冷卻水污垢及其對(duì)冷卻器換熱的影響
1 污垢的形成
在一套空分裝置中,需配置多種氣體冷卻器,以滿足和實(shí)現(xiàn)空分裝置的工藝要求。冷卻器中冷卻水質(zhì)的變化,將對(duì)冷卻器的運(yùn)行產(chǎn)生影響。在換熱過程中,冷卻水的水質(zhì)和冷卻器的工作條件不斷變化,換熱表面上污垢的形成過程也很復(fù)雜,形成的污垢種類也不相同。水垢的形成,一般被認(rèn)為是溶解在冷卻水中的固體,由于溫度升高及溶解度的變化及其某些化學(xué)變化,逐漸在換熱表面析出并緊附其上,最終形成水垢。
結(jié)晶過程形成的鹽垢是污垢的主要種類之一。當(dāng)冷卻水中形成鹽類離子的含量超過了飽和溶解度時(shí),該種鹽類就會(huì)結(jié)晶沉淀析出。而離子的飽和溶解度是隨溫度的升高而降低的。在換熱過程中,隨著冷卻水溫度的升高及離子飽和度的降低,鹽類物質(zhì)就會(huì)在換熱金屬表面析出,形成水垢。這也就是在冷卻器中,溫度較高的冷卻水出口端的水垢層往往比其他部位厚的原因。
水垢還有其他多種形式,如藻類、菌類、泥類等。冷卻水結(jié)垢的主要成分是CaCO3,同時(shí)也含有CaSO4、Ca3(PO4)2和MgSiO3等成分。由這些鹽垢構(gòu)成的污垢層,其導(dǎo)熱系數(shù)較小、熱阻較大,對(duì)換熱器的換熱影響較大,因此在冷卻器的設(shè)計(jì)中應(yīng)予以充分重視。
2 冷卻器污垢層及其熱阻
在冷卻器中,換熱表面上的結(jié)垢層是不均勻的,并隨著運(yùn)行時(shí)間的變化而變化。污垢層的熱阻主要與垢層厚度以及垢層成分有關(guān),其關(guān)系可表示為:
r=δ/λ (1)
式中r—污垢層熱阻 ,m2.h.℃/J;
δ—污垢層厚度,m;
λ—污垢層的導(dǎo)熱系數(shù),J/m.h.℃。
由(1)式可知,在污垢層成分穩(wěn)定、均勻的條件下,污垢熱阻與其厚度成線性關(guān)系。
污垢熱阻r和厚度δ是隨著運(yùn)行時(shí)間的推移而增加的,當(dāng)熱阻(或厚度)增加到一定值時(shí),其變化變得緩慢,并趨近一個(gè)定值。其表達(dá)式為:
rD=r∞(1-e-ADδ) (2)
式中rD—某瞬間的污垢熱阻,m2.h.℃/J;
r∞—無窮長時(shí)間的極限污垢熱阻,m2.h.℃/J;
D—運(yùn)行時(shí)間,h;
A—常數(shù)。
在冷卻水質(zhì)條件和運(yùn)行工況穩(wěn)定時(shí),從實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)中可得出,污垢層厚度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系有以下規(guī)律:在冷卻器開始運(yùn)行的第一個(gè)月中,污垢層厚度迅速增加,一個(gè)月后,污垢層增加緩慢。而且第一個(gè)月的結(jié)垢厚度為全年的50%,即第一個(gè)月的污垢熱阻為全年的一半。目前國內(nèi)大多數(shù)運(yùn)行單位冷卻水的年污垢熱阻為1×10-5m2.h.℃/J。將年污垢熱阻視為極限污垢熱阻,并由式(2)可得出污垢熱阻與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系:
r=1.0×10-5×(1-e-0.0231D) (3)
同樣,年污垢熱阻為0.5×10-5m2.h.℃/J和1.5×10-5m2.h.℃/J時(shí),污垢熱阻與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系分別由式(4)、(5)表示:
r=0.5×10-5×(1-e-0.0231D)(4)
r=1.5×10-5×(1-e-0.0231D )(5)
可以看出,冷卻器在運(yùn)行到180天后,其換熱表面上因結(jié)垢而形成的熱阻值已趨于穩(wěn)定,并接近年污垢熱阻。
影響冷卻器結(jié)垢的因素較多,除了冷卻器的結(jié)構(gòu)、換熱表面質(zhì)量和熱流密度等因素外,還與冷卻水的流速、溫度和熱流體的工礦條件有關(guān),特別是冷卻水的水質(zhì)條件更為重要。因此在冷卻器的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、操作和冷卻水處理方面都應(yīng)注意冷卻器的結(jié)垢問題。
3 污垢熱阻對(duì)換熱系數(shù)和面積的影響
冷卻器結(jié)垢過程十分復(fù)雜,但在冷卻器換熱設(shè)計(jì)中,主要是考慮污垢熱阻對(duì)其的影響。
空分裝置中,主要使用管殼式冷卻器,其中又以疊片(或翅片)式和光管式冷卻器最為常見。低壓空氣冷卻器采用疊片式或翅片式,管程為水,殼程為空氣;中壓氧氣、氮?dú)饫鋮s器采用光管式,管程為氣,殼程為水。
對(duì)于疊片式、翅片式冷卻器的換熱系數(shù)K值,常常是通過試驗(yàn)來確定。此時(shí),K值是某一個(gè)水質(zhì)條件的K0值,也就是對(duì)應(yīng)某一個(gè)污垢熱阻r0的K0值,對(duì)于不同污垢熱阻r時(shí)的K值,可用式(6)進(jìn)行計(jì)算:
K=1/[K0+B(r-r0)] (6)
式中的系數(shù)B在此理解為污垢熱阻放大系數(shù),它是與換熱單元結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù),在換熱單元結(jié)構(gòu)確定后,B值也就確定了。其次,系數(shù)B的含義為熱冷兩側(cè)表面的面積之比?梢,冷卻器的換熱效率越高,B值越大,則對(duì)污垢熱阻越敏感。這也就是進(jìn)口設(shè)備的冷卻器對(duì)水的污垢熱阻很敏感的原因。
因此,污垢熱阻值雖小,但對(duì)換熱系數(shù)的影響卻很大。
污垢熱阻和冷卻器換熱面積的關(guān)系如下:
Ai=[1+K0B(ri-r0)]A0 (7)
式中A0—對(duì)應(yīng)r0和K0時(shí)所需的換熱面積,m2;
Ai—對(duì)應(yīng)ri和 Ki時(shí)所需的換熱面積,m2。
同樣以上面的數(shù)據(jù)為例,通過(7)式計(jì)算可得出下列關(guān)系:
A1=1.24A0 (8)
A2=0.762A0 (9)
污垢熱阻對(duì)換熱面積的影響程度也很大。
(6)、(7)式也適用于光管式冷卻器,只是B值和K值不同。雖然,補(bǔ)償污垢熱阻使換熱面積減少的辦法是增加換熱面積,但在設(shè)計(jì)中,卻不宜將換熱面積放大過多。
4 污垢熱阻對(duì)空分裝置的影響
空分裝置中的許多冷卻器,在運(yùn)行中不是完全孤立的。若冷卻器或運(yùn)行條件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,則由其產(chǎn)生的結(jié)果,將會(huì)通過工藝熱流體,作用到下游的另一臺(tái)冷卻器上,并同時(shí)影響這個(gè)冷卻器和主機(jī)的運(yùn)行,而且這種影響不是簡單的相加關(guān)系?辗盅b置在不符合設(shè)計(jì)要求的冷卻水條件下長期運(yùn)行,將產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為:
(1)壓縮機(jī)組的影響:由于冷卻水質(zhì)差,在冷卻器中形成的污垢熱阻大,使冷卻器不能正常運(yùn)行,導(dǎo)致了壓縮機(jī)中每一級(jí)的進(jìn)口、出口參數(shù)偏離,影響了級(jí)與級(jí)之間的匹配性能,降低了壓縮機(jī)的效率,減少了加工氣量,增加了機(jī)組的能耗,使機(jī)組的整體性能下降。最終使空分裝置的產(chǎn)量下降,能耗增加,運(yùn)行周期縮短和變工況調(diào)節(jié)范圍縮小。
(2)冷凍機(jī)的影響:冷卻水形成的污垢熱阻大,使冷凍機(jī)中的冷凝器不能正常運(yùn)行。冷媒的冷凝壓力、溫度升高,使冷凍機(jī)的制冷量下降,導(dǎo)致空氣出空冷塔進(jìn)分子篩純化器的溫度升高,降低了分子篩的吸附能力,這也將使空分裝置的運(yùn)行周期縮短。
(3)對(duì)預(yù)冷系統(tǒng)的影響:對(duì)于空氣預(yù)冷系統(tǒng),當(dāng)水質(zhì)較差時(shí),在空氣冷卻塔內(nèi)的部件上(如篩板、填料),也要形成污垢,從而降低了冷卻塔的換熱效率,使空氣溫度升高,也要影響分子篩的吸附能力,導(dǎo)致空分裝置的運(yùn)行周期縮短。
在冷卻器的設(shè)計(jì)中,除對(duì)污垢熱阻予以重視外,還應(yīng)注意在其運(yùn)行中保持良好的運(yùn)行條件,特別是在冷卻水處理方面,應(yīng)保持穩(wěn)定、良好的水質(zhì)和適當(dāng)?shù)牧魉僖詼p輕冷卻器的結(jié)垢,從而確保空分裝置的整體性能。

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