换热器物理防垢技术的研究及其应用

来源：发布时间：2014-07-22 11:38:24点击率：

　　污垢是一种极为普遍的现象,它广泛存在于各种传热过程中, 90%以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。所以,防垢技术的研究倍受科学界和工程技术人员的关注。目前,工业上所用的防垢方法可分为化学法和物理法。下面介绍几种物理处理技术的特点和现状。

　　1　磁场防垢

　　磁化水处理技术得到广泛的研究和应用,取得了显著的经济效益。但是,复杂的多相水系统使磁化水处理机理的深入研究变得尤为困难,至今还没有形成统一的理论。现有的机理大致可归为以下几种:磁致胶体效应、水分子簇团畸变效应、分子/离子间相互作用效应、污染物效应等。

　　研究表明,磁场可在某种程度上改变水及其溶液的部分物理化学性质,如降低电导率、表面张力、胶体颗粒的ζ电位,使pH值发生变化等,并直接影响垢质的形成和生长。其效果表现在减少垢质的沉积、去除已生成的垢或生成疏松的软垢,而且磁场的效果不依赖于水质,也不会改变水的成分。

　　研究发现湍流情况下磁场能促进松散的文石而不是方解石的生成。正是因为磁场的这种作用,磁处理能防止水中硬垢的产生,生成疏松的软垢,并能使已成硬垢的方解石转变成文石,随流动的介质排走,从而达到防垢除垢的效果。

　　20世纪80年代末至90年代初,磁防垢除垢技术先后在我国的大庆、辽河、玉门、华北、新疆、胜利等油田进行了现场实验和应用,在节能降耗、减少环境污染等方面取得了显著的经济和社会效益。在挪威,有100余艘海船上安装了这种防垢装置,德国不同的工业企业中安装了500余台这种防垢装置。美国能源部于1998年开始推荐的工业水处理方法,其中就有磁场技术。

　　目前在欧洲应用广的电磁防垢器CALC- TECH系列产品是基于交变脉冲电磁场原理设计的,安装于管道外部,安装时既不改变管道系统的结构,也不用断开管道。其运行成本很低,运行费仅为65W装机容量的电费,相当于采用离子交换法的1/10。我国也有类似产品。

　　磁场防垢装置适于热交换器的防垢。据介绍,在欧洲数以十万计的小型CFPI装置用于家用换热器上。在没有蒸发浓缩的热水锅炉上也适用。我国有40万台锅炉,其中绝大多数是采暖锅炉, 而以热水锅炉与热力网的热交换器居多。因此,磁场处理有广阔的使用前景。

　　2　电场防垢

　　电场水处理技术是现代工业领域里之一,在20世纪60年代末,美国新泻华盛顿公司研制成功台静电水垢控制器,此后仅仅几年时间,就有数百台为美国的企业所采用,对其实用效果评价很高,并广泛应用于冷却循环、热交换、制冷、锅炉等水系统。20世纪70年代末日本又有所发展,将静电除垢器与水槽和脱气装置组合,用于蒸汽锅炉和热水锅炉的给水处理,可完全取消炉内加药,达到防垢和缓蚀的目的。美国国家航空局也推出了电子水处理器。

　　电场水处理技术分为静电场和高频电场两类水处理方式。

　　1)高压静电式。通常安装在设备的进水口管道上,水中溶解的离子,随着水流经水处理器的高压静电场时,正、负离子在静电场库伦力的作用下, 彼此作相向运动,相遇概率增大,正、负离子在静电引力作用下,互相吸引,也复合成“溶解状态的溶质分子”。被静电场处理过的水,进入升温环境, 发生的析晶过程与磁场式水处理器基本相同。高压静电式水处理器的主要优点:结构简单,使用方便, 有效期比较长。主要缺点:直流电压高达几千伏, 容易发生漏电,安全性比较差;静电场强度有限, 也不适于高硬度水质和大流量设备使用。

　　2)高频电磁场式。利用高频电磁场中的电场能和磁场能共存的特性,集永磁式和高压静电式水处理器二者的优点于一身。水中的正、负离子在高频电磁场作用下,显著提高了正、负离子相遇、相碰撞的概率,更容易复合成“溶解状态的溶质分子”。经过高频电磁场处理过的水,进入升温环境, 发生的析晶过程与永磁式相似。生成大量颗粒状态的水垢,失去了与器壁吸附的能力,随着排污,被排出设备之外。原则上,高频电磁场的辐射功率 “无上限”,因此,高频电子式水处理装置,特别适用于大流量、高硬度的循环水系统。尤其适用于集中供热站的大型热交换器,以及火力发电厂复水器的循环冷却水系统。

　　3　超声波防垢

　　超声波防垢技术主要是利用超声波强声场处理流体,使流体在超声场作用下,产生空化效应、活化效应、剪切效应、抑制效应,其物理形态和化学性能发生一系列变化:空化效应产生的空穴和气泡冲击垢层;剪切效应形成的剪切力作用于垢层,使之松散、松脱,而不易附着管壁形成积垢;活化效应提高了溶垢能力;微小晶核的大量、快速生成, 抑制了管壁结垢速度。

　　实际使用情况表明,超声波功率一定时,频率低,作用时间长,防垢效果较好超声波频率一定时,功率大,作用时间长,防垢效果较好。同时, 超声波防垢效果还与流体的流量与压力、液体的粘度与温度、超声波电源发生器与超声波换能器的距离即传输电缆长度、原已生成积垢的程度等因素有很大的关系。超声波防垢器既能防止积垢形成,又能破坏已有积垢,在循环冷却水系统、蒸汽轮机的水冷凝器、空压机的水中冷器等设备中广泛应用。

　　4　声学防垢

　　声学防垢技术是在超声波防垢技术的基础上发展而来的,该技术是利用积垢硬而脆的机械特性而起作用的,是一项通过对积垢持续不断的在线剥落来达到防垢效果的新型物理防垢技术。声学防垢装置由信号发生器及磁致伸缩能量转换器(简称换能器)组成,信号发生器产生的脉冲信号,经电缆传送至换能器转换成15~25 kHz的声频振荡,此声频振荡沿着热交换设备的金属构件(如管板) 传送至换热面上,使换热面上附着的积垢,包括化学处理时都难以除掉的含铁化合物,不断剥落下来;管线的弯曲震荡会在残留水垢处产生切向机械张力,使水垢产生裂缝,这样,水就会进入裂缝中。裂缝中的水经炽热的管壁加热膨胀,在管线震动产生的切力的共同作用下,水垢成块脱落,随水流带走。

　　另外,声频振荡从管壁传至水里而形成的声场具有缩短诱导期、降低过饱和度的作用,可促使小部分溶解于水中的盐直接在水中结晶化,生成了少量粥样水垢沉淀物并随水流排走。

　　与超声波防垢技术比较,声学防垢技术使用瞬时强脉冲输出,声频振荡完全由利用金属谐振由热交换设备的金属构件导入传递给水介质,使防垢装置的能耗、体积大大减小,造价降低,工作的可靠性和使用寿命大为提高。

　　声学防垢装置安装极为简便,只需要在管板上或锅筒外壳上(不需挖孔)焊一个连接头,拧上换能器,接通信号发生器和电源即可;超声波防垢技术需要安装向水里导入声波的水用能量转换器通过空化、活化、剪切等效应达到防垢的目的,体积较大,造价较高。

　　声学防垢技术大量应用于各类以水为无相变换热介质的热交换装置,这是声学防垢技术广泛和主要的用途。声学防垢技术也同样应用于多种小型蒸汽锅炉,如组合炉,水管炉,火管炉以及其它加热装置等。

　　5　物理方法协同防垢

　　上述的物理防垢方法在化学、冶金、矿山农业和医学等领域得到广泛应用。但大多数物理处理技术,对水的一些基本物理化学性能影响比较小,很难诱发水的物理化学性能发生根本性的变化,所以一些物理处理技术在实际应用过程中其效果受到许多因素的制约,应用还不是很广泛。为了能得到更好的处理效果,物理防垢技术开始转向几种工艺相互耦合的组合技术上,如光子与磁场协同防垢、激光与电场协同防垢、电磁场与过滤结合、电磁场与膜技术结合等。

　　6　在舰船上的应用前景

　　海军舰船的热交换循环系统较多,其结垢问题也是困扰海军装备保障多年的老大难问题。如某型驱逐舰动力系统主副锅炉炉管的炉水结垢,一直是影响舰船锅炉性能和寿命的主要原因。在工作实践中,炉管内壁腐蚀主要是水垢引起的,水垢均匀附着在管壁内部,而水垢是一种盐类物质,具有较强的腐蚀作用,造成管内壁的大量腐蚀,甚至被腐蚀穿孔。

　　为了延长锅炉主副管的使用寿命,目前主要对提高炉水质量采取了多种化学处理方法,如化学软化法、离子交换软水法,以及除盐、除氧、加磷酸盐等方法,还有改进造水技术、在工作中及时排污等方面。这些措施在一定程度上缓解了结垢情况, 但实践中由于各种原因,效果不大。如能在上水管路中采用物理防垢技术,就可以大大减轻水垢的附着,对延长寿命、降低油耗、节省经费、保持舰船动力性能有重要意义。

　　再如舰艇上蒸汽轮机的水冷凝器、空压机的中冷器、柴油机的冷却系统等,在使用中都存在结垢、性能下降的问题,目前采取在使用中添加阻垢剂、定期除垢等措施,如能在系统中加装既能防垢、又能除垢的物理在线防垢装置,就能够延长设备使用周期,提高设备的效能,降低维护保养经费,具有良好的推广应用前景。

　　目前物理防垢技术在船舶上应用还不够广泛, 究其原因,主要存在以下问题:①体积问题,某些技术如超声波防垢技术,其装置的控制电源部分体积较大,在军舰上某些部位安装存在一定困难;②干扰问题,一旦管道系统装有超声波流量计、电子流量计等装置,再安装超声波防垢装置、电场防垢装置就会干扰流量计的使用;③噪声问题,声波、超声波振动会在管道系统内部传播,影响舰船的隐蔽性;④技术适应性问题,各种物理防垢技术对使用环境有不同的适应性,要根据系统环境参数、介质、压力、温度、流态等参数合理选择防垢技术及装置;⑤一次性投入资金较大,但长期费效比优于化学处理方法。

　　总之,物理防垢技术以其长效低费用、环保、设备简单、维护方便等优点已经在工矿企业广泛应用,相信通过技术研究,进一步改进设备,必将在舰船换热器、锅炉等设备上发挥巨大作用,产生显著的经济效益。

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