工業潔凈廠房換熱設備及其維護

本文詳細介紹工業潔凈廠房換熱設備之直接式換熱器和冷凝器的分類，及換熱設備的維護方案。

1. 工業潔凈廠房設備之直接式換熱器

直接式換熱器也稱為混合式換熱器，其特點是冷、熱流體直接混合進行換熱，因此在熱交換的同時，還發生物質交換。直接式與間接式相比，由于省去了傳熱間壁，因此結構簡單，傳熱效率高，操作成本低，但采用這種設備只限于允許兩種流體混合的場合。

(1)蒸汽直接式換熱器

蒸汽和液體混合直接加熱是常見的一種加熱方式。實踐經驗表明，在蒸汽和液體之間需要大的接觸面，以利于蒸汽的快速冷凝，加速換熱速度。研究表明，減小接觸面，換熱速率明顯降低。在設備性能不正常時，如液滴太大或蒸汽泡太大，會導致換熱速度低下，這種情況在高黏度產品時容易發生。

盡管在加熱蒸汽和液體之間有很大的溫度差，但這類設備的加熱仍然是溫和的。原因之一是加熱時間很短，只有幾分之一秒； 另外一個原因，也許是更為重要的，是在蒸汽和物體之間立即形成一層很薄的冷凝液膜。這層液膜起到保護物體免受高溫的影響。因此蒸汽直接加熱方式允許有很高的溫度梯度，這是任何間壁式換熱器無法做到的，這種換熱器對蒸汽質量有一定要求，由于設備性能的需要和保證產品質量，蒸汽須不含不凝結氣體，因為不凝結氣體會影響蒸汽冷凝、干擾換熱過程。關于氣源、蒸汽或鍋爐用水，不應含有影響產品的物質。換句話說，鍋爐用水應該具備飲用水的質量，非正常的水處理劑是不許使用的。在有些使用場合下，如制品提晶，需要除去蒸汽和產品混合時所增加的水分，以保持原有的組分不變。除去水分的方法通常是在真空下使水分蒸發，這是一舉兩得的做法，因為在真空閃蒸水分時，既除了水分，又可以使產品迅速冷卻。通過溫度控制(在蒸汽混合前、混合后以及蒸發后)，可以做到處理前后產品的水分含量不變。

這種蒸汽直接加熱設備有兩種類型：噴射式和注入式。噴射式是在連續流動的液體中噴射蒸汽；注入式是在連續流動的蒸汽中注入液體。在蒸汽噴射式(蒸汽進入液體)中，蒸汽或者通過許多小孔，或者通過環狀的蒸汽簾噴射入流體管道中。在蒸汽注入式(液體進入蒸汽)中，液體或者以膜的形式，或者以液滴的形式分布在充滿高壓蒸汽的容器中，落于容器底部，加熱后的液體從底部排出。

(2)蒸汽噴射式換熱器

蒸汽噴射式冷凝器也是混合式換熱器。不同的是，它利用冷卻水與蒸汽混合，使蒸汽冷凝，以除去水分；這在濃縮操作中是必須的，在濃縮操作中要快速除去蒸發出來的蒸汽，此外還要在蒸發室內造成真空。

2. 工業潔凈廠房設備之冷凝器

(1)噴射式冷凝器

用斷面逐漸收縮的錐形噴嘴進行水或其他液體冷卻劑噴射時，水在噴嘴內的流速逐漸增快。速度越高意味著動能越大，而壓力則越小。如果將噴嘴座板的噴嘴上、下游隔開，上游空間(即水室)通入高壓水，則由于水的噴射就造成下游的低壓，因而產生抽汽的作用。吸汽室將蒸汽吸入后，經過導向擋板使之從水流射束的四周均勻地進入混合室，而與許多聚集于喉部的射束表面相接觸。因射束的流速高，其動能大，蒸汽即凝結在水柱表面而被帶走，經過噴嘴所形成的射流速度一般為 15~30m/s。帶走蒸汽的各射流在喉部準確聚集后，通過擴壓管將動能轉換為勢能以后，再從尾管排出。由上述可知，噴射式冷凝器除了有混合冷凝作用外，還具有抽真空的作用，所以特別適用于真空系統中蒸汽的排除。例如食品工業中的真空濃縮、真空脫氣、真空干燥等。當用這種水力噴射器作冷凝器時，就可以不再需要真空泵了；一般水力噴射冷凝器的高壓水壓力為0.2~0.5MPa，可采用高壓頭的離心泵或多級離心泵供送。中凈環球凈化可提供潔凈廠房、GMP車間的咨詢、規劃、設計、施工、安裝改造等配套服務。

(2)填料式冷凝器

冷卻水從上部噴淋而下，與上升的蒸汽在填料層內接觸。填料層是由許多空心圓柱形填料環或其他填料充填而成，組成兩種流體的接觸面，混合冷凝后的冷凝水從底部排出，不凝結氣體則由面部排出。

(3)孔板式冷凝器

孔板式冷凝器裝有若干塊鉆有很多小孔的淋水板，淋水板的形式有交替相對放置的弓形式和圓盤圓環交替放置的形式。冷卻水自上方引入，順次經板孔穿流而下的同時，還經淋水板邊緣泛流而下。蒸汽則自下方進入，以逆流方式與冷水接觸而被冷凝，少量不凝結氣體從上方排出。進入的冷卻水經與蒸汽進行熱交換后被加熱，而后從下方尾管排出。

(4)低位式冷凝器

除噴射式冷凝器外，填料式和孔板式冷凝器都需要真空泵，使冷凝器內處于負壓狀態。在這種情況下，如無適當措施，冷凝水無法排出，通常采用兩種方法，即低位式和高位式。

直接使用抽水泵將冷凝水從冷凝器內抽出，因而可以簡單地安裝在地面上，故名低位式冷凝器。高位式冷凝器不用抽水泵，而是將冷凝器置于10m 以上的高度，利用其下部很長的尾管(稱為氣壓管，俗稱大氣腿)中液體靜壓頭的作用來平衡上方冷凝器內的真空度，同時抽出冷凝水。為了保證外部空氣不進入真空設備，氣壓管應淹沒在地面的溢流槽中。

(5)水簾(水幕)式空氣冷卻器

這種混合換熱器常用作空氣的冷卻凈化器。含塵空氣進入后，經與冷卻水的水幕接觸而降溫、增濕、凈化。

工業潔凈廠房換熱設備維護方案如下：

工業運轉不可缺失換熱設備，這類設備常態的運行很易凝結污垢，若沒能及時予以消除將會累積更多。運轉狀態下的換熱設備被損耗，從長期來看減低了本該有的設備性能，縮減可運轉的年限。常見問題有結垢與腐蝕。

(1)運行中結垢

在換熱器表層，日常運轉時的設備內經由很多的流體，因而匯聚了固態性的污垢物質。水的硬度是水質標志之一，它反映了水的含鹽特性，其值為水中鈣、鎂、鐵、錳等溶解鹽類的總量。固體及匯入進來的流體是彼此接觸的，水垢帶來了后續較大的運轉干擾。換熱設備凝集起來的表層污垢縮小了應有的換熱實效，熱阻由此也會提高。同時，若表層累積著偏多污垢，那么通道經由的流體也將變得更少并且增添了阻力。泵體功率被減低，耗費了較多的修護資金。

因此，對于換熱設備要經常的清洗，在流體進入換熱設備之前增加過濾設備，使得進入設備的流體無雜物；同時將進入的流體進行軟化處理防止產生結垢。在后續運轉中，要隨時查驗并調控各時點的溫度及流速。可增設配備的旁路系統，維持初期設定好的溫度條件及流速狀態；及時修護設備，在更大范圍內推遲結垢且延長可運轉的總時間，運送至進口的物料總量也并非固定，是不斷變更的；在各個階段內都應測定聚集于換熱器的污垢總量，測定酸堿值及微粒體積；針對各類狀態下的結垢，都要配備不同添加劑，所以熱交換設備用水須經過軟化處理；水軟化方法通常有例子交換法、化學沉淀法和加熱法等。

(2)腐蝕與維護

由于現場環境及流體的性質，換熱器板材選擇不當，會導致換熱器發生腐蝕泄漏等狀況。為防止這一現象的發生， 選擇換熱器時需要明確流體的介質及使用地區的環境，同時在流體中增加緩蝕劑，以抑制腐蝕；一般腐蝕分為的化學反應腐蝕和電化學反應腐蝕兩種。

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