管理换热器中的污垢
使用管式换热器是将热量从一种材料或产品传递到另一种材料或产品的一种有效而可靠的方法。然而，由于其性质，某些材料会导致任何换热器表面结垢，从而降低热效率。当换热器在异常困难的条件下使用，或用于难处理的材料（如污水和废水污泥）时，尤其如此。
了解流体动力学和可能发生的不同类型的污垢有助于换热器设计师和工程师创建能够承受污垢的系统，并允许他们为特定情况或材料指定合适设备。一个多世纪以来，换热器中污垢的影响已经被认识到，但近年来，在设备和实践方面都有了许多发展。这包括专利设计和标准良好实践，如保持流量和小心控制温度。合适的换热器设计考虑到工艺和产品在规范阶段的标准“污垢系数”，以及对实际产品污垢行为的了解，确保在运行中出现正常程度的污垢时发生充分的热交换。
污垢影响
污垢通常被定义为在换热器的内表面上沉积和积聚有害物质，如水垢、悬浮固体、不溶性盐甚至藻类。当流体在管壁附近降解，固体层沉积在管壁上时，就会发生污垢。这些材料层起到了绝缘体的作用，阻止了有效的热传递。根据所用材料的不同，这种结垢可能同时发生在换热器的一次表面和工作表面上，有时两者同时发生。
一般来说，流体的粘性越大，传热速率就越低，因此非常粘性的流体需要非常大的传热面积。刮伤的表面换热器混合了流体，这增加了与热交换表面接触的流体量（图1）。这降低了污垢率，同时增加了传热速率。在某些情况下，它还会减少所需的表面积。
图1.对于具有高污染可能性的材料，可能需要一个光洁表面换热器
污垢对换热器表面的传热有着重要的影响，因此对整体运行性能也有很大影响。最后，我们观察到这一过程对经济性的影响。在极端情况下，污垢物质的积聚也会减小换热器中管子或流道的横截面积，并增加流过表面的流体的阻力。这些附加效应共同增加了换热器的压降，降低了流量，并进一步加剧了问题。
某些污垢沉积物会导致换热器腐蚀（污垢层本身可能隐藏），缩短换热器的使用寿命或在运行过程中造成灾难性故障。
模拟污垢
在设计过程中，工程师使用污垢系数和工艺经验来模拟污垢对热交换器性能的影响。污垢系数表示由于在热交换器的管表面上积垢层而对热流的理论阻力。在实践中，最终用户往往夸大污垢系数，以尽量减少清洁频率。然而，实际上，使用错误的污垢系数实际上可能导致需要更频繁的清洁。
污垢系数是一个数学值它代表沉积物的热阻，实际上是清洁换热器的传热系数与结垢后的同一装置之间的比率。标准污垢系数值适用于许多常见的液体和气体，如燃油、海水和酒精蒸汽。然而，对于许多材料，包括那些污垢系数最高的材料，如淤泥，最好对其进行分析，以获得准确的结果。
实际结垢
超过设计参数的严重污垢的第一个迹象是，随着换热器之间的传热恶化，换热器性能丧失。用户有时也会看到随着污垢的积累，压降会增加，但这是热交换器性能的不可靠指标。
污垢有不同的类型，有时不同的术语用于不同类型的污垢，这可能导致对特定情况下实际发生的情况的混淆。
图2.在使用河水冷却的地方，经常会遇到藻类生物污染
四种不同类型的污垢如下：
- 当化学物质在换热器表面发生结垢时，也被称为污垢层
- 生物污染（图2）是由生物体（如藻类）的生长引起的，这些微生物沉积在热交换器的表面上。而在换热器设计者的直接控制之外，它有时会受到建筑材料选择的影响
- 沉积污垢（通常是变性或沉积污垢）发生在流体中的颗粒沉降到表面时，通常是当产品在管壁上燃烧或流体速度低于临界水平时
- 腐蚀结垢（图3）发生在管道表面的腐蚀产物层上。这就形成了一层额外的材料，通常具有热阻。如前所述，不应将腐蚀污垢与污垢层下发生的腐蚀混淆
图3.腐蚀污垢，例如此处所示的污垢，通常发生在特定情况下
化学污染
在上述四种不同的情况下，每一种情况下都会有不同的表现或不同的处理方式。
结垢（包括水垢）水垢是最常见的化学污染源。对我们很多人来说，它是在家里的水壶和管道系统中积累起来的。在工业应用中，当冷却水含有大量矿物质时，结垢问题尤为突出。
结垢的症状是热交换器内部典型的“水垢”堆积（通常也会在整个水管线，包括管道和泵）中积聚，尽管局部因素和不同的矿物质会导致不同的外观。预防的形式是对水进行化学加药（例如，在“硬水”中加入盐或酸），清洗或去除时需要化学试剂。
鸟粪石（磷酸铵镁）是一种磷酸盐矿物，常在尿液中沉淀（图4）。正是这种物质形成了肾结石，特别是在人类和动物中，那些以植物为基础的饮食（含镁量高）或感染了产氨生物。
图4。鸟粪石（磷酸铵镁）是最常见的污染源之一。像奥斯塔拉这样的公司，把它作为一种有价值的养分回收再利用
鸟粪石是污水和废水处理中的一个特殊问题，尤其是在厌氧消化系统中，因为这一过程会释放出铵和磷酸盐。鸟粪石在许多表面形成硬垢，包括管道和热交换器内部。
同样的考虑适用于化学污垢和结垢也适用于防止在热交换器中形成鸟粪石。保持水温低于65°C将有助于防止鸟粪石的形成，同时也会限制添加到消化池中的磷量。鸟粪石通常可以通过物理方法去除，由于鸟粪石是一种有价值的矿物，许多废水处理厂和企业都在寻求商业化的鸟粪石回收。
Vivianite（磷酸亚铁）是一个特殊的问题，在污泥中添加三氯化铁（也称为酸洗液）来控制硫化氢（H 2S） 排放。当水温过高时，这可能导致在热交换器表面沉积一种硬的蓝绿色物质（vivianite）。
与鸟粪石一样，将水温保持在65℃以下将有助于防止活硅石的形成，同时小心地控制添加到污泥流中的化学物质，尽管这通常由其他因素决定。清洗非常困难，通常需要使用盐酸溶液，而盐酸溶液可能与换热器和系统结构中使用的材料不兼容。
生物污染
使用未经处理的水时，生物也会造成污染。
藻类在使用未经处理的河水或运河水进行冷却时，尤其会遇到藻类污染。环境法规禁止使用化学添加剂，也限制了温度的升高，因此藻类在理想的环境中快速生长。
使用高速甚至刮擦的表面换热器可以防止污染，使用铜或黄铜等建筑材料也可以。通常需要定期清洁。
斑马贻贝是世界各地发现的入侵物种。它们现在在英格兰东南部的淡水水体中被发现，并在下水道和污水处理厂中被发现。它们作为幼虫进入管道系统，然后定居生长。在一些最严重的情况下，数百吨的贻贝已经从水处理厂移走。它们在换热器中比较少见，可以通过保持流体通过换热器的速度高于2 m/s来控制，以防止幼虫附着。
最终过滤出水在一些污水处理厂，压滤机后的最终过滤出水（FFE）被用作自由冷却介质。由于FFE中含有大量的生物物质，它具有很高的结垢潜力，并且根据FFE和换热器设计的确切性质，很快就会发生结垢。
紫外线（UV）辐射处理FFE有时有助于降低生物负荷，从而降低污染的可能性，但其成本高昂，且并非100%有效。这些系统通常保持运行，然后在必要时进行清洁，通常依靠就地腐蚀性清洗（CIP）系统进行清洁。因此，必须指定能够处理这种腐蚀性清洁材料的热交换器和其他设备。
沉积污垢
介质中的固体颗粒沉降在换热器表面上是沉积污垢。
沉积物这是最常见的换热器污垢类型，是由处理过的流体中的颗粒物沉降到换热器表面而引起的。
通过良好的换热器设计和为工作选择合适的热交换器通常可以防止这种情况。在保证换热器表面有足够的热处理速度的同时，也能保证换热器的有效运行。
图5.一些刮板表面换热器使用旋转或螺旋刮板，如图所示
继续燃烧当换热器壁温过高时，会发生烧穿现象，导致流体中的颗粒（特别是有机材料）被烘烤到管壁上。它经常发生在发生故障的地方；例如，加热持续而产品流动停止，导致材料过热。
通过对整个系统进行良好的设计，并将水泵和污泥泵的控制装置联锁，这样一来，如果一台泵停止运行，另一台也会停止运行，从而降低烧损的可能性。控制水温（最好保持在90°C以下）也有助于防止烫伤。如果发生这种情况，通常可以通过物理或化学清洗来清除。
腐蚀污垢这种结垢通常发生在特定情况下，即被处理的材料或换热器本身的结构特别容易受到腐蚀。例如，铝和铜具有很强的反应性，经常遭受电偶腐蚀，或在用于制造换热器管的管表面形成氧化物。
使用一种能抵抗这种腐蚀，同时又能保持良好的热传递性能的材料，如不锈钢，将克服大多数这些问题。良好的系统设计（例如，定期清除砂砾）和定期清洁也有助于防止腐蚀的形成。
另一种形式的腐蚀污垢是结晶，由于冷却或浓度增加，流体中的成分沉积在换热器表面。在这种情况下，刮擦传热表面以去除这些污垢层可保持较高的传热速率。
防止结垢
正如生活的许多方面一样，预防胜于治疗。与清洗或清除已经发生的污垢相比，防止或减少污垢的成本更低，在保持换热器性能方面更有效。
防止结垢的两种主要方法是材料选择和换热器设计。换热器的表面会对污垢产生影响，粗糙的表面会收集颗粒物（这会增加污垢）。因此，304或316不锈钢管表面光滑、抛光，有助于减少污垢。
在换热器结构中使用波纹管有利于增加传热和防止沉积污垢。作为波纹管换热器的替代品，某些情况下可能需要使用刮削表面换热器（图1和图5，用于污垢会导致传热率下降，或粘性流体的传热率非常低的情况下使用）。
清除污垢
在某些应用中，无论系统设计得多好，换热器、泵和管道系统中都会出现污垢。在这种情况下，最好有一个快速高效的局部清洁系统，并从其他行业吸取了一些经验教训。在食品加工中，使用就地清洗（CIP）系统在每班结束时进行在线清洗是非常常见的。这些通常是独立的系统，可以自动冲洗和化学清洗设备。然后，系统冲洗掉清洁化学品，然后再将设备投入运行。CIP系统通常使用多种碱洗和酸洗，并且专门针对预期的工艺和类型设计。
结束语
换热器污垢（及其预防）实际上比乍看起来要复杂得多。虽然某些形式的污垢是不可避免的，但仔细设计和选择合适的热交换器，例如使用波纹管，可以大大降低影响。第一步应始终分析产品和服务流体，以计算准确的污垢系数。其次是良好的设计，以确保足够的流体速度、温度和其他操作参数。
换热器设计师和工程师将结合材料分析和计算出的污垢系数，以确保推荐用于特定用途的换热器不仅尽可能长时间地抵抗污垢，而且如果确实发生污垢，则可以有效地清洁和处理。例如，这可能涉及到使所需的检查和清洁频率尽可能快和简单，并具有诸如集成检查面板和可拆卸管等功能。
