黃承明

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

板式換熱器循環(huán)水側污垢系數(shù)計算及換熱面積余量的選取

黃承明

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

分析了板式換熱器循環(huán)水側的污垢成因，通過控制關鍵成因的方式可有效地降低循環(huán)水側的污垢。通過量化污垢的分析和面積余量的選取使換熱器的面積計算變得可操作性更強，方便換熱器的設計。

板式換熱器；污垢系數(shù)計算；面積余量選擇

板式換熱器因其高效節(jié)能的特點已被廣泛用于諸多行業(yè)中，不同的應用領域操作工況的差別導致板式換熱器在設計時需要考慮不同工況的計算。文中對循環(huán)水用于板式換熱器作為冷卻介質(zhì)時的污垢系數(shù)選取和面積選取進行討論，以期得到最佳的設計效果。

1 污垢對板式換熱器的熱動力學影響

換熱器在運行中由于介質(zhì)中含有易結垢的組份導致在金屬壁面結垢，污垢層隨著運行時間增加而逐步增厚。一般而言，污垢層的導熱系數(shù)比流體或者壁面的導熱系數(shù)低，因此增加的污垢層就成了總熱阻的一部分，對總傳熱效率造成不良影響。

隨著污垢層生長，壁面表面的粗糙度也隨之增加，因此而造成流動摩擦阻力增加，嚴重的可能導致流道堵塞。而且污垢處易產(chǎn)生局部腐蝕的條件，對金屬壁面造成局部腐蝕。

2 影響板式換熱器循環(huán)水側污垢產(chǎn)生的主要因素

研究表明，諸多操作和設計參數(shù)對污垢有顯著影響。這些因素主要包括流體性質(zhì)和結垢傾向、壁面溫度、流體流動狀態(tài)、管道材料等。循環(huán)水流體本身具有易結垢的流體特性，在實際操作中容易引起結垢甚至造成換熱器堵塞。根據(jù)使用經(jīng)驗，循環(huán)水溫宜在60 ℃以下。操作溫度過高會造成“烘烤”效應[1]，容易形成晶體加快結垢和腐蝕。低溫下污垢產(chǎn)生很慢，而且沉淀物容易去除[2]；高溫下容易導致化學和酶反應加速，加快細胞的成長，導致生物有機體結垢。循環(huán)水流體流動速度和壁面剪切力對污垢產(chǎn)生有重要的影響，流速越高表面剪切力就越大，污垢也就越少。對于循環(huán)水側的選材，一般采用的材質(zhì)是碳鋼，碳鋼材質(zhì)價格低廉但是容易被腐蝕。腐蝕后的碳鋼表面容易集聚污垢，引起局部熱阻增加。根據(jù)循環(huán)水的氯離子含量高低，必要時需采用合金材質(zhì)，避免碳鋼過快腐蝕。

3 減少板式換熱器循環(huán)水側污垢的主要措施

根據(jù)污垢形成的機理，可從以下幾方面來減少污垢。

析晶污垢在循環(huán)水系中尤為容易發(fā)生。循環(huán)水的一項重要指標就是硬度，即水中溶解可溶鹽類的含量。由于水中溶解了許多不可溶的鹽類具有反常的溶解度，改變了正常的溶解度與溫度的比例關系，使其隨溫度升高而下降，由此產(chǎn)生污垢。根據(jù)此原理，一般可采用添加特定的添加劑以減少析晶污垢的產(chǎn)生?？刂平Y晶的化學物質(zhì)大體分為四大類[3]：變性劑，分散劑，螯合劑和閥值化學處理劑。Hasson[4].等人研究了結晶的速率模型、結晶速率與結晶速率常數(shù)和產(chǎn)物的溶解度之間關系。美國傳熱研究所對循環(huán)水的結垢預測模型中，水的堿度、硬度、pH值、壁溫、可溶物和流速等影響均已量化處理，能適用于一般的污垢計算[5]。

循環(huán)水中可能含有固體顆粒物，這些固體顆粒物懸浮在換熱器表面，在重力作用下積聚形成污垢。一般情況下，循環(huán)水系統(tǒng)均有過濾裝置，為了防止循環(huán)水中固體顆粒、膠質(zhì)等含量的上升，需定期檢查循環(huán)水系統(tǒng)的過濾裝置的可靠性，從而有效控制水中結垢介質(zhì)的含量。

由于循環(huán)水系統(tǒng)中可能含有換熱器泄露出來的工藝物料，導致水質(zhì)不純。循環(huán)水夾帶的微量物料進入換熱器后，由于溫度的變化可能引起在換熱器表面形成化學反應污垢。而這種反應速率是與反應活化能、操作溫度有關系的。特別是循環(huán)水中氧含量的存在，導致更多的反應發(fā)生。為了減少化學反應結垢，一方面是監(jiān)控循環(huán)水水質(zhì)，盡量使水中含有的微量元素含量減少（部分微量元素有催化劑作用，降低反應活化能），另一方面添加對應的添加劑，抑制循環(huán)水中易結垢因素的活性[6]。

4 板式換熱器循環(huán)水側的設計參數(shù)對污垢系數(shù)的影響

循環(huán)水水質(zhì)和循環(huán)水塔的運行方式較難改變，但在設計板式換熱器時，還是有一定的措施來減少循環(huán)水側污垢的產(chǎn)生。根據(jù)上述結垢的原因分析可知，為了抑制污垢產(chǎn)生，可以針對性地對循環(huán)水側機械參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化。

增加循環(huán)水側的流速，可以有效地抑制污垢的產(chǎn)生。表面剪切力值是衡量流速對壁面沖刷效應的量化參數(shù)，其計算式見式（1）。

式中 f——摩擦因子， 無量綱；

ρ——密度，kg/m3；

gc——轉換因子，1.0 ，( kg m/s2) / N；

V——流速， m/s；

τ—— 表面剪切力， N/m2。

表面剪切力大小與流速的平方成正比，提高流速對提高表面剪切力的效果顯著。API 662[7]中推薦的最小表面剪切力大小為50 N/m2。

壁面溫度通常很關鍵，過高的壁面溫度會造成換熱器局部沸騰。沸騰導致最易溶解的鹽類積聚，從而引起嚴重的污垢和腐蝕。工程上循環(huán)水工況下的壁面溫度推薦值在60 ℃以下。

另外，各個廠家的板片波紋形式均有不同。通過細致精確的板片設計，使得循環(huán)水在流道內(nèi)不易產(chǎn)生死區(qū)和溝流，保證流體均勻地從板片間通過。由于結垢具有傾向性，即一旦在某塊區(qū)域結垢后，此區(qū)域的結垢速率會大于周邊的區(qū)域。結垢產(chǎn)生厚度使得通道間距變小，流體將傾向選擇從間距大的通道流過。使得本應該更需要沖刷效應的區(qū)域反而得不到良好的沖刷。因此，當使用高污垢的循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)時，循環(huán)水側的通道間距不宜過小，防止上述情況的大面積發(fā)生。

5 循環(huán)水污垢計算模型

單位面積上的結垢量mf，與污垢熱阻Rf和污垢物密度ρf，以及沉淀物的導熱系數(shù)Kf與厚度xf的關系見式（2）[8]。

污垢相對于時間的生成率一般有下列三個模型[8]：

（1）線性模型：mf（或Rf）隨時間t增長而線性增長。

（2）降率模型： 隨時間t沉積率降低。

（3）漸近線型模型： 初始形成污垢后，mf（或Rf）值不再隨時間變化。

污垢曲線體現(xiàn)了不同結垢模型與時間的關系，典型曲線見圖1。線性模型和降率模型可能是漸近線型模型中初始階段的污垢形成模型。工業(yè)設計上對漸近線型模型更加關注，這提高了設備連續(xù)運行的可能性，而不一定增加污垢。

圖1 污垢曲線模型Fig.1 The fouling curve model

循環(huán)水污垢熱阻在管殼式換熱器中的模型研究較成熟，在工業(yè)應用上具有重要的參考性。而板式換熱器的通道設計具有廠商的代表性，其通道內(nèi)部結構和流體流型與廠商的產(chǎn)品特點具有很大的關聯(lián)性，通常以管殼式換熱器的污垢熱阻為基礎通過一定的修正取值后應用在板式換熱器的計算中。以下為管殼式換熱器的循環(huán)水的污垢熱阻模型，以此模型評估循環(huán)水的污垢熱阻后，按照工業(yè)上的經(jīng)驗系數(shù)取值來計算板式換熱器的循環(huán)水側污垢熱阻。

循環(huán)水中的硬度和鈣離子含量較難控制，大量數(shù)據(jù)表明循環(huán)水的污垢與結晶污垢有很大的關系。結晶污垢模型作為循環(huán)水污垢的基礎模型，再加上流速、表面溫度、水質(zhì)因數(shù)等方面的修正，即可得出循環(huán)水的污垢模型[5]，見式（3）。

式中，SI為水的鹽飽和度指數(shù)，是Ryznar[9]和Langelier[10]因數(shù)的拓展，代表了水中鹽類的飽和度。

SI = 2 ( 9.3 + CTDS+ CBT-CCH-CTA) -pH≤10

CTDS、CBT分別對應式（4）、式（5）。

若CaH≥0.03 %，CCH按式（6）計算。

若CaH＜0.03 %，CaH按式（7）計算。

若CaH≥0.03 %，CTA按式（8）計算。

以上等式為美式單位制，各變量詳見表1。

表1 經(jīng)驗校正變量Tab.1 Variables for original empirical correlation

以某石化基地循環(huán)水場的參數(shù)為例，現(xiàn)計算其板式換熱器循環(huán)水污垢系數(shù)見表2。

表2 經(jīng)驗校正變量舉例Tab.2 Variables for original empirical correlation of example

則可計算出CTDS、CBT、CCH和CTA值分別為0.233 7，1.786 5，2.716 7和 3.047 4。SI值為 4.112 3。

計算出的管殼式換熱器循環(huán)水側污垢熱阻可用來估算板式換熱器的熱阻，按照文獻[14]的建議，板式換熱器的熱阻不大于管殼式換熱器熱阻的1 / 5。即此石化基地的循環(huán)水用來設計板式換熱器時循環(huán)水的熱阻按照0.000 052 K·m2/ W取值。

6 板式換熱器面積余量的選取

板式換熱器面積的計算是根據(jù)特定的工況下的運行條件確定的。在對換熱器進行熱工設計時，一般采用LMTD法[11]或者ε-NTU[12]法。LMTD法或者ε-NTU法均需先做基本假設然后迭代計算，這兩種計算方法本身均有一定的假設條件，與實際工況均存在一定的誤差。而且工業(yè)上板式換熱器一般具有特定的結構系列，不同的供貨方提供的設計方案有所差別，在設計選型時需要根據(jù)各自的通道情況而確定換熱器的具體工藝參數(shù)。因此導致板式換熱器的熱工設計存在一定的系統(tǒng)性誤差，在面積選取時需要綜合考慮各個因素后增加適當?shù)拿娣e余量。

板式換熱器的面積選取根據(jù)流體在通道內(nèi)的流向、流速、表面剪切力、介質(zhì)的結垢傾向、介質(zhì)的導熱系數(shù)、板片材質(zhì)等因素而確定。傳熱系數(shù)是評價板式換熱器的換熱效率的參數(shù)，傳熱系數(shù)越高，則所需要的面積越小，設備費用越低。根據(jù)傳熱動力學的原理，傳熱系數(shù)的影響因素主要有介質(zhì)的導熱系數(shù)、板片的導熱系數(shù)、板片的厚度、介質(zhì)的流向、污垢系數(shù)以及介質(zhì)的雷諾數(shù)等。在設計換熱器時，需要針對性的了解這些參數(shù)對總傳熱系數(shù)的影響程度，進而有針對性地對某些參數(shù)進行優(yōu)化，高效地提高換熱器的總傳熱系數(shù)。

在選擇板式換熱器面積余量時，宜合理考慮，避免因換熱器余量選取不合理而造成換熱器的運行工況與計算工況的偏離。通常由于板式換熱器存在高度湍流、均勻流體流動和光滑的板面等因數(shù)而減少了污垢的產(chǎn)生。所以相對管殼式的換熱器而言，板式換熱器的污垢系數(shù)最小[13]，往往是管殼式的25 %左右。通常在換熱器的設計時，如選用全焊式不可拆的板式換熱器，為保證設備的連續(xù)長周期運行，其面積余量取值可適當放大。若選用可拆式的換熱器且有備用設備的情況下，其面積余量不宜過大，確保高效的換熱效率。

7 結論

因板式換熱器的高湍流、高剪切力的特點，使得板式換熱器的換熱效率比普通列管式換熱器的換熱效率要高。通過分析板式換熱器的熱阻控制側的成因分析，把握換熱器設計的關鍵參數(shù)，對關鍵參數(shù)針對性的優(yōu)化后可較有效地提高換熱器的換熱器效率，充分體現(xiàn)板式換熱器的優(yōu)點。

本文描述的經(jīng)驗公式為循環(huán)水側的熱阻提供了一種簡便的計算方法，在換熱器設計時具有較強的可操作性。結合板式換熱器的應用經(jīng)驗，考慮上述基本因素的影響，板式換熱器最終設計時宜根據(jù)板式換熱器的結構和實際工況預留設計余量。

[1]Puckorius， P. R.， Contolling deposits in coolingwater systems，Mater Protect Perform， November， 19-22（1972）

[2]Chenoweth J. M.， Final Report of the HTRI/TEMA Joint Committee to Review the Fouling Section of the TEMA Standards， Heat Transfer Research， Inc.， Alhambra Calif.， 1988

[3]Bott. R. R.， Fouling Notebook， Institution o Chemical Engineers， London， 1990

[4]Zejver， N.， Reo， F.L.， and Characklis， W.G.， Monitoring of fouling deposits in heat transfer tubes： Case studies， in Industrial Heat Exchangers Conference Proceedings（ A. J. Hayes， W. W.Liang， S. L. Richlen， and E. S. Tabb， eds.）， American Society for Metals， Metals Park， Ohio， 1982， PP. 1985，201-208.

[5]J. Taborek， J. G. Knudsen， T. Aoki， R. B. Ritter， and J. W.Palen， Fouling - the majorunresolved problem in heat transfer，F(xiàn)-EX-1-3， Heat Transfer Research， Inc.， CollegeStation， TX（1972）

[6]Epstein， N.， Fouling in heat exchanger， in Proceedings of the Sixth International Heat Transfer conference， Toronto， Canada， August，Vol. 4， Hemisphere， Washington D.C.， 1978， pp. 279-284

[7]Plate heat exchangers for general refnery services， February 2011

[8]Collier， J. G. Heat exchanger fouling and corrosion， in heat exchanger： Thermal-Hydraulic Fun-damentals and Design（S.Kakac， A.E. Bergles， and F. Mayinger， Eds.） Hemisphere，Washington， D. C.， 1981， PP. 999-1011.

[9]Standards of the tubular exchanger manufacturers association， 9th ed.， TEMA， New York，2007

[10]C. A. Bennett， L. Huang， IntubeFouling Effects of Roughness and Deposit Thermal Conductivity， F-019， Heat Transfer Research， Inc.， College Station， TX. 2009

[11]Buonopane. R. A.， Troupe， R. A.， and Morgan， J. C.， Heat transfer design method for plate heat exchangers， Chem.， Eng.，Prog.， 59， 57-61（1966）

[12]Jackson， B. W.， and Troupe， R. A.， Plate exchanger design by ε-NTU method， heat Transfer Los Angeles， Chem. Eng. Prog.Symp. Ser. 65， 185-190（1966）

[13]Marriot， J.， Where and how to use plate heat exchanger.In Process Heat Exchanger， Chemical Engineering Magazine.

[14]Cooper， A.， and Usher， J. D.， Plate heat exchangers， in Heat Exchanger Design Handbook（ E. U. Schlunder， editor-in-chief），Vol. 3 Hemisphere， Washington， D. C.， 1983， Section 3.7.

Calculation of Fouling Coefficient and Determination of Area Allowance for Cycle Water Side in Plate Heat Exchanger

Huang Chengming
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In this article, the cause of producing fouling in cycle water side in plate heat exchanger was analyzed. By using the method of controlling key parameters, the fouling in cycle water side can be reduced effectively. With the quantitative analysis of fouling and selection of area allowance, the calculation of heat transfer area in exchanger will be more fexible, so the design of heat exchanger is more convenient.

plate heat exchanger; calculation of fouling coeffcient; selection of area allowance

TQ 085+.4

A

2095-817X（2017）03-0010-004

2016-08-12

黃承明（1983—），男，高級工程師，主要從事石化工藝設計。