冷却水污垢及其对冷却器换热的影响
1 污垢的形成
在一套空分装置中，需配置多种气体冷却器，以满足和实现空分装置的工艺要求。冷却器中冷却水质的变化，将对冷却器的运行产生影响。在换热过程中，冷却水的水质和冷却器的工作条件不断变化，换热表面上污垢的形成过程也很复杂，形成的污垢种类也不相同。水垢的形成，一般被认为是溶解在冷却水中的固体，由于温度升高及溶解度的变化及其某些化学变化，逐渐在换热表面析出并紧附其上，最终形成水垢。
结晶过程形成的盐垢是污垢的主要种类之一。当冷却水中形成盐类离子的含量超过了饱和溶解度时，该种盐类就会结晶沉淀析出。而离子的饱和溶解度是随温度的升高而降低的。在换热过程中，随着冷却水温度的升高及离子饱和度的降低，盐类物质就会在换热金属表面析出，形成水垢。这也就是在冷却器中，温度较高的冷却水出口端的水垢层往往比其他部位厚的原因。
水垢还有其他多种形式，如藻类、菌类、泥类等。冷却水结垢的主要成分是CaCO3，同时也含有CaSO4、Ca3（PO4）2和MgSiO3等成分。由这些盐垢构成的污垢层，其导热系数较小、热阻较大，对换热器的换热影响较大，因此在冷却器的设计中应予以充分重视。
2 冷却器污垢层及其热阻
在冷却器中，换热表面上的结垢层是不均匀的，并随着运行时间的变化而变化。污垢层的热阻主要与垢层厚度以及垢层成分有关，其关系可表示为：
r=δ/λ （1）
式中r—污垢层热阻 ,m2.h.℃/J；
δ—污垢层厚度，m；
λ—污垢层的导热系数，J/m.h.℃。
由（1）式可知，在污垢层成分稳定、均匀的条件下，污垢热阻与其厚度成线性关系。
污垢热阻r和厚度δ是随着运行时间的推移而增加的，当热阻（或厚度）增加到一定值时，其变化变得缓慢，并趋近一个定值。其表达式为：
rD=r∞(1-e-ADδ) (2)
式中rD—某瞬间的污垢热阻，m2.h.℃/J；
r∞—无穷长时间的极限污垢热阻，m2.h.℃/J；
D—运行时间，h；
A—常数。
在冷却水质条件和运行工况稳定时，从实际运行的数据中可得出，污垢层厚度与运行时间的关系有以下规律：在冷却器开始运行的第一个月中，污垢层厚度迅速增加，一个月后，污垢层增加缓慢。而且第一个月的结垢厚度为全年的50%，即第一个月的污垢热阻为全年的一半。目前国内大多数运行单位冷却水的年污垢热阻为1×10-5m2.h.℃/J。将年污垢热阻视为极限污垢热阻，并由式（2）可得出污垢热阻与运行时间的关系：
r=1.0×10-5×（1-e-0.0231D） (3)
同样，年污垢热阻为0.5×10-5m2.h.℃/J和1.5×10-5m2.h.℃/J时，污垢热阻与运行时间的关系分别由式（4）、（5）表示：
r=0.5×10-5×（1-e-0.0231D）（4）
r=1.5×10-5×（1-e-0.0231D ）（5）
可以看出，冷却器在运行到180天后，其换热表面上因结垢而形成的热阻值已趋于稳定，并接近年污垢热阻。
影响冷却器结垢的因素较多，除了冷却器的结构、换热表面质量和热流密度等因素外，还与冷却水的流速、温度和热流体的工矿条件有关，特别是冷却水的水质条件更为重要。因此在冷却器的设计、制造、运行、操作和冷却水处理方面都应注意冷却器的结垢问题。
3 污垢热阻对换热系数和面积的影响
冷却器结垢过程十分复杂，但在冷却器换热设计中，主要是考虑污垢热阻对其的影响。
空分装置中，主要使用管壳式冷却器，其中又以叠片（或翅片）式和光管式冷却器最为常见。低压空气冷却器采用叠片式或翅片式，管程为水，壳程为空气；中压氧气、氮气冷却器采用光管式，管程为气，壳程为水。
对于叠片式、翅片式冷却器的换热系数K值，常常是通过试验来确定。此时，K值是某一个水质条件的K0值，也就是对应某一个污垢热阻r0的K0值，对于不同污垢热阻r时的K值，可用式（6）进行计算：
K=1/[K0+B(r-r0)] (6)
式中的系数B在此理解为污垢热阻放大系数，它是与换热单元结构有关的常数，在换热单元结构确定后，B值也就确定了。其次，系数B的含义为热冷两侧表面的面积之比。可见，冷却器的换热效率越高，B值越大，则对污垢热阻越敏感。这也就是进口设备的冷却器对水的污垢热阻很敏感的原因。
因此，污垢热阻值虽小，但对换热系数的影响却很大。
污垢热阻和冷却器换热面积的关系如下：
Ai=[1+K0B(ri-r0)]A0 (7)
式中A0—对应r0和K0时所需的换热面积，m2；
Ai—对应ri和 Ki时所需的换热面积，m2。
同样以上面的数据为例，通过（7）式计算可得出下列关系：
A1=1.24A0 (8)
A2=0.762A0 (9)
污垢热阻对换热面积的影响程度也很大。
(6)、(7)式也适用于光管式冷却器，只是B值和K值不同。虽然，补偿污垢热阻使换热面积减少的办法是增加换热面积，但在设计中，却不宜将换热面积放大过多。
4 污垢热阻对空分装置的影响
空分装置中的许多冷却器，在运行中不是完全孤立的。若冷却器或运行条件达不到设计要求，则由其产生的结果，将会通过工艺热流体，作用到下游的另一台冷却器上，并同时影响这个冷却器和主机的运行，而且这种影响不是简单的相加关系。空分装置在不符合设计要求的冷却水条件下长期运行，将产生的影响主要表现为：
(1)压缩机组的影响：由于冷却水质差，在冷却器中形成的污垢热阻大，使冷却器不能正常运行，导致了压缩机中每一级的进口、出口参数偏离，影响了级与级之间的匹配性能，降低了压缩机的效率，减少了加工气量，增加了机组的能耗，使机组的整体性能下降。最终使空分装置的产量下降，能耗增加，运行周期缩短和变工况调节范围缩小。
(2)冷冻机的影响：冷却水形成的污垢热阻大，使冷冻机中的冷凝器不能正常运行。冷媒的冷凝压力、温度升高，使冷冻机的制冷量下降，导致空气出空冷塔进分子筛纯化器的温度升高，降低了分子筛的吸附能力，这也将使空分装置的运行周期缩短。
(3)对预冷系统的影响：对于空气预冷系统，当水质较差时，在空气冷却塔内的部件上（如筛板、填料），也要形成污垢，从而降低了冷却塔的换热效率，使空气温度升高，也要影响分子筛的吸附能力，导致空分装置的运行周期缩短。
在冷却器的设计中，除对污垢热阻予以重视外，还应注意在其运行中保持良好的运行条件，特别是在冷却水处理方面，应保持稳定、良好的水质和适当的流速以减轻冷却器的结垢，从而确保空分装置的整体性能。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
