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糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 摘要 换热器广泛应用于化工、食品、炼油、动力、冶金、能源等工程领域， 其强化传热技术和污垢清洗技术对工业节能具有非常重要的意义。如今国 内外虽然已经发展了许多强化传热和除垢技术，但大多数只能单一地强化 传热或单一地除垢，而能同时实现强化传热和防除垢的技术少之又少。本 文所研究的就是一种能实现强化传热和在线、自动、防垢除垢双重作用的 新技术液轮机。 本文首先在实验室中研究了液轮机的转动特性、流阻特性及传热特性。 转动试验结果表明，液轮机的转速与管内流体流速近似成线性关系，其转 速随着流体流速的增加而增大。同时液轮机在很低的流速下就可以起转， 转速高而流阻小，操作弹性很大。传热试验结果表明，换热管内置入液轮 机后的传热系数比空管时的传热系数提高了5 8 1 2 8 ，平均提高了 7 8 2 8 。其次，本文用n a t i a b 非线性回归分析和w i s o n 图解法修正相结 合的方法，计算得到了空管给热系数关联式和置入液轮机后的给热系数关 联式。另外，通过综合分析评价：一( n u n u o ) ，发现传热性能评价因子由始 ( 善彘) j 终大于1 ，说明液轮机的强化传热手段有效。 本文针对在某糖厂混合汁加热器上采用液轮机的实际应用，与加热器 空管进行了对比，通过二者结垢情况的比较，分析评价了液轮机的防除垢 性能。工业试验的结果表明，置入液轮机后的加热管始终在无垢的状态下 i 运行。这说明液轮机在线防除垢效果优良，该技术可以投入实际生产，是 一种非常具有研究价值和应用前景的在线防垢新技术。 关键词：微型液轮机在线防垢强化传热混合汁 e x p e r l m e n tr e s e a r c ho nan e wo n - l i n ef o u l l n gr e s i s t i n g t e c h n o l o g y0 fh e te x c h a n g e rins u g rf a c t o r y a b s t r a c t h e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l yu s e di nc h e m i c a le n g i n e e r , f o o d ，p e t r o l e u m ，p o w e r , m e t a l l u r g ya n de n e r g yf i e l d se t c s o ，t h eh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ta n df o u l i n g r e m o v i n go fh e a te x c h a n g e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe n e r g ys a v i n g n o w , t h e r ea r es o m a n yt e c h n o l o g i e so fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n df o u l i n gr e m o v i n g ，b u tt h em o s to f t h e mc a nr e a l i z eo n l yo n ek i n df u n c t i o n w h i l et h et e c h n o l o g i e sw h i c hc a nb o t he n h a n c e h e a tt r a n s f e ra n dr e s i s tf o u l i n ga r ev e r yf e w t h i sp a p e rr e s e a r c h e san e wk i n d t e c h n o l o 固，_ t h em i n i a t u r eh 3 7 d r a u l i ct u r b i n e ( m h t ) ，w h i c hc a nr e a l i z et h ef o u l i n g r e s i s t i n g p r e v e n t i n go n - l i n e , c o n s t a n ta n da u t o m a t i c ，a n dg a br e a l i z eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta tt h es a m et i m e f i r s t l y , a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h er o t a t i o n a ls p e e dp r o p e r t i e s ，t h ef l o w r e s i s t a n c ep r o p e r t i e sa n dt h eh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e so fm h ta r ei n t r o d u c e d t h e r o t a t i o n a lt e s t ss h o wt h a tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h er o t a t i n gs p e e do fm h ta n dt h e f l o w i n gv e i o e i t yi sa p p r o x i m a t i n gl i n e a r , a n dt h er o t a t i n gs p e e di n c r e a s e sw h i l et h e f l o w i n gv e l o c i t yi n c r e a s e s a tt h es a m et i m e ，m h tc a ns t a r tw o r ka tl o wf l o w i n gv e l o c i t y w i t hh i g hr o t a t i n gs p e e d ，l i t t l ep r e s s u r ed r o pa n db i go p e r a t e de l a s t i c i t y t h eh e a t t r a n s f e rt e s t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sw i t h o u ti n s e r t ，t h e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so fm h ti n c r e a s eb y5 8 1 2 8 ，a n da b o u t7 8 2 8 o nt h e a v e r a g e s e c o n d l y , u s i n gm a t l a b n o n l i n e a r r e g r e s s a n dw i l s o nm e t h o d ，t h e d i m e n s i o n l e s sc o r r e l a t i o n so ft h en u s s e i tn u m b e ra r e g i v e n t h i r d l y , t h r o u g h c o m p m h e n s i v e l y 鹤t i m a t i n ga n da n a l y s i s 庐：! 型幽掣，f i n d st h a tt h ef a c t o r 中i sa l w a y s ( 善彘) 3 b i g g e rt h a n1 ，i ti n d i c a t e st h a tt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fm h t i sg o o d i nt h i sp a p e r , t ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fm h ti nt h eh e a te x c h a n g e ro ft h e n e u t r a l i z e dj u i c ei nac e r t a i ns u g a rf a c t o r y , c o n t r a s th a sb e e nd o n ew i t ht h ep l a i nh e a t e x c h a n g e r b e s i d e s ，e s t i m a t i o no nt h ef o u l i n gr e s i s t i n g p r e v e n t i n gp e r f o r m a n c eo fm h t h a sb e e n 舀v e ub yc o m p a r i n gt h es c a l i n gs i t u a t i o n t h ei n d u s t r i a lt e s t sp r o v et h a tw i t h m h ti nt h eh e a te x c h a n g e rt u b e t h eh e a te x c h a n g e rw o r k st h r o u g h o u tw i t h o u tf o u l i n g i ti n d i c a t e st h a tm h tc a nr e a l i z et h ef o u l i n gr e s i s t i n g p r e v e n t i n go n - l i n e ，a n dt h er e s u l t i s g o o d t h et e c h n o l o g yc a nb eu s e di nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ；i ti so n en e wk i n d t e c h n o l o g yo ft h ef o u l i n gr e s i s t i n go n - l i n ew h i c hh a st h er e s e a r c hv a l u ea n dt h e a p p l i c a t i o np r o s p e c te x t r e m e l y k e yw o r d s ：m i n i a t u r eh y d r a u l i ct u r b i n em h t ) ；f o u l i n gr e s i s t i n go n - l i n e ； e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r ；m i x e d j u i c e 符号 a i d h d t 6 a 3 a 2 n q o v d e h p r e p l l 1 0 q w h r w o c p t 进、t l tm 、t 2 主要符号说明 含义 换热管的截面积 换热管内径 液轮机叶片的螺旋升角 液轮机叶片的螺距 液轮机的轮毂外径 液轮机叶片的宽度 液轮机叶片的厚度 液轮机的横截面积 管内置入液轮机后的环隙面积 液轮机的转速 流体的流量 流体的流速 置入液轮机后换热管的当量直径 u 型压差计的读数 换热管的阻力降 雷诺数( r e y n o l d s ) 流体的密度 流体的粘度 换热管法兰内侧的长度 换热器的总传热量 饱和蒸汽的冷凝速率 饱和蒸汽的冷凝潜热 质量流量 平均比热 水( 被加热流体) 的入口温度 水( 被加热流体) 的出口温度 单位 m 2 m k g m 3 p a s m w k g h l l k g k g s ， k j ( k g ) m m m m。：曩挑从 m 删h t 、t s t p f t i i i k p ， h f | j l ， 毛 l 。 n u c p d qh dc r 风 pw 巾 蒸汽温度 定性温度 饱和蒸汽压力( 表压) 换热管传热面积 对数平均温度差 传热系数 普兰特常数( p r a n d t i ) 导热系数 阻力损失 局部阻力损失 摩擦系数 管件或阀门的当量长度 努赛尔特准数( n u s s e l t ) 给热系数关联式的系数 给热系数关联式中r e 的指数 对流传热系数 换热管外侧流体的对流传热系数 换热管内侧流体的对流传热系数 热阻 污垢热阻 管壁热阻 壁温 壁温下流体的粘度 传热性能评价因子 m p a m 。 w ( m 2 1 w ( m 1 j k g j k g m w ( m 2 、 w ( m 2 1 w ( m 2 、 m 2 w m 2 w m 2 c w p a s 广西大学硕七学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 换热设备广泛应用于化工、炼油、动力、冶金、原子能、造船、制冷、食品、 交通、建筑、电子、航空等国民经济的各个领域。在动力、化工、制冷等工业中， 它不仪是不可缺少的工艺设备，而且在会属消耗和投资方面也占有较大的比重。 在火力发电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则其投资约占总投资的4 0 5 0 ： 在现代石油化工企业中，其投资约占3 0 4 0 ；在一般的制冷设备中，蒸发器的 金属消耗占总量的3 0 4 0 。 在工业生产工艺过程中，换热设备的传热表面均存在不同程度的结垢现象，特别是 涉及蒸发工艺的加热过程，如制糖、制盐、造纸等工业过程。传热设备污垢所造成的危 害是多方面的。首先，也是最主要的是使传热恶化，据估计效率下降幅度平均在3 0 以 上【“，而且低效的传热设备降低了设备的生产能力。其次，使传热面积投资费用显著增 大，因考虑到污垢热阻的存在而不得不需要更大的换热面积，增加了材料的消耗。随着 材料价格的不断上涨和贵重材料在换热器中的使用，这种增加换热面积的方法变得越来 越不经济了。此外，严重积垢引起流体输送阻力增大，导致垢下腐蚀，甚至造成阻塞。 传热设备污垢给工业生产究竟造成多大规模的经济损失昵? p a t h a c k e r y 估计传 热设备污垢使英国工业每年经济损失3 7 4 9 亿英镑1 2 l 。根掘w l v a n n o s t r a n d l 3 等人 对世界各地炼油厂实际生产装置的调查，可知仅美国炼油厂中常减压、加氢、热裂化和 重整四套生产装置清洗污垢及维修费就高达1 3 6 0 1 亿美元。文献 4 1 也表明我国工业换热 设备每年因污垢造成的总经济损失约为1 0 0 亿元。另据6 a r r e t t - - p r i c e 等的估计【5 1 1 6 1 ， 1 9 8 4 年美国因换热器污垢引起的经济损失每年约为8 0 1 0 0 亿美元，占国民生产总值 ( g n p ) 的0 2 8 0 3 5 。 因此，国际著名传热技术专家自7 0 年代初直至8 0 年代多次强调指出，污垢是换热 设备中尚未解决的最主要问题【2 】1 7 】【8 】。参考文献f 9 】也提到“传热面上的污垢可能会使提高 性能的任何尝试都归于零，得不到什么结果。就节能措施来说，对污垢进行评价和防止 结垢是最大的焦点之一。”因此防止换热表面结垢与强化传热一样，对节约能耗、提高 能源利用率都具有十分重要的意义。 1 2 换热器的防除垢、强化传热技术 对于传热面的污垢，传统的处理方法是周期性的停车清洗，这种方法的缺点是： 广西大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 运行期间的k 值比传热面清净无垢时的k 值下降许多，因此设备长时间处于低效运行状 态；周期性停车使生产实际时间减少，影响产量和成本；人工清洗费力费时，劳动 条件差且效果不佳，机械刮削又容易损伤传热面。 鉴于以上原冈，并、廿意到传热面的污垢和传热流体的边界层两者不仅紧密毗邻，而 且是传热过程的主要阻力。因此，应该改变传热技术研究中传统的分离思想或者单 一地研究强化传热，或者单一地研究污垢清洗，丽应该积极地防垢、除垢并同时强化热 阻较大的边界层，也就是将防垢除垢与边界层传热过程强化相结合，提高换热设备的抗 垢和传热性能【l 】【。 现在许多强化传热技术已在使用洁净工质如制冷、空调、深冷等工业中得到广泛的 应用，并取得了很大的经济效益，但在其他工业中应用却不够广泛。其主要原因是各种 工业换热工质及工艺条件变化很大，特别是换热面的污垢系数难以测定，难以总结出具 有普遍意义的经验及设计公式，因此目前很需要研究具有抗垢性能的强化传热技术，以 适应某些行业，如制糖、制盐和化学工业的降低能耗和换热设备更新换代的要求，将热 能回收利用的水平进一步提高。 i 2 ，i 具有良好抗垢性能的强化传热管 目前强化传热管在生产实际中得到越来越广泛的应用，其中有一些强化传热管在强 化传热的同时具有比光管更好的防垢性能。 1 2 i 1 波纹管 波纹管换热器【1 2 】是近年发展起束的新型高效换热设备，它与传统换热器的主要区 别在于用波纹管代替原来的光滑直管，波纹管是用普通无缝薄钢管经过特殊加工而成 的，外形像糖葫芦一样，见图i - - i 。由于波纹管壁较薄，波峰波谷高度差达l o m m 左右， 这种换热管可以自由地轴向伸缩，流体在复杂界面流动下可以不断改变方向和流速，改 变紊流的脉动性，并促使湍流产生，减小层流底层，增强相变换热等。同时由于波纹管 对边界层粘性底层的扰动，加上其在温差作用下的可伸缩性，使传热得到强化的同时， 也使剥蚀效率增加，所以波纹管具有较强的防垢和除垢能力。 实验证明波纹管的换热效果为光管的2 4 倍，光管的污垢热阻是波纹管污垢热阻 的3 6 倍1 3 l 5 1 。 2 广西大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 1 2 1 2 轧槽管 图1 - 1 波纹管结构示意图 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo f c o r r u g a t e dt u b e s 螺旋槽管、横纹管和异型螺旋槽管都是通过特殊机床轧制而成的一种高效强化传热 元件，通称为轧槽管，见图1 2 。轧槽管在传热过程中可起到双边强化传热作用，尤以 能强化管内单相流体传热而著称。关于各种轧槽管的传热与流阻性能，已有不少研究成 果报道h ”堋，但是对其污垢性能方面的研究却较少。随着轧槽管应用面的日益扩大，复 杂流体在传热面上产生的低导热性污垢成为强化传热的最大阻力，于是近年来有学者开 始了对轧槽管污垢性能方面的研究。各种研究1 2 l 驯均表明轧槽管的抗垢性能优于光管。 文献【2 2 】较系统地研究了轧槽管的抗垢性能，指出流体流速和传热表面温度对结垢 过程的影响较大。流速高对结垢层的冲刷作用大，污垢层不稳定，传热系数亦有提高， 同时由于流体界面温度的降低，也减少了污垢生成的机会。实验中所有轧槽管的抗垢性 能十分接近，且略好于光管的抗垢性能。通过各种轧槽管的对比实验表明，管参数相同 时，其抗垢性顺序为：螺旋槽管 异型螺旋槽管 横纹管。 l 2 1 3 缩放管 画画困 图1 - 2 轧槽管结构示意图 f i g i 一2t h es t r u c t u r eo f r o l l e dc h a n n e l e dt u b e s 2 0 世纪7 0 年代由前苏联引进了缩放型传热管( 简称缩放管) ，见图1 3 。缩放管 是由依次交替的多节收缩段和扩张段构成，在扩张段中流体速度降低，静压增加；在收 广西大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 缩段中流体速度增加，静压减小。在扩张段中由于流体质点速度变化产生剧烈的漩涡并 在收缩段中得到有效利用，而且冲刷流体边界层，使其减薄。在相同流体阻力下，缩放 管有比光管更好的传热性能。缩放管可强化管内外单相流体的传热，在同等流阻损失下， r e = l 1 0 1 1 1 0 范田内，传热量比光管增加7 0 1 2 ”。该管可用于多种类型换热器， 如空气预热器、油冷却器、冷凝器、废热锅炉等。 同时，缩放管凹凸肋面较光滑、平坦，不易积灰结垢，特别是对污染的流体不易产 生堵塞的现象瞄l ，故缩放管是一种很有前途的强化传热管。 1 2 1 4 表面多孔管 圃 图1 - 3 缩放管结构示意图 f i g 1 - 3t h es ；t r u c t l l r eo f c o n v e r g e n t - d i v e r g e n tt u b e s 表面多孔管 2 r l t 2 8 1 是2 0 世纪6 0 年代末发展起来的一种强化沸腾传热的高效换热管 ( 如图1 - 4 ) ，现已被广泛应用于各种换热过程。按其制造工艺可以分为烧结型、机械 加工型、电镀型和喷涂型。表面多孔管表面有很多凹陷形核化空穴，在沸腾传热过程中， 空穴中附集的少量空气或蒸汽不断地起理想汽化核心地作用，使溶液在沸腾温差较低时 即“提前”进入泡核沸腾状态，与光滑管比，可使沸腾温差成十几倍甚至几十倍地缩小， 可以显著强化沸腾传热。此外，表面多孔管还具有优良的抗垢性能”】，垢层松散，容 易清洗除去。 图1 - 4 多孔表面结构示意图 f i g 1 - 4t h es l n i c t i i 糟o f p o r o u ss u r f a c et l l b e s 4 广西大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 华南理工大学的郑康民口1 1 1 3 2 1 曾以n a c l 溶液和c a s 0 4 h 2 0 溶液为工质进行实验，研 究表面多孔管的抗垢机理，得出表面多孔管在沸腾工况下具有抗垢性能的原因是：( 1 ) 流体在空隙问具有很高的循环速度，减少了物质聚集成垢的机会；( 2 ) 多孔层具有很多 的毛细管特征从而保证管壁润河，防止局部的干涸和热点的产生；( 3 ) 于管子表面的 沸腾传系数岛，从向使壁温十分接近液体主体温度，使一些溶解性盐类在多孔管的过饱 和度比在其在光滑管表面低。 1 2 2 多种管内插入物 随着第二代强化传热技术的发展，迎束了2 1 世纪第三代传热技术p 州的丌发和发展。 无功强化或称被动强化技术无需外部功耗，在工业中应用广泛 3 4 - 3 7 。在无功强化传热技 术中，管内安装插入物的强化传热技术有显著的特点【3 8 】：不改变传热面形状；特别适用 于现有设备改造，不需要更换原有管壳式换热器。因此管内插入物强化传热技术特别是 在老厂挖潜改造中得到广泛的应用。 由于大多数管内插入物的强化传热原理是使流体在管内产生旋转运动，使靠近壁面 的流体速度增加，加强边界层内流体的扰动，同时由于流体旋转，使边界层内的流体和 主流流体得以更好的混合。以上这些因素使得换热得到强化的同时，也使污垢不易沉积。 而介质的温度梯度的降低也抑止了污垢的形成生长。有的插入物，如弹簧，在流体的作 用下还能产生弹性振动( 径向、轴向和环向的振动) ，不断地擦洗和碰撞管壁，从而达 到清洗污垢的目的。 1 2 2 1 绕花丝多孔体在线清洗1 3 9 】i 删 该项技术是由清华大学开发成功的。绕花丝多孔体是由金属丝按设计出的最佳尺寸 用专业的工艺制成的一种绕花状元件，它的空隙率很大，一般在9 5 以上，见图1 5 。 绕花丝可紧贴管内壁插入管中，由于其本身的弹性作用，依靠与管壁的摩擦力，可在管 内牢固地定位，制造简单，安装方便。 图卜5 绕花丝内插物 f i g 1 - 5t w i n e dc o i li n 蛐 实验结果和实际应用表明；用流速v o 8 m s 的清洗水冲刷装有绕花丝多孔体的换 5 广西大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 热器，就可以比较干净地除掉丝上、管壁上的污物。因为，当水速达到0 8 m s 时，水 流将产生强烈的弥散涡流，对管壁有很强的冲刷效应。因此，使用绕花丝多孔体后，换 热器管程污垢显著降低，管程压力降仅为光管时的1 1 5 倍，而总传热系数提高2 倍 左毛。 英国c a lg a v i n 公司开发的的h e a t e x 花环式内插件【4 1 l 与绕花丝多孔体很相像，采 用此插入物，可使流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的三维复杂流动，可提高 诱发湍流和增强沿梯度方向上的流体扰动，能在不增大压降的条件下大大提高传热系 数。这种插入物用于液体工况，可使管壳式换热器管程传热效率提高2 5 倍；用于气体 工况，可使相应值提高5 倍。间时，与证常流速相比，这种插入件可使换热管的防垢能 力提高8 1 0 倍。 1 2 2 2 螺旋形弹簧在线系统 管内弹簧插入物作为强化传热元件在7 0 8 0 年代就有人进行了研究 4 2 1 1 a 3 1 ，它具有 一定的强化传热效果且具有比其它管内插入物引起的流体阻力小的优点。其作为防垢和 在线清洗技术被研究是近几年的事情。文献h 4 1 将这种弹簧插入物称为防垢一强化器， 以突出其防垢和强化传热的双重作用。 八十年代初，国外开发了螺旋弹簧在线自动除垢扰流技术，法国埃尔夫阿奎坦公 司开发了名叫s p i r e l y 的换热器螺旋形弹簧在线清洗法1 4 5 。该法在换热器的管内装设螺 旋形弹簧，弹簧借流体动力在管内振动运动，达到管壁除垢的目的，据报道此法已在法 国许多炼油厂中使用。如瓦西斯安炼厂常压蒸馏装置原油预热系统的换热器在使用该法 后，比使用前多收回相当于1 4 温差的热量，每年节油5 0 0 t 。 螺旋弹簧在线自动除垢扰流技术主要有固定式、旋转式和分段式1 4 6 1 5 0 1 。 ( 1 ) 固定式：是在换热管内插入一根充满换热管全长的螺旋拉伸弹簧( 拉簧) ，拉 簧两端分别套在换热管两端的固定元件上，见图卜6 。其优点是结构简单，成本低，在 流体振动诱导下，产生横向振动、纵向振动和旋转摆动，有效地扰动滞流边界层，敲击 并擦洗传热面，达到除垢防垢及强化传热的目的【”j 。 1 4 一弹冀隅之抒；2 一冉忭弹簧3 一嵌热譬 图1 6 固定式螺旋弹簧结构示意图 f i g 1 - 6t h es m m m m o f f i x e ds p i r a ls p i 4 i i g 肖宏亮等人吲【5 3 1 运用正交分析方法发现弹簧各参数：弹簧线径、弹簧外直径和螺距 6 广西大学硕士学位论文 糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 对防垢及强化传热有一定影响，并提出了提高弹簧插入物防垢和强化传热的研究方向。 但因弹簧两端固定，弹簧受拉力限制而导致其除垢扰流能力不足 5 4 1 。 我国某设备研究所研制成功了管内弹簧、自动清洗高效自洁换热器【55 1 ，其技术核 ，心是螺旋线弹簧和固定元件组成一个简单的机械系统。实验表明，使用该换热器总传热 系数可提高3 0 一5 0 ，除垢率达5 0 一7 0 。但是，在选取流速及弹簧参数时，还必须考 虑过高流速下会引起弹簧的不均匀性变形问题。且弹簧线径太小时，拉伸端易产生疲劳 断裂。因此在确定弹簧参数( 主要是线径) 时，以不引起受拉端和受压缩弹簧螺距差异 过大为限。 螺旋弹簧在线自动除垢扰流系统适用于管内为过度流动或湍流流动的工况。并且一 般要求流速不低于0 5 m s ，以保证其具有较高的除垢效率。 ( 2 ) 旋转式： 是将固定式安装在换热管两端的固定元件改为可使管内弹簧在流体作用下转动起 来的旋转装置1 5 6 1 ，见图卜7 。传热管内的螺旋弹簧在流动液体的带动下旋转运动，又在 液体流动的诱导下产生径向和轴向振动，因此螺旋弹簧不仅使管内流动得以有效的搅 动，且其随机地均匀敲击并转动磨擦管内壁，对传热面上的污垢产生较好的擦洗作用。 与此同时它强烈地扰动了湍流边界层，从而实现在线除垢防垢和传热强化。其优点是在 较高的流速下，弹簧因能整体转动可擦洗传热面而具有较高的除垢效率，其流体阻力较 小。但弹簧两端的支承结构比较复杂，并存在磨损问题，安装不如固定式弹簧容易。且 旋转式弹簧清洗对流速要求较高，推广应用比较困难。 图1 - 7 旋转式弹簧清洗系统示意图 f i g 1 - 7t h ec l e a n i n gs y s t e mo f r o t a t i o n a ls p r i n g ( 3 ) 分段式： 该项技术是法国e l f 公司8 0 年代末期开发成功的【5 6 1 。这种结构的主要特点是采用 分段弹簧元件，端部两端弹簧的安装与固定式弹簧清洗系统相同，其他若干段弹簧则不 加固定，各段之问适当留有间隙，见图卜8 。在流体的作用下。各段弹簧之间相互发生 弹性碰撞，弹簧很容易产生显著的径、轴振动，沿轴向还会产生穿梭运动。同时，各小 段弹簧本身也较容易产生转动( 固定端部外) 。因此在较低的流速下就能达到较好的清 洗效果。这种结构的最大优点是在较低的流速条件下就能获得较好的除垢效果，同时便 于控制管程压力降。因而在涉及高粘度、较脏和易结垢物料的换热器中可优先考虑这种 在线清洗技术。 7 广西大学硕士学位论文 糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 。 艳向摄劫 一玮 轴廊撞动 图卜8 分段式螺旋弹簧在线清洗示意图 f i g 1 8 t h e o n - l i n ec l e a n i n g t e c h n i c a lo f s p i r a l c o m p r e s s i o ns p r i n g 吕志元等1 5 6 1 根据压缩弹簧( 压簧) 系统的结构和管口封档技术进行了改进和完善， 于1 9 9 6 年开发了双侧作用型分段自由式螺旋压缩弹簧在线自动除垢扰流新技术( 自由 式压簧除垢扰流新技术) ，并获得了国家专利。双侧作用型分段自由式压簧在线自动除 垢扰流技术是在标准式热交换器的换热管内、外侧同时插入和套装若干节压簧，实现双 侧在线自动除垢扰流作用，打破了现有螺旋弹簧在线自动除垢技术只能单侧作用的局 限。试验表明【5 7 1 ，截面为圆形或半圆形的金属丝在管外紧贴或绕在管壁上，可形成螺旋 形强化圈，使传热系数增大l 4 倍。该技术可自动防垢除垢，扰流强化传热，具有强 转振、低流阻、高寿命以及防腐防堵的特点。 总的来说，螺旋弹簧振动除垢技术简单可靠，除垢效果较好，但在应用中弹簧容易 卡壳，其在高流速时( 0 6 m s ) 才能运转，且应用中须高度注意螺旋线材的耐磨性寿 命问题。 1 2 2 3 流振旋转螺旋线自动除垢 1 9 世纪中期，j o u l e 5 8 1 提出在管内插入螺旋线以强化蒸气冷凝过程。旋转螺旋线传 热技术是指列管式传热设备的每根传热管内设置一转动螺旋线来刮扫内壁污垢的刮面 式传热技术，见图l 一9 。这种技术最早见诸于1 9 7 4 年的德国专利d e 2 2 2 4 7 2 8 ，在此基 础上改进的有1 9 8 5 年苏联专利s u l l 5 8 8 4 6 5 9 1 。它们都是靠外部动力带动螺旋转动来刮 扫传热管内壁的污垢。这两种技术最主要的缺点就是结 图1 - 9 螺旋线结构示意图 f i g 1 - 9t h es t r u c t u r eo f h e l i x 广西大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 构太复杂，究其原因在于它们都依靠外部动力驱动，因此就需要有密封装置及复杂的传 动装置、大量的轴和轴承；其次就是功能缺点，即只是单一的除垢。 我国湘潭大学的俞秀民1 5 9 j 等对流振螺旋线除垢技术做了详细的研究，认为该技术能 实现在线、连续 】动除垢防垢，是传热设备防垢除垢很有效的新技术。其工作原理是， 管程液体的流动使螺旋线产生连续转动和横向随机振动及轴向游动，从而使传热管内壁 面的污垢得到撞击和刮扫，并促使流体产生螺旋流及二次环流( 6 0 l ，达到在线连续自动防 垢除垢和强化传热的目的。 旋转螺旋线传热技术操作弹性大，可立式、卧式通用，流速适用范围大，可在管程 液体内含有块状、片状杂物的共况下工作，且成本低，能满足一般传热设备在线自动除 垢防垢的要求。该法适用于强化气体、高粘度流体在低雷诺数下的传热。可使流体传热 增强5 1 0 倍p “。 1 2 2 4 塑料纽带自动除垢 传统纽带是一种强化管内传热的元件，材料为金属，不仅导热性能好，而且成形技 术简单。但是用于除垢时就有局限，如用于卧式换热设备时，自转金属纽带与传热管的 最低点内壁面接触，不可避免地会出现摩擦、磨损、腐蚀等问题。因此湘潭大学的俞秀 民等 6 2 1 7 q 人发明了自转塑料纽带自动防垢除垢技术，见图1 1 0 。其结构原理是，在 每根传热管内悬挂一特制的塑料纽带，在直径方向，纽带与管内壁之间有较大的间隙 ( o 4 m m 以上) ，能够自由旋转。在轴心线方向上，采用入口轴承架和钩头轴将其悬挂定 位。生产运行时，传热管内的冷却水在纽带的导流作用下呈螺旋线下流，按牛顿力学第 三定律冷却水势必反作用于塑料纽带，其周向力推动纽带旋转，纽带的两侧面就不断地 刮刷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、自动地清沈污垢、 防止污垢堆积的目的；换热介质在螺旋纽带的反作用下而形成斡流，扰动了静滞在换热 管内壁的滞留层( 传热膜) ，从而增强了换热效率。 i23 4 l 私韬2 嚣【l 档艰；一t ，t 缸僻4 一口曲衍盹t t ；h i ： 图1 - 1 0 纽带的自动清洗原理 r i g 1 i 0t h es e l f - c l e a n i n gp r i n c i p l eo f t w i s t e ds t r i p 只有当纽带动力扭矩大于各阻力矩总和时，纽带才能可靠地自动清除污垢，因此必 9 广两大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 须有必要的流速，以使清洗动力矩大于污垢阻力矩。一般要求传热管内液体的流速不能 太低，正常运行时的流速高于0 6 0 8 m s 时纽带才能旋转。要获得较大的污垢清洗力 矩，纽带结构设计时还应使其宽度较大，螺距较小。 为了进一步拓宽塑料纽带在工业中的应用，俞秀民等又在普通塑料纽带的基础上丁i = 发了开孔塑料纽带、齿型塑料纽带。 开孔结构清洗纽带( 见图1 1 1 ) 利用流体流经开孔边界层的扰动及孔桥的搅拌作 用，直接增加管内流体的湍流程度尤其是边界层的扰动，进而提高管内对流传热系数。 同时，由于开孔的存在，可以提高抗杂物阻塞能力，减少污泥等粘着性污垢的粘着表面 以= i 厶到防垢除垢的目的。卿德藩等1 6 6 1 7 2 对设有丌孔结构的自转清洗塑料纽带进行了传热 特性及流阻特性研究。结构优化试验的结果表明：摩擦阻力和传热强化都随开孔面积比 率的增大表现出先上升后下降的趋势，传热强化的幅度在2 一1 8 之间，摩擦阻力系数 在开孔率1 8 时最大。因此，这种开孔结构的纽带更宜用于中低r e 工况下应用，在2 o m s 以上的高流速工况下应采用高开孔率结构的纽带或螺旋带。 图1 - 1 1 开孔塑料纽带结构示意图 f i g 1 - 1 1t h es t r u c t u r eo f t w i s t e ds t r i p s w i t h h o l e s 带齿塑料纽带( 见图1 1 2 ) 是在纽带上安装一定角度的齿片，当流体流经齿片时， 流体对齿片的反冲力会产生一个新的自转力矩地使纽带的自转力矩增加，有效地克服 螺旋纽带清洗的阻力矩并降低纽带自转所需的流体流速。文献 7 3 1 1 7 4 1 通过对比实验表 明，有齿自转塑料纽带的清洗力矩比无齿塑料纽带的清洗力矩高，平均提高幅度为4 2 7 0 。 图1 - 1 2 齿带的虚拟平面展开图及力矩强化原理图 f i g 1 1 2t h ev i r t u a lp l a n ed e v e l o p e df i g u r ea n de n h a n c e di l l o m e n ld i a g r a mo f d e n t i f o r ms t r i p 1 2 8 其它几种强化传热和抗垢技术 1 0 广西大学硕士学位论文糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 1 2 3 1 海绵胶球连续除垢系统 五十年代西德t a p r o g g e lr e i n i f v n 公司发明了胶体在线清洗技术1 75 】叫”l ，用于电 站冷凝器中冷却水侧的污垢清除。在全世界范围内的电站冷凝器中，整个欧洲5 0 的能 量生产及日本4 0 的能量生产中都配备有在线冷凝器清沈系统1 7 。其工作原理是向绵 胶球在换热器管内通过胶球泵打循环，见图1 一1 3 。胶球比管子直径略大，因此通过管 子时胶球轻微压迫管壁，在运动中擦除沉积物、有机物、淤泥等。同时海绵胶球有效扰 动了管壁附近的层流层，提高了传热性能。胶球表面有特制的表面粗糙度得以缓和地清 洗管壁而不腐蚀管予正反面，若要除去大量结垢还可用特制的碳化硅摩擦球清洗。 i 冷凝嚣，2 枝球陬：艘嚣分配器 o ，瑶坶置 i 敷珲孬 图卜1 3 海绵胶球连续清洗系统 f i g 1 - 1 3c o n t i n u o u sc l e a n i n gs y s t e mo f s p o n g er u b b e r b a l l 美国菲利普斯石油公司某炼油厂催化裂化装置使用胶球清洗系统后，不仅使清洁度 因子保持1 0 0 ，而且使冷凝器真空度提高了1 0 1 6 k p a ，相当于节约过热蒸汽4 4 4 9 k g h 。 我国岳阳兴长石化股份有限公司的刘东宁等人将胶球清洗技术与特殊的冷却器水流定 向切换和胶球收、放球技术进行了有机的结合，发明了一种用于冷却器、冷凝器的胶球 在线清洗技术1 8 0 l ，该技术全年平均除垢率为8 0 ，可节省循环冷却水1 5 。掘预计， 若在石化系统冷却设备中采用该技术，可节省费用3 5 亿元以上。 但胶球清洗需配置加球、收球的循环系统，一次性设备投资大，故难以广泛应用于 普通的换热器。 1 2 3 2 流化床防除垢技术 流化床防除垢技术开始于二十世纪七八十年代，该技术是利用在流化床中的固体颗 粒对垂直管壳式换热器管壁上的污垢产生持续的摩擦作用来清除和防止污垢。流化床微 粒除了能减少和防止沉积物形成，还能显著地强化传热。但采用这种技术时必须保证管 材能经得住微粒得磨损及由磨损而引起的腐蚀，生产中通常使用不锈钢材料。 广西大学硕十学位论文 穗厂加热器在线防垢新技术试验研究 液固流化床换热设备首先在美国、瑞典及荷兰等国家进行了研究并取得应用，在美 国，流化床换热器已开始应用于地热开发研究刚和海水淡化装置中【8 2 】【8 3 】；在瑞典，流 化床换热器也已经用于热量回收和盐水多级闪烈酬【8 5 】；荷兰科学家经过长期实验研究， 建成了一套总面积为1 0 0 0 m 2 的流化床换热器海水淡化示范装置i s 6 j 悼”。上述研究结果均 表明：由于固体粒子在随流体的运动中不断穿过流动边界层，即使在小流速下传热也能 得到强化；依靠固体颗粒与换热壁面的不断碰撞、颗粒对壁面的冲刷等作用，可有效除 去换热壁面上沉积的污垢，即使有垢层产生，其厚度也能得到很好控制，使换热器的传 热系数维持在一个可接受的范围内操作而不需清垢。 气液一固三相循环流化床是近几十年来流态化发展起来的一个分支。8 0 年代末到 9 0 年代切，我国的些研究者将固体粒子( 如玻璃珠、铜粒子、钢玉球颗粒等) 1 8 8 9 0 l 加入到管内汽液两相流动蒸发沸腾系统中，并对固体粒子强化流动沸腾传热及防、除垢 效果进行了初步研究，取得了显著的效果，正逐渐被广泛地应用到化工、能源、材料等 领域。三相循环流化床与传统的流化床相比有以下优点【9 l 】：( 1 ) 床层可以在高气速、高 液速情况下操作，提高了可操作容量；( 2 ) 可以达到更均匀的气泡分布和相分布，获得 更好的相间接触；( 3 ) 湍动程度更高，在反应中使局部温度升高的可能性减小；( 4 ) 粒子 三维循环能不断地带走热量和实现催化剂的再生，有利于反应和操作的稳定。 流化床技术的防垢除垢作用和对管壁的磨损正比于固体粒子对管壁的碰撞频率密 度。若除垢强度过大，则易造成管壁面不必要的磨损，影响设备的使用寿命；反之，若 除垢强度不足，污垢则会逐渐增长，达不到在线、连续防垢除垢、强化传热的目的。且 流化床技术只适用于立式换热设备，当流体介质要求较干净时不能使用该技术，故其使 用的范围较窄。 1 3 糖厂加热器的强化传热及除垢技术 加热是糖厂生产的主要过程之一，糖厂各车间都要将物料加热，才能保证生产的顺 利进行。如压榨或渗出需加热清水、糖汁或蔗丝，以加速糖分的提出；清净过程需加热 糖汁，以促使胶体的凝聚和脱水、降低糖汁粘度、杀死细菌和保证沉降与过滤的正常进 行；结晶过程也需要加热糖浆、糖蜜、空气和冷糖膏。另一方面，在经济上，燃烧燃料 以产生热能所需的费用，仅次于原料( 甘蔗或甜菜) 而占糖厂产品原材料成本的第二位。 加热设备的投资则占总设备费的4 0 左右1 9 2 】。因此提高加热设备的传热效率，降低糖 厂的能耗，是影响糖厂经济效益的重要指标。 糖厂传统使用的加热器有列管式、碟式加热器等型式。碟式加热器多为浸出法糖厂 所采用。列管式加热器虽然在传热效率、紧凑性及金属消耗量方面不及其他新型加热器， 但它具有结构坚固、制造工艺成熟、适应性大、可承受较大的压力及所用材料的范围广 等优点。对于制糖业来说，物料的腐蚀性小，所用加热蒸汽和糖汁的温度不高，压力不 广西大学硕士学位论文 糖厂加热器在线防垢新技术试验研究 大，温差及压降也较小，但物料在加热过程中容易生成积垢，必须较频繁地定期清除。 因此，采用列管式加热装备是比较适当的【9 3 1 。 13 1 目前糖广所用的强化传热技术 节能是国民经济发展的关键，能源消耗是直接影响糖厂经济效益的重要指标。糖厂 是耗能大户，节能尤为重要。