測(cè)定污垢層的厚度；放射性技術(shù)監(jiān)測(cè)法：對(duì)實(shí)驗(yàn)前的微粒進(jìn)行放射性標(biāo)記，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)加載在實(shí)驗(yàn)部位的輻射計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)得輻射的粒子數(shù)，從而測(cè)得微粒污垢在沉積過(guò)程中的增長(zhǎng) 。時(shí)間推移拍攝法：對(duì)于在設(shè)備表面的污垢沉積，用慢速攝像機(jī)將污垢的沉積過(guò)程拍攝下來(lái)，然后再以正常的速度播放出來(lái)，就可以在短時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到污垢的沉積過(guò)程。 除垢方法 化學(xué)除垢 化學(xué)法除垢是根 據(jù)污垢層不同的化學(xué)成分從而選擇不同的酸性化學(xué)溶劑進(jìn)行的溶解除垢。近幾年來(lái)，為了解決一些典型的污垢種類，人們研發(fā)出了不同的種類的除垢化學(xué)藥劑用來(lái)解決一些無(wú)法克服的污垢，并被廣泛應(yīng)用于管道除垢上?；瘜W(xué)法相對(duì)于機(jī)械法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要離線停機(jī)操作。但與此同時(shí)這種在線化學(xué)除垢有著一定的弊端，它要求連續(xù)注入化學(xué)試劑，而且在用料量方面沒(méi)有一個(gè)定值，這就造成除垢效果不能得以保證。不僅對(duì)周圍環(huán)境造成污染，甚至威脅到工人的健康。同時(shí)這種方法工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備造成損害，成本相對(duì)提高。因此，還需要研制出更強(qiáng)的化學(xué)除垢劑。 高壓水除垢 顧名思義，高壓水噴射除垢就是利用泵產(chǎn)生高壓經(jīng)過(guò)噴嘴噴向污垢層，但這種清洗效果不是很理想，污垢層不能完全的清洗掉，與此同時(shí)還浪費(fèi)了大量的水資源，清洗后污垢也不能及時(shí)的排出。 機(jī)械清洗 機(jī)械清洗是采用一些輔助清洗工具對(duì)其進(jìn)行清洗?？梢郧宄瘜W(xué)法不能夠除去的一些堿性物質(zhì)和碳化物，對(duì)鋼材的消耗較小。但機(jī)械清洗大多數(shù)需要將設(shè)備解體才能夠清洗到，所以很多換熱設(shè)備無(wú)法做到，很少被人接受。清洗過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。它的好處在于操作簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、且無(wú)污染等。 天津科技大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)論文 5 在線清洗 在線清洗是指在設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行清洗。不停機(jī)的清洗方法大概包括兩大類：用機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)清洗和用化學(xué)藥劑對(duì)污垢進(jìn)行清洗的技術(shù)。 超聲波除垢 利用超聲波來(lái)防除污垢相對(duì)于其他的除垢方法來(lái)說(shuō)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不需要讓設(shè)備停下來(lái)進(jìn)行除垢，不需要人為的太多操作可自動(dòng)操作，省時(shí)省力又省錢，設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)太大的問(wèn)題，十分穩(wěn)定，而且超聲波防除垢不像化學(xué)藥劑除垢那樣會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，完全無(wú)污染運(yùn)行，這也很符合現(xiàn)在社會(huì)提倡的綠色生產(chǎn)，同時(shí)它運(yùn)行只會(huì)消耗很小一部分電力就能偶達(dá)到目的。超聲除垢技術(shù)已經(jīng)被用于管道 等設(shè)備，能很好的完成防止垢層生成與對(duì)現(xiàn)存的垢層進(jìn)行除去 [10]。 除垢方法的不同導(dǎo)致造成的結(jié)果不同，當(dāng)然各有各的缺點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，我們將他們進(jìn)行比較如下表 11 所示。 表 11 超聲波除垢與現(xiàn)有除垢方法的比較 除垢方法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 反沖洗 操作簡(jiǎn)單便利、可靠安全，可不停機(jī)操作 只能沖洗掉表面松軟污垢，不 停機(jī)操作。 徹底，容易產(chǎn)生的垢下腐蝕。 除垢緩蝕劑 通過(guò)化學(xué)試劑吸附，抑制結(jié)晶成長(zhǎng)及析 藥劑及排污操作頻繁，費(fèi)用高 出，也可不停機(jī)操作。 腐蝕設(shè)備且除垢不完全。 人工或機(jī)械 方便安全，無(wú)污染。 需停機(jī)處理，勞動(dòng)量增大同時(shí) 清洗 對(duì)設(shè)備有損傷，同時(shí)除垢不徹 底，沉積物易腐蝕設(shè)備。 高壓水除垢 操作周期短，安全性高。 需停機(jī)處理，除垢不徹底，尤 其是內(nèi)部，同時(shí)易腐蝕設(shè)備。 電磁處理 不停機(jī)，不污染環(huán)境。 效果不明顯，易失效，同樣容 易使污垢下腐蝕設(shè)備。 化學(xué)除垢 除垢徹底，對(duì)設(shè)備內(nèi)進(jìn) 需停機(jī)操作，周期較長(zhǎng)，費(fèi)用 性循環(huán)處理，效果好。 高，對(duì)設(shè)備造成腐蝕，且對(duì)環(huán) 境污染較大。 超聲波防 除垢徹底，操作簡(jiǎn)單，無(wú)污染 超聲波空逝對(duì)設(shè)備造成影響， 除垢 ，無(wú)需停機(jī)操作。 致使設(shè)備易引起金屬疲勞。 由上表可以看出，超聲波除垢設(shè)備對(duì)設(shè)備的防除垢起到重要的作用。各項(xiàng)指標(biāo)都有所提高，消耗量明顯的降低，對(duì)經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)十分有利 [11]