蒸发器的清洗技术.doc

湖南工业大学 毕业设计开题报告湖 南 工 业 大 学本科毕业设计（论文）开题报告 （2014 届）学 院（部）： 机械工程学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 班 级：过控1001 学号10405700517 指导教师姓名： 职称 教 授 2013年 12 月 30日240kw自然循环自动清洗式再沸器实验装置系统与冷凝器的设计题目：自然循环自动清洗式再沸器试验装置系统与冷凝器的设计一. 研究意义蒸发式冷凝器是一种高效节能的换热设备，是冷库制冷系统的关键设备之一，由于传热效率高，结构紧凑和安装方便等优点，目前已经在制冷系统中得到广泛的应用,其能否正常工作,直接影响冷库制冷系统的运行效率。根据调查，美国和加拿大的62个公用冷库制冷装置中，应用蒸发式冷凝器的约占 81%。上世纪 80年代起，我国的化工行业和食品冷库工程也开始采用蒸发式冷凝器代替水冷式冷凝器，二十多年来的应用实践证明它有明显的节能效果。然而在冷凝器工作一定时间后,水冷式冷凝器的表面会结垢,无形中使管壁增加了一层厚度。由于冷凝器钢壁的导热系数较大50/(),而水垢的导热系数很小=1.21.4/(),只有前者的2.4%2.8%。这样,就导致冷凝器管壁的传热热阻增加,使冷凝器的冷凝效果恶化,冷库制冷系统效率下降。冷凝器水侧结垢的原因是多方面的:一些不同分散度的固体颗粒物质的粘结;多组分过饱和溶液中盐类结晶的析出;有机胶状物和矿质胶状物的沉积;某些物质的电化学腐蚀以及微生物尸体、分泌物等。这些混合沉淀形成了污垢,其中冷却水里面的溶解盐类(如重碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氯化物、硅酸盐等)是产生固相沉淀是结垢的主要原因,其形成固相沉淀的条件是:(1)随着温度的升高,某些盐类的溶解度下降,如(3)2、()2、3、4、3(4)2、3、(3)2、()2等;(2)随着水分的蒸发,水中溶解盐类的浓度增高,一些盐因过饱和而析出;(3)被加热的冷却水中产生化学反应,或者某些离子形成另一些难溶的盐类离子。具备了上述条件的某些盐类,首先在冷凝器水侧的金属表面沉积出原始胚芽,然后逐渐变为颗粒,具有潜晶形或无定形结构,互相聚附,形成结晶或聚团,直至在传热表面形成水垢。这些水垢都由无机盐组成,结晶致密,比较坚硬,故又称无机垢或硬垢。它们通常牢固地附着在冷凝器的传热表面上,不易被水冲洗掉。另外,不溶性盐类的泥状物、胶状氢氧化物、腐蚀产物、杂质碎屑(颗粒细小的泥沙、尘土、铁锈、氧化皮)、油污、菌藻的尸体及黏性分泌物等组成的污垢,本身不会形成硬垢,但它们在冷却水中起到3微结晶的晶核作用,加速了3结出的过程。当含有这些物质的水流经冷凝器的传热表面时,容易形成污垢沉积物,特别是在流速较慢的情况下,污垢沉积物更多。这些沉积物一般体积较大,质地疏松稀软,故又称为软垢。它们是引起垢下腐蚀的主要因素。当防腐措施不当时,冷凝器的传热表面经常会有锈瘤附着。其外壳坚硬,内部疏松多孔,且分布不均。它们常与水垢、微生物黏泥等一起沉积在传热表面上。这些锈瘤状腐蚀产物形成的沉积物,除了影响传热外,更严重的是助长某些细菌的繁殖,最终导致传热表面腐蚀而穿孔泄漏。有资料统计,冷凝器水侧表面1.5的水垢,会造成冷凝器温度升高约2.8 ,使制冷系统功耗增加9%10%,从而增大了冷库企业的运行成本。结垢还会腐蚀设备,缩短设备使用寿命。一般壳管式冷凝器使用12年后,必须除垢,以保证系统正常运行时水垢厚度不超过1.5。如果冷凝器采用自动清洗装置不仅能提高它的工作效率，还大大节约了生产成本和降低了能量损耗。例如立式水冷器是一种广泛应用的通用热交换设备（有数万台之多)其中最多的是制冷系统的立式冷凝器，立式水冷冷凝器中冷却水的温差设计一般为(2-4摄氏度)。对数十厂家的现场调查实测)相当多企业的水冷冷凝器的管内污垢达（1-2mm）,冷却水进出口的水温差只有1摄氏度.左右)实际运行效率远低于设计的效率。冷却管内的水垢无疑是低效运行的一个重要原因。为了使实际测试数据有比较好的代表性，选取某省化工行业中管理水平和效益都是最好的一家中型氮肥厂)共有12台大连冷冻机厂的冷凝器)采用加药处理的循环冷却水.取其两台并联的设备)一台采用自动清洗技术)一台没有采用自动清洗技术。自动清洗14天以后)作者与厂方共同进行对比测试。测试结果如下：清洗14天后为洁净无垢.用清洗前后的传热系数就可以计算出管内水垢占总热阻的比例为47.7%，可见管内水垢的热阻成为影响运行效率的主要矛盾，若不有效地控制其形成，许多管内强化传热措施（如螺纹管）将变得意义不大。因此，冷凝器官内污垢自动清洗技术的研制对于有效提高水冷冷凝器运行效率，节水节能具有重要意义。而且水冷壳筒式热交换器也在HVAC 的主机设备被大量应用，是冷冻机运转过程不可缺少的一项配件。由于热交换器需要藉冷水冷却气体冷媒，使气体冷媒还原成液体冷媒，以便完成冷冻循环的周期。热交换冷却过程，冷却水的冷却作用会诱导出水垢的沉淀积沉并逐渐附着于管内壁，造成热交换效率衰退，浪费能源的消耗，大量降低冷冻机的COP 值。利用ATCS 的系统装置，可以有效连续清洁热交换器的管内壁，保持热交换器的管壁污垢系数维持定值，使热交换器的管内壁干净清洁而无污垢，这个效益将可以提升5%到15%以上的能源节约效率。更时尚的说法，冷冻主机装置ACTS 于冷凝器入口端，则每1000RT 冷冻主机，每一年可以减少温室效应的CO2产量达600Tons，有很好的节能减碳效益。除了冷凝器的自动清洗除垢技术的发展和利用会影响生产效率和经济效益，冷凝器与再沸器装载系统的配套系统也是重点之一。常规蒸馏塔具有1股进料，1个塔顶冷凝器和1个塔底再沸器。冷凝器的温度最低而再沸器温度最高。但是中间冷凝器是在塔顶和进料板之间，即在精馏段适当位置外设冷凝器，将塔内上升气体引出，冷凝成液体后再返回塔内；中间再沸器是在塔釜和进料板之间，即在提馏段适当位置外设再沸器，将塔内下降液体引出，加热成气相后再返回塔内；这样中间冷凝器和中间再沸器就无须采用如同塔顶冷凝器和塔釜再沸器那样高品位的冷剂和加热介质，从而有可能使用品位和价格较低的冷剂和热源，节省了操作费用。尤其是在冷凝器使用低温冷剂和再沸器使用高温热源情况下，费用节省尤为显著。此外，由于中间换热器的设置使得操作线更靠近平衡线，减小了蒸馏过程的可逆性，提高了热力学效率。中间冷凝器和中间再沸器统称为中间换热器。中间再沸器的使用并不能改变或减少总的再沸器加热负荷，只不过将一部分热量移往温度级别较低的提馏段；同样中间冷凝器的使用也不能改变或减少总的冷凝器冷却负荷，仅仅是将一部分冷量移往温度级别较高的精馏段。当装置中存在可利用的废热或冷剂时，使用中间换热器的节能效果尤其明显。二.研究现状 早在上世纪20年代，就有关于污垢的观察与报告。第六届国际传热大会将污垢作为大会的主要论题，在这次会议上，Epstein作了污垢的专题报告，对以前的污垢研究工作作了全面的系统评价，并提出了按支配污垢沉积的关键物理化学过程，Epstein提出的污垢模型集中体现了各类污垢的共同特性，发现用于解析一种类型污垢的理论实际上也可用来作为解析其他类型污垢的基础，这就为发展统一的污垢理论奠定了基础。至二十世纪八十年代，污垢问题仍然是传热学中未被解决的主要难题，人们在换热器设计上仍沿用超余设计的保守办法来处理可能产生的污垢问题。冷凝器的自动清洗技术发展的基本介绍：2.1物理清洗方法2.1.1高压水射流清洗高压水射流清洗技术是近年来在西方发达国家普遍应用的高科技清洗技术,目前在国内也逐步得到使用。所谓高压水射流清洗就是将普通自来水通过高压泵增压到107109,然后通过特殊的喷嘴(孔径12),以极高的速度(500/左右,超音速)喷出能量高度集中的小水流,在能量由势能转化为动能后,小水流对水垢进行撞击、磨削、楔劈、粉碎和剥离。它能够清除金属锈泥,更能除掉管内污垢及各种堵塞物。利用这种具有巨大能量的水流进行清洗,即为高压水射流清洗。由于是采用普通自来水清洗,所以对设备管材无任何腐蚀。高压水射流清洗技术同时具备不污染环境,清洗能力强,可实现三维清洗和节省能源等优点。高压水射流清洗虽然可以达到一定的清洗效果,但高压水射流对冷凝管,特别是对铜管的冲蚀相当严重,同时,高压水易使铜管变形,对结垢严重的冷凝器清除效果不明显,并且高压清洗设备的造价高,易于损坏,维护困难,检修费用也很高,因此该方法仅适用于传热管为无缝钢管的各种冷凝器清洗。2.1.2胶球清洗胶球清洗系统由特殊的海绵球(橡胶海绵球、剥皮胶球、金刚砂胶球、金刚砂海绵胶球等)、小球分离器、小球回收器、滑管等构成。其工作原理是向冷凝器冷却水注入特殊的海绵球,利用水流把小球压入管内,边运转边清洗管内污垢,不需要动力源,大大节约了电力消耗。胶球清洗采用清洗系统与冷凝器冷却水系统并联的方式,需经常投入使用。一般只能清除软垢,一旦使用不及时,结成硬垢就不能有效清除,而且胶球清洗系统复杂,收球率低,现在许多使用单位都将该系统废除。胶球清洗一般适用于闭式的壳管式冷凝器系统清洗。2.1.3清洗机清洗清洗机清洗是以清洗刷或刮刀滚刮。清洗刷或刮刀与软轴一端的清洗杆相联,另一端接在电动机轴上,操作时把清洗刷或刮刀插入冷凝器的传热管内,启动电动机,使清洗刷或刮刀在传热管内边滚边刮,并用自来水冲洗,使刮下的水垢或其它沉积物随压力水冲掉(此法仅适用于钢制传热水管)。该方法与以上几种方法一样,都属于物理清洗,其优点是可以省去化学清洗所需要的化学清洗液费用,同时避免了化学清洗后清洗废液的处理和排放问题,不易引起冷凝器的腐蚀。该方法的缺点是,此方法需要把冷凝器的两端盖拆下后进行,清洗操作比较费工,操作不当还容易引起冷凝器表面损伤。因此,在采用该方法进行清洗操作时,必须注意保护冷凝器传热管端的焊口,以防抖动而振松焊口。2.2化学清洗化学清洗是通过化学清洗剂的作用,使冷凝器传热管表面的水垢和其它沉积物溶解、脱落或剥离的一类方法。此方法的特点是清洗时间短,除垢彻底干净,是一种目前使用最为广泛、有效的清洗方法。进行清洗操作前,首先关闭冷凝器的进、出水阀门,放尽器内水,在冷凝器的冷却水进、出管道上各焊接一个尺寸合适的阀门(清洗结束后此阀门可留在管道上,待下次清洗时再次使用),把清洗桶(槽)和耐酸泵与冷凝器连接成一个临时闭合回路,然后按照一定比例(按循环水10%20%)将清洗溶液倒入清洗桶(槽),启动耐酸泵,使清洗溶液强制循环12或静泡36,水垢和其它沉积物由于受到清洗溶液的化学作用和冲刷作用而从传热管中溶解和脱落。清洗溶液选用市售水垢清除剂(如克垢)。这类产品内含强力清洁剂,高效缓蚀剂及高能镀膜剂,对水垢和其它沉积物具有彻底清洁功能。并对金属无腐蚀作用,还能在清洗后的金属表面形成保护膜,清洗后无需进行酸碱的中和处理,只需用自来水冲洗即可结束。化学清洗方法需要清洗溶液强制循环12或静泡36,所以比较适用于卧式壳管式冷凝器的清洗。2.3电子除垢电子除垢是使冷却水通过电子水处理仪清除水垢的方法,即在冷凝器的进水管道上安装使用电子水处理仪。电子除垢的工作原理是利用电子仪器产生高频电子信号,使水经过水处理仪后其物理结构发生变化,原来的缔合链状大分子断裂成单个的水分子,溶解盐的正负离子被单个水分子包围,运动速度降低,有效碰撞次数减少,静电引力下降,从而在受热管壁上无法结垢,达到了防垢目的。同时,由于水分子偶极矩增大,使水中溶解盐的正负离子吸合能力增大,使受热管壁上原来的水垢变得松软、脱落,因此又具有除垢的作用。另外,溶解于水中的氧经过高频电磁场处理,成为惰性氧,抑制铁锈生存,切断微生物的氧气来源,达到防腐阻蚀、杀菌灭藻的作用。由于电子除垢仪只需安装在冷凝器的供水管道上,因此任何形式的冷凝器都可以方便地安装使用。2.4冷凝器自动清洗设备技术主要系统有三；棉球式 巨观的机械式,尼龙刷式 巨观的机械式,电双层 微观的物理化学式,前二种方式为传统的机械式，最后者为先进的物理化学方式。兹详述如后；2.4.1 棉球式该装置问世以来已经有五十余年的历史。50 余年前，在1953 年，德国人Ludwig Taprogge 及Josef Taprogge 兄弟发明，用于水冷壳管式热交换器的节能与热效率提升，1996 年以色列CQM 公司改良Taprogge 系统另为一套新颖的系统。在棉球式的热交换器自动清洗设备系统，分别以Taprogge 或CQM 为该系统主要商业用语的代表。另外一个于1996 年由以色列CQM 公司改良Taprogge 系统另为一套新颖的系统。其系统的设备装置如下图； 图2 CQM 棉球式冷凝器自动清洗系统的原理、操作及该系统所分成四阶段的循环运作圆球材质为天然橡胶，具有弹性及良好耐磨特性，并选择稍大于管径之型号，故可彻底清洁管壁。根据流体力学原理，单一管路不会同时有多颗圆球进入，故所有圆球将平均分布通过不同管路，依或然率最终所有管路均会有圆球通过清洗。2.4.2 尼龙刷式1974 左右，美国WSA 开发以尼龙刷为主件的管刷清洁系统。这个系统将壳筒式冷凝器的回路分成两个回路系统，每次刷洗两回路以逆向方式进行。主要构成组件；尼龙刷，尼龙刷座，四通阀,管刷利用刷子通过管内的移动力量，将附着于管壁的软性污垢清除，保持管壁的清洁，达到节能目的。2.4.3 电双层1850 年Helmholtz 提出电子分布于固体金属板的分布理论，这是Helmholtz 有名的电容器理论。也是电双层理论的雏型，初期，Helmholtz 认为金属表面的电子为静止状态的静电层。1950 年之后，受到奈米理论，及胶体理论之影响，金属表面的动态静电层分布理论产生。此后，该理论在水处理应用的功效，崭露头角，NASA 的努力及成功，遂于1956 年移转商用，称为电子场式水垢处理系统。电双层的理论基础虽然在1913 年完成，但是真正受到注视并应用在水处理，这已经是1950 年以后的事情了。首先在NASA 太空计划中，利用电双层原理于水的结垢防止及水的洁净处理。1956 年之后，该技术转移商业用途，由Hayden公司以HTI 的商业名称营销电双层除垢的水处理系统。鉴于1960代迄2005 年止长达45 年的期间，因物理化学的诸多理论让世人疏忽，这一项非常先进而有效的理论及应用一直为世人遗忘疏漏。从2000 年起，胶体理论*1 受到电子工业研磨，机械加工，工业制程，废水处理，等的重视，从2005 年以来，电双层原理在冷却水除垢，防止与诸多水净化处理过程的应用使受到重视与肯定。其它有许多磁场式，静电场式的产品，在水处理应用的基础理论过程，对于胶体理论的知识缺乏认知，所论述的基础理论知识诸多瑕疵，无法令人折服，而在实务上几乎都无法完成预定目标，引起争议。这些争议的产品，主要在于对胶体理论的疏漏，没有用微观(microscope)的正确理论去解决问题现象，也不了解电双层效应所致。充其量到1990 年之后，有静电场式的新产品提到胶体理论，界达电位及电双层理论；但是在实务上，因为静电场仅仅能产生的电位仅是微弱的界达电位，至于电双层电位更是微弱到几乎不存在，所以这样的静电场系统根本很难发生效益。水溶液中的电双层电位一定要达到一个定值以上，才有效益，这是用户普遍遭遇的问题瓶颈。目前，这个市场的产品主要由Hayden 公司的HTI 为代表。电双层在冷却水自动清洁系统上的主要理论及功能，论述如下；按胶体理论，水溶液中有许多带正电位的水溶性金属离子+ 及许多带负电位的水溶性碱性离子- ，这些带电位的胶体粒子以布郎运动在水溶液中运动，并随着水流动。热交换器或管路本身因为接地之故，而成为带负电位的强势负电位电场，以致于水中影响结垢的水溶性带正电位的金属离子逐渐附着于热交换器或管路本身的壁面，形成所谓的水垢雏形，即所谓的颗粒状软性附着物。如果这些颗粒状软性附着物没有清除，就会在金属管壁形成硬质的水垢。三.本课题研究内容本论文主要通过实验研究验证：利用沸腾室波浪能量作为动力的机械自动清洗技术达到强化传热并且除垢的目的。论文主要研究内容:(1)冷凝器在冷凝过程的污垢类型、结垢机理及影响结垢速度的主要因素，污垢的止和