冷卻水污垢及其對冷卻器換熱的影響
1 污垢的形成
在一套空分裝置中，需配置多種氣體冷卻器，以滿足和實現空分裝置的工藝要求。冷卻器中冷卻水質的變化，將對冷卻器的運行產生影響。在換熱過程中，冷卻水的水質和冷卻器的工作條件不斷變化，換熱表面上污垢的形成過程也很復雜，形成的污垢種類也不相同。水垢的形成，一般被認為是溶解在冷卻水中的固體，由于溫度升高及溶解度的變化及其某些化學變化，逐漸在換熱表面析出并緊附其上，最終形成水垢。
結晶過程形成的鹽垢是污垢的主要種類之一。當冷卻水中形成鹽類離子的含量超過了飽和溶解度時，該種鹽類就會結晶沉淀析出。而離子的飽和溶解度是隨溫度的升高而降低的。在換熱過程中，隨著冷卻水溫度的升高及離子飽和度的降低，鹽類物質就會在換熱金屬表面析出，形成水垢。這也就是在冷卻器中，溫度較高的冷卻水出口端的水垢層往往比其他部位厚的原因。
水垢還有其他多種形式，如藻類、菌類、泥類等。冷卻水結垢的主要成分是CaCO3，同時也含有CaSO4、Ca3（PO4）2和MgSiO3等成分。由這些鹽垢構成的污垢層，其導熱系數較小、熱阻較大，對換熱器的換熱影響較大，因此在冷卻器的設計中應予以充分重視。
2 冷卻器污垢層及其熱阻
在冷卻器中，換熱表面上的結垢層是不均勻的，并隨著運行時間的變化而變化。污垢層的熱阻主要與垢層厚度以及垢層成分有關，其關系可表示為：
r=δ/λ （1）
式中r—污垢層熱阻 ,m2.h.℃/J；
δ—污垢層厚度，m；
λ—污垢層的導熱系數，J/m.h.℃。
由（1）式可知，在污垢層成分穩定、均勻的條件下，污垢熱阻與其厚度成線性關系。
污垢熱阻r和厚度δ是隨著運行時間的推移而增加的，當熱阻（或厚度）增加到一定值時，其變化變得緩慢，并趨近一個定值。其表達式為：
rD=r∞(1-e-ADδ) (2)
式中rD—某瞬間的污垢熱阻，m2.h.℃/J；
r∞—無窮長時間的極限污垢熱阻，m2.h.℃/J；
D—運行時間，h；
A—常數。
在冷卻水質條件和運行工況穩定時，從實際運行的數據中可得出，污垢層厚度與運行時間的關系有以下規律：在冷卻器開始運行的第一個月中，污垢層厚度迅速增加，一個月后，污垢層增加緩慢。而且第一個月的結垢厚度為全年的50%，即第一個月的污垢熱阻為全年的一半。目前國內大多數運行單位冷卻水的年污垢熱阻為1×10-5m2.h.℃/J。將年污垢熱阻視為極限污垢熱阻，并由式（2）可得出污垢熱阻與運行時間的關系：
r=1.0×10-5×（1-e-0.0231D） (3)
同樣，年污垢熱阻為0.5×10-5m2.h.℃/J和1.5×10-5m2.h.℃/J時，污垢熱阻與運行時間的關系分別由式（4）、（5）表示：
r=0.5×10-5×（1-e-0.0231D）（4）
r=1.5×10-5×（1-e-0.0231D ）（5）
可以看出，冷卻器在運行到180天后，其換熱表面上因結垢而形成的熱阻值已趨于穩定，并接近年污垢熱阻。
影響冷卻器結垢的因素較多，除了冷卻器的結構、換熱表面質量和熱流密度等因素外，還與冷卻水的流速、溫度和熱流體的工礦條件有關，特別是冷卻水的水質條件更為重要。因此在冷卻器的設計、制造、運行、操作和冷卻水處理方面都應注意冷卻器的結垢問題。
3 污垢熱阻對換熱系數和面積的影響
冷卻器結垢過程十分復雜，但在冷卻器換熱設計中，主要是考慮污垢熱阻對其的影響。
空分裝置中，主要使用管殼式冷卻器，其中又以疊片（或翅片）式和光管式冷卻器最為常見。低壓空氣冷卻器采用疊片式或翅片式，管程為水，殼程為空氣；中壓氧氣、氮氣冷卻器采用光管式，管程為氣，殼程為水。
對于疊片式、翅片式冷卻器的換熱系數K值，常常是通過試驗來確定。此時，K值是某一個水質條件的K0值，也就是對應某一個污垢熱阻r0的K0值，對于不同污垢熱阻r時的K值，可用式（6）進行計算：
K=1/[K0+B(r-r0)] (6)
式中的系數B在此理解為污垢熱阻放大系數，它是與換熱單元結構有關的常數，在換熱單元結構確定后，B值也就確定了。其次，系數B的含義為熱冷兩側表面的面積之比。可見，冷卻器的換熱效率越高，B值越大，則對污垢熱阻越敏感。這也就是進口設備的冷卻器對水的污垢熱阻很敏感的原因。
因此，污垢熱阻值雖小，但對換熱系數的影響卻很大。
污垢熱阻和冷卻器換熱面積的關系如下：
Ai=[1+K0B(ri-r0)]A0 (7)
式中A0—對應r0和K0時所需的換熱面積，m2；
Ai—對應ri和 Ki時所需的換熱面積，m2。
同樣以上面的數據為例，通過（7）式計算可得出下列關系：
A1=1.24A0 (8)
A2=0.762A0 (9)
污垢熱阻對換熱面積的影響程度也很大。
(6)、(7)式也適用于光管式冷卻器，只是B值和K值不同。雖然，補償污垢熱阻使換熱面積減少的辦法是增加換熱面積，但在設計中，卻不宜將換熱面積放大過多。
4 污垢熱阻對空分裝置的影響
空分裝置中的許多冷卻器，在運行中不是完全孤立的。若冷卻器或運行條件達不到設計要求，則由其產生的結果，將會通過工藝熱流體，作用到下游的另一臺冷卻器上，并同時影響這個冷卻器和主機的運行，而且這種影響不是簡單的相加關系。空分裝置在不符合設計要求的冷卻水條件下長期運行，將產生的影響主要表現為：
(1)壓縮機組的影響：由于冷卻水質差，在冷卻器中形成的污垢熱阻大，使冷卻器不能正常運行，導致了壓縮機中每一級的進口、出口參數偏離，影響了級與級之間的匹配性能，降低了壓縮機的效率，減少了加工氣量，增加了機組的能耗，使機組的整體性能下降。最終使空分裝置的產量下降，能耗增加，運行周期縮短和變工況調節范圍縮小。
(2)冷凍機的影響：冷卻水形成的污垢熱阻大，使冷凍機中的冷凝器不能正常運行。冷媒的冷凝壓力、溫度升高，使冷凍機的制冷量下降，導致空氣出空冷塔進分子篩純化器的溫度升高，降低了分子篩的吸附能力，這也將使空分裝置的運行周期縮短。
(3)對預冷系統的影響：對于空氣預冷系統，當水質較差時，在空氣冷卻塔內的部件上（如篩板、填料），也要形成污垢，從而降低了冷卻塔的換熱效率，使空氣溫度升高，也要影響分子篩的吸附能力，導致空分裝置的運行周期縮短。
在冷卻器的設計中，除對污垢熱阻予以重視外，還應注意在其運行中保持良好的運行條件，特別是在冷卻水處理方面，應保持穩定、良好的水質和適當的流速以減輕冷卻器的結垢，從而確保空分裝置的整體性能。
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