管殼式換熱器的結(jié)垢分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)

   管殼式換熱器的結(jié)垢分析
 
   一、管殼式換熱器結(jié)垢機(jī)理及狀態(tài)：
因?yàn)楣軞な綋Q熱器大多是以水為載熱體的換熱系統(tǒng)，由于某些鹽類(lèi)在溫度升高時(shí)從水中結(jié)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(lèi)緩沖劑，當(dāng)水的pH值較高時(shí)，也可導(dǎo)致水垢產(chǎn)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(jié)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(dāng)換熱器的工作條件適合溶液產(chǎn)生銹體時(shí)。換熱管表面上即可積附銹體結(jié)晶形成的垢層；當(dāng)流體所含的機(jī)械雜質(zhì)有機(jī)物較多、而流體的流速較小時(shí)，部分機(jī)械雜質(zhì)或有機(jī)物也會(huì)在換熱器內(nèi)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(chǎn)中應(yīng)用最廣泛，也是最典型的間壁式換熱器，其結(jié)構(gòu)主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。其優(yōu)點(diǎn)是單位體積設(shè)備所提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作彈性大，可用多種材料制造。但換熱器在使用過(guò)程中。污垢沉積物會(huì)不可避免地出現(xiàn)在傳熱表面上，出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，污垢沉積物熱阻較高，大大降低了導(dǎo)熱率；同時(shí)由于結(jié)垢減小了流體流量，流體介質(zhì)流動(dòng)阻力增大，能耗增加。多年來(lái)，各單位所用大部分管殼式換熱器都存在管道及殼體結(jié)垢而影響使用效果的問(wèn)題，由此而造成了一系列的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于換熱器結(jié)垢導(dǎo)致能耗增加而造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)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(yùn)行質(zhì)量的好壞和時(shí)間長(zhǎng)短，與日常維護(hù)、清洗保養(yǎng)是否及時(shí)有著密不可分的關(guān)系。對(duì)于容易結(jié)垢的流體，可在規(guī)定的時(shí)間采用合適的方式進(jìn)行清洗除垢。最近幾年，我們?yōu)榱烁玫那逑磽Q熱器污垢，先后無(wú)數(shù)次對(duì)管殼式換熱器清洗結(jié)垢做權(quán)威試驗(yàn)，為客戶(hù)提供了最佳解決方案。
    三、管殼式換熱器結(jié)垢只要因素：
影響結(jié)垢的因素有很多，流體速度、流體流動(dòng)狀態(tài)、流體組分的組成和含量以及換熱器的結(jié)構(gòu)等都對(duì)污垢的形成有一定的影響，從應(yīng)用角度考慮，我們只有找出主要因素才能使結(jié)垢問(wèn)題得到有效解決。對(duì)于特定流體而言，影響換熱器結(jié)垢的主要因素有以下幾個(gè)方面：　　流體的流動(dòng)速度：在換熱器中，流速對(duì)污垢的影響應(yīng)該同時(shí)考慮其對(duì)污垢沉積和污垢剝蝕的影響，對(duì)于各類(lèi)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(zhǎng)率隨著流速的增大而減小。但是在換熱器的實(shí)際運(yùn)行中，流速的增加將增大能耗，所以，流速也不是越高越好，應(yīng)就能耗和污垢兩個(gè)方面來(lái)綜合考慮。

傳熱壁面的溫度：溫度對(duì)于化學(xué)反應(yīng)結(jié)垢和鹽類(lèi)析晶結(jié)垢有著重要的作用，流體溫度的增加一般會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度和結(jié)晶速度的增大．從而對(duì)污垢的沉積量產(chǎn)生影響，導(dǎo)致污垢增長(zhǎng)率升高?！　Q熱面材料和表面質(zhì)量：對(duì)于常用的碳鋼、不銹鋼換熱器而言．只是通過(guò)腐蝕產(chǎn)物的沉積而影響結(jié)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(fā)生結(jié)垢。換熱面材料的表面質(zhì)量會(huì)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(jié)晶垢體：如水冷卻系統(tǒng)中，由于水中過(guò)飽和的鈣、鎂鹽類(lèi)由于溫度、pH值等變化而從水中結(jié)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(xué)反應(yīng)垢體：由于化學(xué)反應(yīng)而造成的同體沉積：

腐蝕垢體：換熱介質(zhì)腐蝕換熱面，產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物沉積于受熱面上而形成污垢；

生物垢體：對(duì)于常用的冷卻水系統(tǒng)來(lái)講，工業(yè)水巾往往含有微生物及其所需的營(yíng)養(yǎng)，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(guò)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(lèi)只是表明．某個(gè)過(guò)程對(duì)形成該類(lèi)污垢是一個(gè)主要過(guò)程。結(jié)垢往往是多種過(guò)程的共同作用結(jié)果。因此換熱面上的實(shí)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(qiáng)力清洗法，它是利用沖刷噴射設(shè)備將介質(zhì)以極高的沖擊力噴人換熱器的管側(cè)和殼側(cè)，起到除垢的目的。常用的介質(zhì)是水、蒸汽或石英砂。對(duì)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(dòng)的污垢，又名蒸汽噴射清洗方法。

物體管內(nèi)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(nèi)的運(yùn)動(dòng)。與管子內(nèi)表面接觸摩擦，達(dá)到清除污垢的效果。插入物的種類(lèi)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(lái)清洗低硬度的污垢。

物理清洗對(duì)于換熱器管內(nèi)污垢，以上兩種換熱器清洗方法，我們都采用過(guò)，我們認(rèn)為采用管內(nèi)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(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大。我們?cè)囍鴮煞N方法結(jié)合使用，在用插入物清洗同時(shí)用高壓水噴射．結(jié)果效果大大提高。但缺點(diǎn)是清洗設(shè)備需裝拆，易對(duì)設(shè)備造成機(jī)械損傷。

（二）化學(xué)清洗方法：

利用清洗設(shè)備與管殼式換熱器連接，形成獨(dú)立的水循環(huán)系統(tǒng)，在儲(chǔ)水箱中加入高效化學(xué)清洗劑，化學(xué)清洗可以在現(xiàn)場(chǎng)完成，清洗強(qiáng)度較低；但清洗更徹底，可以清洗那些機(jī)械清洗所不能到達(dá)的地方．并可避免機(jī)械清洗對(duì)換熱面造成一定的機(jī)械損傷；而且化學(xué)清洗可以不用拆開(kāi)設(shè)備，對(duì)于不能拆開(kāi)的管殼式換熱設(shè)備具有機(jī)械清洗所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（三）超聲波除垢法　　除了上述幾種常用的清洗方法，據(jù)資料顯示．現(xiàn)在出現(xiàn)了新的換熱器清洗技術(shù)——超聲波除垢。它利用超聲波的空化效應(yīng)、活化效應(yīng)、剪切效應(yīng)和抑制效應(yīng)除垢，超聲波除垢技術(shù)在石油化T、制糖等一些T、I 行、II，-得到了運(yùn)用，并取得了很好的效果。這項(xiàng)新技術(shù)目前還有很多空白領(lǐng)域需要研究。超聲波除垢技術(shù)的關(guān)鍵是針對(duì)不同物料、不同裝昔類(lèi)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(jié)垢對(duì)換熱器的危害很大，需要積極地預(yù)防和定期地清除除垢。影響結(jié)垢的因素很多，只有找出主要因素才能使問(wèn)題簡(jiǎn)化，對(duì)于不同類(lèi)型的垢體，應(yīng)采取針對(duì)性清洗除垢措施，有效地治理?yè)Q熱器的結(jié)垢問(wèn)題，以提高換熱器傳熱效率及運(yùn)行壽命。

    現(xiàn)在來(lái)談?wù)劰軞な綋Q熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    對(duì)于完成某一任務(wù)的換熱器,往往有多個(gè)選擇,如何確定最佳的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問(wèn)題,即采用優(yōu)化方法使設(shè)計(jì)的換熱器滿(mǎn)足最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。在換熱器設(shè)計(jì)中,最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)是指包括設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用在內(nèi)的總費(fèi)用最小。本文主要針對(duì)管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優(yōu)化問(wèn)題,利用一般優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法,以操作費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo),給出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),并用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了計(jì)算程序,最后給出了一個(gè)計(jì)算實(shí)例。
    目標(biāo)函數(shù)
    對(duì)于以水為冷卻介質(zhì)的管殼式冷卻器,進(jìn)口水溫一定時(shí),由傳熱學(xué)的基本原理分析可知,冷卻水的出口費(fèi)用將影響傳熱溫差,從而影響換熱器的傳熱面積和投資費(fèi)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(fèi)用減少;但此時(shí)的冷卻水的用量則較大,所需的操作費(fèi)用增加,所以存在使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用之和為最小的最優(yōu)冷卻水出口溫度。
設(shè)換熱器的年固定費(fèi)用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費(fèi)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(fèi)用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。換熱器的年操作費(fèi)用FB =Cu•WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費(fèi)用,元;Cu———單位質(zhì)量冷卻水費(fèi)用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運(yùn)行時(shí)間, h。因此換熱器的年總費(fèi)用即目標(biāo)函數(shù)F = FA + FB = KFCAA +Cu•WuHy/1000 (3)2A與Wu的數(shù)學(xué)模型———熱平衡方程換熱器的熱負(fù)荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負(fù)荷, kJ /h;G———換熱器熱介質(zhì)處理量, kg/h;cpi———熱流體介質(zhì)比熱容, kJ / ( kg•℃) ;T1、T2———熱流體的進(jìn)出口溫度,℃。當(dāng)換熱器操作采用逆流換熱時(shí),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(jìn)出口溫度,℃;& tm———對(duì)數(shù)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(shù), (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(lái)說(shuō),對(duì)于設(shè)計(jì)的換熱器, G、T1、T2、t1及Hy均為定值;水的比熱容cpw和熱介質(zhì)的比熱容cpi變化不大,可取為常數(shù); Cu、CA、FA可由有關(guān)資料查得;總傳熱系數(shù)K通常也可由經(jīng)驗(yàn)確定,所以換熱器的年總費(fèi)用F僅是冷卻水出口溫度t2的函數(shù)。當(dāng)F取最小值時(shí),相應(yīng)的t2既為最優(yōu)冷卻水出口溫度,進(jìn)而可由式(7)、(8)得到所需的冷卻水量和最優(yōu)的傳熱面積。

    程序設(shè)計(jì)
 
     由上面分析可知,以上問(wèn)題屬于單變量最優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題求解方法比較成熟,可以用解析法和黃金分割法或函數(shù)逼近法等數(shù)值方法求解。這里,采借用MATLAB語(yǔ)言計(jì)算,采用其工具箱中Nelder - Mead單純形法函數(shù)fmin2search ( )優(yōu)化,定義TF ( )為目標(biāo)函數(shù)(9) ,函數(shù)Water ( )、Ar2ea ( )則根據(jù)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(duì)管殼式水冷卻器而得出的結(jié)果,由于分析方法和傳熱機(jī)理相似,對(duì)于其它介質(zhì)的管殼式換熱器只要在公式上稍作變形即可得出類(lèi)似的結(jié)論。因此,對(duì)管殼式換熱器問(wèn)題的優(yōu)化具有一定的普遍性,其求解結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)管殼式換熱器重要依據(jù),從而為節(jié)約生產(chǎn)成本,推動(dòng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性方面作出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。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(yōu)化結(jié)果: /n /n’)Fp rintf (‘換熱器最優(yōu)出口溫度: %. 2% s/n’, t2,’℃’)Allfee = totalfee ( t2 ) ; fp rintf (‘最小年費(fèi)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(shí)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(shè)計(jì)實(shí)例
 
 
     例:某石化公司需將處理量為G = 4×104 kg/h的煤油產(chǎn)品從T1 = 135℃冷卻到T2 = 40℃,冷卻介質(zhì)是水,初始溫度t1= 30℃。要求設(shè)計(jì)一臺(tái)管殼式水冷卻器(采用逆流操作) ,使該冷卻器的年度總費(fèi)用最小。以知數(shù)據(jù)如下:冷卻器單位面積的總投資費(fèi)用CA = 400元/m2 ;冷卻器年折舊率KF = 15%;冷卻器總傳熱系數(shù)K = 840 kJ / (m2•h•℃) ;冷卻器每年運(yùn)行時(shí)間7900h;冷卻水單價(jià)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•℃)。