（化工过程机械专业论文）下行Φ42×25mm换热管内置铝制扭带工作特性的研究.pdf

下行4 2 x 2 5 m m 换热管内置铝制扭带工作特性的研究 摘要 本文的主体部分是对放置在立式下行4 2 x 2 5m m 换热管内置铝制扭带 的工作特性进行实验研究和分析，实验分为冷态实验和热态实验两部分， 冷态实验主要研究铝制扭带的转动特性和阻力特性；热态实验研究扭带的 强化传热特性。 在冷态实验中，首先对铝制扭带的阻力特性进行了分析，得出了换热 管两端的压力降和流体流速的关系、摩擦阻力系数与雷诺数之间的关系； 将实验得出的摩擦阻力系数及插入扭带后压力降的增量分别与理论值做了 比较，同时利用非线性回归拟合出了压力降增量和扭带的结构参数、摩擦 阻力系数和扭带的结构参数之间的关联式，并分析了各自的影响因素。 接下来对铝制扭带的转动特性进行分析，得出扭带转速与流体轴向流 速呈线性关系，并将实验推导出的转速公式和理论公式进行了比较，验证 了实验和理论的一致性；此外，推导出了扭带转速和结构参数的关联式， 得出影响扭带转速的主要因素是：流体的轴向流速和扭带的扭转比。 在热态实验部分，首先，介绍了热态实验测量系统、实验数据的处理 方法，推导出了总传热系数的回归方程式；其次，利用威尔逊图解法求解 了管内对流传热系数的关联式，对本次实验中扭带的强化传热性能作了评 价，并推导出强化传热脾1 1 厶匕1 = t 1 2 , 评价因子与铝制扭带结构参数的量化关系式； 最后，分析和对比了不同长度扭带的传热性能，得出传热系数和阻力系数 均随着扭带的长度减小而变小；并利用旋流强度衰减特性，进一步验证了 换热系数和摩擦阻力沿管长的衰减规律。 关键词：强化传热防垢除垢铝制扭带阻力特性转动特性 i i t h er e s e a r c ho nt h ew o r k i n gc h a r a c t e i u s t i c so f t h ea l u m i n i u mt w i s t e dt a p e si nd o w n w a r d f l o w q ) 4 2 x 2 5m mh e a tt ra n s f e rt u b e a bs t r a c t t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h ea l u m i n u mt w i s t e dt a p e si n v e r t i c a la n dd o w n w a r d f l o w 西4 2 x 2 5m mh e a tt r a n s f e rt u b ew e r et h ep r i m a r y p a r t si nt h ep a p e r t h ee x p e r i m e n ti n c l u d e dc o l da n dh o ts t a t ee x p e r i m e n t s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fr u n n i n ga n df l o wr e s i s t a n c ew e r er e s e a r c h e dm a i n l yi nc o l d s t a t ee x p e r i m e n t t h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tw a ss t u d i e di n h o ts t a t ee x p e r i m e n t i nc o l ds t a t e e x p e r i m e n t ，t h ef l o wr e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h e a l u m i n u mt w i s t e dt a p e sw e r ea n a l y z e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep r e s s u r ed r o p a b o u te i t h e re n do fh e a te x c h a n g e rt u b ea n dt h ea x i a lv e l o c i t yo ff l o w , t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ef r i c t i o nf a c t o r sa n dr e y n o l d sn u m b e rw e r ec o n c l u d e d t h e f r i c t i o nf a c t o r sd e d u c e df r o mt h ee x p e r i m e n ta n dt h ep r e s s u r ei n c r e m e n to fh e a t t r a n s f e rt u b ei n s e r t e dt h ea l u m i n u mt w i s t e dt a p e sw e r ec o m p a r e ds e p a r a t e l yw i t h t h e i rt h e o r e t i c a lv a l u e s a tt h es a m et i m e ，t h er e l a t i o n s h i pf o r m u l a so ft h e p r e s s u r el o s si n c r e m e n tw i t ht h e t w i s t e dt a p es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dt h e f r i c t i o nf a c t o r sw i t hc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r sw e r ew e l lm a t c h e db yu s i n g i i i n o n - l i n e a rr e g r e s s i o n ，a n dt h er e s p e c t i v ee f f e c tf a c t o r sw e r ea l s oa n a l y z e d t h er o t a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa b o u ta l u m i n u mt w i s t e dt a p e sw e r ea n a l y z e di n t h en e x ts t e p t h er o t a t i o n a ls p e e d so ft h et w i s t e dt a p e st a k eo ns i m p l ea n dl i n e a r r e l a t i o n s h i pw i t ha x i a lv e l o c i t yo ff l o w t h er o t a t i o n a ls p e e d so ft h et w i s t e d t a p e sd e d u c e df r o me x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e o r e t i c a lv a l u e sw e r ec o m p a r e d ， t h e r e b yt h ec o h e r e n c eo ft h eb o t hw a sv a l i d a t e d m o r e o v e r ，t h er e l a t i o n s h i p f o r m u l ab e t w e e nt h er o t a t i o n a l s p e e d s o ft h et w i s t e dt a p e sa n ds t r u c t u r a l p a r a m e t e r sw a sd e d u c e d ，a n do b t a i n e dt h a tt h em a i ne f f e c tf a c t o r so fr o t a t i o n a l s p e e d sa r et h ea x i a lv e l o c i t yo f f l o wa n dt o r s i o nr a t i oo ft h et w i s t e dt a p e s i nt h ef i r s tp l a c ei nh o te x p e r i m e n t ，t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r es y s t e ma n d t h ed i s p o s a lm e a n so fe x p e r i m e n t a ld a t aw e r ei n t r o d u c e d t h ee q u a t i o n so ft h e t o t a lt r a n s f e rh e a tc o e f f i c i e n t sw e r er e g r e s s e d i nt h en e x tp l a c e ，t h er e l a t i o n s h i p f o r m u l a sa b o u tt h ec o e f j f i c i e n t so fh e a tt r a n s f e rw e r es o l v e do nt h eb a s i so f w i l s o n g r a p h i c a l s o l u t i o nm e t h o d m o r e o v e r , t h e p e r f o r m a n c e a b o u t e n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e rw a se v a l u a t e d a n dt h er e l a t i o nf o r m u l a sb e t w e e n t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nf a c t o r 少a n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw e r ed e d u c e d i nt h ee n d ，t h eh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo ft h et w i s t e dt a p e sh a v i n gt h ed i f f e r e n t l e n g t h sw a ss t u d i e da n dc o m p a r e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h et r a n s f e rh e a t c o e f f i c i e n ta n dt h ef r i c t i o nf a c t o r sb o t hd e c l i n ea l o n gw i t ht h es h r i n k i n go ft h e t w i s t e dt a p el e n g t h a n dm a k i n gu s eo fd e c a y i n gc h a r a c t e r i s t i c so ff r e ed e c a y i n g s w i r lf l o wi np i p e ，t e s t i f i e dt h ed e c a y i n gp r i n c i p l e sa b o u tt h ec o e f f i c i e n t so ft h e h e a tt r a n s f e ra n dt h ef r i c t i o na l o n gt u b el e n g t h i v k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；f o u lp r e v e n t i o n r e m o v a l ；a l u m i n u m t w i s t e dt a p e s ；r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ；r o t a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s v 符号说明 意义 换热管总传热面积 定压比热 铝制扭带的宽度 换热管的当量直径 管内径 范宁摩擦系数，是无因次的系数 重力加速度 扭带的节距 单位质量流体流动时的沿程阻力损失 压差计水银液面读数的差值 总传热系数 热态实验换热管的长度( 不含上下法兰) 局部阻力中管件与阀门的当量长度 u 形管压差计两测点之间各管件和阀门的 当量长度之和 冷态实验压差计两测点之间的换热管长度 流体对扭带施加的旋转力矩 扭带旋转时的阻力矩 铝制扭带的转速 努塞尔( n u s s e l t ) 数 普朗特( p r a n d t l ) 数 换热管两端因流体流动引起的总压力降 空管的压力降 置入扭带后压力降的增量 换热器的热负荷 污垢及管壁热阻 i x 单位 m 2 j 蚝一k - 1 m m m p a p a p a w m 2 k w l 2 j k l 以 一 m埘m柏 m m m m一一 w r 徘 彳 印d 以西 g 砂幽 k 厶 阻 ， m 吩 m 丹 印衄锄q尺 意义 雷诺( r e y n o l d s ) 数 距离扭带旋转轴1 4 处的带宽 换热管的流通截面积 饱和蒸汽的冷凝潜热 饱和蒸汽温度 铝制扭带的厚度 冷流体进口温度 冷流体出口温度 换热管内壁温度 冷流体的定性温度 对数平均温度差 流体的轴向平均流速 扭带尾端流体的轴向流速 流经换热管的流体体积流量 冷流体的质量流量 饱和蒸汽的冷凝速率 自由旋流的切向速度 自由旋流沿换热管的轴向距离 扭带的扭转比 给热系数 扭带尺。处的倾角 相对偏差 总传热系数相对空管的提高率 流体的导热系数 流体的粘度 摩擦系数 流体的密度 强化传热性能评价因子 x 单位 w m k 1 o w m - 1 k - 1 p a s k g m 3 m o 蝇 m 雌h 鲈一鲈雌 m m o 埘 m m 触 胎 s r r ， 垃 o 矿 职 x y 口 跏 j 玎a 善p 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 秣妖 叩年厂月加日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发 发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者躲矧氓新躲獬节 毛, 92 l b f 广西大掌硕士掌位论文 下行4 2 2 5m m 换热管内置铝制扭带工作特性的研究 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀下匕 换热器作为一种通用的工艺设备，在石油、化工、冶金、机械等诸多工业部门中有 着广泛的应用；在各种工业生产和操作中，换热器作为实现热量由高温物体传给低温物 体的设备，它不仅是保证工程设备正常操作运行不可或缺的条件，也在金属耗费、动力 消耗以及投资方面占有整个工程中的重要份额，因此换热器工作效率的高低很大程度上 决定着整个工程的经济效益的高低。由于换热器在工业部门中的重要性，因此从节能高 效的角度出发，为了进一步减小换热器的体积，减轻其重量和金属的消耗量，减少换热 器功率的消耗，使换热器能够在较低温差下工作，人们用各种办法来增强换热器内的传 热即换热器的强化传热【l j 。 此外，换热器在使用过程中，9 0 以上的换热设备都存在不同程度的污垢问题；污 垢的形成，降低了换热效率，增加了介质的流动阻力【2 1 ；而且受污垢的影响，换热设备 不得不运行一段时间后停机除垢，延缓了生产进度，降低了工作效率，造成了很大的经 济损失。因此，换热器的防垢除垢与强化传热一样，对节约能耗、提高效率都具有十分 重要的意义。 1 2 强化传热技术 2 0 世纪8 0 年代以来，强化传热技术被誉为第二代传热技术，并得到充分的发展【1 】。 人们通过采用各种强化传热元件或改进换热器的结构，提高了传热效率，从而使得一些 技术落后和动力消耗大的换热设备逐渐被新式高效的节能换热设备所代替，从而使设备 投资和运行费用最低，以达到生产的最优化【3 1 。 强化传热技术从提高传热系数方面可分为有功技术和无功技术，也将其称为有源强 化技术和无源强化技术或主动式强化技术和被动式强化技术【4 ，5 】。 1 2 1 无功技术 无功技术是指除了输送传热流体介质的功率消耗外，不再需要外部附加动力；流体 的流动阻力和换热系数决定于粗糙元件的高度和稀密程度。 无功技术主要包括：特殊处理表面法、粗糙表面法、扩展表面法、扰流装置、添加 剂法以及射流冲击等。 ( 1 ) 表面处理法包括表面粗糙度细小尺度的改变及连续的或非连续的表面涂层，这 样的表面对相变换热的强化效果非常有效，但其粗糙表面的高度不足以影响单相换热的 增强【酬。 ( 2 ) 异型管强化传热主要是采用粗糙表面法和扩展表面法，各种异型管常由钢管挤 广西大学硕士掌位论文下行4 2 2 5m n l 换热管内置铝制扭带工作特性的研究 压或滚压轧制等特殊的加工处理而成【_ 7 】；目前常见的异型管有：缩放管、螺旋槽纹管、 横纹管、波纹管、螺旋扁管、翅片管以及表面多孔管等，异型管强化传热的机理是通过 扩展表面积以减小系统的体积和费用【8 】，利用粗糙面促进流体扰动，提高湍流程度以减 薄边界层的厚度或破坏边界层的生成，减小层流底层的热阻。 ( 3 ) 扰流法是在管内插入各种可使流体旋转的插入物，使管内介质产生旋转或螺旋 运动，常用的扰流装置有：螺旋片、扭带、螺旋线圈以及螺旋内肋管等；在换热管中 这些扰流子添加物可以有效地降低换热器传热过程中的总热阻，大大提高换热器的传热 系数【9 1 。 ( 4 ) 添加剂法是用来改善流体性质以增强传热的一种措施，添加剂有固体和液体两 种，组成气一固、液一固、汽一液以及液一液混合流动系统；其中以气一固混合系统最 具有实用意义。 ( 5 ) 射流冲击是流体通过圆形或狭缝形喷嘴直接喷射到物休的表面上进行冷却或加 热的方法。由于流体直接冲击固体壁面，流程短而边界层薄，所以其换热系数比一般的 管内流动要高好多【l 。 1 2 2 有功技术 有功技术需要利用外部能量来达到强化传热的目的，主要有以下几种：机械方法、 传热表面的振动、流体脉动、电磁场、静电场、喷注或吸出等强化传热方法。 ( 1 ) 机械方法最简单的就是搅拌，通过搅拌来增加流体的湍动和混合；各种型式的 搅拌器在主动式对流换热强化技术中应用最为广泛，它是利用机械传动带动搅拌器，促 使高粘度流体很好地混合，从而增强流体与加热器或冷却器之间的对流传热【4 】。 ( 2 ) 传热表面的振动和流体脉动：在振动强化传热研究中所采用的主要几何形状是 水平的加热圆柱体，利用电动振动器或电动机带动的偏心装置产生表面振动，使其沿水 平或垂直方向振动【1 2 j 。 由于换热设备庞大，使传热面振动往往不易实现，因此，直接使流体发生脉动的设 想就被提出来，利用往复泵或断续泵、压电传感器等来产生l 1 0 6h z 频率的振动，振动 或脉动使流体交替地受到压缩和膨胀，因而能够增加湍动，起到强化传热的效果【l3 1 。 ( 3 ) 电磁场和静电场的强化传热：电磁场可增强导电流体的膜层冷凝换热，而电动 流体力学( e h d ) 认为静电场也能引起传热面附近电解质流体的混合作用，促使对流换 热的加强【1 0 , 1 4 】；从2 0 世纪6 0 年代开始到现在，对利用电动流体动力效应增强传热进行了 不少的研究和报道，研究表明强化传热随着所施加的电场电位的增强而增加，另外也证 明了在低热流率下，e h d 效应对强化传热有更明显的效果【6 】。 ( 4 ) 喷注和抽吸：喷注是通过多孔的换热表面向流动液体中喷注气体，或在换热段 的上游喷注类似的液体；通过在表面上去除液体中的气体过程，也能产生与喷注类似的 强化效果。而抽吸是在泡态沸腾或膜态沸腾中通过多孔的加热表面除去蒸汽，或在单相 流中通过多孔的加热表面排出液体【1 1 1 ；另夕l - a g g a r w a l 等人已证实抽吸能大大增强湍流状 2 广西大掌硕士学位论文下行4 2 2 5m m 换热管内j l 铝制扭带工作特性的研究 态下的对流换热i l 引。 1 2 3 复合强化传热及强化传热的发展方向 ( 1 ) 复合强化传热 鉴于强化管内单相流体换热的强化管件存在加工制作的困难，强化换热的程度受限 等问题，采用两种或两种以上不同手段进行复合强，以期获得更大传热强化效果的技术 即复合强化传热技术；复合强化传热技术要求所采用的几种强化措施，能够配合默契以 便发挥其各自的优点，从而取得更好的传热效果【l6 1 。随着强化传热技术的推广应用，许 多换热设备在改造设计中已采用这一技术；常用的有螺旋槽管与弹簧的复合强化传热 【1 7 】，螺旋槽管与旋流器、扭带的复合强化传热，带有扰流的内肋管以及振动复合强化传 热等f 6 】o ( 2 ) 利用纳米流体强化传热技术的发展 迄今为止，在液体中添加的粒子都局限于毫米或微米级的，由于这些毫米或微米级 粒子在实际应用中容易引起磨损、堵塞等不良结果，从而大大限制了其在工业实际中的 应用；纳米材料科学的迅速发展给强化传热领域带来了新的机遇，有学者提出了一个崭 新的概念纳米流体：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化 物粒子，形成一类新的传热冷却工质，这是一种提高液体导热系数的有效方式【l 引。换热 器中如果利用纳米介质换热，传热效率将大大提高，近年来，s a d i kk a k a 9 1 9 】以及w e n d o n g s h e n g 【2 0 】等人也对纳米流体强化传热技术做了深入的研究，并取得了一定的成果。 ( 3 ) 计算流体力学( c f d ) 的发展 随着计算流体力学( c f d ) 和数值传热学的发展，各种数值模拟技术不断地被应用 到强化传热技术中来，对各种支撑结构的性能和壳程流场特性的研究可以通过计算机模 拟来完成，因此在流体流动、传热计算模拟和仿真方面，计算流体力学( c f d ) 将会得 到更广泛的应用；计算机模拟这种方法简单快捷，具有广阔的应用前景，这也促使了更 优化的传热组合的研究 2 1 , 2 2 】。此外，换热器的场协同原理也是今后强化传热技术发展的 重要方向，并在此基础上开发第三代传热技术【2 3 】。 1 3 防垢除垢技术 换热设备的污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热表面上逐渐积聚起 来的那层固态物质【2 4 1 ；污垢所表现出来的基本属性有两个方面：一方面是阻碍冷热流体 的热交换，另一方面是使流体的流动阻力增加。由于换热设备中温度梯度的存在，使换 热面上的污垢形成机制更为复杂，污垢所带来的危害也更为强烈。 1 3 1 污垢对换热设备及其系统的影响 ( 1 ) 总传热系数随着污垢热阻的增加而降低，在清洁条件下的总传热系数越高，污 垢热阻的影响也越大；因此设计换热器时必须额外增加传热面积，以补偿污垢热阻的影 3 广西大学硕士学位论文下行4 2 2 5m m 换热管内j l 铝制扭带工作特性的研究 响【2 5 】。 ( 2 ) 由于污垢热阻值具有某些不确定性，设计者往往采用较保守的值以增加安全系 数，这使传热面积也会不必要地增大。 ( 3 ) 污垢是热的不良导体，污垢沉积在设备表面提高了壁温，影响了传热效果，降 低了生产效率【2 5 1 。 ( 4 ) 污垢聚积在设备的表面，使局部腐蚀加剧，产生点腐蚀造成穿孔【2 6 1 。 ( 5 ) 污垢在管内沉积使管内流体的流道截面积变小，增大了流动阻力，导致泵或风 机的消耗功率增加，再加上自动清洗设备的动力消耗，使设备的总能量消耗增；a t l l 2 7 1 。 ( 6 ) 由于污垢引起的停车清洗，降低了设备连续运转的周期，造成生产效率下斛2 4 1 。 1 3 2 换热器污垢在线清洗技术 换热设备在线清洗技术是指在不停车的情况下，对设备进行清洗，此技术有下面的 一些好处： ( 1 ) 节省了停车清洗的停工时间，提高了生产效率； ( 2 ) 节省了人力、物力和费用，充分利用了资源【2 6 】； ( 3 ) 防止运行过程中压降增加，提高了传热效率，降低了能耗。 ( 一) 在线化学清洗 在线化学清洗与化学清洗的最大不同是装置不停止运行；初期这种方法只用于冷却 器和冷凝器及工艺用水产生泡沫的过程，现在己成功地用于烃加工换热器等【2 1 。化学清 洗除垢是利用化学或电化学的机理，用酸将金属壁上的沉积物溶解【2 引。 ( 二) 在线机械清洗技术 ( 1 ) 海绵胶球连续除垢系统 海绵胶球清洗技术最早是西德公司在1 9 5 7 年发明的专利技术，其工作原理是通过胶 球泵将海绵胶球打入换热器管内，形成一个连续的循环系统；由于胶球比管子直径略大， 在通过管子时胶球就会轻微挤压和摩擦管壁，从而达到去除污垢，清洗管道的作用2 9 , 3 0 】。 ( 2 ) 冷却器胶球在线清洗技术 该技术将胶球清洗除垢技术与特殊的水流定向切换技术以及胶球收、放球技术进行 了有机的结合，该技术通过循环水系统自身的压力来实现，避免了新增胶球泵及胶球收 放设备与旁路系统，简化了清洗操作条件，节省了大量的人力、物力和财力；该技术达 到了研究目标与工业应用的条件，先后获得两项国家专利f 3 。 ( 3 ) 自动刷洗系统 尼龙刷和安装在管道两端的外罩组成了该刷洗系统，管道上的阀门可控制水流的方 向，刷子会因为水流方向的改变沿管道轴向来回地进行刷洗，达到清洗污垢的目的【2 9 1 。 图1 1 自动清洗刷 f i g 1 - 1s e l f - m o v i n gc l e a n i n gb r u s h 4 广西大学硕士掌位论文下行4 2 2 5 蚴换热管内j l 铝制扭带工作特性的研究 ( 4 ) 流态化类自洁式传热强化技术 流化床换热器广泛适用于管程为液体的立式换热器中，在立式管内加入一定填充比 的颗粒物，颗粒在流体作用下产生流态化，并不断敲击摩擦管壁，在除垢防垢的同时强 化液体湍流速度，减小滞流层厚度，传热系数比光滑管提高4 8 倍【3 2 1 。 近年来流态化清洗车也被研制出来，已被应用在套管式换热器中，并取得了较好的 工业价值，未来将会在工业应用中创造巨大的经济效益【3 引。 ( 5 ) 内插物防垢除垢技术 弹簧插入物在线清洗【3 4 l 弹簧内插物是一种无功强化传热技术，利用管内流体的 推动作用，弹簧在换热管内振动或螺旋运动，达到在线清洗污垢的目的。 螺旋扭带式自动除垢【3 5 l 我国湘潭大学的俞秀民等人发明了自转塑料扭带自动 防垢除垢技术，通过扭带的两侧面刮擦换热管内壁面上的污垢，使换热介质的污垢无法 堆积，达到连续、自动地清洗污垢的目的。 螺旋线自动除垢把金属丝以一定的螺距绕在一根轴心上加工而成【3 6 j ，通过螺旋 线圈的振动促进流体的湍动并产生复杂的二次流，减薄滞留边界层的厚度，减缓污垢的 生成【3 7 】。 ( 三) 物理能量场防垢除垢技术 ( 1 ) 超声波抑垢技术 在前苏联，将超声波用于防垢的尝试始于2 0 世纪3 0 年代初，直到6 0 、7 0 年代才开始 比较广泛的工业应用；超声波防垢主要是利用超声波功率声场处理液体，使液体中成垢 物质在强声场作用下，理化指标和形态发生变化，使成垢分散、松散、粉碎、脱落，不 易附着在管壁，从而达到防垢、除垢的效果，改善并提高了热传导效率 3 8 , 3 9 】。 ( 2 ) 声学防垢技术【4 0 】 基于在超声波防垢技术上发展起来的声学防垢技术于2 0 世纪9 0 年代中期实现了真 正意义的重大突破；声学防垢装置由信号发生器及磁滞伸缩能量转换器( 简称换能器) 组成，信号发生器产生的脉冲信号，经电缆传送至换能器转换成1 5 2 5k h z 的声频振荡， 此声频振荡沿着热交换设备的金属构件( 如管板) 传送至换热面上而起到除垢防垢的作 用。因为声学防垢装置只需要根据其声学负载在1 5 - 2 5k h z 范围内进行调节，便可使其 振动状态达到最佳，因此称之为声学防垢技术而不是超声波( 2 0k h z 以上) 防垢技术。 ( 3 ) 磁处理防垢除垢方法 磁防垢技术作为一种物理法处理技术，具有应用方便、投资少、运行费用低、无污 染等优点，日益引起人们的关注。有关磁处理防垢的机理很多，目前认为磁处理防垢除 垢是因为同晶异构现象而产生同晶异构体，当水溶液流过强磁场时，水中的成垢物质从 磁场中获得能量，使方解石型晶体变成霰石型晶体等1 4 。 5 广西大掌硕士学位论文 下行4 2 2 5m i n 换热管内j l 铝制扭带工作特性的研究 1 4 内插物强化传热及防垢除垢技术 管内插入物是最方便的一种强化传热技术，它的最大优点是：适合旧的换热器的改 造，不必额外增加换热设备，而且加工制造简单，装卸方便，大大地节省了投资；此外， 内插物有助于清除管内污垢，即内插物具有强化传热和在线防垢除垢的双重功能，这是 其他强化传热技术所无法比拟的【1 6 】。 目前国内外对内插物的研究很多，并应用于工业生产中，对节能和能源的充分利用 起到了重要的推动作用；一些常用内插物有：环式、拉希格图、盘式、螺旋线圈、螺旋 带、螺旋片、扭带、静态混合器和径向混合器等；不同的管内插入物具有不同的形状， 强化传热的机理也不同；下面介绍几种常见管内插入物的强化传热和防垢除垢的机理。 ( 一) 弹簧插入物 华南理工大学化工所研究发现：弹簧在传热介质流动作用的带动下发生弹性振动， 不断地频繁敲击壁面，使传热面处边界层的流动受到了强烈的扰动，因此获得了在线自 动除垢和强化传热的效果。 ( 1 ) 固定式弹簧 固定式弹簧在线清洗该技术由长岭炼油化工厂设备研究所研发成功( 示意图见 图1 2 ) ；弹簧的两端是固定的，适合雷诺数较高的流体强化传热。 iz】4 1 4 - 弹簧固定扦：2 - 内置弹鳘：3 一按撩管 图1 - 2 固定式弹簧清洗系统 f i g 1 - 2c l e a n i n gs y s t e mo ff i x e ds p i r a ls p r i n g ( 2 ) 旋转式弹簧 旋转式弹簧在线清洗该技术由湘潭大学开发成功，因为固定弹簧的支承是活动 式的，流体流过弹簧后，弹簧会围绕支撑连续地转动，换热管内壁被刮擦和清洗，达到 除去污垢和强化传热的目的【4 2 】：示意图见图1 3 。 图1 - 3 旋转式弹簧清洗系统示意图 f i g 1 - 3s k e t c hm a pa b o u tt h ec l e a n i n gs y s t e mo fr o t a t a b l es p r i n g ( 3 ) 分段式弹簧 分段式弹簧在线清洗该技术由法国e l f 公司于2 0 世纪8 0 年代末期研究开发而 成；两侧的弹簧与换热管端部固定，中间的弹簧则不固定，并且相互间有一定的间隙， 见图1 4 。该技术在较低的流速下就能达到较好的清洗效果，而且也便于控制管程压降。 6 g - 西大掌硕士掌位论文下行4 2 2 5l t l l t l 换热管内置铝制扭带工作特性的研究 图1 - 4 分段式弹簧清洗系统 f i g 1 - 4c l e a n i n gs y s t e mo fs e c t i o n a ls p r i n g ( 二) 螺旋线圈 最初螺旋线圈均是依靠外部机械动力来驱动的，后来针对外力驱动的刮面式传热设 备普遍存在的结构复杂、高成本、低可靠性的问题，提出了流体驱动的螺旋线清洗技术 ( 见图l 一5 ) 以及防磨损自转塑料螺旋线自动清洗技术【3 3 】；除了强化传热方面的权威学 者b e r g l e s 等在这方面的研究外，近年来国外关于螺旋线强化传热的研究也很多 4 3 , 4 4 】。 对塾豆经翟萨线 图1 - 5 自转的钢丝螺旋线清洗技术原理图 f i g 1 - 5t h ec l e a n i n gp r i n c i p l ec h a r to fs e l f - r o t a t i o n a ls p i r a ls t e e lw i r e ( 三) 绕花丝内插物 绕花丝内插物是由几组相同的线圈环绕同一中心轴线扭转而成，形成一种特殊的多 孔体( 见图1 - 6 ) ，它是由网状物发展而来，只不过绕花丝比网状物的空隙率要大，以避 免产生过大的压力斛1 6 】。清华大学在绕花丝内插物强化管内空气对流换热方面进行了实 验研究，结果表明绕花丝内插物同时具有径向混合、螺旋流、扩展表面和粗糙表面的作 用，使临界的雷诺数大大降低，诱发湍流，存在最佳结构参数使阻力增加较小，而强化 传热效果最好【6 j 。 图1 6 绕花丝内插物示意图 f i g 1 - 6t h es k e t c hm a po f v o l u b l es t e e lw i r ei n s e r t e d ( 四) 静态混合器 静态混合器是国外2 0 世纪7 0 年代初发展起来的新型设备，它没有运动部件，依靠设 备的特殊结构和流体的运动，使互不相溶的液体各自分散并彼此混合，从而达到良好的 混合效果1 4 5 1 。静态混合器除了产生混合作用外，在管壁上还可以更新液膜和增加该处的 速度梯度，故它可以减薄甚至破坏管内传热滞流层，使换热器的总传热系数大大增加。 目前有两种静态混合器应用较为广泛：k e n i c s 和k o c h s u r e r t l 6 j 。 7 广西大掌硕士学位论文下行4 2 2 5m l t l 换热管内j l 铝制扭带工作特性的研究 图l - 7 静态混合器 f i g 1 - 7k e n i c ss t a t i cm i ) ( 盯 ( 五) c t 内插物 交叉梯形波带( 简称c t 插入物) ，见图1 8 所示；c t 插入物与螺旋扭带、螺旋线和 静态混合器等不同，c t 元件是由二三条梯形波浪带交叉组成；它通过引导和置换流体产 生扰流作用而不产生离心力，依靠波浪斜板使中间流体移置壁面，壁面流体移置中间， 促使边界层产生扰流，达到防垢和强化传热的效果【4 6 1 。 图1 - 8交叉梯形波带( c t ) f i g 1 - 8c r o s s e da n dt r a p e z i f o r mw a v es t r i p ( c t ) ( 六) 内插扭带 ， ( 1 ) 螺旋扭带在线清洗技术 管内的扭带和流体相互作用会产生复杂的二次流漩涡现象，同时还会出现边界层中 流动缓慢的流体和管中心区流体相互混合的现象【l 】。自转清洗扭带具有在线自动清洗污 垢和强化传热的双重功能，研究者以内置自旋塑料扭带换热器为研究对象，对换热管中 有无自旋扭带时污垢的粘附速率、管壁的磨损速率进行了工业应用对比实验研究【4 7 , 4 8 】。 1 一管口轴承2 一转轴3 一传热管4 一自旋扭带 图1 9 自旋扭带工作示意图 f i g 1 - 9w o r k i n gs k e t c hm a po fs e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p e ( 2 ) 流体动力齿带自动清洗技术 流体动力齿带自动清洗也是一新技术，螺旋扭带上的每个斜齿都是自转动力结构元 件，可以有效地强化自动清洗扭带的旋转力矩。 ( 七) 液轮机在线清洗技术 此项技术由广西大学的林榕端教授研制而成，液轮机是一种具有强化传热和在线防 垢、除垢双重作用的内插物，其工作原理相似于水轮机，研究发现液轮机在较低的流体 流速下就具有良好的工作特性【4 9 1 。 8 下行0 4 2 x25 一按热蕾内量铝制扭带工作特性的研究 图l - 1 1 螺旋带旋转器 f i g i - 13 r e v o l v i n g i n s t r a r a e n t s w i t hs p i r a l t a p e s ( 八) 锥形插入物和片条形插入物 最近几年国外又出现一些其他的内插物，如圆锥环状插入物和百叶窗式条状插入 物：实验时圆锥环状插入物采用不同的排列方式( 见图i 一1 2 ) 和不同的径比，这两种是 影响传热性能的重要因素，圆锥环状插入物的管子比光滑管具有更高的传热性能口”。百 叶窗式条状插入物能增加流体的湍流程度，实验中插入物有前后两种排列和不同的倾斜 角度( 8 - - 15 。，2 5 。和3 0 。) 1 5 2 如图卜1 3 所示。 d r r r _ f r r ? 了。一 - l _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ - - - _ 一 c r 互 了工1 蜀- 工业“ c d n 互二正二奠 正“ 囤1 - 1 2 圆锥环状插八物 f i g 1 - 1 2 t h e i n s e r t o f c o n i cr i n g j _ ：r ) _ = r 3 _ ：7 i 图i - 1 3 百叶宙式条状插 物 f i gi - 13t h e i n s e r t o f s h u t t e rs t r i p ( 九) 立交盘式插入物和星形插入物 一种低压降的新型管内插人物立交盘，立交盘的外擘侧视罔为一圆，在与管路 连接时，其外壁焊接丁二管路内壁之上，该圆直径即为管路内直径。流体穿过一块盘即实 现一次中央区和周边区换位，完成一次分割一位移一汇合的过程，发生一次边界层强制 深度剥离1 5 3 1 。 另外还有具冉星形截面的鳍状插入物，见罔l 1 4 ，实验时将铝制的具有星彤截面鳍 - - 西大掌硕士掌位论文下行4 2 2 5m l n 换热蕾内，l 铝制扭带工作特性的研究 状插入物置于换热器中，研究其对逆流换热器的传热和压降的影响，研究对象是工作介 质为水的同心套管换热器；经研究表明：外形为直的鳍状插入物能更好的提高逆流换热 器的传热率，而外形弯曲的鳍状插入物却不能提高换热器的传热率【5 4 1 。 1 5 研究课题简介 图1 1 4 具有星形截面的鳍状插入物 f i g 1 1 4f i ni n s e r to fs t a rl i k es e c t i o n ( 一) 课题来源 在国家自然科学基金项目“换热管内微型液轮机动力学研究 和广西科学基金项目 “微型液轮机强化传热研究”，以及前人所进行的换热管内置自旋弹簧、自旋塑料及铝 制扭带等实验研究的基础上，本课题对下行1 i ) 4 2 x 2 5m m 换热管内置铝制扭带的工作特 性进行实验研究。 ( 二) 研究的目的和意义 ( 1 ) 防垢除垢的需要 换热器在运行的过程中，由于晶体的积附、有机物的沉积以及产品的分解等原因， 会在换热器的管壁形成污垢；污垢不仅恶化了换热器的传热性能，增加了原材料消耗， 而且还会因为污垢层增厚而减小流通面积；同时污垢还常常使流道表面的粗糙度增加， 引起了摩擦系数和局部阻力系数的增加，这必然要引起整个换热器流动阻力的增大。 ( 2 ) 强化换热的需要 世界范围内的能源危机，使得能源和材料已成为热力系统总成本更重要的因素，这 就要求设计、制造出各类高性能的换热设备，以达到有效开发和合理利用新能源的目的； 而强化传热研究的主要任务就是改善、提高热传递的速率，力求使换热器在单位时间内， 单位传热面积上传递的热量达到最多，即用最高的热效率来实现能源合理利用的目的。 因此为了节约能源和降低消耗，就需要更多的求助于强化传热技术。 换热管内置扭带是具有在线自动清洗污垢能力的强化传热措施，由于扭带的旋转不 断地刮擦换热管内壁面上的污垢，使换热介质的污垢无法堆积，达到连续、自动清洗污 垢的目的；同时管内流体和扭带相互作用又形成了复杂的二次旋涡流动，使静滞在换热 管内壁的流体不断地扰动，并促进了边界层与管中心流体的混合，从而达到增强换热效 率的目的。因此，在无功强化传热技术中，换热管内安装自旋扭带插入物具有在线除垢 和强化传热的双重作用，另外它还有不改变传热面外形以及插入扭带的加工制作简单等 显著特点，所以特别适用于现有的换热设备。 1 0 g - 西大学硕士掌位论文下行4 2 2 5r n l t l 换热管内置铝制扭带工作特性的研究 ( - - ) 实验方案和采取的措施 ( 1 ) 改造和检修设备，为实验的顺利进行做好准备； ( 2 ) 专门制作了扭制铝制扭带的工具，购置纯铝作为旋转扭带的材料，然后扭制成 不同宽度、不同节距的旋转扭带。 ( 3 ) 进行冷态实验，测量扭带的转速和置入铝制扭带前后的总压力降，得出压力降 增量、扭带的转速与流速的关系，推导出对扭带工作特性的影响因素； ( 4 ) 进行热态实验，测量不同流量下介质的温度和压力