關于板式換熱器的防垢研究

任效男

蘭州生物制品研究所有限責任公司 甘肅 蘭州 730046

引言

板式換熱器的維護保養是我國換熱技術領域值得討論的一個問題，板式換熱器在換熱器里屬于使用較廣的一種換熱設備，它相比于其他換熱器具有明顯的優勢。本文通過查閱資料，閱讀文獻，了解板式換熱器工況性能，通過實踐進行清洗維護保養工作，了解到當前這一技術的發展動態，進一步熟悉換熱站的各項工作，加深對相關專業知識的理解，提高解決問題的能力。

1 污垢的形成機理及危害

1.1 污垢的定義及分類

污垢是指設備內流體中的雜質或組分附著在接觸面上，形成固形物并沉積下來，這種物質通常以混合物的形式存在。

一般存在于板式換熱器里的污垢按照結垢形成的沉積機理，大致分為以下六種，了解并熟悉這些污垢的形成原理和方式，有利于在防垢時對癥下藥。

①析晶污垢指過飽和溶液中的無機鹽，例如：Li2SO4、NaCl、CaSO4、CaCO3、Ca(OH)2、Mg(OH)2和Na2SO4等，在換熱器表面以結晶形式附著。②微粒型污垢指懸浮于流體中的固體微粒，因重力作用而沉淀，即沉淀污垢和膠體微粒的沉積。③化學反應污垢指在換熱表面發生化學反應而形成的污垢，換熱表面不參與。④腐蝕型污垢指具有腐蝕性的流體或流體中有腐蝕性的雜質對換熱表面腐蝕后所產生的腐蝕物聚積所形成的污垢。⑤凝固型污垢指流體在過冷換熱面上凝固而形成的污垢，溫度分布是否均勻對這種污垢影響很大。⑥生物性污垢指微生物和有機物附著于換熱面上而形成的污垢。一般黏泥會為微生物提供繁殖條件，在適宜的溫度下，可發展成一定厚度的垢層。

1.2 污垢的形成過程

首先是一個沉積的過程，污垢從流體中緩慢沉積在表面，第二個過程是沉積的力和剝離的力相互競爭，當前者大于后者時便形成了污垢。

1.3 污垢的影響

污垢的熱導率極低，根據串聯熱阻公式：

由（1-1）（1-2）[1]得知，越高，則污垢熱阻影響也越大。污垢的主要影響有：它屬于不良導體，影響傳熱；如果太多的污垢聚積在設備的表面，會讓腐蝕變得更加劇烈，造成設備穿孔；若污垢在換熱器內部聚積，使得流體的流道截面積變小，流體的阻力增大，設備的消耗功率也隨之增大，總能量消耗增大；污垢多了需要清洗，設備停運，也會帶來一定量的經濟損失[1]。

2 污垢的防止

根據板式換熱器的特點和污垢形成機理，可以從設計、應用、阻垢劑、水質處理等方面防止污垢的產生。

2.1 板式換熱器的特點

板式換熱器（如圖1所示），是由一系列金屬片組合疊起的換熱器，通過板片進行傳熱。板片的四角均有圓孔，圓孔內形成通道供流體流過而達到能量交換的目的。板片厚度為0.5～3mm，金屬片多是波紋或者槽形。板式換熱器因結構緊湊，熱效率高，熱損失小，板片的加工和制造相對比較容易，使用壽命長，輕巧，體積小等優點，在供暖、制藥、電力等工業中得到廣泛應用。缺點是使用中易結垢，需頻繁拆卸和清洗，泄露可能性大，有些墊圈材料的性質也會影響傳熱能力。

圖1 板式換熱器外觀

2.2 設計板式換熱器時的注意事項

采用簡單的設計，板片結構越簡單，死角越少，越不容易藏污納垢，設備后期的清洗維護越簡單。設備運行過程中應當采用一個符合運行條件下的壓力值。壓力越低污垢越容易沉積，保證流速則會加大對污垢的剝蝕力。

2.3 阻垢劑的選用

添加阻垢劑也是防垢的一種方法，通常情況下，阻垢劑的作用分為兩種，一種是阻垢劑與污垢直接反應，阻止或減少污垢產生；另一種是對碳酸鈣晶體生長動力學過程有干擾作用從而減少碳酸鈣的形成。從污垢的形成機理來說，利用阻垢劑將難溶鈣鎂鹽中的鈣鎂離子置換出并穩定在水中，抑制了垢的沉積；對有些無機垢的結晶形成干擾，晶體會發生畸變，內部應力增大，從而使晶體容易破裂，阻礙了垢的生長[2]。

阻垢劑類型可分為單效型阻垢劑和復合型阻垢劑。目前，比較常見的阻垢劑大多都是多功能復合型，其具有抗氧、分散、鈍化和緩蝕等多種作用。常見復合型阻垢劑有磷酸鹽、縮聚磷酸鹽、氨基多羧酸鹽、表面活性劑和聚合物等五大類。阻垢劑的選擇和加入量應根據污垢的性質和結垢程度，再遵循經濟有效的原則結合實際來確定。

2.4 水質處理

在換熱系統中，以水為熱媒的系統使用最為廣泛。在水為熱媒的系統中，對水質的處理尤為重要，做好水質處理，可以大幅度減少系統產生污垢產生。在實際應用中，水質處理主要采用兩種軟化處理方式：

2.4.1 鈉離子交換軟化處理此方法是用鈉離子交換去除水中鈣鎂離子，去除鈣鎂鹽類的水垢，從而達到對循環水進行軟化處理。

2.4.2 弱酸離子交換樹脂脫堿軟化處理弱酸離子交換樹脂只與水中CaHCO3、MgHCO3發生交換反應轉化為H2CO3，基本可以除去水中80%以上碳酸鹽的硬度。

鈉離子交換軟化處理適用于原水堿度低的時候，只軟化不要求脫堿；弱酸離子交換軟化處理只能去除碳酸鹽硬度，軟化不夠徹底。所以常常將兩種方法聯合使用，能達到既去除堿度又去除硬度的效果。

3 板式換熱器污垢的清洗

由于板式換熱器內部通孔徑小，容易結垢堵塞。當加入阻垢劑也不能完全解決問題時，應當定期清洗。為了減少換熱器結垢所帶來的經濟損失，確定適當的清洗方法和計劃則是下一步需要考慮的問題。一般采用的清洗方式有以下幾種。

3.1 機械清洗

機械清洗是常用的方法之一，以下簡單介紹用高壓水槍清洗的方法。

目前已被廣泛采用于各領域設備清洗、清垢、除銹、解堵等。用水作為工作介質，利用清洗設備，高壓水槍，利用水的高壓直接沖洗設備上的污垢。此方法損耗量小，效果明顯。設備由高壓泵、調壓閥、噴槍、水管等組成。高壓泵通過對水的吸、排，到達噴嘴并形成一股能量，轉化為速度之后形成射流，將垢層擊穿擊碎，速度越大，效果越好。由于金屬硬度高，不會對設備產生射流切割作用。沖洗時可配合軟毛刷，徹底清刷一遍板片。

機械清洗的優點是：作業時間短，速度快，效果好，除垢能力強，不污染環境，損害小。缺點是：需拆開和安裝設備，工作量大，且中斷設備運行，用水量大，需要較大的動力源，對腐蝕嚴重的板片容易造成擊穿。

3.2 化學清洗

化學清洗是使用藥劑使污垢溶解、剝離而被清除的方法。一般采用酸洗，酸洗的原理是使得污垢能被溶解、剝離、氣掀和疏松的作用。常用的有機酸有：草酸和甲酸等；無機酸有：鹽酸和硝酸等。用鹽酸和硝酸作為清洗液，容易對板片產生強腐蝕，縮短換熱器的使用壽命。從實際清洗的結果看，選擇甲酸與草酸清洗，效果最佳[3]。

3.2.1 甲酸清洗。利用甲酸進行板式換熱器清洗效果較好，如果在甲酸清洗液中加入適量的緩沖劑和表面活性劑，清洗效果更好，并可降低清洗液對板片的腐蝕。通過配好的清洗液浸泡，甲酸能夠有效地清除附在板片上的污垢，同時它對換熱器板片的腐蝕作用也很小。

甲酸清洗工藝要求：

溫度：提高溫度會利于除垢，60℃為最佳，太高會使得酸對板片造成腐蝕。

濃度：甲酸81%，水17%，緩沖劑1.2%，表面活性劑0.8%。

鈍化：酸洗結束后嶄新的金屬表面極易腐蝕，應當對板片進行鈍化處理。

甲酸清洗步驟：

沖洗：在進行酸洗前，先要將設備用循環水進行沖洗，去除表面附著的松軟雜質、污垢、泥沙等物質，提高酸洗效果的同時還能節省耗酸量。

加入清洗劑：將清洗劑加入清洗設備，再注入板式換熱器中，開始酸洗工作。

酸洗：浸泡2小時后，再動態循環3～4小時，并每隔半小時進行正反交替清洗，如果酸洗結果pH大于2，則表示清洗劑可以再次使用，pH小于2要中和排出去。

堿洗：酸洗后將磷酸三鈉、軟化水按照一定的配比進行匹配，再次利用動態循環的方式將換熱器進行清潔，目的是為了（能夠酸堿）中和殘留的酸，而不會損傷設備。

水洗：以上步驟完成，用軟化水再清洗半小時，確保將內部的雜質徹底清除。

記錄：主要將各個步驟時間進行記錄，最后檢查清洗效果。

3.2.2 草酸清洗。草酸清洗工藝要求：溫度：水溫小于16℃。濃度：3%～5%。進出口閥：必須關嚴，防止溶液進入系統。

草酸清洗步驟：將換熱器進、出口閥門里安裝注水閥門，不用拆開換熱器，根據換熱器的使用經驗注入3%～5%的草酸注入設備中，利用循環泵進行循環清洗。循環清洗兩次，一次3～4小時即可。再用2%磷酸三鈉清潔后，清水沖洗兩次即可。掌握時間做好記錄，最后檢查清洗效果。

草酸與甲酸的使用量根據經濟環保并結合實際情況而定。化學清洗的優點是：清洗效果好，對于頑固污垢有很強的剝蝕力，浸泡基本無死角全方位都能涉及。缺點是：要考慮廢液處理，考慮化學藥劑的費用，清洗作業時間較長，工作人員作業量大。

3.3 在線沖洗

在線沖洗也可稱反沖洗，是指改變換熱器中水的流向達到清洗的目的，效果比正沖洗好，速度要達到正常運行流速的1.5倍左右才能有效果，反向往往能松動或沖走軟垢等。其優點是：反沖洗不用拆卸換熱器，方便快捷，操作簡單，在應急除垢時可以使用。缺點是：除垢不太徹底，只能用來除去部分污垢，對于硬垢和沉積物，則效果不明顯。

4 結束語

在北方地區供熱站，換熱設備每年冬天都要使用，所以板式換熱器的防垢除垢工作相當重要。除垢技術被廣泛應用于各個供熱站，應用范圍也在不斷擴大。除了在運行中抓緊防垢工作外，每當冬季供暖結束后，為保證下一次供暖的順利，都應進行板換的清洗除垢工作。板式換熱器離不開人為的清洗維護保養，在供暖系統運行維護中除垢極為重要，它為強化傳熱，節電節水，減少污染都帶來了不小的作用，為換熱設備的正常安全運行提供了可靠的保證，從而獲得明顯的經濟與社會效益。