管殼式換熱器的結垢分析
 
   一、管殼式換熱器結垢機理及狀態：
因為管殼式換熱器大多是以水為載熱體的換熱系統，由于某些鹽類在溫度升高時從水中結晶析出。附著于換熱管表面，形成水垢。在冷卻水中加入聚磷酸鹽類緩沖劑，當水的pH值較高時，也可導致水垢產生。初期形成的水垢比較松軟，但隨著垢層的生成，傳熱條件惡化，水垢中的結晶水逐漸失去，垢層即變硬，牢固地附著于換熱管表面上。此外，如同水垢一樣，當換熱器的工作條件適合溶液產生銹體時。換熱管表面上即可積附銹體結晶形成的垢層；當流體所含的機械雜質有機物較多、而流體的流速較小時，部分機械雜質或有機物也會在換熱器內沉積，形成疏松、多孔或膠狀污垢。
 
    二、管殼式換熱器除垢及清洗必要性：
管殼式換熱器是生產中應用最廣泛，也是最典型的間壁式換熱器，其結構主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。其優點是單位體積設備所提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結構簡單，操作彈性大，可用多種材料制造。但換熱器在使用過程中。污垢沉積物會不可避免地出現在傳熱表面上，出現結垢現象，污垢沉積物熱阻較高，大大降低了導熱率；同時由于結垢減小了流體流量，流體介質流動阻力增大，能耗增加。多年來，各單位所用大部分管殼式換熱器都存在管道及殼體結垢而影響使用效果的問題，由此而造成了一系列的經濟損失。據統計，我國每年由于換熱器結垢導致能耗增加而造成的經濟損失高達上百億元以。　　因此管殼式換熱器清洗除垢是很有必要性的。換熱器運行質量的好壞和時間長短，與日常維護、清洗保養是否及時有著密不可分的關系。對于容易結垢的流體，可在規定的時間采用合適的方式進行清洗除垢。最近幾年，我們為了更好的清洗換熱器污垢，先后無數次對管殼式換熱器清洗結垢做權威試驗，為客戶提供了最佳解決方案。
    三、管殼式換熱器結垢只要因素：
影響結垢的因素有很多，流體速度、流體流動狀態、流體組分的組成和含量以及換熱器的結構等都對污垢的形成有一定的影響，從應用角度考慮，我們只有找出主要因素才能使結垢問題得到有效解決。對于特定流體而言，影響換熱器結垢的主要因素有以下幾個方面：　　流體的流動速度：在換熱器中，流速對污垢的影響應該同時考慮其對污垢沉積和污垢剝蝕的影響，對于各類污垢，用于流速增大引起剝蝕率的增大較污垢沉積的速率更為顯著，所以污垢增長率隨著流速的增大而減小。但是在換熱器的實際運行中，流速的增加將增大能耗，所以，流速也不是越高越好，應就能耗和污垢兩個方面來綜合考慮。

傳熱壁面的溫度：溫度對于化學反應結垢和鹽類析晶結垢有著重要的作用，流體溫度的增加一般會導致化學反應速度和結晶速度的增大．從而對污垢的沉積量產生影響，導致污垢增長率升高?！　Q熱面材料和表面質量：對于常用的碳鋼、不銹鋼換熱器而言．只是通過腐蝕產物的沉積而影響結垢；而如果采用耐蝕性能良好的石墨或陶瓷等非金屬材料，則不易發生結垢。換熱面材料的表面質量會影響污垢的形成和沉積．表面粗糙度越大．越有利于污垢的形成和沉積。
    四、管殼式換熱器垢體成分分析：
    結晶垢體：如水冷卻系統中，由于水中過飽和的鈣、鎂鹽類由于溫度、pH值等變化而從水中結晶沉積在換熱器表面，而形成了水垢；

顆粒垢體：流體中懸浮的同體顆粒在換熱面上的積聚；　　化學反應垢體：由于化學反應而造成的同體沉積：

腐蝕垢體：換熱介質腐蝕換熱面，產生腐蝕產物沉積于受熱面上而形成污垢；

生物垢體：對于常用的冷卻水系統來講，工業水巾往往含有微生物及其所需的營養，這些微生物群體繁殖，其群體及其排泄物同泥漿等在換熱表面形成生物垢；

混合垢體：在過冷的換熱面上，純液體或多組分溶液的高溶解組分凝同沉積。以上的分類只是表明．某個過程對形成該類污垢是一個主要過程。結垢往往是多種過程的共同作用結果。因此換熱面上的實際污垢，常常是多種污垢混合在一起的。
     五、管殼式換熱器管道清洗除垢方法：
   （一）物理清洗方法：

噴射清洗法：噴射清洗是一種強力清洗法，它是利用沖刷噴射設備將介質以極高的沖擊力噴人換熱器的管側和殼側，起到除垢的目的。常用的介質是水、蒸汽或石英砂。對于僅僅依靠沖擊力是不能去除而必須依靠熱量才能使其松動的污垢，又名蒸汽噴射清洗方法。

物體管內插人清洗法：這種方法只能用作清除去管子里面的污垢，它依靠插入物在管內的運動。與管子內表面接觸摩擦，達到清除污垢的效果。插入物的種類多種多樣，可以是在軟性軸的端部裝上刮刀或鉆頭．也可以使用鋼絲刷子來清洗低硬度的污垢。

物理清洗對于換熱器管內污垢，以上兩種換熱器清洗方法，我們都采用過，我們認為采用管內插人物清洗效果比直接噴射清洗效果明顯，但插入物清洗勞動強度相對較大。我們試著將兩種方法結合使用，在用插入物清洗同時用高壓水噴射．結果效果大大提高。但缺點是清洗設備需裝拆，易對設備造成機械損傷。

（二）化學清洗方法：

利用清洗設備與管殼式換熱器連接，形成獨立的水循環系統，在儲水箱中加入高效化學清洗劑，化學清洗可以在現場完成，清洗強度較低；但清洗更徹底，可以清洗那些機械清洗所不能到達的地方．并可避免機械清洗對換熱面造成一定的機械損傷；而且化學清洗可以不用拆開設備，對于不能拆開的管殼式換熱設備具有機械清洗所不能比擬的優點。

（三）超聲波除垢法　　除了上述幾種常用的清洗方法，據資料顯示．現在出現了新的換熱器清洗技術——超聲波除垢。它利用超聲波的空化效應、活化效應、剪切效應和抑制效應除垢，超聲波除垢技術在石油化T、制糖等一些T、I 行、II，-得到了運用，并取得了很好的效果。這項新技術目前還有很多空白領域需要研究。超聲波除垢技術的關鍵是針對不同物料、不同裝昔類型和傳熱面積的大小，選擇合適的超聲波功率和頻率大小。
      六、管殼式換熱器清洗之重要性：
      結垢對換熱器的危害很大，需要積極地預防和定期地清除除垢。影響結垢的因素很多，只有找出主要因素才能使問題簡化，對于不同類型的垢體，應采取針對性清洗除垢措施，有效地治理換熱器的結垢問題，以提高換熱器傳熱效率及運行壽命。

    現在來談談管殼式換熱器的優化設計
    對于完成某一任務的換熱器,往往有多個選擇,如何確定最佳的換熱器,是換熱器優化的問題,即采用優化方法使設計的換熱器滿足最優的目標函數和約束條件。在換熱器設計中,最優目標函數是指包括設備費用和操作費用在內的總費用最小。本文主要針對管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優化問題,利用一般優化設計的原理和方法,以操作費用最小為優化目標,給出相應的目標函數,并用MATLAB語言編寫了計算程序,最后給出了一個計算實例。
    目標函數
    對于以水為冷卻介質的管殼式冷卻器,進口水溫一定時,由傳熱學的基本原理分析可知,冷卻水的出口費用將影響傳熱溫差,從而影響換熱器的傳熱面積和投資費用。若冷卻水出口溫度較低,所需的傳熱面積可以較小,即換熱器的投資費用減少;但此時的冷卻水的用量則較大,所需的操作費用增加,所以存在使設備費用和操作費用之和為最小的最優冷卻水出口溫度。
設換熱器的年固定費用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費用,元;KF———換熱器的年折舊率, 1 /y;CA———換熱器單位傳熱面積的投資費用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。換熱器的年操作費用FB =Cu•WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費用,元;Cu———單位質量冷卻水費用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運行時間, h。因此換熱器的年總費用即目標函數F = FA + FB = KFCAA +Cu•WuHy/1000 (3)2A與Wu的數學模型———熱平衡方程換熱器的熱負荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負荷, kJ /h;G———換熱器熱介質處理量, kg/h;cpi———熱流體介質比熱容, kJ / ( kg•℃) ;T1、T2———熱流體的進出口溫度,℃。當換熱器操作采用逆流換熱時,則熱平衡方程為Q =Wu cpw ( t2 - t1 ) =GcPi ( T1 - T2 ) = KA& tm (5)式中cpw———冷卻水比熱容, kJ / ( kg•℃) ;t1、t2———冷卻水的進出口溫度,℃;& tm———對數平均溫度差,℃。& 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———總傳熱系數, (m2•h•℃)。將(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)
     一般來說,對于設計的換熱器, G、T1、T2、t1及Hy均為定值;水的比熱容cpw和熱介質的比熱容cpi變化不大,可取為常數; Cu、CA、FA可由有關資料查得;總傳熱系數K通常也可由經驗確定,所以換熱器的年總費用F僅是冷卻水出口溫度t2的函數。當F取最小值時,相應的t2既為最優冷卻水出口溫度,進而可由式(7)、(8)得到所需的冷卻水量和最優的傳熱面積。

    程序設計
 
     由上面分析可知,以上問題屬于單變量最優化問題。對于此類問題求解方法比較成熟,可以用解析法和黃金分割法或函數逼近法等數值方法求解。這里,采借用MATLAB語言計算,采用其工具箱中Nelder - Mead單純形法函數fmin2search ( )優化,定義TF ( )為目標函數(9) ,函數Water ( )、Ar2ea ( )則根據式(7)、(8)分別用以求傳熱面積A和冷卻水用量Wu。以上分析盡管是針對管殼式水冷卻器而得出的結果,由于分析方法和傳熱機理相似,對于其它介質的管殼式換熱器只要在公式上稍作變形即可得出類似的結論。因此,對管殼式換熱器問題的優化具有一定的普遍性,其求解結果可以作為設計管殼式換熱器重要依據,從而為節約生產成本,推動設計的科學性方面作出相應的貢獻。程序清單如下: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 (‘優化結果: /n /n’)Fp rintf (‘換熱器最優出口溫度: %. 2% s/n’, t2,’℃’)Allfee = totalfee ( t2 ) ; fp rintf (‘最小年費用為: %. 3f元/n’, allfee)[AW ] =Area_water ( t2) ; frintf (‘換熱器傳熱面積為: %.3fm^2 /n’,A)fp rintf (‘每小時用水量為: %. 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) ;
 
    設計實例
 
 
     例:某石化公司需將處理量為G = 4×104 kg/h的煤油產品從T1 = 135℃冷卻到T2 = 40℃,冷卻介質是水,初始溫度t1= 30℃。要求設計一臺管殼式水冷卻器(采用逆流操作) ,使該冷卻器的年度總費用最小。以知數據如下:冷卻器單位面積的總投資費用CA = 400元/m2 ;冷卻器年折舊率KF = 15%;冷卻器總傳熱系數K = 840 kJ / (m2•h•℃) ;冷卻器每年運行時間7900h;冷卻水單價Cu = 0. 1元/噸;冷卻水比熱容cpw =4. 184 kJ / ( kg•℃) ;煤油比熱容cp i = 2. 092kJ / ( kg•℃)。