换热器表面防垢技术的研究与应用进展

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。根据Steinhagen对新西兰1100家企业的3000台各种类型换热器的调查表明,90%以上的换热器都存在不同程度的污垢问题,结垢造成的浪费和损失很严重。所以防垢技术的研究倍受科学界和工程技术人员的关注,是涉及国民经济众多产业和部门的一个急需解决的问题。

    目前,工业上所用的可拆式板式换热器防垢方法可分为化学法和物理法。

    1　化学防垢

    化学法主要有软化法、酸处理法、碳化稳定法及阻垢剂的应用等。前面3种方法因费用较高或造成设备腐蚀等原因而应用范围较窄。国内外应用广泛的是阻垢剂,阻垢剂是一类化学药品的总称,通过它的加入可以防止或阻止积垢的生成。

    1.1　天然分散剂

    二十世纪60年代初,主要以丹宁、磺化丹宁、木质素、淀粉、改性淀粉和羧甲基纤维素等天然有机物质为主。这些天然阻垢剂来源广,价格便宜,无毒,易于生物降解。但杂质含量高,用量较大,目前只有少量商品复合配方中仍有使用[1]。

    1.2　均聚物

    聚丙烯酸(PAA)、聚甲基内烯酸(PMAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚马来酸(酐)(PMA和HPMA)等这类均聚物是二十世纪60年代末70年代初开发成功的,它们都是阴离子型聚合电解质。

    聚天冬氨酸(PASP)是美国Donlar公司于二十世纪90年代初开发出来的一种新型阻垢剂,分子中不含磷,可生物降解,是绿色水处理剂,具有优异的阻垢性能。PASP有很好的生物降解性能,与葡萄糖降解性能相近,在28d内降解率达73%以上,对环境无任何有害影响。

    聚环氧琥珀酸(PESA)分子结构中无P,无N,容易生物降解,属绿色水处理剂。与磷酸盐、2-膦基丁烷-1,2,4三羧酸等多种药剂复配使用均具有较好的协同效应和一定的缓蚀性能[2]。

    1.3　共聚物

    由于均聚物品种单一,且只能抑制CaCO3垢,二十世纪80年代开始,国内外开发出性能优良的二元、三元及多元水溶性共聚物。它们的特点是不仅能抑制CaCO3垢,同时对磷酸钙垢、磷酸锌、氧化铁、黍泥等也有很好的抑制分散作用,有的还有特殊作用,如能抑制硅垢,甚至能参与缓蚀等。

    丙烯酸类共聚物是一类以丙烯酸为主要单体与一种或几种单体共聚而成的一类聚合物。此类阻垢剂起主要作用的是聚合物中的-COO-基团,其对Ca2+、Mg2+、Fe2+等离子具有较强的螯合能力,不仅有分散作用,还能在无机垢结晶过程中干扰晶体的正常排列,从而达到阻垢作用,在分子量较大时还有絮凝作用[3]。

    马来酸(酐)类共聚物是以马来酸(酐)或水解马来酸酐为单体与其它单体共聚而成的一类阻垢剂,具有较好的阻CaCO3、CaSO4、BaSO4垢的效果。三元共聚物有马来酸/醋酸乙烯酯/苯乙烯共聚物、马来酸酐/丙烯酸/丙烯酰胺共聚物、马来酸/乙二醇酯/丙烯酸共聚物等,均有很好的阻垢效能,又都各有特性。

    磺酸共聚物突出的优点是在阻垢方面不受水中是否存在金属离子的影响,对磷酸盐垢、硫酸盐垢、氢氧化镁垢、CaCO3垢等,特别是对磷酸钙垢有良好的抑制作用,且能有效地分散颗粒物,稳定金属离子和有机膦酸,药力持久,有易结胶,并具有一定缓蚀作用[4]。

    1.4　含磷阻垢剂

    无机聚磷酸盐是一种具有较好缓蚀性能的阻垢剂,二十世纪60年代在水处理中广泛使用。聚磷酸盐的缺点是它会水解,尤其是在高温下易水解。水解后其阻垢缓蚀性能降低,且水解生成的正磷酸盐容易和水中的Ca2+生成溶度积更高的Ca3(PO4)2水垢。

    有机膦酸开发于二十世纪60年代后期,70年代在循环冷却水处理中得到广泛应用。它能与钙及许多金属阳离子形成螯合物,也能使含铁和锰的水稳定,在金属表面形成保护膜,起到缓蚀作用,同时还具有临界值效应和协同效应,属于无毒或低毒药剂。它化学稳定性好,不易水解,耐高温,在使用过程中不会因生成正磷酸盐而形成磷酸钙垢。

    有机膦羧酸分子结构中含有膦酸基和羧酸基,因此,兼有阻垢和缓蚀两种性能,与其它水处理剂复配,协同性能好。

    膦基羧酸(PCA)是由一种无机单体次磷酸,与其它有机单体共聚而成。其特点是将羧基与磷酸基结合在同一个分子上。有较好的阻垢性能并起一定的缓蚀作用。

    2　物理防垢

    1945年,比利时的韦梅朗首次成功地应用磁处理技术,防止锅炉水垢形成,并除去了原先沉积的水垢,开创了物理处理先河。半个世纪以来,各种水的物理处理技术应运而生,诸如静电处理、高能电子辐射处理、电磁处理和超声处理。物理处理设备相对简单、维护操作简便、寿命长、运行费用较低、无污染问题,减少换热设备积垢形成,以及能除去原先沉积物的作用,因此,在建筑材料、化工、冶金、矿山、农业和医学等领域得到了广泛应用。

    2.1　磁场防垢

    1945年“CEPI”的磁场防垢装置问世后,大量CEPI的防垢装置在欧洲使用,除了家用热水锅炉外,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。我国早的磁处理防垢器出现于1959年。70年代,前苏联、美国、日本先后掀起了磁处理研究热,学术界和企业界竟相投入了大量的人力和资金对磁处理进行研究,取得了大量成果和发明zhuanli,并建成了大型磁处理设备[5]。80年代以后,科学家们对磁处理进行了更深入的研究,积累了大量的实验资料。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[6]。

    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。上海滨浦强磁设备厂制造的“超强套筒式内磁处理器”,选用稀士永磁材料,磁性能优异,其矫顽力、大磁积能及抗老退磁性能均有显著的改善。

    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,磁场处理有相当的使用前景。

    2.2　电场防垢

    静电水处理技术是现代工业领域里新技术之一,在二十世纪60年代末,美国新泻华盛顿公司研制成功第一台静电水垢控制器,此后仅仅几年时间,就有数百台为美国的一流企业所采用,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[7]。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,用于蒸气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。我国是研究静电防垢方法较早的国家之一,1975年研制成功第一台静电防垢器。其后又推出了电子式水处理器、高频电场水处理器。90年代初研制了我国第二代静电除垢器系列产品,并批量生产。

    电场处理又分为高压静电法和高频电子法两种。这两类设备的功能相同、优点相同,只是适用条件不同。电子防垢器采用直流低压,静电防垢器采用电流高压。虽是高压,但电流很微小,又采用了固化绝缘措施,所以不存在使用安全问题。静电防垢器的阳极用四氟乙烯制作,耐磨损、不腐蚀、不老化、不粘附,可连续使用20年。使用运行过程中基本上不用清洗。电子防垢器的阳极用钛合金制作,表面覆有保护膜因而不腐蚀、不老化、强度高。

    2.3　超声防垢

    高于人耳听觉上限阈值的声波,称为超声波。功率超声又称为超声波的“主动应用”,是用较大功率的超声对物质作用,以改变或加速改变物质的一些物理、化学和生物特性或状态的技术。超声波防垢强化传热技术是一种节能环保技术,国外如韩国俄罗斯等国有相关的产品,目前国内也有一些超声波防垢装置投放市场,但应用还不广泛。超声波防垢机理的研究还不深入,与其它物理防垢方法如电场、磁场或电磁场等的研究相比还有一定的差距,影响了该技术的推广。

    2.4　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。

    2.4.1　光子与磁场协同防垢　

    东北大学的郑少波提出了采用光子来强化和稳定水的磁处理效果的新技术,从理论上分析了磁场下光子对冷却子的物理化学作用,得出光磁协同处理可减少冷却过程中硬垢生成,降低水的腐蚀性,杀灭水中的细菌。通过不同频率光波与磁场的协同试验,表明红外光协同磁场处理的效果佳。

    2.4.2　激光与电场协同防垢　

    夏茂等以“激光电场调控活性氧”为理论基础,采用激光和高频电场以及单片机控制技术,具有除垢防垢、杀菌灭藻、抗腐蚀、水质净化等多种功能。特定的电场能改变CaCO3的结晶形式,抑制方解石结晶盐类(硬垢)的产生,提供产生文石结晶盐类(软垢)的能量,达到防垢的目的。

    2.4.3　电磁场与过滤结合　

    美国Drexel大学的YICho教授用电磁场与过滤结合进行防垢实验,研究表明,经过电磁场处理后,晶体聚集,颗粒变大,再经过过滤装置截留,只有少量的晶体进入换热器,减少了积垢的形成[8]。

    2.4.4　电磁场与膜技术结合　

    北京工业大学环境与能源工程学院的陈金辉将膜技术和电磁技术结合,在低频电磁场的作用下,对冷态工况下的抗垢、减垢强化传热技术进行实验研究。结果表明在电磁场的作用下,污垢晶体由致密型变为松散型,经过膜过滤后,晶体量减少,起到了防垢的作用。

    2.4.5　超声场与O3协同　

    大连理工大学的刘天庆研究超声与O3控制生物垢的生长。经过处理的生物垢厚度明显低于未经过处理的对照管内的生物垢。他还进行了生物垢移除实验,生物垢在用O3处理后,再用超声波处理,则90%以上的生物垢可以被移除,其效果远大于单独使用O3和超声的效果的加和。

    换热器的改进

　　借鉴以往换热器的研究成果，在本文中对换热器提出了如下改进，设计了一种新换热器一内凸肋螺旋式高效换热器。内凸肋螺旋式换热器，该产品结构特点如下：1.换热管采用内凸肋以扩展传热面积;2.换热管是螺旋椭圆截面;3.管柬中管子与管子在椭圆长轴处相接触，相互支撑百取消了折流板; 换热管采用螺旋式形状。该换热器有如下优势：1.换热管采用内凸肋以扩展传热面积;2.无折流板结构以提高壳程的传热膜系数，增加介质的湍流性;3.换热管改变成螺旋形换热管，使之换热形式由直通式流动换热变成螺旋紊流流动换热，流动换热长度增加1.5倍，换热效率提高1.9倍，比光滑管设备体形小，重量轻，节约原材料。该新型换热器比常规管壳式换热器可节省传热面积26%一56%，节省制造成本2O%一35%。同等性能条件下，高效节能换热器体积减小，能够大大降低项目投资。