壳管式换热器入水水质处理研究

王长忠，杨 惠，刘恩海，赵坤正，刘诗琦

(1 郑州市工信节能检测中心，河南 郑州 450007；2 河南禹州市环境保护局环境监测站，河南 禹州 461670；3 中原工学院能源与环境学院，河南 郑州 450007；4 中原工学院信息商务学院建筑工程系，河南 郑州 451191)



壳管式换热器入水水质处理研究

王长忠1，杨 惠2，刘恩海3，赵坤正3，刘诗琦4

(1 郑州市工信节能检测中心，河南 郑州 450007；2 河南禹州市环境保护局环境监测站，河南 禹州 461670；3 中原工学院能源与环境学院，河南 郑州 450007；4 中原工学院信息商务学院建筑工程系，河南 郑州 451191)

以某化工企业职工澡堂的壳管式换热器为研究对象，分析热水管道内水垢类型及产生原因，从理论层面分析水垢传热热阻、导致能源浪费情况，提出了对热水供水主管道增设广谱感应水处理器进行换热器的入水水质处理。研究结果表明，提高了换热器的换热效率，节省了能耗，有效解决了系统热水管道水垢堆积影响热水供应的问题，该技术可为相关企业水处理方面的应用提供了很好的借鉴。

化工企业；壳管式换热器；水质处理；能耗

壳管式换热器是化工企业热水供应系统中使用最广泛的设备之一，其换热性能对整个系统的良好运行具有重大意义[1]。由于部分地区的地下水中含有大量的钙镁离子，导致热水在换热器和管道中产生水垢，并附着在管道和换热器壁面，造成换热效率降低，导致资源浪费，不利于环境保护[2]。根据相关文献，90%以上的换热器都存在不同程度的结垢现象[3]。本文以某企业热水供应系统为例，分析了两台壳管式换热器由于长期热水流动导致水垢堆积的现象，对附着换热器的水垢进行传热过程的数学描述，提出对热水供水主管道增设广谱感应水处理器进行换热器入水水质处理，减轻换热器的结垢。

1 换热器水垢的传热分析

针对热水供应系统壳管式换热器管道内水垢产生原因，以某企业职工澡堂的两台壳管式换热器为研究对象，对附着在管道和换热器壁面水垢进行传热过程的数学描述，分析研究水垢的传热热阻及导致系统能源浪费问题。

(1)

(2)

式中：A1、A2——冷、热流体一侧的传热面积，m2Am——换热片的平均面积，m2δ——换热片的厚度，m λ——换热片材质的导热系数，W/(m2·K)α1、α2——冷、热流体的导热系数，W/(m2·K)R、RF——冷、热流体侧的水垢热阻，(m2·K)/W

2 换热器水垢的能耗分析

水垢不仅增加了壳管式换热器的传热热阻，而且使换热器表面粗糙度增加、内径减少，导致流体压力降增加[4]，对系统能耗影响很大。水垢层导热系数如表1所示。

表1 各类水垢的导热系数[5]

根据企业所在区域水质分析，可知换热器内污垢主要由硫酸盐、碳酸钙(镁)水垢组成。水垢层的传热损失如图1所示。

图1 水垢引起的传热损失

根据图1可知，随着水垢厚度的增加，传热损失逐渐加大，但增加的幅度略微不同。水垢厚度为1.5 mm时，三种类型水垢(硬质CaCO3、软质CaCO3和硬质CaSO4)导致的传热损失基本相同，约为12%；水垢厚度小于1.5 mm时，软质CaCO3类型水垢导致的传热损失高于另外两种类型的水垢；水垢厚度大于1.5 mm时，硬质CaCO3类型水垢导致的传热损失高于另外两种类型的水垢。经检测分析，硫酸盐水垢占24%，碳酸钙水垢占35%，碳酸镁水垢占30%，其他杂质占11%。水垢厚度与能耗关系如图2所示。

图2 水垢厚度与能耗的关系

由图2可知，随着水垢厚度增加，耗能越来越大，因为水垢增加了换热器的传热热阻，增加了能耗损失。水垢厚度小于6 mm时，随着水垢厚度增大，能耗增加幅度较大。水垢厚度为6 mm时，多耗系统燃料约为38%；水垢厚度在6～14 mm时，增加幅度逐渐减小，水垢厚度为14 mm时，多耗系统燃料约为56%；水垢厚度大于14 mm，能耗增幅逐渐增大。因此，水垢对换热器的换热效率影响极大，需要适时处理水垢以减少系统能耗。

3 换热器入水水质处理

3.1 广谱感应水质处理与传统水质处理方法对比

目前，化工企业水质处理方法主要有化学法处理、物理防垢处理、广谱感应水处理等。广谱感应水处理器采用目前国际最先进的智感应的扫频变频技术，在水中产生一个感应电磁场，该电磁场使水中的成垢离子结合成大量的文石晶核，这些粘附性很弱的文石晶体呈松软絮状，悬浮在水中被水流冲走，达到去除水垢的目的[6]。广谱感应水处理器能根据管道的不同材质和管道内水的流速感应到其电感系数，据此自动调整其输出电流，使其适应于不同水质和水量工况；

化学法处理在于可将致垢离子全部或部分稳定在水中，除垢效果较好，但化学处理方法易对设备造成腐蚀，且常用的水质稳定剂含磷量较高，容易造成水体污染[7]；使用物理法除垢时，不同的水质要有特定电磁振荡频率才能使致垢离子结合成不易附壁的结晶体，以往的电子水处理器，适应的水质范围窄，不能满足水质和水量变动比较大的工况[8]。

3.2 水质处理实例

某企业职工澡堂用壳管式换热器型号为REM700-1.0/1.0-37，换热面积为37 m2, 处理水量100 t/h，管束直径20 cm；材质为碳素钢，导热系数为52 W/(m2·K)。实测换热器入水水质硬度为450 mg/L，管道水垢平均厚度约为13 mm左右，管束堵塞严重。在供水主管增设广谱感应水处理器进行换热器入水水质处理，运行两周检测供水主管道水垢厚度降低至4 mm，水质处理效果较好。水垢厚度变化情况如图3所示。

图3 水垢厚度变化情况

3.3 效益分析

根据企业项目实例分析，碳钢材质换热器清洗频繁，极易损坏。按系统结垢速率估算，每年至少需要更换4个换热器中间段，单价约为1.5万元，每年人工、清洗及其他费用约为2万元。采用广谱感应水处理法，投入成本费用约为15万元左右，消耗电费年均0.05万元，按十年折合计算年均投入约2万元。

4 结 语

采用广谱感应水处理器进行防垢效果好，提高了换热器的换热效率，解决了系统热水管道水垢堆积影响热水供应问题，对于相关化工企业水处理方面，可有效地发挥较好的环境效益以及明显的节能效果。

[1] 黄庆军,任俊超,苏是,等.中国换热器产业现状及发展趋势[J].石油和化工设备, 2010(01):5-8.

[2] 杨善让,徐志明,孙灵芳.换热设备的污垢与对策[M].北京:科学出版社, 2004:1-70.

[3] 张仲彬,王丙林,李煌,等.换热表面污垢热阻影响因素的评价研究[J].中国电机工程学报, 2014(01)：266-271.

[4] 赵斌,张秀东.污垢对管壳式换热器的影响[J].煤气与热力,2005(08):43-44.

[5] 杨丽华.锅炉水垢的形成、危害及防范措施[J].山西科技,2004(03):67-68.

[6] 杨春.浅议广谱感应水处理器在钢铁工业循环冷却水中的应用[J].科学与财富,2015(8):92-93.

[7] 杨萍.浅谈目前太阳能热水系统的除垢方法[J].节能与环保,2011(3):64-66.

[8] 何俊.物理方法除垢阻垢技术的研究现状及进展[J].工业水处理,2010,30(9):5-9.

Study on Water Quality Treatment of Shell and Tube Heat Exchanger

WANGChang-zhong1,YANGHui2,LIUEn-hai3,ZHAOKun-zheng3,LIUShi-qi4

(1 Energy Test Center of Industry and Information Technology of Zhengzhou City, Henan Zhengzhou 450007; 2 Yuzhou Environmental Protection Department Environmental Monitoring Station, Henan Yuzhou 461670; 3 School of Energy & Environment, Zhongyuan University of Technology, Henan Zhengzhou 450007; 4 Department of Building Engineering, College of Information & Business, Zhongyuan University of Technology, Henan Zhengzhou 451191, China)

Taking the shell and tube heat exchanger of a certain chemical enterprise as a research object, the scale type and causes in the pipeline were proposed, the heat transfer resistance of the scale from the theoretical level was analyzed, and the waste of the energy was caused, the hot water main pipe spectral induction water processor for water quality treatment of heat exchanger was put forward. The results showed that the heat transfer efficiency of the heat exchanger was improved, the energy consumption was saved, and the problem of the hot water supply was effectively solved by the scale accumulation of the engineering hot water pipeline, which the technology can provide a reference related to the application of chemical water treatment companies.

chemical enterprise; shell and tube heat exchanger; water conditioning; energy consumption

王长忠 (1971- )，男，工程师，从事环境保护方面研究。

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1001-9677(2016)023-0075-03