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(xiàn)空分裝置的工藝要求。冷卻器中冷卻水質(zhì)的變化，將對冷卻器的運行產(chǎn)生影響。在換熱過程中，冷卻水的水質(zhì)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(zhì)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(shù)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(shù)，J/m.h.℃。
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由（1）式可知，在污垢層成分穩(wěn)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(shù)。
　　
在冷卻水質(zhì)條件和運行工況穩(wěn)定時，從實際運行的數(shù)據(jù)中可得出，污垢層厚度與運行時間的關系有以下規(guī)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(nèi)大多數(shù)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(wěn)定，并接近年污垢熱阻。
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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(zhì)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(zhì)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(shù)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(shù)K值，常常是通過試驗來確定。此時，K值是某一個水質(zhì)條件的K0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(shù)B在此理解為污垢熱阻放大系數(shù)，它是與換熱單元結構有關的常數(shù)，在換熱單元結構確定后，B值也就確定了。其次，系數(shù)B的含義為熱冷兩側表面的面積之比?？梢?，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。
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因此，污垢熱阻值雖小，但對換熱系數(shù)的影響卻很大。
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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(shù)據(jù)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(chǎn)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?？辗盅b置在不符合設計要求的冷卻水條件下長期運行，將產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為：
　　
(1)壓縮機組的影響：由于冷卻水質(zhì)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(shù)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(chǎn)量下降，能耗增加，運行周期縮短和變工況調(diào)節(jié)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(tǒng)的影響：對于空氣預冷系統(tǒng)，當水質(zhì)較差時，在空氣冷卻塔內(nèi)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(wěn)定、良好的水質(zhì)和適當?shù)牧魉僖詼p輕冷卻器的結垢，從而確?？辗盅b置的整體性能。 
 
 

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