管壳式换热器的结垢分析以及优化设计

   管壳式换热器的结垢分析
 
   一、管壳式换热器结垢机理及状态：
因为管壳式换热器大多是以水为载热体的换热系统，由于某些盐类在温度升高时从水中结晶析出。附着于换热管表面，形成水垢。在冷却水中加入聚磷酸盐类缓冲剂，当水的pH值较高时，也可导致水垢产生。初期形成的水垢比较松软，但随着垢层的生成，传热条件恶化，水垢中的结晶水逐渐失去，垢层即变硬，牢固地附着于换热管表面上。此外，如同水垢一样，当换热器的工作条件适合溶液产生锈体时。换热管表面上即可积附锈体结晶形成的垢层；当流体所含的机械杂质有机物较多、而流体的流速较小时，部分机械杂质或有机物也会在换热器内沉积，形成疏松、多孔或胶状污垢。
 
    二、管壳式换热器除垢及清洗必要性：
管壳式换热器是生产中应用最广泛，也是最典型的间壁式换热器，其结构主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。其优点是单位体积设备所提供的传热面积大，传热效果好，结构简单，操作弹性大，可用多种材料制造。但换热器在使用过程中。污垢沉积物会不可避免地出现在传热表面上，出现结垢现象，污垢沉积物热阻较高，大大降低了导热率；同时由于结垢减小了流体流量，流体介质流动阻力增大，能耗增加。多年来，各单位所用大部分管壳式换热器都存在管道及壳体结垢而影响使用效果的问题，由此而造成了一系列的经济损失。据统计，我国每年由于换热器结垢导致能耗增加而造成的经济损失高达上百亿元以。　　因此管壳式换热器清洗除垢是很有必要性的。换热器运行质量的好坏和时间长短，与日常维护、清洗保养是否及时有着密不可分的关系。对于容易结垢的流体，可在规定的时间采用合适的方式进行清洗除垢。最近几年，我们为了更好的清洗换热器污垢，先后无数次对管壳式换热器清洗结垢做权威试验，为客户提供了最佳解决方案。
    三、管壳式换热器结垢只要因素：
影响结垢的因素有很多，流体速度、流体流动状态、流体组分的组成和含量以及换热器的结构等都对污垢的形成有一定的影响，从应用角度考虑，我们只有找出主要因素才能使结垢问题得到有效解决。对于特定流体而言，影响换热器结垢的主要因素有以下几个方面：　　流体的流动速度：在换热器中，流速对污垢的影响应该同时考虑其对污垢沉积和污垢剥蚀的影响，对于各类污垢，用于流速增大引起剥蚀率的增大较污垢沉积的速率更为显著，所以污垢增长率随着流速的增大而减小。但是在换热器的实际运行中，流速的增加将增大能耗，所以，流速也不是越高越好，应就能耗和污垢两个方面来综合考虑。

传热壁面的温度：温度对于化学反应结垢和盐类析晶结垢有着重要的作用，流体温度的增加一般会导致化学反应速度和结晶速度的增大．从而对污垢的沉积量产生影响，导致污垢增长率升高。　　换热面材料和表面质量：对于常用的碳钢、不锈钢换热器而言．只是通过腐蚀产物的沉积而影响结垢；而如果采用耐蚀性能良好的石墨或陶瓷等非金属材料，则不易发生结垢。换热面材料的表面质量会影响污垢的形成和沉积．表面粗糙度越大．越有利于污垢的形成和沉积。
    四、管壳式换热器垢体成分分析：
    结晶垢体：如水冷却系统中，由于水中过饱和的钙、镁盐类由于温度、pH值等变化而从水中结晶沉积在换热器表面，而形成了水垢；

颗粒垢体：流体中悬浮的同体颗粒在换热面上的积聚；　　化学反应垢体：由于化学反应而造成的同体沉积：

腐蚀垢体：换热介质腐蚀换热面，产生腐蚀产物沉积于受热面上而形成污垢；

生物垢体：对于常用的冷却水系统来讲，工业水巾往往含有微生物及其所需的营养，这些微生物群体繁殖，其群体及其排泄物同泥浆等在换热表面形成生物垢；

混合垢体：在过冷的换热面上，纯液体或多组分溶液的高溶解组分凝同沉积。以上的分类只是表明．某个过程对形成该类污垢是一个主要过程。结垢往往是多种过程的共同作用结果。因此换热面上的实际污垢，常常是多种污垢混合在一起的。
     五、管壳式换热器管道清洗除垢方法：
   （一）物理清洗方法：

喷射清洗法：喷射清洗是一种强力清洗法，它是利用冲刷喷射设备将介质以极高的冲击力喷人换热器的管侧和壳侧，起到除垢的目的。常用的介质是水、蒸汽或石英砂。对于仅仅依靠冲击力是不能去除而必须依靠热量才能使其松动的污垢，又名蒸汽喷射清洗方法。

物体管内插人清洗法：这种方法只能用作清除去管子里面的污垢，它依靠插入物在管内的运动。与管子内表面接触摩擦，达到清除污垢的效果。插入物的种类多种多样，可以是在软性轴的端部装上刮刀或钻头．也可以使用钢丝刷子来清洗低硬度的污垢。

物理清洗对于换热器管内污垢，以上两种换热器清洗方法，我们都采用过，我们认为采用管内插人物清洗效果比直接喷射清洗效果明显，但插入物清洗劳动强度相对较大。我们试着将两种方法结合使用，在用插入物清洗同时用高压水喷射．结果效果大大提高。但缺点是清洗设备需装拆，易对设备造成机械损伤。

（二）化学清洗方法：

利用清洗设备与管壳式换热器连接，形成独立的水循环系统，在储水箱中加入高效化学清洗剂，化学清洗可以在现场完成，清洗强度较低；但清洗更彻底，可以清洗那些机械清洗所不能到达的地方．并可避免机械清洗对换热面造成一定的机械损伤；而且化学清洗可以不用拆开设备，对于不能拆开的管壳式换热设备具有机械清洗所不能比拟的优点。

（三）超声波除垢法　　除了上述几种常用的清洗方法，据资料显示．现在出现了新的换热器清洗技术——超声波除垢。它利用超声波的空化效应、活化效应、剪切效应和抑制效应除垢，超声波除垢技术在石油化T、制糖等一些T、I 行、II，-得到了运用，并取得了很好的效果。这项新技术目前还有很多空白领域需要研究。超声波除垢技术的关键是针对不同物料、不同装昔类型和传热面积的大小，选择合适的超声波功率和频率大小。
      六、管壳式换热器清洗之重要性：
      结垢对换热器的危害很大，需要积极地预防和定期地清除除垢。影响结垢的因素很多，只有找出主要因素才能使问题简化，对于不同类型的垢体，应采取针对性清洗除垢措施，有效地治理换热器的结垢问题，以提高换热器传热效率及运行寿命。

    现在来谈谈管壳式换热器的优化设计
    对于完成某一任务的换热器,往往有多个选择,如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题,即采用优化方法使设计的换热器满足最优的目标函数和约束条件。在换热器设计中,最优目标函数是指包括设备费用和操作费用在内的总费用最小。本文主要针对管壳式水冷却器冷却水出口温度的优化问题,利用一般优化设计的原理和方法,以操作费用最小为优化目标,给出相应的目标函数,并用MATLAB语言编写了计算程序,最后给出了一个计算实例。
    目标函数
    对于以水为冷却介质的管壳式冷却器,进口水温一定时,由传热学的基本原理分析可知,冷却水的出口费用将影响传热温差,从而影响换热器的传热面积和投资费用。若冷却水出口温度较低,所需的传热面积可以较小,即换热器的投资费用减少;但此时的冷却水的用量则较大,所需的操作费用增加,所以存在使设备费用和操作费用之和为最小的最优冷却水出口温度。
设换热器的年固定费用FA = KF.CA.A (1)式中FA———换热器的年固定费用,元;KF———换热器的年折旧率, 1 /y;CA———换热器单位传热面积的投资费用,元/m2 ;A———换热器的传热面积,m2。换热器的年操作费用FB =Cu•WuHy/1000 (2)式中FB———换热器的年操作费用,元;Cu———单位质量冷却水费用,元/吨;Wu———换热器冷却水用量, kg/h;Hy———换热器每年运行时间, h。因此换热器的年总费用即目标函数F = FA + FB = KFCAA +Cu•WuHy/1000 (3)2A与Wu的数学模型———热平衡方程换热器的热负荷为Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———换热器的热负荷, kJ /h;G———换热器热介质处理量, kg/h;cpi———热流体介质比热容, kJ / ( kg•℃) ;T1、T2———热流体的进出口温度,℃。当换热器操作采用逆流换热时,则热平衡方程为Q =Wu cpw ( t2 - t1 ) =GcPi ( T1 - T2 ) = KA& tm (5)式中cpw———冷却水比热容, kJ / ( kg•℃) ;t1、t2———冷却水的进出口温度,℃;& tm———对数平均温度差,℃。& tm =( T1 - t2 ) - ( T2 - t1 )/In(T1 - t2/T2 - t1) (6)由此可得Wu =Q/cpw ( t2 - t1 ) (7)A = Q/K& tm (8)K———总传热系数, (m2•h•℃)。将(4)和(6)代入(7)和(8) ,然后再代入(3) ,得F = KFCAGcpi ( T1 - T2 )/cpw ( t2 - t1 )+Cu•HyGcpi ( T1 - T2 )/K{ ln(( T1 - t2 ) / ( T2 - t1 ))}1000 (9)
     一般来说,对于设计的换热器, G、T1、T2、t1及Hy均为定值;水的比热容cpw和热介质的比热容cpi变化不大,可取为常数; Cu、CA、FA可由有关资料查得;总传热系数K通常也可由经验确定,所以换热器的年总费用F仅是冷却水出口温度t2的函数。当F取最小值时,相应的t2既为最优冷却水出口温度,进而可由式(7)、(8)得到所需的冷却水量和最优的传热面积。

    程序设计
 
     由上面分析可知,以上问题属于单变量最优化问题。对于此类问题求解方法比较成熟,可以用解析法和黄金分割法或函数逼近法等数值方法求解。这里,采借用MATLAB语言计算,采用其工具箱中Nelder - Mead单纯形法函数fmin2search ( )优化,定义TF ( )为目标函数(9) ,函数Water ( )、Ar2ea ( )则根据式(7)、(8)分别用以求传热面积A和冷却水用量Wu。以上分析尽管是针对管壳式水冷却器而得出的结果,由于分析方法和传热机理相似,对于其它介质的管壳式换热器只要在公式上稍作变形即可得出类似的结论。因此,对管壳式换热器问题的优化具有一定的普遍性,其求解结果可以作为设计管壳式换热器重要依据,从而为节约生产成本,推动设计的科学性方面作出相应的贡献。程序清单如下:clear all; clcglobal T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc QT1 = 135; T2 = 40; G = 4e4; t1 = 30;JA = 400; beta = 0. 15; K = 840;Theta = 7900; Jw = 0. 1; Cw = 4. 184;Cc = 2. 092;Q = G3 (T1 - T2) ;T0 = 50;T2 = fiminsearch (@Totalfee, t0) ;Fp rintf (‘优化结果: /n /n’)Fp rintf (‘换热器最优出口温度: %. 2% s/n’, t2,’℃’)Allfee = totalfee ( t2 ) ; fp rintf (‘最小年费用为: %. 3f元/n’, allfee)[AW ] =Area_water ( t2) ; frintf (‘换热器传热面积为: %.3fm^2 /n’,A)fp rintf (‘每小时用水量为: %. 1fkg/h /n’,W)fee1 = JA3 A3 beta; fee2 = JW3 theta3 W /1000; %function J = totalfee ( t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc Q[AW ] =Area_water( t2) ; J = JA3 A3 beta +JW3 theta3 W /1000%function [A,W ] =Area_water ( t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc Qvar1 = T1 - t2; var2 = T2 - t1; dtm = ( var1 - var2 ) / log( var1 /var2) ;A =Q / (K3 dtm) ;W =Q /Cw/ ( t2 - t1) ;
 
    设计实例
 
 
     例:某石化公司需将处理量为G = 4×104 kg/h的煤油产品从T1 = 135℃冷却到T2 = 40℃,冷却介质是水,初始温度t1= 30℃。要求设计一台管壳式水冷却器(采用逆流操作) ,使该冷却器的年度总费用最小。以知数据如下:冷却器单位面积的总投资费用CA = 400元/m2 ;冷却器年折旧率KF = 15%;冷却器总传热系数K = 840 kJ / (m2•h•℃) ;冷却器每年运行时间7900h;冷却水单价Cu = 0. 1元/吨;冷却水比热容cpw =4. 184 kJ / ( kg•℃) ;煤油比热容cp i = 2. 092kJ / ( kg•℃)。