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换热器物理防垢技术的研究及其应用点击：1796 日期：[ 2014-04-26 21:58:16 ] |
| 换热器物理防垢技术的研究及其应用 刘 波1,王达友2,吴云锋1 (1. 91872部队,山东青岛 266012; 2. 92538部队,辽宁大连 116041) 摘要：舰船上换热器、锅炉的结垢现象十分普遍,目前较多采用化学防垢和定期除垢方法, 效果不理想。文章介绍了主流物理防垢技术的现状和应用发展,并对物理防垢技术在舰船上的应 用做了分析与展望。 关键词：换热器;物理防垢;应用 中图分类号：U673 文献标识：C 文章编号：1001-8328 (2009) 04-0037-04 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, 90%以上的换热器都存在不同程度 的污垢问题。所以,防垢技术的研究倍受科学界和 工程技术人员的关注。目前,工业上所用的防垢方 法可分为化学法和物理法。下面介绍几种物理处理 技术的特点和现状。 1 磁场防垢 磁化水处理技术得到广泛的研究和应用,取得了显著的经济效益。但是,复杂的多相水系统使磁 化水处理机理的深入研究变得尤为困难,至今还没有形成统一的理论。现有的机理大致可归为以下几种:磁致胶体效应、水分子簇团畸变效应、分子/离子间相互作用效应、污染物效应等。 研究表明,磁场可在某种程度上改变水及其溶液的部分物理化学性质,如降低电导率、表面张力、胶体颗粒的ζ电位,使pH值发生变化等,并直接影响垢质的形成和生长。其效果表现在减少垢质的沉积、去除已生成的垢或生成疏松的软垢,而且磁场的效果不依赖于水质,也不会改变水的成分。 研究发现湍流情况下磁场能促进松散的文石而 不是方解石的生成。正是因为磁场的这种作用,磁 处理能防止水中硬垢的产生,生成疏松的软垢,并 能使已成硬垢的方解石转变成文石,随流动的介质 排走,从而达到防垢除垢的效果。 20世纪80年代末至90年代初,磁防垢除垢技 术先后在我国的大庆、辽河、玉门、华北、新疆、 胜利等油田进行了现场实验和应用,在节能降耗、 减少环境污染等方面取得了显著的经济和社会效 益。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。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。 目前在欧洲应用最广的电磁防垢器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。我国也有类似产品。 磁场防垢装置最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,磁场处理有广阔的使用前景。 2 电场防垢 电场水处理技术是现代工业领域里最新技术之 一,在20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。20世纪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,用于蒸汽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。 电场水处理技术分为静电场和高频电场两类水处理方式。 1)高压静电式。通常安装在设备的进水口管道 上,水中溶解的离子,随着水流经水处理器的高压 静电场时,正、负离子在静电场库伦力的作用下, 彼此作相向运动,相遇概率增大,正、负离子在静 电引力作用下,互相吸引,也复合成“溶解状态的 溶质分子”。被静电场处理过的水,进入升温环境, 发生的析晶过程与磁场式水处理器基本相同。高压 静电式水处理器的主要优点:结构简单,使用方便, 有效期比较长。主要缺点:直流电压高达几千伏, 容易发生漏电,安全性比较差;静电场强度有限, 也不适于高硬度水质和大流量设备使用。 2)高频电磁场式。利用高频电磁场中的电场 能和磁场能共存的特性,集永磁式和高压静电式水 处理器二者的优点于一身。水中的正、负离子在高 频电磁场作用下,显著提高了正、负离子相遇、相 碰撞的概率,更容易复合成“溶解状态的溶质分 子”。经过高频电磁场处理过的水,进入升温环境, 发生的析晶过程与永磁式相似。生成大量颗粒状态 的水垢,失去了与器壁吸附的能力,随着排污,被 排出设备之外。原则上,高频电磁场的辐射功率 “无上限”,因此,高频电子式水处理装置,特别 适用于大流量、高硬度的循环水系统。尤其适用于 集中供热站的大型热交换器,以及火力发电厂复水器的循环冷却水系统。 3 超声波防垢 超声波防垢技术主要是利用超声波强声场处理 流体,使流体在超声场作用下,产生空化效应、活 化效应、剪切效应、抑制效应,其物理形态和化学 性能发生一系列变化:空化效应产生的空穴和气泡 冲击垢层;剪切效应形成的剪切力作用于垢层,使 之松散、松脱,而不易附着管壁形成积垢;活化效 应提高了溶垢能力;微小晶核的大量、快速生成, 抑制了管壁结垢速度。 实际使用情况表明,超声波功率一定时,频率 低,作用时间长,防垢效果较好超声波频率一定 时,功率大,作用时间长,防垢效果较好。同时, 超声波防垢效果还与流体的流量与压力、液体的粘 度与温度、超声波电源发生器与超声波换能器的距 离即传输电缆长度、原已生成积垢的程度等因素有 很大的关系。超声波防垢器既能防止积垢形成,又 能破坏已有积垢,在循环冷却水系统、蒸汽轮机的 水冷凝器、空压机的水中冷器等设备中广泛应用。 4 声学防垢 声学防垢技术是在超声波防垢技术的基础上发 展而来的,该技术是利用积垢硬而脆的机械特性而 起作用的,是一项通过对积垢持续不断的在线剥落 来达到防垢效果的新型物理防垢技术。声学防垢装 置由信号发生器及磁致伸缩能量转换器(简称换 能器)组成,信号发生器产生的脉冲信号,经电缆传送至换能器转换成15~25 kHz的声频振荡,此 声频振荡沿着热交换设备的金属构件(如管板) 传送至换热面上,使换热面上附着的积垢,包括化 学处理时都难以除掉的含铁化合物,不断剥落下 来;管线的弯曲震荡会在残留水垢处产生切向机械 张力,使水垢产生裂缝,这样,水就会进入裂缝 中。裂缝中的水经炽热的管壁加热膨胀,在管线震 动产生的切力的共同作用下,水垢成块脱落,随水流带走。 另外,声频振荡从管壁传至水里而形成的声场 具有缩短诱导期、降低过饱和度的作用,可促使小 部分溶解于水中的盐直接在水中结晶化,生成了少 量粥样水垢沉淀物并随水流排走。 与超声波防垢技术比较,声学防垢技术使用瞬 时强脉冲输出,声频振荡完全由利用金属谐振由热 交换设备的金属构件导入传递给水介质,使防垢装 置的能耗、体积大大减小,造价降低,工作的可靠 性和使用寿命大为提高。 声学防垢装置安装极为简便,只需要在管板上 或锅筒外壳上(不需挖孔)焊一个连接头,拧上 换能器,接通信号发生器和电源即可;超声波防垢 技术需要安装向水里导入声波的水用能量转换器 通过空化、活化、剪切等效应达到防垢的目的,体积较大,造价较高。 声学防垢技术大量应用于各类以水为无相变换 热介质的热交换装置,这是声学防垢技术最广泛和 最主要的用途。声学防垢技术也同样应用于多种小 型蒸汽锅炉,如组合炉,水管炉,火管炉以及其它 加热装置等。 5 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,如光子与磁场协同防垢、激光与电场协同防垢、电磁场与过滤结合、电磁场与膜技术结合等。 6 在舰船上的应用前景 海军舰船的热交换循环系统较多,其结垢问题 也是困扰海军装备保障多年的老大难问题。如某型 驱逐舰动力系统主副锅炉炉管的炉水结垢,一直是 影响舰船锅炉性能和寿命的主要原因。在工作实践 中,炉管内壁腐蚀主要是水垢引起的,水垢均匀附 着在管壁内部,而水垢是一种盐类物质,具有较强 的腐蚀作用,造成管内壁的大量腐蚀,甚至被腐蚀 穿孔。 为了延长锅炉主副管的使用寿命,目前主要对提高炉水质量采取了多种化学处理方法,如化学软 化法、离子交换软水法,以及除盐、除氧、加磷酸盐等方法,还有改进造水技术、在工作中及时排污等方面。这些措施在一定程度上缓解了结垢情况, 但实践中由于各种原因,效果不大。如能在上水管路中采用物理防垢技术,就可以大大减轻水垢的附着,对延长寿命、降低油耗、节省经费、保持舰船动力性能有重要意义。 再如舰艇上蒸汽轮机的水冷凝器、空压机的中冷器、柴油机的冷却系统等,在使用中都存在结垢、性能下降的问题,目前采取在使用中添加阻垢剂、定期除垢等措施,如能在系统中加装既能防垢、又能除垢的物理在线防垢装置,就能够延长设备使用周期,提高设备的效能,降低维护保养经费,具有良好的推广应用前景。 目前物理防垢技术在船舶上应用还不够广泛, 究其原因,主要存在以下问题:①体积问题,某些 技术如超声波防垢技术,其装置的控制电源部分体 积较大,在军舰上某些部位安装存在一定困难;②干扰问题,一旦管道系统装有超声波流量计、电子流量计等装置,再安装超声波防垢装置、电场防垢 装置就会干扰流量计的使用;③噪声问题,声波、超声波振动会在管道系统内部传播,影响舰船的隐 蔽性;④技术适应性问题,各种物理防垢技术对使用环境有不同的适应性,要根据系统环境参数、介质、压力、温度、流态等参数合理选择防垢技术及装置;⑤一次性投入资金较大,但长期费效比优于 化学处理方法。 总之,物理防垢技术以其长效低费用、环保、 设备简单、维护方便等优点已经在工矿企业广泛应 用,相信通过技术研究,进一步改进设备,必将在 舰船换热器、锅炉等设备上发挥巨大作用,产生显 著的经济效益。 参考文献 [1]李红.换热器表面防垢技术的研究与应用进展[ J]. 化学工程师, 2008 (3). [2]李文忠,曹建国,王文江,等.声学防垢技术的发展 和应用[J].清洗世界, 2006, 22 (12) : 30?34. [3]郝兆山.电子水处理和静电水处理试验研究和应用 [J].河北化工, 1999, (2): 31- 34. [4]陈静杰,王彬,余国卫.高频电磁场防垢水处理技术 及其应用[J].沈阳理工大学学报, 2006 (1). [5]张昊,朱爱鹰.静电水处理器在鼓冷工段螺旋板换热 器中的应用分析[ J].能源研究与信息, 2000, 16 (4). [6]刘翠芬.超声波防垢器的原理及其应用[J].河南化 工, 2003 (12). [7]余涛,傅俊萍.超声波在线防垢、除垢与强化传热的 实验研究[J].湖南冶金职业技术学院学报, 2005, 5 (3). |
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