摘要: 换热器作为能源转换与工业生产的核心设备，其表面污垢沉积会导致传热效率显著下降、能耗激增及设备寿命缩短，已成为制约工业系统高效运行的关键瓶颈。本文围绕颗粒污垢与析晶污垢两类典型污垢，系统梳理国内外在污垢沉积特性、影响因素及调控技术方面的研究成果，重点分析流动参数、壁面结构、物理场作用及多相耦合对污垢形成的影响机制。国内研究以实验验证与工程应用为导向，聚焦操作参数优化、壁面结构改进及物理场抑垢技术开发；国外研究侧重热力学机理解析、动态监测模型构建及微观尺度机制探索。通过对比分析发现，流速、颗粒/离子浓度、壁面粗糙度及超声/脉动场是调控污垢沉积的核心因素，且各因素间存在显著交互作用。最后总结当前研究存在的不足，指出多物理场协同抑垢、跨尺度模拟方法及智能监测优化是未来重点研究方向，为换热器防垢设计与高效运行提供理论支撑与技术参考。
Abstract: Heat exchangers, as core equipment in energy conversion and industrial production, cause a significant decrease in heat transfer efficiency, a sharp increase in consumption, and a shortened equipment life due to surface fouling deposition, which has become a key bottleneck restricting the efficient operation of industrial systems. This paper focuses on two typical fouling: particle fouling and crystallization fouling, and systematically sorts out the research results of domestic and foreign studies on the deposition characteristics, influencing factors, control technologies of fouling. The influence mechanism of flow parameters, wall structures, physical field effects, and multiphase coupling on fouling formation is analyzed. Domestic research is by experimental verification and engineering application, focusing on the optimization of operating parameters, the improvement of wall structures, and the development of physical field anti-fouling technology. Foreign research on the analysis of thermodynamic mechanism, the construction of dynamic monitoring models, and the exploration of micro-scale mechanisms. Through comparative analysis, it is found that the core factors regulating fouling deposition are flow velocity, particle/ion concentration, wall roughness, and ultrasonic/pulsating field, and there is a significant interaction between each factor. The shortcomings of current research are summarized, and it is pointed out that multi-physical field synergistic anti-fouling, cross-scale simulation methods, and monitoring optimization are key research directions for the future, providing theoretical support and technical references for the anti-fouling design and efficient operation of heat exchangers.
1. 引言
在“双碳”战略目标驱动下，工业领域对能源利用效率的提升需求日益迫切，而换热器作为电力、化工、水处理、冶金等关键领域实现热量高效传递的核心设备，其运行性能直接决定系统能耗水平与综合运行成本[1]。然而，在实际工况中，流体介质中的固体颗粒(如SiO2、粉煤灰)及溶解盐类(如CaCO3、CaSO4)易在换热表面沉积形成污垢层，导致传热热阻显著增加，严重制约换热效率；同时，化工换热器作为化工生产流程的关键单元，其腐蚀问题始终是威胁生产连续性与操作安全性的突出瓶颈，具体表现为化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀及应力腐蚀等多种类型，这些腐蚀现象的发生与介质成分、温度压力、流速及微生物群落等因素密切相关，不仅会缩短设备服役寿命、增加维护成本，还可能引发泄漏、停产等安全事故[2]。为此，学界与工业界已开发并应用多种腐蚀防控技术，包括防腐材料选型与工程化应用、表面改性处理技术、阴极保护系统构建及在线腐蚀监测技术等，通过典型工程案例验证表明，综合运用上述防控措施可有效抑制腐蚀进程，显著延长换热器使用寿命[3]，降低全生命周期维护成本，并提升设备运行可靠性，为工业领域践行“双碳”目标、实现能源高效利用提供重要技术支撑[4]。据统计，污垢可使换热器传热效率降低10%~30%，额外能耗占工业总能耗的2%~5% [5]，且污垢堆积还可能引发管道堵塞、腐蚀加剧等安全隐患[6]。
换热器污垢按形成机理可分为颗粒污垢、析晶污垢、生物污垢、腐蚀污垢等，其中颗粒污垢与析晶污垢是工业场景中最常见的两类污垢。颗粒污垢由流体中悬浮颗粒在壁面沉积形成，其过程受流体曳力、重力、热泳力等多力耦合影响[7]；析晶污垢则因流体中盐类过饱和析出并附着于壁面产生，与温度梯度、浓度梯度及晶体生长动力学密切相关。近年来，国内外学者针对两类污垢的形成机制、影响因素及调控技术开展大量研究，通过实验测量、数值模拟及理论建模，揭示关键影响规律并提出优化方案。
近年来，国内外学者在污垢沉积机理、抑垢技术开发、在线监测方法及清洁策略优化等方面开展了大量研究，形成了从微观晶体生长到宏观系统应用的完整研究体系[8]。本文通过梳理近五年的核心文献，按“机理–监测–抑垢–清洁”的递进逻辑，整合晶体类与颗粒类污垢的沉积机制、主动/被动抑垢技术、数字孪生等监测方法及分阶段清洁策略，为换热器污垢控制技术的优化升级提供理论参考。
2. 换热器污垢沉积机理与特性分析
2.1. 晶体类污垢(CaCO3为主)的沉积机理
晶体类污垢是换热器最常见的污垢类型，其沉积过程受过饱和度、管壁温度、材质特性及外场作用调控。王兵兵等[9]通过圆筒电极电场抑垢实验发现，无电场作用时，CaCO3污垢在换热表面形成致密均匀的覆盖层，晶体以树枝状文石晶簇为主见图1；施加非匀强电场后，晶体结构发生显著转变——500 V电压下，污垢层呈稀疏微小斑点形态，晶体以不规则类球状晶块与方解石晶粒共存，无明显文石结构，抑垢率达83%；当电压升高至5000 V时，污垢再次致密化，形成堆叠生长的立方块状方解石晶群，抑垢率降至74.16%。该研究表明，非匀强电场可通过降低水分子扩散系数、减少CaCO3晶核成核速率实现抑垢，且存在最佳抑垢电压(500 V)，其抑垢效果显著优于匀强电场(最佳抑垢率73.27%)。
Figure 1. SEM images of CaCO3 fouling sample under the action of the cylinder electrode
图1. 圆筒电极作用下CaCO3污垢样品SEM图像
管壁材质对CaCO3污垢生长的影响同样关键。李竑序等[10]对比316 L不锈钢与铝合金管壁的结垢特性，发现铝合金表面因形成氧化铝氧化膜，其结垢速率是不锈钢的3~5倍，结垢周期(72 h)远短于不锈钢(1080 h)。通过扫描电子显微镜(SEM)观察，不锈钢表面CaCO3晶体尺寸均匀(平均粒径16.49 μm)，以完整六面体方解石结构为主，但受流体剪切应力与自身老化影响，晶体表面存在明显剥蚀痕迹；而铝合金表面晶体尺寸差异大(平均粒径9.34 μm)，多为未生长完全的方解石结构，且氧化膜导致的表面粗糙度不均使晶体在沟壑处大量聚集。该研究揭示了材质表面能的调控作用——高表面能材质(铝合金)更易吸附成垢离子，加速晶核形成，为换热器材质选型提供依据。
陆威等[11]搭建高盐废水管内流动换热实验台，以CaCO3为研究对象，在进口流速0.57~1.22 m/s范围内，分析流速对污垢生长阶段、传热系数及压降的影响。研究发现，高盐废水在加热管道内形成的CaCO3污垢可明确划分为三个阶段：污垢附着期(压降基本稳定)、污垢生长期(压降快速上升)及污垢动态平衡期(压降趋于稳定)；流速增大显著加速污垢动态平衡进程，当流速从0.57 m/s增至1.22 m/s时，污垢达到动态平衡的时间从65 h缩短至54 h，缩短约11 h见图2；在污垢生长期，传热系数下降速率提高1.3倍，平衡期污垢热阻降低36.5%，其机制为高流速增强壁面剪切力，促进未稳定沉积的污垢颗粒剥蚀，同时改善管壁温度分布，减少盐类析出。
Figure 2. Variation curve of total heat transfer coefficient of experimental pipe with time at different flow velocities
图2. 不同流速下实验管的总传热系数随时间变化关系曲线
根据文献研究，换热器中常见的污垢类型可分为结晶污垢、微生物污垢及颗粒污垢，不同类型污垢的形成机理存在显著差异。结晶污垢是工业换热器(如石油炼制、化工冷却系统)中最普遍的类型，其形成源于过饱和流体在传热表面的成核、生长与附着。Xing等[12]针对NH4Cl结晶污垢的研究表明，在强制对流条件下，NH4Cl蒸汽在换热管表面冷却后发生相变结晶，且结晶过程具有明显的空间异质性——迎风面(0˚~45˚)因颗粒撞击概率高，污垢沉积量最大，局部传热系数最低；而背风面(135˚~180˚)受涡流效应影响，剪切力增强，污垢沉积量减少，局部传热系数反而最高，这一现象与Kapustenko等[13]对CaCO3、CaSO4观察一致，即结晶污垢的空间分布与流场结构直接相关。
2.2. 颗粒类污垢的沉积特性
颗粒类污垢(如SiO2、泥沙颗粒)的沉积主要受流体剪切力、颗粒–壁面相互作用力及流道结构调控，其特性与晶体类污垢存在显著差异。马广兴等[14]以污水换热器为研究对象，通过沙粒除垢实验发现，颗粒污垢生长过程可明确分为三个阶段：诱导期(约11 h)、生长期与渐近期。诱导期内，颗粒与管壁附着力弱，易被流体自然剥离，污垢热阻在0附近波动；生长期内，管壁逐渐形成无机垢层，表面粗糙度增大，颗粒附着力增强，污垢热阻迅速上升；渐近期(约278 h后)污垢沉积与剥离达到动态平衡，热阻稳定在0.74 × 10−3 (m2∙K)/W。该研究进一步指出，不同生长阶段除垢效果差异显著：诱导期除垢使污垢热阻渐近值降低45.9%，生长期除垢降低43.2%，渐近期仅降低18.9%，表明颗粒污垢的早期干预可大幅提升抑垢效率，为清洁时机选择提供量化依据。
庄兆意等[15]研究U型污水换热管中颗粒污垢的沉积特性，发现U形管的二次流效应显著影响污垢分布：弯道外侧因流速较高(比直管段高30%~40%)，颗粒沉积量比内侧少22%~35%；但弯道处易形成涡流死角，局部颗粒沉积量比直管段高15%~20%。通过数值模拟与实验验证，提出在U形管弯道处设置导流叶片的优化方案，可使涡流死角区域减少60%，颗粒污垢沉积量降低25%~30%，为异形换热管的结构优化提供参考。
粗糙表面对颗粒污垢沉积的影响也成为研究重点。杨硕等[16]通过SiO2与CaCO3混合污垢实验发现，表面粗糙度对混合污垢沉积特性的影响呈“非线性”规律：粗糙度从0.5 μm增至2.0 μm时，混合污垢热阻降低30%~40%，因适度粗糙度增强流体扰动，促进颗粒剥离；但粗糙度超过2.0 μm时，表面凹陷处易形成颗粒滞留，污垢热阻反而增大20%~25%。韩志敏等[17]进一步研究不同粗糙元结构的影响，发现三角形粗糙元的抑垢效果优于矩形与半圆形——三角形粗糙元可产生更强的局部涡流，使CaCO3颗粒污垢沉积量减少35%~45%，且流动阻力增加幅度仅为矩形粗糙元的50%，为换热表面粗糙化设计提供优化方向。
2.3. 污垢沉积的数值模拟与量化分析
为精准预测污垢沉积规律，学者们通过数值模拟方法构建污垢生长模型，量化流场、温度场与污垢沉积的耦合关系。许隽杰等[18]管壳式换热器为研究对象，建立无污垢、管内有污垢、管外有污垢及管内外均有污垢四种工况的有限元模型，通过ANSYS Workbench进行瞬态热分析。结果表明，污垢虽不降低管内外对流换热系数，但显著增大热传导热阻——管外气侧热阻是管内水侧的10倍，因气体导热系数远低于液体；有污垢时管程热通量比无污垢时降低数倍甚至一个数量级，且管壁与污垢的导热系数差异导致有污垢侧温度梯度显著增大(比无污垢侧高2~3倍)。该模拟结果为管壳式换热器的污垢热阻计算与结构优化提供数值依据。
谭佳琦等[19]开展窄矩形通道污垢沉积数值仿真，基于欧拉–拉格朗日方法模拟颗粒运动轨迹，发现通道当量直径对污垢沉积的影响显著：当当量直径从5 mm减小至2 mm时，颗粒碰撞壁面概率增加60%~70%，污垢沉积量增大2~3倍；同时，通道进出口温差超过5℃时，温度梯度引起的密度差会加剧颗粒径向迁移，使局部污垢厚度差异达40%~50%。通过模拟提出“变截面通道”设计方案，可使窄通道内颗粒污垢沉积量均匀性提升50%，为紧凑式换热器的通道设计提供参考。
传统数学模型以Kern-Seaton反应–传递模型为代表，其核心假设为污垢速率等于沉积速率与剥离速率之差。Kapustenko等[13]基于该模型，引入无量纲参数(如扩散系数KD、反应系数KR)，建立了板式换热器水质污垢的局部预测方程，通过耦合通道内温度与流速分布，使传热系数的预测误差控制在±7%。该模型的优势在于物理意义明确，但需依赖大量现场实验数据确定经验系数(如CD = 2.291 × 106、CR = 0.1259)，普适性受限，难以适应不同流体成分的工业场景。
神经网络模型因具备强非线性拟合能力，成为污垢动态预测的重要工具。Ilyunin等[20]提出融合模糊逻辑的前馈神经网络(FFNN)，通过扩展训练参数(包括流体温度、流速、压力损失及清洁表面传热系数)，实现了板式换热器传热系数的实时预测。该模型采用高斯径向基激活函数与KWH学习算法，决定系数R2达0.99，计算效率较传统微分方程模型提升两个数量级，适用于工业系统的模型预测控制。针对传热系数达下限阈值的时间预测，该团队进一步构建长短期记忆循环神经网络(LSTM-RNN)，引入3个时间周期的传热系数延迟项，虽R2 = 0.89，但需至少1000个现场监测点才能保证精度，而现有工业系统的监测频率(如5~60 min/次)难以满足数据需求，限制了其工程应用。
CFD与污垢模型的耦合则聚焦于流场与污垢沉积的动态交互。Liu等[21]通过CFD模拟板式换热器内流场分布，发现波纹角度为60˚时，通道内剪切应力较30˚提升40%，可显著抑制CaCO3沉积，这一结论与韩志敏等[17]的实验结果一致；但该模型需简化结垢动力学过程(如忽略晶体团聚、生物膜生长)，导致长期(超过30天)预测精度下降，需进一步耦合多物理场(如浓度场、温度场)以提升可靠性。
3. 换热器污垢抑制技术研究
3.1. 外加场驱动的主动抑垢技术
3.1.1. 电场抑垢技术
电场抑垢通过改变成垢离子的受力状态与晶体生长环境，实现抑垢效果，主要分为匀强电场(平行板电极)与非匀强电场(圆筒电极)两类。王兵兵等[9]系统研究两种电场对CaCO3污垢的抑垢特性，发现随着电压增大，抑垢率均呈现“先升高后降低”的趋势：圆筒电极在200 V时抑垢率达78.31%，500 V时达最佳值83%，1000 V时降至74.16%；平行板电极在1000 V时达最佳抑垢率73.27%，2500 V时降至63%。圆筒电极的最佳抑垢电压更低，可降低电能消耗，且非匀强电场通过改变水分子运动方向上的电场强度，对水分子做功，降低水分子扩散系数，增加溶液黏度，从而降低CaCO3晶体成核速率，减少固–液界面溶质通量，抑垢效果更优。
通过扫描电子显微镜观察，电场作用下CaCO3晶体形态发生显著改变：无电场时为树枝状文石晶簇，500 V圆筒电极作用下变为类球状晶块与方解石晶粒共存，5000 V时变为堆叠立方块状方解石；而平行板电极作用下，1000 V时文石晶簇数量减少、尺寸变小，5000 V时文石结构消失，方解石晶粒增大。晶体结构的改变导致污垢附着力减弱，更易被流体剥离，为电场抑垢技术的工业化应用提供微观依据。
3.1.2. 其他外加场抑垢技术
Markowski等[22]研究热质交换器(HME)在不同最小温度差(ΔTmin)下的抑垢特性，发现ΔTmin对污垢影响显著：当ΔTmin从5 K降至2 K时，污垢热阻渐近值降低25%~39%，且蒸馏纯度保持在98.8%以上，仅下降0.2%；同时，压缩机功率随ΔTmin降低呈线性下降，每减少1 K ΔTmin，功率降低约5%。该研究表明，通过优化工艺参数(如ΔTmin)，可在保证换热效率的同时抑制污垢沉积，为外加场技术提供补充思路。
3.2. 表面改性与复合涂层的被动抑垢技术
表面改性技术通过改变管壁表面的物理化学特性(表面能、粗糙度、亲疏水性)，减少污垢吸附与附着，具有抑垢持久、无二次污染的优势，其中金属基复合涂层与非金属改性表面研究最为广泛。
刘坐东等[23]制备Ni-P-TiO2复合改性表面，用于板式换热器抑制纳米MgO颗粒污垢，研究不同冷却水流速、入口温度及颗粒浓度对抑垢特性的影响。结果表明，该复合表面的表面能(35.93 mJ/m2)接近抑制MgO颗粒沉积的最佳表面能(34.41 mJ/m2)，符合“最优表面能”抑垢理论；随着流速从0.1 m/s增至0.3 m/s，污垢热阻渐近值减小27.85%~34.41%；随着入口温度从30℃升至40℃，热阻渐近值减小25.15%~39.14%；随着MgO浓度从100 mg/L增至400 mg/L，热阻渐近值减小26.15%~45.36%。与316不锈钢表面相比，Ni-P-TiO2表面不仅抑制颗粒污垢积聚，还降低污垢固着强度，使污垢更易被剥离，实现持久抑垢。
Liu等[21]进一步开发Ni-P-TiO2-PTFE复合涂层，通过引入PTFE(聚四氟乙烯)降低表面能至16.63~22.16 mJ/m2，使微生物污垢沉积量减少94.38%，腐蚀失重降低92.88%，见表1。该涂层的抑垢机制为：TiO2的光催化作用抑制微生物生长，PTFE的低表面能减少颗粒吸附，且涂层表面的球状凸起结构使污垢层呈疏松多孔状，结合强度弱。通过划痕测试与循环实验，涂层结合强度达50 MPa，经100次冷热循环(−20℃~80℃)后抑垢率仍保持80%以上，满足工业长期运行需求。
此外，表面粗糙度对抑垢效果的调控作用也得到验证。研究发现，当表面粗糙度为1~2 μm时，抑垢效果最佳——低于1 μm时流体剪切力不足，高于3 μm时易形成污垢滞留；而表面能控制在30~40 mJ/m2时，可平衡抑垢效果与涂层稳定性，避免表面能过低导致涂层脱落，过高增加污垢吸附。
3.3. 主动控垢技术：流体净化与原位清洁
流体净化技术通过去除循环流体中的悬浮固体与微生物，从源头减少污垢形成，横流微砂过滤是其中的代表性技术，见表1。Ashok等[24]在医院中央空调的冷却塔系统中，采用Vortisand横流微砂过滤单元(过滤速率45 m3/h，每日反冲洗8 min)，连续运行3年后，板式换热器表面的总固体沉积量仅为93 μg/cm2，总挥发性固体(TVS，表征生物污垢)为45 μg/cm2，远低于无过滤系统的110 μg/cm2 (TVS90 μg/cm2)。该研究还通过X射线衍射分析发现，过滤系统可有效去除流体中的钙盐颗粒，使换热器表面的方解石CaCO3主要形态含量降低65.7%，进一步验证了流体净化对结晶污垢的控制效果。此外，该技术的优势在于占地面积小、维护成本低，已在食品、医疗等对水质要求较高的行业推广。
Table 1. Comparison and analysis of fouling inhibition technologies
表1. 抑垢技术对比分析表
抑垢技术 |
核心原理 |
成本等级 |
适用范围 |
优缺点 |
壁面改性 |
化学复合镀调控表面与粗糙度，功能颗粒抑制吸附/微生物生长 |
中等偏高 |
板式/管壳式换热器，多种常见垢型 |
优点：持久、无污染；缺点：制备复杂，高粗糙度易滞垢 |
涡流发生器 |
流道加装开孔/异形结构(三角形粗糙元为主)，增强扰动、提升剪切力 |
低 |
窄矩形/U形管换热器，颗粒与易滞留晶体垢 |
优点：无额外能耗；缺点：高频时阻力收益失衡 |
超声波 |
20 kHz空化效应产生微射流，剥离污垢 + 破坏晶体晶核，可与电场耦合增效 |
中等 |
管壳式换热器、凝汽器，顽固垢型 |
优点：无腐蚀、清顽固垢强；缺点：高功率易致振动，不适用于薄壁设备 |
脉动流 |
往复泵产生1~3 Hz周期性脉动，增强湍流、破坏污垢层，提升剪切力 |
低 |
窄矩形/U形污水换热管，颗粒与CaCO3晶体垢 |
优点：阻力可控、适配改造；缺点：对微生物垢抑制弱，高频能耗增加 |
原位清洁(Cleaning-in-Place, CIP)技术是清除已形成污垢的关键手段，尤其适用于难以拆卸的换热器(如钎焊板式换热器)。Zhang等[25]针对乳制品工业中板式换热器的乳清蛋白污垢，系统研究了CIP过程的优化参数：采用0.5 wt% NaOH溶液，在80℃、流速27.46 cm/s条件下，CIP过程可分为三个阶段——水冲洗阶段(0~5 min)去除30%的松散污垢，NaOH化学清洗阶段(5~10 min)通过碱解作用去除68%的顽固污垢，残余污垢溶解阶段(10min后)去除最后2%的污垢(占总清洁时间的50%)。该研究还发现，CIP过程中清洗液易形成优先流路，导致部分区域清洁不彻底，通过优化通道设计(如增加导流板)可使清洁均匀性提升40%。此外，该团队建立的CIP数学模型，可精准预测不同污垢量下的清洁时间，预测误差控制在±10%，为工业CIP方案的制定提供了工具。
对于NH4Cl等腐蚀性污垢，Xing等[12]提出结合化学清洗与水冲洗的复合CIP策略：先采用10%柠檬酸溶液去除NH4Cl结晶，再用清水冲洗残留酸液，最后用0.1%缓蚀剂溶液钝化金属表面，该策略可使换热管的腐蚀失重减少80%，同时保证污垢去除率达95%以上。
4. 总结
沉积特性方面，结晶污垢、微生物污垢及颗粒污垢的形成机理与空间分布存在显著差异——结晶污垢受晶体结构与管壁材质表面能调控(如铝合金管壁结垢速率为不锈钢的3~5倍)，颗粒污垢呈诱导期–生长期–渐近期三阶段特性(生长期除垢热阻降低43.2%)，温度、流速、ΔTmin及流体成分是核心影响参数；预测模型方面，神经网络模型(R2最高达0.99)与CFD耦合模型可精准量化污垢生长规律，为预判提供有效工具。在调控技术方面，被动抑垢技术(Ni-P-TiO2-PTFE涂层抑垢率94.38%、波纹通道优化增强剪切力)从设计层面减少沉积，主动控垢技术(横流微砂过滤去除90%悬浮颗粒、优化CIP清洁恢复92%传热效率)在运行中清除污垢，两类技术组合应用显著提升换热器运行效率与寿命。
当前研究仍存局限：一是污垢建模多针对单一类型，缺乏结晶–微生物等复合污垢的动态模型；二是Ni-P-TiO2-PTFE涂层长期稳定性不足，工业场景运行1年抑垢效果下降15%~20%；三是主动控垢技术智能化程度低，难以实现污垢与清洁过程实时匹配。未来需聚焦三方向：(1) 构建多物理场耦合的复合污垢模型，整合结晶动力学、微生物代谢与颗粒迁移过程；(2) 优化涂层配方(如引入自修复颗粒)，提升耐磨损与耐腐蚀性；(3) 结合传感器监测与AI算法，开发污垢在线监测与CIP智能调度系统，实现精准控制。
NOTES
*通讯作者。