换热器设计中污垢热阻 对设计的影响 张平张蔚兰 （湖北登峰换热器有限公司湖北大冶４３５１ Ｏ０） 【摘 要】通过设定污垢系数的方法论证了污垢系数对换热器设计的影 响。要求用户在提出污垢系数时应当合理。合理的污垢系数对换热器的 优化设计、降低成本有重大决定作用。 【关键词】换热器污垢热阻污垢系数换热系数 在当前换热器市场日益激烈 的竞争中，一个问题日益突出，应 当引起足够的重视，那就是污垢 系数问题。污垢系数，即换热器使 用过程中污垢对换热产生的影响 程度。由于换热器传热面本身导 热系数很大，其热阻通常可忽略。 但如果壁面上结有污垢，则对传 热性能和压降影响很大，其热阻 有时可达到起控制作用的数量级。 据报道，一台结垢严重的冷凝器， 其有效的传热面积仅为清洁状态 的１／２。因此，在换热器设计中必须 考虑污垢热阻对传热性能的影响。 １传热系数的计算 在实际工作中，对于污垢系数 的选用，有三套标准：一种标准为 用户在设计换热器时就明确提出 的标准数值，参考国家标准，针对 工业用水、循环冷却水和洁净自 张平（１ ９６８一） 工程师。研究方向为换热器的设计和制造。 来水分别提出污垢系数要求；第二 种为项目技术人员提出的标准， 。０８ 。石油和化工设备ｌ ， 广场 由于担心换热器运行时传热性能 出水侧取污垢热阻后的传热系数 产品污垢系数的２倍，甚至３倍， 达不到要求，故将污垢热阻提得 是没有考虑污垢热阻时的传热系 这样，就会让人对以往那种对污 很大；第三种为换热器设计单位提 数的０．８５倍，比较设定一和设定 垢系数的考虑方法是否适用和得 出的参考值，在以往换热器设计 三，可知气侧和水侧都取常规污 当发生疑问。为此，仍拿上面的 种冷却元件来做计算比较： 中，用户一般习惯不提污垢热阻 垢热阻时的传热系数是没有考虑 设定四，气侧污垢系数ｒｋ＝０， 的要求，在换热器设计计算过程 污垢热阻时的传热系数的０．８ ４ 中不考虑污垢热阻的影响，只在 最后取传热系数时取０．８５的系数 （即取计算值的８５％）作为考虑污 垢热阻后的最终传热系数。 对于实际选用的污垢系数标 准是否合理，下面以常用的一种 冷却元件做一个计算比较，以便 共同探讨： 设定一，气侧换热系数ｈｋ＝６５．５ Ｗ／（ｍ２℃），水侧换热系数ｈｉ＝７３５３ Ｗ／（ｍ２ ｑＣ），肋化系数 ＝１９．７，换热 管壁厚６＝０．Ｏ０１［Ｉ１，换热管导热系 数 ＝３９ Ｗ／（ｍ ｃｃ），气侧污垢系数 ０，水侧污垢系数 ０，计算换热 器传热系数Ｋ，代入各数值计算： ＝ ＋ ＋ 要＋ ＋）＝５４２Ｗ／（ｍ￣ｏｃ， 设定二，气侧污垢系数ｒ ＝０，水 侧污垢系数ｑ＝Ｏ．０００１７２ ｍ ℃／ｗ（洁 净自来水时所取的污垢系数），其 余条件与设定一样，代人计算： ＝ ＋ ｗ 设定三，气侧污垢系数ｒ ＝ ０．０００１７２ ｍ２￣Ｃ／Ｗ（常压空气），水 侧污垢系数ｒｔ＝Ｏ．０００１ ７２ ｍ ｃＣｌ／Ｗ（洁 净自来水时所取的污垢系数），其 余条件与设定一样，代人计算： ＝ ｈａ＋，．＋ Ｊ／ ～ 比较设定一和设定二，不难得 ，２ Ｉ石油和化工设苗 ．ｏ０引 倍，这说明原来习惯上取的０．８５ 的系数是合适的，同时还说明我 们管片式热热器计算中气侧的污 垢热阻比水侧的污垢热阻对传热 系数的影响小，气侧污垢热阻对 总体传热系数的影响可以忽略不 计，也就是说管外污垢热阻比管 内污垢热阻的影响小。这就说明 在过去我们常规设计中，取０．８５ 倍的传热系数是得当的和可行的， 也是考虑污垢热阻时最简便的一 种经验方法了。 ２污垢对传热的影响 近几年随着我国换热器行业 产品的快速发展，换热器产品使 用条件和换热器产品客户发生了 根本的改变，用户对换热器产品 设计提出了更高、更严、更具体的 要求，如产品压力、面积、体积和 工艺介质方面都与以往大不相同。 最明显的一点，用户在水的污垢 热阻都提出了更明确的要求，明 确提出水的污垢热阻是０．０００３４４ Ｉ／１２．￣Ｃ／Ｗ（是原来洁净自来水的２倍， 这一般是用户的最低要求）、０．０００４ ｍｚ℃／ｗ，有的甚至提到了０．０００５ ｍ ｚ℃／ｗ。气侧一般是压缩空气， 用户一般没有明确提出要求，但 按《换热器原理及计算》书中明确 规定其污垢热阻０．０００３４４ ｍ ’℃／Ｗ。 从这些数据看出污垢系数是常规 水侧污垢系数ｇ＝Ｏ．０００３４４ ｍ ￣Ｃ／Ｗ， 其余条件与设定一一样，代人计 算： ＝ ＋ ｗ ６ ℃ 与设定一比较，设定四的传 热系数是设定一传热系数的０．７３ 倍； 设定五，气侧污垢系数ｒｋ＝０， 水侧污垢系数ｒＩ：０．０００４ ｍ ￣Ｃ／Ｗ， 其余条件与设定一一样，代入计 算： ＝ ＋ ｗ 瑚 ℃ 与设定一比较，设定五传热 系数是设定一传热系数０．７０倍； 设定六，气侧污垢系数ｒｋ＝０， 水侧污垢系数 ０．０００５ ｍ ℃／ｗ， 其余条件与设定一一样，代入计 算： 专 ＋ ３脚 ℃ 与设定一比较，设定六传热 系数是设定一传热系数０．６５倍； 设定七，气侧污垢系数ｒ ，＝ ０．０００３４４ ｍ２￣Ｃ／Ｗ，水侧污垢系数 ｒｌ＝Ｏ，其余条件与设定一样，代入 计算： 扣＋ － 与设定一比较，设定七传热 数计算方法是不适用的，而应该 态沸腾，不仅使传热大为削弱、 系数是设定一传热系数０．９８倍； 设定八，气侧污垢系数ｒ ０．０００３４４ ｍｚ一％／Ｗ，水侧污垢系数 热器设计中必须考虑由于污垢热 还会起到腐蚀剂的作用，在壁温 在换热器设计中根据具体不同的 污垢迅速发展，甚至会使传热面 污垢系数具体计算。因此，在换 过热毁坏。此外，多孑Ｌ的沉积物 ｒ ＝０．０００３４４，其余条件与设定一 阻使传热削弱的补偿措施，如加 高时会加速金属的腐蚀；结垢物 样，代入计算： 意＋，｜＋ ＋ ９－ｌＷ／（ｍ ℃） 与设定一比较，设定八传热 系数是设定一传热系数０．７２倍； 与设定四比较，设定八传热系数 是设定四传热系数０．９９倍； 设定九，气侧污垢系数ｒｌ＝ ０．０００３４４ ｍｚ一％／Ｗ，水侧污垢系数 ０．０００４，其余条件与设定一样， 代入计算： 删℃） 与设定一比较，设定九传热 系数是设定一传热系数０．６９倍； 与设定五比较，设定九传热系数 是设定五传热系数０．９９倍。 从上面几种污垢热阻组合计 算比较，可以看出水侧取不同污 垢热阻时，对传热系数的影响是 不同的，并且都超过了原来的 ０．８５的系数，当水侧污垢系数ｒ。＝ ０．０００３４４ ｍ ℃／ｗ时，系数变为 ０．７３；当水侧污垢系数 ０．０００４ ｍ ｃｃ／ｗ时，系数变为０．７０；当水侧 污垢系数ｒ．＝０．０００５ ｍ ￣Ｃ／Ｗ时，系 数变为０．６５；总之水侧的污垢热 阻大大削弱了传热性能。套片式 换热器气侧污垢系数改变时，传 热系数变化不大，也就是说气侧 污垢热阻对传热系数影响仍然可 以忽略不计。显而易见，可知现 在设计计算中仍按原来取０．８５系 大流速、总平均温差或传热面积 质还会在金属表面上形成氢或氧 等。这样，在换热器设计中，如 的浓差电池导致“垢下腐蚀”。 何考虑污垢的影响，往往成为换 恰当选用污垢系数涉及物理 热器设计成败的关键因素。 和经济两个因素。物理上考虑的 因素有：流体和沉积物的性质。流 ３选用污垢系数 体温度管壁温度；管壁材料和光 洁度；物体流速以及清洗周期。经 了解了污垢对传热的影响，在 济上应考虑的因素有：换热器生 产品设计中，到底取多大的污垢 产成本；费用随尺寸而变动的情 热阻是合理的？有人认为选取较 况；必要的清洗周期；清洗费用， 大的污垢热阻比较可靠，其实这 包括生产损失在内；折旧费；税 往往会带来更严重后果，因为在 率；正常维修费用；输送泵费用 传热量一定的条件下，势必要加 及能耗；要求的投资回收期。最 大传热面积或总平均温差，从而 佳的设计污垢热阻应在技术经济 增加换热器成本。而传热面过大 比较中使初投资折旧费（随污垢 会导致热流体出口温度过低、冷 热阻增加而增加）与清洗和停运 流体出口温度过高，这不仅影响 费用（随污垢热阻增加而减少） 工艺要求，而且有时在运行中为 所构成的费用总额为最小。 避免此结果常将介质流速降低、 由于缺少换热器在实际使用 致使壁面温度上升，这样反而促 过程中的结垢情况数据，建议各 使污垢更迅速地增长；同样平均 生产厂家切实做好产品售后服务 温差过大，就要求提高热介质温 跟踪，特别是要通过多渠道，多 度或降低冷却介质温度，导致介 方式收集结垢数据。这样才能在 质与壁面的温差加大，结果也是 今后的换热器设计工作中设计出 促使污垢增长，特别是沸腾蒸发 更好、更有竞争力的换热器产 受热面，温差过大有可能出现膜 品。幽 …换热器原理及计算【Ｍ】．北京：清华大学出版社１ ９８５ ｏ０。． ．石油和化工设备』 ３