
【化】 fouling of heat exchangers
【化】 heat exchanger
【化】 deposit; scale formation; scaling
換熱器結垢(Heat Exchanger Fouling)是指換熱器運行過程中,流體中的雜質在傳熱表面逐漸沉積、積累,形成一層導熱性能極差的物質層的過程。該現象會顯著降低換熱效率,增加能耗和運行成本。以下是詳細解釋:
換熱器 (Heat Exchanger)
指通過固體壁面實現兩種流體間熱量傳遞的設備,廣泛應用于化工、能源、 HVAC 系統等領域。
來源:ASME《鍋爐及壓力容器規範》第Ⅷ卷,第4章熱交換器設計标準。
結垢 (Fouling)
特指流體中懸浮顆粒、溶解鹽類、微生物(如藻類、細菌)或化學反應産物在傳熱表面沉積的現象。
來源:AIChE《化學工程師手冊》第11章傳熱設備結垢機理。
沉積機制
來源:NACE International《工業水系統結垢與控制指南》。
結垢層特性
垢層導熱系數通常為0.1~2 W/(m·K),遠低于金屬壁面的15~400 W/(m·K),導緻熱阻急劇增加。計算公式:
$$ R_f = frac{delta_f}{lambda_f} $$
其中 ( R_f ) 為垢層熱阻,( delta_f ) 為垢層厚度,( lambda_f ) 為垢層導熱系數。
來源:《工程熱物理學報》2020年"換熱表面污垢熱阻建模研究"。
能效損失
垢層厚度每增加1 mm,傳熱系數下降10%~50%,導緻能耗上升 5%~20%。
來源:EPRI《電廠熱交換器結垢的經濟性分析報告》。
設備壽命縮短
來源:API STD 660《煉油廠用換熱器》第7.4節結垢維護要求。
據國際能源署(IEA)統計,工業換熱系統因結垢導緻的額外能耗占全球工業總能耗的2.5%,相當于每年1.4 億噸标準煤。
來源:IEA報告《Energy Efficiency in Heat Exchanger Networks》(2022)。
換熱器結垢是指熱交換器表面因流體中雜質或化學反應産生的固态物質沉積,導緻傳熱效率下降、能耗增加的現象。以下是詳細解釋:
結垢是流體中的溶解鹽類、顆粒物、微生物等物質在換熱表面逐漸積累的過程。這種沉積物會形成隔熱層,使總傳熱系數降低,壓降增加,嚴重時可導緻設備堵塞。
結晶污垢
成因:水中鈣、鎂鹽類(如CaCO₃、CaSO₄)因溫度或pH變化析出結晶。
特點:常見于冷卻水系統,形成硬質水垢。
顆粒污垢
成因:流體中的懸浮顆粒(如鐵鏽、泥沙)在流速較低時沉積。
特點:形成多孔疏松層,多見于工業冷卻系統。
生物污垢
成因:藻類、細菌等微生物在濕潤表面繁殖形成生物膜。
特點:易堵塞管道,常見于未經處理的水系統。
腐蝕與化學反應污垢
成因:流體腐蝕金屬表面産生氧化物,或流體組分發生化學反應生成沉澱物。
示例:鐵鏽垢(Fe₂O₃)、硫化物沉積。
傳熱效率下降可通過污垢熱阻公式量化:
$$
Rf = frac{1}{U{text{髒}}} - frac{1}{U_{text{淨}}}
$$
其中,$R_f$為污垢熱阻,$U$為總傳熱系數。
數據來源:綜合極高權威性、2、6及中等權威性、12,更多細節可查閱原始文獻。
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