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板式换热器的污堵与清洗及其对能耗的影响

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    1. 引言 微电子工业的不断发展,在冷却水使用方面,不仅用量变得越来越大,同时对冷却水的可靠性、安全性和稳定性也提出了严格的要求,用量的增大,必然导致能耗的上升,随着当今能源的日益紧俏,如何选择高效节能的换热器以及如何确保换热器运行过程的节能降耗。已成为 " 能源管理者们 " 义不容辞的责任。本工作针对板式换热器污堵后的能耗增加问题,分析污堵产生的原因,探索如何清除换热器污堵以及如何提高换热效率的可行性方法。 2 板式换热器的特点及工作原理 2.1 板式热交换器的特点 板式热交换器是一种新型高效的换热设备,它具有传热效率高、结构紧凑、占地面积小,易于安装得优点,并且可根据不同的工艺要求,非常方便地组合成任意流量形式,因而它被广泛应用石油、化工、冶金、机械、轻工、食品、医药、电力、涂装、供热等工业领域,近年来在微电子行业的冷却水、纯水和超纯水系统中也被广泛采用。 2.2 板式热交换器的工作原理 板式热交换器的工作是通过传热机理进行的,根据热力学定律,热量总是由高温物体自发地专传向低温物体。当两种流体存在温度差时,就必然有热量进行传递,两种存在温度差的流体在受迫对流传热过程中,由于板式换热器的换热片表面采用瓦楞波结构优化设计,使其热交换率达到 92% 以上,即使流体流速在雷诺准数值以下,流体在板片之间的运动亦呈三维运用,促使流体形成剧烈紊动,减少边界层热阻,强化传热效率。 1 a )和图 1 b )分别是冷媒流体(冷冻水)和工作流体(冷却循环水)的换热片。比较图 1 a )和图 1 b )可以看出,冷媒流体换热片与工作流体换热片,实际上是同一换热片经过 180° 的旋转,使其瓦楞波结构在冷媒流体侧朝上排列,低温度的冷冻水从换热片的下面进入,通过瓦楞波结构的换热片换热后温度升高,从换热器的上面流出,而在工作流体侧则恰好相反,瓦楞波结构是朝下排列的,温度较高的冷却水从换热片的上面进入,通过瓦楞波结构的换热片换热后温度降低,从换热片的下面流出,这样就完成了冷却水的整个热交换过程,然而当冷媒流体为高温热水,工作流体为温度较低的冷水时,则必须使工作流体从换热器的下面进入,设置瓦楞波结构的目的是流道比较均匀,另外流体经过瓦楞波结构流动时总是朝着边缘流动,这样可以减少边缘效应,防止污垢在边缘处积累和沉降,而管式换热器则难以避免这一问题。
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    3 换热器的热阻 由于冷冻水(冷媒流体)与循环冷却水(工作流体)不是直接接触的,它们是通过换热片将循环冷却水的热量传给冷冻水,此时较高温度的循环冷却水的温度降低成为低温流体,当换热片两侧的流体为恒温传热时,它包括了三个过程: 1 )循环冷却水(工作流体)流动过程中把热量传到换热片壁上的对流传热过程; 2 )穿过换热片的导热过程; 3 )由另一侧的换热片壁把热量传给冷冻水(冷媒流体)的对流传热。 ! V$ D2 [" s3 u
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    在上述式( 1 )、式( 2 )中:
    ) I- P. T. `) ?. k   ]'''' l
    F1
    表示工作流体(冷却循环水)一侧传热面积 m2 F2 表示冷媒来体(冷却循环水)一侧传热面积 m2 Fm 表示换热片的平均面积 m2 δ 表示换热片的厚度 m λ 为换热片材质的导热系数 W m2×K -1
    5 d" B 9 f. s- ^$ ~1 S# g
    a1
    a2 分别为工作流体侧和冷媒流体侧的导热系数 W m2×K -1 R RF 则分别表示工作流体侧的污垢热阻和冷媒流体侧的污垢热阻。 比较式( 1 )和式( 2 )可知,有污垢时的热阻式( 2 )增加了工作流体(循环冷却水)一侧的污垢热阻 R 和冷媒流体(冷冻水)一侧的污垢热阻 RF 两项热阻。这就使得整个换热器的热传导效率下降,能耗增加,因此在换热器的实际运行中,必需设法控制换热片表面不形成污垢,或者及时清除换热片表面已经形成的污垢,以利节能。 4 水垢的形成及危害 冷却水在热交换过程中,由于冷媒流体(冷冻水)吸收了工作流体(冷却水)的热量,使其温度上升,此时原来溶于水中的 Ca HCO3 2 Mg HCO3 2 在温度的作用下析出 CO2 生成微溶于水的 CaCO3 MgCO3 。由于 CaCO3 MgCO3 的溶解度随温度的上升而下降,从水中结晶析出,当这些结晶物不断地沉积于换热器表面,便形成了很硬的水垢,其反应如下: Ca HCO3 2=CaCO3↓+CO2↑+H2O Mg HCO3 2=MgCO3↓+CO2↑+H2O 水垢的主要危害是降低交换器的换热效率,造成能耗的增加,此外当水垢出现在工作流体(冷却水)侧时,会引起冷却水的流量不足和压力降低,严重时造成停产。 Kotz 发现,冷凝管中的水垢厚度在 0.3mm 时,其热交换的效率降低 21% ,表 1 列出的是换热器管壁水垢厚度与热交换效率的关系,由表 1 可以看到,当水垢厚度达到 1.6mm ,其热损失高达 75% 以上,这表明水垢对热交换器的性能影响是相当严重的,为了能使热交换器工作性能正常,定期进行清洗,彻底清除水垢是必要的。
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    5 换热器的污堵与清洗 板式换热器使用一段时间后,由于水垢的形成、细菌的滋生以及瘀泥的沉积等共同作用,会使换热器发生污堵后,换热效率下降,冷媒耗量明显增加,此时通过正确的清洗方式可使其恢复原有性能。 然而板式换热器由于构造上的特殊性,其维修、清洗和部件更换等要求有较高的专门技术水平,否则不仅达不到预期效果,反而会发生设备漏水、变形甚至损坏等严重故障。因此大多数板式换热器的用户,都是请原设备厂家或专业公司进行维修和清洗的。 我们通过几年的实践摸索,逐渐掌握了板式换热器的维修、清洗和部件更换的方法,自行对冷却循环水用的板式热交换器进行清洗和维护,省去了昂贵的清洗费用,并取得了非常好的效果。 2 a )是热交换器清洗前的单个换热片的图片,由图 2 a )可以看到清洗前的换热片,其水流通过已被污垢完全堵塞,此时要想达到原来的额定流量,有必须增加进水压力,即增加水泵的动力能耗,另一方面,换热片结垢之后,其热阻明显增加,此时的冷媒(或热媒)流体不容易把冷量(或热量)传输到被交换的工作流体侧,此时,即使是通入热交换器的冷媒(或热媒)流量不变,其换热效率将明显变差,在这种情况下,若工艺依然要求维持原有的交换效率不变,则必须在提高进水压力的同时加大进入热交换器的流量,这就遭到了双重的能耗增加。 2 b )是热交换器清洗后的单个换热片的图片,由图 2 b )可以看到热交换器清洗后其污垢已被彻底清除,换热片表面光亮如新,此时热交换效率即恢复到原来水平。 ! t 0 l* U7 Z" i
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    6 热交换器清洗后的效果 通过热交换器清洗前后冷冻水的消耗量统计比较,验证了热交换器的清洗效果,结果如图 3 所示,图中 2004 年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况, 2005 年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况。比较 2004 年和 2005 年两条不同曲线可以看到, 2005 年换热器清洗后,其冷冻水的月消耗量明显低于 2004 年同期,表明换热器清洗后具有非常良好的节能效果。 2 W'''' h   a; V 9 c0 T7 |/ H# I
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    在图中 2004 年的曲线中, 3 月份有一个较低的拐点,这是当时采用化学药品清洗后出现的短暂效果,但很快又回到了原来状态,这表明化学加药的清洗方式是不彻底的,细菌、污泥等很容易在换热片表面再度繁殖,重新出现污堵情况,因而比较理想的清洗方法是将换热器拆开,对单个换热片进行刷洗。 2005 年的曲线图即是换热器拆开刷洗后,冷冻水的月消耗量的统计结果,由图可以看到它为一条平稳的曲线,表明冷冻水的耗量相当稳定。 7 结论 在设备冷却循环水中,采用高效率的板式换热器有利于节能降耗。板式换热器在使用过程中,由于细菌的滋生、淤泥的沉积会出现污堵,使能耗明显增加,选择合适的清洗方法是板式换热器恢复性能的关键所在。化学清洗只能短暂恢复性能,而拆洗除污的方法可 100% 的恢复性能,使能耗明显降低,为使热交换器的工作性能正常,定期对热交换器进行清洗是必要的。 5 e'''' z3

     

     

     


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    在图中 2004 年的曲线中, 3 月份有一个较低的拐点,这是当时采用化学药品清洗后出现的短暂效果,但很快又回到了原来状态,这表明化学加药的清洗方式是不彻底的,细菌、污泥等很容易在换热片表面再度繁殖,重新出现污堵情况,因而比较理想的清洗方法是将换热器拆开,对单个换热片进行刷洗。 2005 年的曲线图即是换热器拆开刷洗后,冷冻水的月消耗量的统计结果,由图可以看到它为一条平稳的曲线,表明冷冻水的耗量相当稳定。 7 结论 在设备冷却循环水中,采用高效率的板式换热器有利于节能降耗。板式换热器在使用过程中,由于细菌的滋生、淤泥的沉积会出现污堵,使能耗明显增加,选择合适的清洗方法是板式换热器恢复性能的关键所在。化学清洗只能短暂恢复性能,而拆洗除污的方法可 100% 的恢复性能,使能耗明显降低,为使热交换器的工作性能正常,定期对热交换器进行清洗是必要的。 5 e'''' z3

     

     

     


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    6 热交换器清洗后的效果 通过热交换器清洗前后冷冻水的消耗量统计比较,验证了热交换器的清洗效果,结果如图 3 所示,图中 2004 年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况, 2005 年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况。比较 2004 年和 2005 年两条不同曲线可以看到, 2005 年换热器清洗后,其冷冻水的月消耗量明显低于 2004 年同期,表明换热器清洗后具有非常良好的节能效果。 2 W'''' h   a; V 9 c0 T7 |/ H# I
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    在图中 2004 年的曲线中, 3 月份有一个较低的拐点,这是当时采用化学药品清洗后出现的短暂效果,但很快又回到了原来状态,这表明化学加药的清洗方式是不彻底的,细菌、污泥等很容易在换热片表面再度繁殖,重新出现污堵情况,因而比较理想的清洗方法是将换热器拆开,对单个换热片进行刷洗。 2005 年的曲线图即是换热器拆开刷洗后,冷冻水的月消耗量的统计结果,由图可以看到它为一条平稳的曲线,表明冷冻水的耗量相当稳定。 7 结论 在设备冷却循环水中,采用高效率的板式换热器有利于节能降耗。板式换热器在使用过程中,由于细菌的滋生、淤泥的沉积会出现污堵,使能耗明显增加,选择合适的清洗方法是板式换热器恢复性能的关键所在。化学清洗只能短暂恢复性能,而拆洗除污的方法可 100% 的恢复性能,使能耗明显降低,为使热交换器的工作性能正常,定期对热交换器进行清洗是必要的。 5 e'''' z3

     

     

     


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    在图中 2004 年的曲线中, 3 月份有一个较低的拐点,这是当时采用化学药品清洗后出现的短暂效果,但很快又回到了原来状态,这表明化学加药的清洗方式是不彻底的,细菌、污泥等很容易在换热片表面再度繁殖,重新出现污堵情况,因而比较理想的清洗方法是将换热器拆开,对单个换热片进行刷洗。 2005 年的曲线图即是换热器拆开刷洗后,冷冻水的月消耗量的统计结果,由图可以看到它为一条平稳的曲线,表明冷冻水的耗量相当稳定。 7 结论 在设备冷却循环水中,采用高效率的板式换热器有利于节能降耗。板式换热器在使用过程中,由于细菌的滋生、淤泥的沉积会出现污堵,使能耗明显增加,选择合适的清洗方法是板式换热器恢复性能的关键所在。化学清洗只能短暂恢复性能,而拆洗除污的方法可 100% 的恢复性能,使能耗明显降低,为使热交换器的工作性能正常,定期对热交换器进行清洗是必要的。 5 e'''' z3

     

     

     


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    5 换热器的污堵与清洗 板式换热器使用一段时间后,由于水垢的形成、细菌的滋生以及瘀泥的沉积等共同作用,会使换热器发生污堵后,换热效率下降,冷媒耗量明显增加,此时通过正确的清洗方式可使其恢复原有性能。 然而板式换热器由于构造上的特殊性,其维修、清洗和部件更换等要求有较高的专门技术水平,否则不仅达不到预期效果,反而会发生设备漏水、变形甚至损坏等严重故障。因此大多数板式换热器的用户,都是请原设备厂家或专业公司进行维修和清洗的。 我们通过几年的实践摸索,逐渐掌握了板式换热器的维修、清洗和部件更换的方法,自行对冷却循环水用的板式热交换器进行清洗和维护,省去了昂贵的清洗费用,并取得了非常好的效果。 2 a )是热交换器清洗前的单个换热片的图片,由图 2 a )可以看到清洗前的换热片,其水流通过已被污垢完全堵塞,此时要想达到原来的额定流量,有必须增加进水压力,即增加水泵的动力能耗,另一方面,换热片结垢之后,其热阻明显增加,此时的冷媒(或热媒)流体不容易把冷量(或热量)传输到被交换的工作流体侧,此时,即使是通入热交换器的冷媒(或热媒)流量不变,其换热效率将明显变差,在这种情况下,若工艺依然要求维持原有的交换效率不变,则必须在提高进水压力的同时加大进入热交换器的流量,这就遭到了双重的能耗增加。 2 b )是热交换器清洗后的单个换热片的图片,由图 2 b )可以看到热交换器清洗后其污垢已被彻底清除,换热片表面光亮如新,此时热交换效率即恢复到原来水平。 ! t 0 l* U7 Z" i
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    6 热交换器清洗后的效果 通过热交换器清洗前后冷冻水的消耗量统计比较,验证了热交换器的清洗效果,结果如图 3 所示,图中 2004 年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况, 2005 年曲线为换热器清洗后冷冻水的月消耗情况。比较 2004 年和 2005 年两条不同曲线可以看到, 2005 年换热器清洗后,其冷冻水的月消耗量明显低于 2004 年同期,表明换热器清洗后具有非常良好的节能效果。 2 W'''' h   a; V 9 c0 T7 |/ H# I
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