王長忠，楊 惠，劉恩海，趙坤正，劉詩琦

(1 鄭州市工信節(jié)能檢測中心，河南 鄭州 450007；2 河南禹州市環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測站，河南 禹州 461670；3 中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007；4 中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院建筑工程系，河南 鄭州 451191)

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殼管式換熱器入水水質(zhì)處理研究

王長忠1，楊 惠2，劉恩海3，趙坤正3，劉詩琦4

(1 鄭州市工信節(jié)能檢測中心，河南 鄭州 450007；2 河南禹州市環(huán)境保護(hù)局環(huán)境監(jiān)測站，河南 禹州 461670；3 中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450007；4 中原工學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院建筑工程系，河南 鄭州 451191)

以某化工企業(yè)職工澡堂的殼管式換熱器為研究對象，分析熱水管道內(nèi)水垢類型及產(chǎn)生原因，從理論層面分析水垢傳熱熱阻、導(dǎo)致能源浪費(fèi)情況，提出了對熱水供水主管道增設(shè)廣譜感應(yīng)水處理器進(jìn)行換熱器的入水水質(zhì)處理。研究結(jié)果表明，提高了換熱器的換熱效率，節(jié)省了能耗，有效解決了系統(tǒng)熱水管道水垢堆積影響熱水供應(yīng)的問題，該技術(shù)可為相關(guān)企業(yè)水處理方面的應(yīng)用提供了很好的借鑒。

化工企業(yè)；殼管式換熱器；水質(zhì)處理；能耗

殼管式換熱器是化工企業(yè)熱水供應(yīng)系統(tǒng)中使用最廣泛的設(shè)備之一，其換熱性能對整個系統(tǒng)的良好運(yùn)行具有重大意義[1]。由于部分地區(qū)的地下水中含有大量的鈣鎂離子，導(dǎo)致熱水在換熱器和管道中產(chǎn)生水垢，并附著在管道和換熱器壁面，造成換熱效率降低，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，不利于環(huán)境保護(hù)[2]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，90%以上的換熱器都存在不同程度的結(jié)垢現(xiàn)象[3]。本文以某企業(yè)熱水供應(yīng)系統(tǒng)為例，分析了兩臺殼管式換熱器由于長期熱水流動導(dǎo)致水垢堆積的現(xiàn)象，對附著換熱器的水垢進(jìn)行傳熱過程的數(shù)學(xué)描述，提出對熱水供水主管道增設(shè)廣譜感應(yīng)水處理器進(jìn)行換熱器入水水質(zhì)處理，減輕換熱器的結(jié)垢。

1 換熱器水垢的傳熱分析

針對熱水供應(yīng)系統(tǒng)殼管式換熱器管道內(nèi)水垢產(chǎn)生原因，以某企業(yè)職工澡堂的兩臺殼管式換熱器為研究對象，對附著在管道和換熱器壁面水垢進(jìn)行傳熱過程的數(shù)學(xué)描述，分析研究水垢的傳熱熱阻及導(dǎo)致系統(tǒng)能源浪費(fèi)問題。

(1)

(2)

式中：A1、A2——冷、熱流體一側(cè)的傳熱面積，m2Am——換熱片的平均面積，m2δ——換熱片的厚度，m λ——換熱片材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)α1、α2——冷、熱流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)R、RF——冷、熱流體側(cè)的水垢熱阻，(m2·K)/W

2 換熱器水垢的能耗分析

水垢不僅增加了殼管式換熱器的傳熱熱阻，而且使換熱器表面粗糙度增加、內(nèi)徑減少，導(dǎo)致流體壓力降增加[4]，對系統(tǒng)能耗影響很大。水垢層導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示。

表1 各類水垢的導(dǎo)熱系數(shù)[5]

根據(jù)企業(yè)所在區(qū)域水質(zhì)分析，可知換熱器內(nèi)污垢主要由硫酸鹽、碳酸鈣(鎂)水垢組成。水垢層的傳熱損失如圖1所示。

圖1 水垢引起的傳熱損失

根據(jù)圖1可知，隨著水垢厚度的增加，傳熱損失逐漸加大，但增加的幅度略微不同。水垢厚度為1.5 mm時，三種類型水垢(硬質(zhì)CaCO3、軟質(zhì)CaCO3和硬質(zhì)CaSO4)導(dǎo)致的傳熱損失基本相同，約為12%；水垢厚度小于1.5 mm時，軟質(zhì)CaCO3類型水垢導(dǎo)致的傳熱損失高于另外兩種類型的水垢；水垢厚度大于1.5 mm時，硬質(zhì)CaCO3類型水垢導(dǎo)致的傳熱損失高于另外兩種類型的水垢。經(jīng)檢測分析，硫酸鹽水垢占24%，碳酸鈣水垢占35%，碳酸鎂水垢占30%，其他雜質(zhì)占11%。水垢厚度與能耗關(guān)系如圖2所示。

圖2 水垢厚度與能耗的關(guān)系

由圖2可知，隨著水垢厚度增加，耗能越來越大，因?yàn)樗冈黾恿藫Q熱器的傳熱熱阻，增加了能耗損失。水垢厚度小于6 mm時，隨著水垢厚度增大，能耗增加幅度較大。水垢厚度為6 mm時，多耗系統(tǒng)燃料約為38%；水垢厚度在6～14 mm時，增加幅度逐漸減小，水垢厚度為14 mm時，多耗系統(tǒng)燃料約為56%；水垢厚度大于14 mm，能耗增幅逐漸增大。因此，水垢對換熱器的換熱效率影響極大，需要適時處理水垢以減少系統(tǒng)能耗。

3 換熱器入水水質(zhì)處理

3.1 廣譜感應(yīng)水質(zhì)處理與傳統(tǒng)水質(zhì)處理方法對比

目前，化工企業(yè)水質(zhì)處理方法主要有化學(xué)法處理、物理防垢處理、廣譜感應(yīng)水處理等。廣譜感應(yīng)水處理器采用目前國際最先進(jìn)的智感應(yīng)的掃頻變頻技術(shù)，在水中產(chǎn)生一個感應(yīng)電磁場，該電磁場使水中的成垢離子結(jié)合成大量的文石晶核，這些粘附性很弱的文石晶體呈松軟絮狀，懸浮在水中被水流沖走，達(dá)到去除水垢的目的[6]。廣譜感應(yīng)水處理器能根據(jù)管道的不同材質(zhì)和管道內(nèi)水的流速感應(yīng)到其電感系數(shù)，據(jù)此自動調(diào)整其輸出電流，使其適應(yīng)于不同水質(zhì)和水量工況；

化學(xué)法處理在于可將致垢離子全部或部分穩(wěn)定在水中，除垢效果較好，但化學(xué)處理方法易對設(shè)備造成腐蝕，且常用的水質(zhì)穩(wěn)定劑含磷量較高，容易造成水體污染[7]；使用物理法除垢時，不同的水質(zhì)要有特定電磁振蕩頻率才能使致垢離子結(jié)合成不易附壁的結(jié)晶體，以往的電子水處理器，適應(yīng)的水質(zhì)范圍窄，不能滿足水質(zhì)和水量變動比較大的工況[8]。

3.2 水質(zhì)處理實(shí)例

某企業(yè)職工澡堂用殼管式換熱器型號為REM700-1.0/1.0-37，換熱面積為37 m2, 處理水量100 t/h，管束直徑20 cm；材質(zhì)為碳素鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為52 W/(m2·K)。實(shí)測換熱器入水水質(zhì)硬度為450 mg/L，管道水垢平均厚度約為13 mm左右，管束堵塞嚴(yán)重。在供水主管增設(shè)廣譜感應(yīng)水處理器進(jìn)行換熱器入水水質(zhì)處理，運(yùn)行兩周檢測供水主管道水垢厚度降低至4 mm，水質(zhì)處理效果較好。水垢厚度變化情況如圖3所示。

圖3 水垢厚度變化情況

3.3 效益分析

根據(jù)企業(yè)項(xiàng)目實(shí)例分析，碳鋼材質(zhì)換熱器清洗頻繁，極易損壞。按系統(tǒng)結(jié)垢速率估算，每年至少需要更換4個換熱器中間段，單價(jià)約為1.5萬元，每年人工、清洗及其他費(fèi)用約為2萬元。采用廣譜感應(yīng)水處理法，投入成本費(fèi)用約為15萬元左右，消耗電費(fèi)年均0.05萬元，按十年折合計(jì)算年均投入約2萬元。

4 結(jié) 語

采用廣譜感應(yīng)水處理器進(jìn)行防垢效果好，提高了換熱器的換熱效率，解決了系統(tǒng)熱水管道水垢堆積影響熱水供應(yīng)問題，對于相關(guān)化工企業(yè)水處理方面，可有效地發(fā)揮較好的環(huán)境效益以及明顯的節(jié)能效果。

[1] 黃慶軍,任俊超,蘇是,等.中國換熱器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油和化工設(shè)備, 2010(01):5-8.

[2] 楊善讓,徐志明,孫靈芳.換熱設(shè)備的污垢與對策[M].北京:科學(xué)出版社, 2004:1-70.

[3] 張仲彬,王丙林,李煌,等.換熱表面污垢熱阻影響因素的評價(jià)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014(01)：266-271.

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[5] 楊麗華.鍋爐水垢的形成、危害及防范措施[J].山西科技,2004(03):67-68.

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[7] 楊萍.淺談目前太陽能熱水系統(tǒng)的除垢方法[J].節(jié)能與環(huán)保,2011(3):64-66.

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Study on Water Quality Treatment of Shell and Tube Heat Exchanger

WANGChang-zhong1,YANGHui2,LIUEn-hai3,ZHAOKun-zheng3,LIUShi-qi4

(1 Energy Test Center of Industry and Information Technology of Zhengzhou City, Henan Zhengzhou 450007; 2 Yuzhou Environmental Protection Department Environmental Monitoring Station, Henan Yuzhou 461670; 3 School of Energy & Environment, Zhongyuan University of Technology, Henan Zhengzhou 450007; 4 Department of Building Engineering, College of Information & Business, Zhongyuan University of Technology, Henan Zhengzhou 451191, China)

Taking the shell and tube heat exchanger of a certain chemical enterprise as a research object, the scale type and causes in the pipeline were proposed, the heat transfer resistance of the scale from the theoretical level was analyzed, and the waste of the energy was caused, the hot water main pipe spectral induction water processor for water quality treatment of heat exchanger was put forward. The results showed that the heat transfer efficiency of the heat exchanger was improved, the energy consumption was saved, and the problem of the hot water supply was effectively solved by the scale accumulation of the engineering hot water pipeline, which the technology can provide a reference related to the application of chemical water treatment companies.

chemical enterprise; shell and tube heat exchanger; water conditioning; energy consumption

王長忠 (1971- )，男，工程師，從事環(huán)境保護(hù)方面研究。

X5

B

1001-9677(2016)023-0075-03