李小惠

（南京诚志永清能源科技有限公司，江苏 南京 210048）

摘  要：为解决工业循环水系统中换热设备结垢与能效下降的耦合难题，研究提出1种能效提升与结垢控制的协同机制，通过实验分析明确了换热器表面垢层为无机-有机复合结构，并基于正交试验考察了水温、Ca2⁺浓度、流速、pH值及Mg2⁺浓度对结垢的影响，辨识出水温、Ca2⁺浓度与流速为其中的最关键参数。在此基础上，设计包含结构优化与表面改性的设备本体强化方案，并构建在线扰动与离线化学清洗相结合的双通道清洗系统，为循环水系统长期高效运行提供技术支撑。

关键词：循环水系统；换热设备；结垢控制；能效提升

0 引言

循环水系统广泛应用于热负荷>1000kW的工业装置中，换热设备运行状态直接影响系统能效与运行安全。实际运行中，水温30～60℃、流速1.5~2.5m/s等工况易诱发无机结垢与生物污堵并存，导致换热系数下降10%以上。现有研究多侧重单一控制手段，缺乏结垢机理与能效提升的系统协同分析。基于此，本文以换热器为核心对象，开展结垢机理、能效强化及控制策略的综合研究，提升循环水系统运行稳定性与经济性。

1 循环水系统及换热设备

循环水系统广泛应用于大型工业装置中，其核心任务是通过封闭回路内的水介质实现热量的高效传递与回收。该系统通常由冷却塔、循环泵、冷凝器、换热器及管网构成，其中换热设备承担关键的热交换功能，是系统能效的决定性环节。在电力、化工、冶金和电子制造等领域，换热设备形式多样，主要包括板式换热器、壳管式换热器及喷淋式冷凝器，通常热负荷>1000kW，要求设备具备高换热效率与良好的抗结垢性能。板式换热器以其高比表面积与紧凑结构适用于空间受限场景，壳管式换热器则凭借其高通量和维护便利性应用于高温高压系统。系统运行中，循环水流速控制在1.5~2.5m/s，温差维持在5~10℃之间，确保换热单元在高热流密度条件下实现稳定换热。循环水携带溶解盐类与悬浮颗粒，在高温界面上易形成CaCO₃、Mg（OH)₂等沉积物，降低传热系数并加剧压降，影响设备长期运行的热经济性。通过明确系统结构、工况参数与设备特性，可为后续能效优化与结垢控制策略提供基础支撑。

2 结构机理

2.1 结垢主要类型

为系统识别循环水系统中换热器表面典型结垢类型，选取某石化装置冷凝器作为样本对象，对运行6个月后的换热面垢层进行实物采样。采用超声波剥离结合机械刮取法获取垢样，样品经105℃烘干后粉碎过筛，进行X射线衍射（XRD）分析物相组成，再通过扫描电子显微镜与能谱仪获取晶体结构与元素分布特征。结果表明，垢层主要由CaCO₃、CaSO₄及Mg（OH)₂构成，其中CaCO₃以方解石与霰石2种晶型存在，Mg(OH）₂表现为片层堆积结构，结垢量占比>60%。为进一步识别生物污垢类型，垢样经荧光染色后在激光共聚焦显微镜下观察微生物膜分布，发现有黏附性菌体残留与EPS聚集，表明垢层具有典型的无机有机复合结构。由此明确后续结垢控制需兼顾无机晶体析出与生物膜初期附着的协同机制，并区分处理路径。

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