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冷却水污垢及其对冷却器换热的影响

双击自动滚屏 日期:2009-10-27 浏览: 次 来源:四川生态网
 
1 污垢的形成
在一套空分装置中,需配置多种气体冷却器,以满足和实现空分装置的工艺要求。冷却器中冷却水质的变化,将对冷却器的运行产生影响。在换热过程中,冷却水的水质和冷却器的工作条件不断变化,换热表面上污垢的形成过程也很复杂,形成的污垢种类也不相同。水垢的形成,一般被认为是溶解在冷却水中的固体,由于温度升高及溶解度的变化及其某些化学变化,逐渐在换热表面析出并紧附其上,最终形成水垢。
结晶过程形成的盐垢是污垢的主要种类之一。当冷却水中形成盐类离子的含量超过了饱和溶解度时,该种盐类就会结晶沉淀析出。而离子的饱和溶解度是随温度的升高而降低的。在换热过程中,随着冷却水温度的升高及离子饱和度的降低,盐类物质就会在换热金属表面析出,形成水垢。这也就是在冷却器中,温度较高的冷却水出口端的水垢层往往比其他部位厚的原因。
水垢还有其他多种形式,如藻类、菌类、泥类等。冷却水结垢的主要成分是CaCO3,同时也含有CaSO4、Ca3(PO4)2和MgSiO3等成分。由这些盐垢构成的污垢层,其导热系数较小、热阻较大,对换热器的换热影响较大,因此在冷却器的设计中应予以充分重视。
2 冷却器污垢层及其热阻
在冷却器中,换热表面上的结垢层是不均匀的,并随着运行时间的变化而变化。污垢层的热阻主要与垢层厚度以及垢层成分有关,其关系可表示为:
r=δ/λ              (1)
式中r—污垢层热阻 ,m2.h.℃/J;
  δ—污垢层厚度,m;
  λ—污垢层的导热系数,J/m.h.℃。
由(1)式可知,在污垢层成分稳定、均匀的条件下,污垢热阻与其厚度成线性关系。
污垢热阻r和厚度δ是随着运行时间的推移而增加的,当热阻(或厚度)增加到一定值时,其变化变得缓慢,并趋近一个定值。其表达式为:
rD=r∞(1-e-ADδ)              (2)
式中rD—某瞬间的污垢热阻,m2.h.℃/J;
r∞—无穷长时间的极限污垢热阻,m2.h.℃/J;
D—运行时间,h;
  A—常数。
在冷却水质条件和运行工况稳定时,从实际运行的数据中可得出,污垢层厚度与运行时间的关系有以下规律:在冷却器开始运行的第一个月中,污垢层厚度迅速增加,一个月后,污垢层增加缓慢。而且第一个月的结垢厚度为全年的50%,即第一个月的污垢热阻为全年的一半。目前国内大多数运行单位冷却水的年污垢热阻为1×10-5m2.h.℃/J。将年污垢热阻视为极限污垢热阻,并由式(2)可得出污垢热阻与运行时间的关系:
r=1.0×10-5×(1-e-0.0231D)    (3)
同样,年污垢热阻为0.5×10-5m2.h.℃/J和1.5×10-5m2.h.℃/J时,污垢热阻与运行时间的关系分别由式(4)、(5)表示:
r=0.5×10-5×(1-e-0.0231D)
(4)
r=1.5×10-5×(1-e-0.0231D )
(5)
分别将式(3)、(4)、(5)绘成曲线,如图1所示。
图1 污垢热阻与时间关系图
由图1可以看出,冷却器在运行到180天后,其换热表面上因结垢而形成的热阻值已趋于稳定,并接近年污垢热阻。
影响冷却器结垢的因素较多,除了冷却器的结构、换热表面质量和热流密度等因素外,还与冷却水的流速、温度和热流体的工矿条件有关,特别是冷却水的水质条件更为重要。因此在冷却器的设计、制造、运行、操作和冷却水处理方面都应注意冷却器的结垢问题。
3 污垢热阻对换热系数和面积的影响
冷却器结垢过程十分复杂,但在冷却器换热设计中,主要是考虑污垢热阻对其的影响。
空分装置中,主要使用管壳式冷却器,其中又以叠片(或翅片)式和光管式冷却器最为常见。低压空气冷却器采用叠片式或翅片式,管程为水,壳程为空气;中压氧气、氮气冷却器采用光管式,管程为气,壳程为水。
对于叠片式、翅片式冷却器的换热系数K值,常常是通过试验来确定。此时,K值是某一个水质条件的K0值,也就是对应某一个污垢热阻r0的K0值,对于不同污垢热阻r时的K值,可用式(6)进行计算:
K=1/[K0+B(r-r0)]              (6)
式中的系数B在此理解为污垢热阻放大系数,它是与换热单元结构有关的常数,在换热单元结构确定后,B值也就确定了。其次,系数B的含义为热冷两侧表面的面积之比。可见,冷却器的换热效率越高,B值越大,则对污垢热阻越敏感。这也就是进口设备的冷却器对水的污垢热阻很敏感的原因。
因此,污垢热阻值虽小,但对换热系数的影响却很大。
污垢热阻和冷却器换热面积的关系如下:
Ai=[1+K0B(ri-r0)]A0             (7)
式中A0—对应r0和K0时所需的换热面积,m2;
Ai—对应ri和 Ki时所需的换热面积,m2。
同样以上面的数据为例,通过(7)式计算可得出下列关系:
A1=1.24A0                       (8) 
A2=0.762A0                      (9)
污垢热阻对换热面积的影响程度也很大。
(6)、(7)式也适用于光管式冷却器,只是B值和K值不同。虽然,补偿污垢热阻使换热面积减少的办法是增加换热面积,但在设计中,却不宜将换热面积放大过多。
4 污垢热阻对空分装置的影响
空分装置中的许多冷却器,在运行中不是完全孤立的。若冷却器或运行条件达不到设计要求,则由其产生的结果,将会通过工艺热流体,作用到下游的另一台冷却器上,并同时影响这个冷却器和主机的运行,而且这种影响不是简单的相加关系。空分装置在不符合设计要求的冷却水条件下长期运行,将产生的影响主要表现为:
(1)压缩机组的影响:由于冷却水质差,在冷却器中形成的污垢热阻大,使冷却器不能正常运行,导致了压缩机中每一级的进口、出口参数偏离,影响了级与级之间的匹配性能,降低了压缩机的效率,减少了加工气量,增加了机组的能耗,使机组的整体性能下降。最终使空分装置的产量下降,能耗增加,运行周期缩短和变工况调节范围缩小。
(2)冷冻机的影响:冷却水形成的污垢热阻大,使冷冻机中的冷凝器不能正常运行。冷媒的冷凝压力、温度升高,使冷冻机的制冷量下降,导致空气出空冷塔进分子筛纯化器的温度升高,降低了分子筛的吸附能力,这也将使空分装置的运行周期缩短。
(3)对预冷系统的影响:对于空气预冷系统,当水质较差时,在空气冷却塔内的部件上(如筛板、填料),也要形成污垢,从而降低了冷却塔的换热效率,使空气温度升高,也要影响分子筛的吸附能力,导致空分装置的运行周期缩短。
在冷却器的设计中,除对污垢热阻予以重视外,还应注意在其运行中保持良好的运行条件,特别是在冷却水处理方面,应保持稳定、良好的水质和适当的流速以减轻冷却器的结垢,从而确保空分装置的整体性能。
 
(信息来源:中国水处理网)
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