关于板式换热器的防垢研究

任效男

兰州生物制品研究所有限责任公司 甘肃 兰州 730046

引言

板式换热器的维护保养是我国换热技术领域值得讨论的一个问题，板式换热器在换热器里属于使用较广的一种换热设备，它相比于其他换热器具有明显的优势。本文通过查阅资料，阅读文献，了解板式换热器工况性能，通过实践进行清洗维护保养工作，了解到当前这一技术的发展动态，进一步熟悉换热站的各项工作，加深对相关专业知识的理解，提高解决问题的能力。

1 污垢的形成机理及危害

1.1 污垢的定义及分类

污垢是指设备内流体中的杂质或组分附着在接触面上，形成固形物并沉积下来，这种物质通常以混合物的形式存在。

一般存在于板式换热器里的污垢按照结垢形成的沉积机理，大致分为以下六种，了解并熟悉这些污垢的形成原理和方式，有利于在防垢时对症下药。

①析晶污垢指过饱和溶液中的无机盐，例如：Li2SO4、NaCl、CaSO4、CaCO3、Ca(OH)2、Mg(OH)2和Na2SO4等，在换热器表面以结晶形式附着。②微粒型污垢指悬浮于流体中的固体微粒，因重力作用而沉淀，即沉淀污垢和胶体微粒的沉积。③化学反应污垢指在换热表面发生化学反应而形成的污垢，换热表面不参与。④腐蚀型污垢指具有腐蚀性的流体或流体中有腐蚀性的杂质对换热表面腐蚀后所产生的腐蚀物聚积所形成的污垢。⑤凝固型污垢指流体在过冷换热面上凝固而形成的污垢，温度分布是否均匀对这种污垢影响很大。⑥生物性污垢指微生物和有机物附着于换热面上而形成的污垢。一般黏泥会为微生物提供繁殖条件，在适宜的温度下，可发展成一定厚度的垢层。

1.2 污垢的形成过程

首先是一个沉积的过程，污垢从流体中缓慢沉积在表面，第二个过程是沉积的力和剥离的力相互竞争，当前者大于后者时便形成了污垢。

1.3 污垢的影响

污垢的热导率极低，根据串联热阻公式：

由（1-1）（1-2）[1]得知，越高，则污垢热阻影响也越大。污垢的主要影响有：它属于不良导体，影响传热；如果太多的污垢聚积在设备的表面，会让腐蚀变得更加剧烈，造成设备穿孔；若污垢在换热器内部聚积，使得流体的流道截面积变小，流体的阻力增大，设备的消耗功率也随之增大，总能量消耗增大；污垢多了需要清洗，设备停运，也会带来一定量的经济损失[1]。

2 污垢的防止

根据板式换热器的特点和污垢形成机理，可以从设计、应用、阻垢剂、水质处理等方面防止污垢的产生。

2.1 板式换热器的特点

板式换热器（如图1所示），是由一系列金属片组合叠起的换热器，通过板片进行传热。板片的四角均有圆孔，圆孔内形成通道供流体流过而达到能量交换的目的。板片厚度为0.5～3mm，金属片多是波纹或者槽形。板式换热器因结构紧凑，热效率高，热损失小，板片的加工和制造相对比较容易，使用寿命长，轻巧，体积小等优点，在供暖、制药、电力等工业中得到广泛应用。缺点是使用中易结垢，需频繁拆卸和清洗，泄露可能性大，有些垫圈材料的性质也会影响传热能力。

图1 板式换热器外观

2.2 设计板式换热器时的注意事项

采用简单的设计，板片结构越简单，死角越少，越不容易藏污纳垢，设备后期的清洗维护越简单。设备运行过程中应当采用一个符合运行条件下的压力值。压力越低污垢越容易沉积，保证流速则会加大对污垢的剥蚀力。

2.3 阻垢剂的选用

添加阻垢剂也是防垢的一种方法，通常情况下，阻垢剂的作用分为两种，一种是阻垢剂与污垢直接反应，阻止或减少污垢产生；另一种是对碳酸钙晶体生长动力学过程有干扰作用从而减少碳酸钙的形成。从污垢的形成机理来说，利用阻垢剂将难溶钙镁盐中的钙镁离子置换出并稳定在水中，抑制了垢的沉积；对有些无机垢的结晶形成干扰，晶体会发生畸变，内部应力增大，从而使晶体容易破裂，阻碍了垢的生长[2]。

阻垢剂类型可分为单效型阻垢剂和复合型阻垢剂。目前，比较常见的阻垢剂大多都是多功能复合型，其具有抗氧、分散、钝化和缓蚀等多种作用。常见复合型阻垢剂有磷酸盐、缩聚磷酸盐、氨基多羧酸盐、表面活性剂和聚合物等五大类。阻垢剂的选择和加入量应根据污垢的性质和结垢程度，再遵循经济有效的原则结合实际来确定。

2.4 水质处理

在换热系统中，以水为热媒的系统使用最为广泛。在水为热媒的系统中，对水质的处理尤为重要，做好水质处理，可以大幅度减少系统产生污垢产生。在实际应用中，水质处理主要采用两种软化处理方式：

2.4.1 钠离子交换软化处理此方法是用钠离子交换去除水中钙镁离子，去除钙镁盐类的水垢，从而达到对循环水进行软化处理。

2.4.2 弱酸离子交换树脂脱碱软化处理弱酸离子交换树脂只与水中CaHCO3、MgHCO3发生交换反应转化为H2CO3，基本可以除去水中80%以上碳酸盐的硬度。

钠离子交换软化处理适用于原水碱度低的时候，只软化不要求脱碱；弱酸离子交换软化处理只能去除碳酸盐硬度，软化不够彻底。所以常常将两种方法联合使用，能达到既去除碱度又去除硬度的效果。

3 板式换热器污垢的清洗

由于板式换热器内部通孔径小，容易结垢堵塞。当加入阻垢剂也不能完全解决问题时，应当定期清洗。为了减少换热器结垢所带来的经济损失，确定适当的清洗方法和计划则是下一步需要考虑的问题。一般采用的清洗方式有以下几种。

3.1 机械清洗

机械清洗是常用的方法之一，以下简单介绍用高压水枪清洗的方法。

目前已被广泛采用于各领域设备清洗、清垢、除锈、解堵等。用水作为工作介质，利用清洗设备，高压水枪，利用水的高压直接冲洗设备上的污垢。此方法损耗量小，效果明显。设备由高压泵、调压阀、喷枪、水管等组成。高压泵通过对水的吸、排，到达喷嘴并形成一股能量，转化为速度之后形成射流，将垢层击穿击碎，速度越大，效果越好。由于金属硬度高，不会对设备产生射流切割作用。冲洗时可配合软毛刷，彻底清刷一遍板片。

机械清洗的优点是：作业时间短，速度快，效果好，除垢能力强，不污染环境，损害小。缺点是：需拆开和安装设备，工作量大，且中断设备运行，用水量大，需要较大的动力源，对腐蚀严重的板片容易造成击穿。

3.2 化学清洗

化学清洗是使用药剂使污垢溶解、剥离而被清除的方法。一般采用酸洗，酸洗的原理是使得污垢能被溶解、剥离、气掀和疏松的作用。常用的有机酸有：草酸和甲酸等；无机酸有：盐酸和硝酸等。用盐酸和硝酸作为清洗液，容易对板片产生强腐蚀，缩短换热器的使用寿命。从实际清洗的结果看，选择甲酸与草酸清洗，效果最佳[3]。

3.2.1 甲酸清洗。利用甲酸进行板式换热器清洗效果较好，如果在甲酸清洗液中加入适量的缓冲剂和表面活性剂，清洗效果更好，并可降低清洗液对板片的腐蚀。通过配好的清洗液浸泡，甲酸能够有效地清除附在板片上的污垢，同时它对换热器板片的腐蚀作用也很小。

甲酸清洗工艺要求：

温度：提高温度会利于除垢，60℃为最佳，太高会使得酸对板片造成腐蚀。

浓度：甲酸81%，水17%，缓冲剂1.2%，表面活性剂0.8%。

钝化：酸洗结束后崭新的金属表面极易腐蚀，应当对板片进行钝化处理。

甲酸清洗步骤：

冲洗：在进行酸洗前，先要将设备用循环水进行冲洗，去除表面附着的松软杂质、污垢、泥沙等物质，提高酸洗效果的同时还能节省耗酸量。

加入清洗剂：将清洗剂加入清洗设备，再注入板式换热器中，开始酸洗工作。

酸洗：浸泡2小时后，再动态循环3～4小时，并每隔半小时进行正反交替清洗，如果酸洗结果pH大于2，则表示清洗剂可以再次使用，pH小于2要中和排出去。

碱洗：酸洗后将磷酸三钠、软化水按照一定的配比进行匹配，再次利用动态循环的方式将换热器进行清洁，目的是为了（能够酸碱）中和残留的酸，而不会损伤设备。

水洗：以上步骤完成，用软化水再清洗半小时，确保将内部的杂质彻底清除。

记录：主要将各个步骤时间进行记录，最后检查清洗效果。

3.2.2 草酸清洗。草酸清洗工艺要求：温度：水温小于16℃。浓度：3%～5%。进出口阀：必须关严，防止溶液进入系统。

草酸清洗步骤：将换热器进、出口阀门里安装注水阀门，不用拆开换热器，根据换热器的使用经验注入3%～5%的草酸注入设备中，利用循环泵进行循环清洗。循环清洗两次，一次3～4小时即可。再用2%磷酸三钠清洁后，清水冲洗两次即可。掌握时间做好记录，最后检查清洗效果。

草酸与甲酸的使用量根据经济环保并结合实际情况而定。化学清洗的优点是：清洗效果好，对于顽固污垢有很强的剥蚀力，浸泡基本无死角全方位都能涉及。缺点是：要考虑废液处理，考虑化学药剂的费用，清洗作业时间较长，工作人员作业量大。

3.3 在线冲洗

在线冲洗也可称反冲洗，是指改变换热器中水的流向达到清洗的目的，效果比正冲洗好，速度要达到正常运行流速的1.5倍左右才能有效果，反向往往能松动或冲走软垢等。其优点是：反冲洗不用拆卸换热器，方便快捷，操作简单，在应急除垢时可以使用。缺点是：除垢不太彻底，只能用来除去部分污垢，对于硬垢和沉积物，则效果不明显。

4 结束语

在北方地区供热站，换热设备每年冬天都要使用，所以板式换热器的防垢除垢工作相当重要。除垢技术被广泛应用于各个供热站，应用范围也在不断扩大。除了在运行中抓紧防垢工作外，每当冬季供暖结束后，为保证下一次供暖的顺利，都应进行板换的清洗除垢工作。板式换热器离不开人为的清洗维护保养，在供暖系统运行维护中除垢极为重要，它为强化传热，节电节水，减少污染都带来了不小的作用，为换热设备的正常安全运行提供了可靠的保证，从而获得明显的经济与社会效益。