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立式换热管内置聚丙烯自旋扭带工作特性及强化传热研究 摘要 自旋扭带具有在线除垢和强化传热的双重作用。本文在大量实验基础 上，对立式换热管内置聚丙烯自旋扭带的阻力特性、转动特性和强化传热 性能进行了研究，论文的主体内容亦是按照三个研究内容进行展开。 首先，对比置入自旋扭带前后的总压力降变化，通过非线性回归拟合 了压力降增量、摩擦阻力系数与自旋扭带结构参数的关联式，分析了压力 降增量与摩擦阻力系数的影响因素； 其次，对自旋扭带转动力矩和阻力矩进行了理论计算，应用力矩平衡 原理，推导了与实验结果符合较好的扭带转速计算式，进而分析了影晌自 旋扭带转动特性的因素。结果表踢：自旋扭带转速的主要影晌因素是流体 轴向流速及扭带的节距； 第三，应用传热学基本关系式求解置入自旋扭带前后的管内总传热系 数并加以比较，置入扭带后的总传热系数有较大的提高。论文又应用威尔 逊图解法求解了管内给热系数，对自旋扭带的强化传热性能作了评价，并 与铝制扭带作了比较。分析结果显示，聚丙烯自旋扭带的强化传热性能评 价因子西始终大于1 ，并且大于同规格的铝制扭带西值。 关键词：自旋扭带阻力特性转动特性强化传热特性威尔逊法 s t u d yo nt h ew o r k i n gc h a ra c t e r i s t i c sa _ n dh e a t t r a n s f e re n ha n c e 姬n to ft h 匣p o l y p r o p y l e n e s e l f r o t a t i n gt q s t e dt a p e si n s i d e 、，e r t i c a lh e a t e x c h a n g e rt u b e a b s t r a c t t h es e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p e sc a l ln o to n l yr e m o v ef o u l i n go nl i n e b u ta l s oe n h a n c eh e a t t r a n s f e r t h er 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 sa n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t p e r f o r m a n c eo fs e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p e si n s e r t e dv e r t i c a lt u b ew e r es t u d i e db a s eo n a b u n d a n te x p e r i m e n t s s ot h i sp a p e ri sa l s oc a r r i e do u tf r o mt h ef o r m e rt h r e e p o i n t s f i r s t l y , c o m p a r ep r e s s u r el o s so fh o l l o wt u b ea n di n s e r t e ds e l f - r o t a t i n gt a p e st u b e ，a n d t h e nt h ee q u a t i o n so fp r e s s u r el o s si n c r e m e ma n df r i c t i o nr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta b o u tt a p e s t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r ef i t t e dt h r o u g hn o n l i n e a rf i t t i n g t h e r e f o r et h ee f f e c tf a c t o r so ft h e m c o u l db ea n a l y z e d s e c o n d l y , t h em o m e u to fi m p e t u sa n d r e s i s t a n c ew e r ec o n c l u d e d a c c o r d i n gt om o m e m e q u i l i b r i u m ，t h ee q u a t i o no ft h e o r e t i c a lr o t a t i o n a ls p e e dw a si n f e r r e d ，w h i c hw a sc o m p l i e d w i t ht h ee x p e r i m e n td a t a t h e nt h ee f f e c tf a c t o r so fr o t a t i o n a ls p e e dw e r ea n a l y z e d 1 1 1 e r e s u l t si n d i c a t et 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 ls p e e da r ef l u i df l o wv e l o c i t ya n dt h e p i t c ho f t a p e s ， l a s t l y , t h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sk w e r ec a l c u l a t e db ya p p l y i n gt ot r a d i t i o n a l h e a tt r a n s f e re q u a t i o n s t h ec o n t r a s to fr e s u l t ss h o wt h a tt h ev a l u e so fka r ei m p r o v e d a p p a r e n t l yw h e nt h es e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p e sa l ei n s e r t e di nt u b ea tt h es r n er e y n o l d s n u m b e r t h e nt h ec o e 伍c i e n t so fh e a t - t r a n s f e ra n dh e a tt r a n s f e re q u a t i o nw e r ec o n c l u d e db y a p p l y i n gt ot h em e t h o do fw i l s o ng r a p h i cs o l u t i o n f u r t h e r ，t h ea b i l i t yo fh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tw a sa s s e s s e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ev a l u eo fa s s e s s m e n tf a c t o rf o rh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e mi sn o to n l yh i g h e rt h a nl 。b u ta l s oh i g h e rt h a na l u m i n u mt w i s t e dt a p e s a tt h es a n l es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d s ：s e l f - r o t a t i n g t w i s t e dt a p e ；r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ；r o t a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s ；h e a tu a n s f e re n h a n c e m e n t ；w i l s o ng r a p h i cs o l u t i o n 符号说明 含义 换热管传热面积 给热系数关联式系数 定压比热 自旋扭带宽度 当量直径 换热管的内径 范宁摩擦系数 重力加速度 节距，自旋扭带旋转1 8 0 。的轴向长度 单位重量流体流过z 米时的沿程阻力损失 u 形管压差计水银液面读数差 总传热系数 管件与阀门等局部阻力当量长度 u 形管压差计两测点之间各管件和阀门的 当量长度之和 换热管的长度 流体对扭带施加的旋转力矩 扭带旋转阻力矩 自旋扭带转速 努塞尔( n u s s e l t ) 数 雷诺数r e 的指数 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 置入扭带后引起的压力降增量 换热器的热负荷 污垢热阻和管壁热阻 饱和蒸汽的冷凝潜热 单位 m 。 j ( k g 。鼬 m m m m s 2 m m m w ( m 2 1 1 ) m m m n i l l n - m r m l n p a p a w r i l 2 k w j k g 隅a c 勺d出画厂 g日彤办k矾 三m吩拧 p n 印审9 r ， 雷诺( r e y n o l d s ) 数 距离扭带旋转轴的1 4 带宽 饱和蒸汽温度 自旋扭带厚度 流体进口温度 流体出口温度 换热管内壁温度 对数平均温度差 流体的轴向流速 流体的环向流速 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 给热系数 流体绝对速度与z 轴的夹角 扭带倾角 扭带旋转角速度 换热管壁厚 摩擦阻力系数 导热系数 粘度 扭带单位面积上受到流体的摩擦力 局部阻力系数 密度 强化传热性能评价因子 2 m m m s m s m ? h k g ，s k g s w ( m 2 鼬 r a d s m w ( m k 、 p a s p a k g m 3 k r ， 垃 。龇 ” 珊矿 职 a y j 五 加 ， f p 毋 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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，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。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，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：琳隰重加叮年孑月9 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： 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。 请选择发布时间： 酿口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：球菠龟导师签名：才布棒茧鸟d 7 年6 月，口日 广西j o 攀司e 士掌位论文立式换热蕾内置聚丙烯自麓扭带工作稍p 佳覆强1 七传期槐 第一章绪论 随着现代工业的飞速发展，特别是2 0 世纪7 0 年代初中东石油危机爆发以来，以能 源为中心的环境、生态和社会经济问题日益加剧，世界各国充分认识到节能的重要意义， 能源的合理利用已成为当今世界各国工业如何良性发展的核心问题。 强化传热技术是2 0 世纪6 0 年代兴起的- - f 旨在改善传热性能的科学技术。它主要 通过采用强化传热元件、改进换热器结构、提高传热效率、使设备投资和运行费用最低， 以达到能源的合理利用。4 0 多年来，强化传热的研究不仅丰富、扩展了传热学的理论， 而且许多科研成果已经在工业上得到应用。正因如此，研究与推广强化传热技术理论， 对提高我国竞争力及实现可持续发展有着重大意义。 1 1 强化传热技术的发展和分类 早在1 8 6 1 年焦耳就发表了一篇关于冷凝器水侧换热强化的实验报告，但该技术真 正引起人们重视是在2 0 世纪6 0 年代后。由于科学技术的飞速发展和能源的严重短缺， 不断向强化传热提出了新的要求。因此，强化传热研究的深度和广度日益扩大并向新的 领域渗透和发展。迄今为止，强化传热技术在动力、核能、制冷、石油、化工乃至国防 工业等领域中得到了广泛应用，国内外公开发表的论文和研究报告超过6 0 0 0 篇，获得 了数百项专利i l 】。 在具体技术方面，按照b e 堪e s 的分类方法【2 】，可分为被动强化技术( p a s s i v e t e c h n o l o g y ) 和主动强化技术( a c t i v et e c h n o l o g y ) 。顾名思义，前者是指不需要外界动 力的强化技术，包括扩展表面( 各种肋) 、插入物、旋流器和湍流发生器等；后者是指 需要输入外界动力的强化技术，包括机械振动、施加电场或磁场、流体中加添加物等。 无论是被动强化技术还是主动强化技术，强化传热的物理机制都可归纳为：壁面区和 中心区流体的混合：流体边界层的减薄；二次流的形成和湍流度增强等。 1 2 换热器的强化传热技术研究进展 在实际工业生产中，应用强化传热技术最多的便是换热器。换热器在各种工业中不 仅是保证工程设备正常运转不可缺少的部件，而且在金属消耗、动力消耗和投资方面占 有整个工程中的重要份额。据统计，在熟电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热 器的投资约占整个电厂中投资的7 0 左右【3 1 ；现代石油化工企业中，换热设备的投资要 占全部设备投资的3 0 - - - 4 0 h 。 强化换热器传热过程就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽 可能增多。关于换热器强化传热的机理，主要是根据传热的基本公式来分析影响传热的 各种因素。由传热基本计算式q = “可知，强化传热可以从提高传热系数足、扩大 广西大掌硬士掌位论文立量臼域蕾内置聚丙烯白麓扭带工作稍p 佳曩强化传期h 哥究 传热面积彳和增大传热温差三种途径来实现，但是增大传热面积4 与提高平均温差 f m 明显地受到生产工艺、设备条件、环境条件以及经济性等方面的限制【5 】。因此，提 高总传热系数是提高传热量的主要途径。换热器稳定运行时总传热系数置可由下式近似 计算 土：一+ 旦+ l + yr( 1 - - 1 ) k 岱 a 口口- 一 对于金属换热管，由于导热系数a 很大，管壁厚度又很小，上式中b 2 这一项可忽略不 计，这时总传热系数k 的计算式为 三：土+ 二+ y r( 1 - - 2 ) k a fa d “ 由式( 1 - - 2 ) 可以看出，茁值的大小由骱锄和污垢热阻置控制。在三项串联的 热阻中，如果数值差别较大，则热阻大的部分将对整个传热过程起着控制作用。因此对 换热器进行强化传热必须从分析热阻大的控制因素着手。 1 2 1 管程强化传热 由于管内的强化传热只需要做单管实验就可以得到其传热和流阻性能，因此研究新 型强化换热管和管内插入物的报道一直比较多。近三十年研制的比较典型的新型强化换 热管有螺旋槽管、横纹管、波纹管、缩放管、椭圆管、滴形管、透镜管、螺旋椭圆扁管、 交叉缩放椭圆管等。它们有的用于强化管内换热，有的用于强化管外换热，有的管型在 强化管内换热的同时也能强化管外换热。 对于管内插入物的研究更是久远，国外在1 8 9 6 年就有应用管内插入物强化传热的 报道f 6 】。在1 0 0 多年的发展过程中，开发出了多种形式的内插物强化传热元件，如环式， 盘式，球式，螺旋线圈，螺旋弹簧，螺旋片，静态混合器( k e n i c s 静态混合器，k o c h s u l z e r 静态混合元件) ，径向混合器，网式，刷式，扭带，钻孔扭带，错开扭带，间隔扭带， 花丝，交叉锯齿带，c t 波带等等。管内安装插入物的强化传热技术有显著的特点：不 改变传热面形状，制作工艺简单，特别适应于现有设备改造，不需要更换原有管壳式换 热器 7 1 。因此管内插入物强化传热技术在老厂挖潜改造中得到广泛的应用。鉴于文献 8 l o 】对管内强化传热的研究比较多，介绍也很详细，本文不再赘述。 1 2 2 壳程强化传热 由于对壳程的强化传热需要做管束的传热和流体阻力实验，设备较庞大，实验费用 较高，仅在近几年才出现了为数不多的研究报道【1 1 1 。新型的管壳式换热器采用各种管间 支承物、管束排列方法，结合使用强化传热管，使得换热器的传热与流阻性能比普通单 弓形折流板换热器的传热与流阻性能有了明显改善【嘲，在节约换热器设备投资、节约流 体输送功耗以及提高换热器的换热能力等方面都起了较大的作用。 4 广圈r 大掣喟盱士学位论文 立式换热f 内置曩丙烯自旋扭带工朋性覆强化传热习 宅 1 2 3 除垢防垢技术 换热器结垢是极为普遍的现象。据s t e i n h a g e n t l 3 】等对新西兰1 1 0 0 家企业的3 0 0 0 台 各类换热器的通信调查表明，9 0 以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。由于污垢 的导热系数很低，丸= o 1 7 4 1 1 6 3 w ( m k ) ，仅为钢材的1 3 0 - - 1 5 0 ，所以它能引起换热 器传热效率的大幅度下降【14 ”l ；污垢的存在还减少了流体的流通面积，增大了压力降， 导致动力消耗增加【1 6 1 ；污垢下还容易聚集各种对金属有害的物质，导致管子垢下腐蚀穿 孔，造成设备腐蚀泄漏，缩短使用寿命。此外清洗和维修设备的费用也随污垢的存在而 大大增加【”1 羽。据g a r r e t t - p r i e e 1 9 1 1 9 8 5 年的估计，美国在换热器的污垢方面蒙受的经济 损失每年达8 0 1 0 0 亿美元。占国民生产总值( g n p ) 的0 2 8 0 0 - - 0 3 5 。可以看出，污 垢给换热器带来的损失的确是巨大的和惊人的。 多年来，人们认为结垢是不可比避免的，并没有引起足够重视。2 0 世纪8 0 年代， 伴随着资源利用效率和环境要求的不断提高，这种状况开始有所转变，9 0 年代以后，污 垢研究在其他相关学科的发展，特别是计算机应用技术飞速发展的推动下，借助国际合 作研究的良好氛围，在预测、监测和对策三个发展方向上都蓬勃开展起来唧j 。 在污垢的预防方面，新的技术不断得到应用。s t e i n h a g e n 、赵起等【2 lj 利用表面改性 技术来提高换热面的防垢特性。k l a r e n 和s u u i v a n 开发了流态化自清洗换热器 2 2 娜l 。程 林利用流体诱导振动抑垢( 渊，开发防垢性能更好的新型弹性管束换热器。s o m e r s c a l e s l 2 纠 则对近年来腐蚀污垢的各种对策技术作了全面介绍。 在污垢的清除方面，传统的方法是周期性的停车清洗。主要的清洗方法有机械方法、 化学方法和物理方法。应用较多的机械方法有往复式机械法，旋转式机械法，振动机械 法，喷丸清洗，射流清洗法，固体颗粒流态化清洗等除垢方法；常用的化学清洗方法有 碱洗，酸洗，氨洗，专用溶剂清洗，燃烧除垢等：变形除垢等物理方法则用得较少 2 6 j 。 但是这些停车清洗方法都存在一些弊端：( 1 ) 运行期间的k 值比传热面清洁无垢时 的k 值下降许多，设备长时间处于低效运行状态；( 2 ) 周期性停车使实际生产时间减小， 影响产量和成本：( 3 ) 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。 鉴于以上原因，传热界专家指出【”1 ：理想污垢清洗技术的原则是利用传热流体的动 力实现传热面在线自动清洗，同时使流体边界层传热过程得以有效强化。因此，具有除 垢防垢功能兼具有强化传热功能的在线清洗技术应运而生。 1 2 3 1 海绵胶球在线清洗法 五十年代西德t a p r o g g e l r e i n g u n 公司发明了胶体在线清洗技术( 图1 1 ) ， 主要应用于电站冷凝器中冷却水侧的污垢清除【2 8 2 9 1 。近年来也用于炼油厂、化工厂的冷 凝器和冷却器中。该方法可清除管侧的微粒污垢、微生物污垢、水锈、腐蚀污垢等。其 工作原理是海绵胶球在换热器管内通过胶球泵打循环，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，海绵胶球扰 厂。西大学司陆掣啦论文立式朔* 管内j l 聚丙硝 自奠扭卜3 潍特佳覆强化 f i t 期槐 动管壁附近的滞留水层，使传热性能提高。胶球表面要有特制的表面粗糙度，以便缓和 地清洗管壁而不腐蚀管子表面。 1 冷凝器2 收球网3 胶球分配器4 胶球室5 胶哮泵 图卜1 海绵胶球连续清洗系统 f i g 1 1c 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 rb a l l 海绵胶球清洗的不足之处是操作往往靠人工进行，即使有程控也都是人为设定清洗 周期的。清洗时，胶球进入管内是随机，在管内污垢严重的地方，胶球易于堵塞，收球 率较低 3 0 l 。 l 2 3 2 液固流态化法 一 2 0 世纪6 0 7 0 年代以来，研究者开始探索把多相流态化技术引入防除垢过程，通过 在换热装置中加入一定种类、浓度、粒径的惰性固体颗粒的方法来达到强化传热和除防 垢的目的，取得了较显著的效果【3 1 】。 液固流态化换热器的工作原理是将一定粒度范围的固体颗粒按适量的配比置入清 洗水流后，固体颗粒借助水流的载带及涡流效应可与水充分进行掺混，因此，固体颗粒 具有较高的动能。当这种液固两相连续不断地循环流经换热器管内时，均匀流态化的固 体颗粒随机而频繁地碰撞、刮擦管子的表面污垢，对污垢施加强烈的冲刷、磨削和破碎 等物理作用，达到除垢清洗的目的。同时，边界滞留层受到有效扰动，从而实现了对流 传热的高效强化。 这种方法存在的问题有【3 2 1 ：( 1 ) 少数上升管内液固体快速倒流；( 2 ) 固体粒子不能 及时、匀速地从出口室循环流回流化室：( 3 ) 对换热表面易产生腐蚀。 1 2 3 3 在线自动除垢扰流管式换热器 在线自动除垢扰流管式换热器采用管壳式换热器的结构。换热管采用在线自动除垢 扰流式换热管，即在普通换热管的内、外侧分别安插和套装在线自动除垢扰流螺旋弹簧 系统；管内螺旋弹簧系统由固定于两端管板上的支架支撑起来的支秆拉撑定位；管束以 扰流栅取代传统的折流板，对换热管施行四点限位并支撑整个管束【3 3 1 。 在线自动除垢扰流管式换热器的换热管内插、外套的螺旋弹簧系统，能够在流体流 动和该系统所具有特性的共同作用下，使该系统产生持续不断的径向、环向和轴向的振 动、旋转及穿梭运动，而对换热管内、外壁进行频繁地接触、刮磨和撞击，同时该系统 又反作用于流体，对管内、外流体进行充分地扰动，以及由于该系统的特殊结构和管束 6 广西大掌硬士掣啦论文立式换热蕾内置聚丙蝈n 鲁麓扭带工们咐佳覆强喇满意卉究 的折流栅取代折流板等，而产生了一些独到的效果。 1 2 3 4 旋转螺旋线法 1 9 世纪中期，j o u l e 3 4 】提出在管内插入螺旋线以强化蒸汽冷凝过程。旋转螺旋线传 热技术是指在列管式换热设备的每根传热管内设置一个转动螺旋线来挂扫内壁污垢的 刮面式传热技术，如图1 2 所示。这种技术最早见于1 9 7 4 年的原西德专利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 t 3 5 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。该技术的缺点主要在于结构复杂，需要外部动力驱动，除 垢功能单一。 图卜2 螺旋线结构示意图 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo f s p i r a ls p r i n g 我国湘潭大学俞秀民等【3 5 1 开发了自洁高效的自动螺旋线强化传热除防垢技术，无须 外部动力驱动及其复杂的传动装置，使结构大大简化。自动螺旋线强化传热和除防垢技 术的结构是由一根螺旋线( 采用热处理的沉淀硬化不锈钢) 和轴向固定用的入口支撑( 采 用填充的耐磨工程塑料) 组成。管程液体在管内的流动受到螺旋线的阻碍和导向而产生 螺旋流动，由于螺旋线与管内孔不同心，这种偏心的螺旋环流和螺旋线的漩涡脱离共同 作用，使螺旋线发生随机振动，又由于螺旋环流的液体给螺旋线的反作用力的切向分量， 形成与螺旋线环流反向的工作力矩，驱动螺旋线连续地旋转。此外，工作时螺旋线还有 一定的轴向游动，游动的幅度在流量波动时更大，由于螺旋线的连续转动和横向随机振 动及轴向游动，使传热管内壁面的污垢得到刮扫和撞击，加上螺旋环流与法向振搅的共 同作用，达到在线、连续、自动防垢除垢的目的，并使管内对流传热过程中的边界滞流 层得以有效地扰动面产生比清洁无垢肘更好的强化传热作用。 1 2 3 5 螺旋弹簧振动法 管内弹簧插入物作为强化传热元件在上世纪7 0 8 0 年代就有人进行研究 3 6 , 3 7 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。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为 s p i r e l 的换热器螺旋形弹簧在线清洗法【3 刖。该法在换热器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。 螺旋弹簧振动法的防垢原理是：在恒热流率条件下，插入物的采用，在提高管内 传热膜系数的同时，降低了管壁面的温度，降低了污垢生成的速率，减少了污垢热阻； 由于弹簧组件同壁面连续接触产生机械撞击，使壁面污垢剥落，因而减少了污垢。另 外，通过对移动弹簧插入物防垢和强化传热的机理分析，指出弹簧在线防垢和强化传热 过程中，流体的流速存在最低限流速，高于此流速。弹簧受流体冲刷振动，使污垢形成 广西大掣墉炙士掌位论文立式换热蕾内置紧丙瑚鲁麓扭带工作精性a 强化传热研究 过程始维持在诱导期内，这样传热膜系数不会下降，而且有所提高。低于此流速，则不 利于强化传热和防垢。 根据弹簧的安装方式不同，可分为三种结构：固定式弹簧在线清洗、旋转式弹簧在 线清洗和分段式弹簧在线清洗 3 9 - 4 2 。 ( 1 ) 固定式弹簧在线清洗 该项技术是由长岭炼油化工厂设备研究所开发成功的。该清洗系统主要是将弹簧的 两端绕紧于细杆上，并固定于换热器管板上，结构简单，安装方便，如图1 3 所示。 螺旋弹簧在流动力作用下，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，达到除垢防垢及其强化传热的目的。 t t 一弹聱臣苷阡：2 一内置弹簧：3 一撰热冒 图卜3 固定式弹簧清洗系统示意图 f i g 1 - 3c l e a n i n gs y s t e mo f f i x e ds p i r a ls p r i n g ( 2 ) 旋转式弹簧在线清洗 在该系统中，弹簧两端采用活动方法支撑。在流体作用下，弹簧除了产生径向和轴 向振动外，还会产生较好的擦洗作用。这种结构的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果。缺点是弹簧两端的支撑较复杂，并存在磨 损问题，安装不如固定式弹簧容易。 ( 3 ) 分段式弹簧在线清洗 如图1 4 ，这种结构的主要特点是采用分段弹簧元件，端部两段弹簧的安装与固定 清洗式清洗系统相同。其他若干段弹簧则不加固定，各段之间相互发生弹性碰撞。弹簧 很容易产生显著的径、轴向振动，沿轴向还会产生梭式的运动。同时，各小段弹簧本身 也容易发生转动( 固定于端部的两段弹簧除外) 。因此，在较低的流速下就能达到较好 的清洗效果。 经晦曦确舟鬻赣蓐舞髓 图卜4 分段式弹簧清洗系统示意图 f i g 1 - 4c l e a n i n gs y s t e mo f s e c t i o n a ls p r i n g 螺旋弹簧振动除垢技术简单可靠，除垢效果较好，但应用中弹簧容易卡壳，在高流 立式换热蕾内，l j 臣丙烯自麓扭带工作稍p 性a 强化传鹞! 习f 完 速时才能运转，且应用中须注意螺旋线材的耐磨性寿命问题。 1 2 3 6 液轮机在线自动清洗 广西大学化学化工学院的林榕端教授等人 4 3 朋】研究发明了一项在线防垢除垢新技 术换热管内微型液轮机在线防垢除垢装置。所谓微型液轮机是指在换热管内置有转 子一根直径小于换热管内径的轮毂上焊上叶片( 叶片有一定的宽度) ，见图1 5 。 该微型液轮机与换热管等长。它不需外加动力，没有传动装置。当管内流体流动时，置 于换热管内的液轮机在换热介质的带动下发生旋转，自动连续地擦刮刷洗管壁，从而达 到防垢除垢。同时，液轮机有效扰乱了流体滞流边界层，强化了传热。该液轮机结构简 单，成本低，是非常具有研究价值和应用前景的在线防垢除垢装置。此项发明已获中国 国家专利授权，专利号z l 9 9 2 1 0 3 7 7 0 。此外该项目还得到了国家自然科学基金的资助与 支持，批准号为2 9 9 6 6 0 0 1 。液轮机在线防垢除垢技术有着广泛的应用前景，对节能有着 十分重要的意义。 图1 - 5 换热管内液轮机 f i g 1 - 5m i n i h y d r a u l i ct u r b i n ei n s i d e h e a te x c h a n g e rt u b e 图1 - 6 自旋扭带结构 f i g 1 6s t r u c t u r eo f s e l f - r o t a t i n g t w i s t e dt a p e 1 2 3 7 旋转扭带法 扭带是一种结构简单而有效的旋流发生器。如图l 一6 所示，在每根换热管中流体 的进口端固定安装一根清洗扭带，扭带的长度大致与换热管等长，在径向上，扭带与管 内壁之间有较大的间隙，可以自由旋转。运行时，利用工质本身流过扭带所传递的动量 矩，使扭带旋转。由于扭带本身的柔性和旋转作用，使得在旋转中不断地挂扫和撞击管 内壁表面，达到连续、自动地清洗管内污垢的目的。同时，扭带本身对流体有导流作用， 形成基本流向为螺旋流动的复杂流动，加上扭带旋转刮擦对边界层的直接扰动作用，同 时实现传热强化m ”j 。 1 3 研究课题简介 1 3 1 题目来源 本课题是在广西大学林榕端教授的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”的基础上进行的。 9 立式换热蕾内l 聚丙烯自擞扭带】拂特性反舅l 化传热研究 1 3 2 研究目的和意义 自旋扭带具有在线除垢防垢的功能。制作扭带的材料可以是金属或工程塑料，相比 之下，塑料扭带有其自身优势： ( 1 ) 工程塑料具有优良的耐腐蚀性，能很好地满足大多数或绝大多数传热介质的腐 蚀要求； ( 2 ) 工程塑料的密度在1 0 0 0 k m 3 左右，与液体密度大致相等，因此，自旋扭带受 到传热液体的浮力几乎等于自身的重力，能较好地浮动在传热管的中心部位，可以在较 低的流速下旋转； ( 3 ) 工程塑料的优良耐磨性，不仅解决了扭带本身的磨损寿命问题，而且不会损坏 管子内壁的金属氧化膜，从而避免了管内壁无金属氧化膜保护情况下的严重的、破坏性 的腐蚀。 在课题前期工作铝制自旋扭带的基础上，本文选用工程塑料聚丙烯为材料制作各种 型号的扭带，在立式换热器中进行冷态实验和热态实验，研究自旋扭带结构参数对其工 作特性和强化传热性能的影响，推导相应关联式，给出具体应用范围。研究成果可为塑 料扭带在线除垢防垢、强化传热的工业应用提供理论依据，也可供其他科研人员参考。 1 3 ，3 论文的主要工作 ( 1 ) 采用工程塑料聚丙烯为材料，利用其热塑性的特点，人工扭制成不同宽度、不 同节距的自旋扭带； ( 2 ) 在换热管中置入自旋扭带，进行冷态实验，分析置入自旋扭带前后的总压力降 变化，拟合压力降增量、摩擦阻力系数与自旋扭带结构参数的关联式； ( 3 ) 对扭带旋转力矩和阻力矩进行理论计算，推导自旋扭带理论转速，并与实验测 量之转速对比；利用非线性回归方法关联含结构参数的自旋扭带转速般计算式； ( 4 ) 在热态实验装置中置入自旋扭带，进行传热实验研究，计算黄入自旋扭带后的 总传热系数提高率； ( 5 ) 利用m a t l a b 编制威尔逊图解法程序，求解空管和置入自旋扭带后的管内给热 系数关联式，评价自旋扭带的强化传热性能。 1 0 广西大掌司e 士掌位论文立式换热蕾内置，l 丙n | 麓扭带工作特性反舅l 化传热研究 2 1 实验装置 第二章实验测量系统和自旋扭带制作 本文所作的研究是基于实验基础上的，需要进行的实验有冷态实验和传热实验，两 种状态的实验都在同装置中进行，如图2 一l 所示。实验段是一个立式管壳式换热器， 换热管是一根4 ) 2 5 x 2 5 m m 、有效长度为3 0 0 0 m m 的无缝钢管，换热器的两端装有测量 转速、温度和压力的测量点，可以方便地测量实验所需要的数据。实验的关键部位是置 入在管程里的塑料扭带，其加工制作和安装固定是实验过程的难点。 卜贮水槽2 - 水泵3 一电磁式流量计( o 矗m 3 h )4 - u 形管压差计 5 一温度计 6 一换热器7 一视境8 前密压力表9 - d z f 电蒸汽发生器 10 - 疏水闻 图2 - 1 实验濡，程示意图 f i g 2 一lp r o c e s so f e x p e r i m e n t 2 2 自转扭带的结构参数 自旋扭带是一种靠流体传递动量旋转的装置，结构如图2 2 所示。其主要参数有： 带宽d ，旋转1 8 0 。轴向距离乜厚度t ，还有被称为扭转比的日与d 比值。本文固定了 广西大曹啊曩士掣啦论文立式换热蕾内j ：量丙| 白冀扭带工作特性反强化传妻蝌究 扭带厚度t ，研究带宽d 和节距日对自旋扭带工作特性的影响。为了便于分析和统一， 约定文中涉及扭带型号时均表示成d y 的形式。 】，：旦( 2 1 ) d 式中 】，自旋扭带扭转比； 臣扭带旋转18 0 。的节距，n l ； d 一自旋扭带的带宽，m 。 图2 - 2 自旋扭带结构及参数 f i g 2 - 2s t r u c t u r ea n dp a r 锄e t e r so f s e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p e 2 3 自旋扭带的制作 制作塑料扭带可以采用注塑成型的方法，但这种方法需要制作大量的模具，价格昂 贵，不适合大量的探索性研究。在此，我们选择了热塑性塑料聚丙烯，采用手工方法成 型。实践证明，这一方法还是可行的。当然，在具体的试件制作过程中，我们也遇到了 不少困难，如扭带的裁剪方式、加热温度和加热时间的控制、扭制扭带的方法等因素都 会影响试件质量。在不断探索和总结经验后，我们制作出了比较理想的扭带，扭带的制 作过程如下： ( 1 ) 裁割 本实验需要的扭带较长( 3 m ) ，很难一次性扭制完成。为保证得到较均匀的扭带， 我们把聚丙烯带条裁成长约1 米的短节，然后按照需要的宽度划线，用美工刀沿线切割； ( 2 ) 扭带的扭制 把裁剪好的扭带条放在已经预热到1 5 0 c 的加热烘箱里，加热2 分钟左右取出，两 个人各执一端( 戴好手套，以防烫伤) ，按照已算好的扭转次数进行旋扭，得到预定的 节距。扭好后稍微用力拉，尽量保证扭带伸直； ( 3 ) 扭带的连接 扭好的扭带每段大约l m 左右，需要连接成3 m 长的试件。在此我们利用金属铝片 制作了接头，然后按照旋转方向和节距一致的原则，连接成3 m 长的扭带，在一端钻孔 后悬空备用。 2 4 自旋扭带的安装 如图2 3 ，自旋扭带两端与换热管平齐，一端通过挂钩固定在支撑件( 图2 4 ) 1 2 广西大掌硕士掌位论文立式换热蕾内l 量丙埽自旋扭带工作特性a 强化传热研究 上，挂钩上贴有反光镜片，可以用测速仪通过视镜孔测量转速。扭带的另一端为自由端， 在水流的冲击下可以自由旋转。自旋扭带的安装是实验过程的难点，如果扭带的旋转轴 线与换热管中心轴线不对中，将会出现扭带停转或起转流速很高的情况。 一盘簟件2 _ 挂霄争l 峨一反光t 片s - 镶孵l 扣扭带 一釜热管 一 图2 - 3 扭带安装简图 f i g ，2 - 3t a p ei n s t a l l a t i o nd r a w i n g 图2 - 4 支撑件 f i g 2 - 4s t r u t t i n gp i e c e 2 5 本章小结 本章简要介绍实验流程，自旋扭带的结构参数、制作方法和安装过程的注意事项。 广西大掣顾士掌位戗? 文立武囊l 热蕾内置曩丙硝 自挺扭带j 脾特性a 謦l 化传期， 宅 第三章自旋扭带冷态实验及阻力特性研究 自旋扭带具有在线除垢防垢的功能，因此对其工作特性进行深入研究，认识阻力特 性和转动特性的规律，将对工业应用具有重要价值。本文关于这方面的研究是基于冷态 实验基础上，本章内容也从介绍冷态实验开始，并自旋扭带的阻力特性进行深入分析。 3 1 冷态实验步骤 ( 1 ) 在换热管中置入自旋扭带后，打开换热器上方的排气阀，缓慢调节流量，将 管程内空气完全排尽，从观测镜处观察无气泡即可，连接水银压差计； ( 2 ) 将流量调到零，校核u 型压差计两臂读数是否相同，如不同，应调平； ( 3 ) 从流量为零开始，逐次递增o 2 5m 流量。流量稳定后，记录流量n 水银 注液面差h 及扭带转速珂。若遇到特殊点，如自旋扭带起转停转，则记录相应数据。注 意在改变操作条件后，一定要等待过程达到新的稳定状态，再开始记录数据； ( 4 ) 当流量达到5 o m 3 m 后，逐次递减流量，记录相应数据； ( 5 ) 实验完成后，关闭测压管阀门，将泵的流量调到零，取出自旋扭带。 3 2 实验基本参数及关系式 3 2 ，1 流体流速 换热管的内截面积4 1 为 铲三d ? 式中一1 换热管内截面积，m 2 ； 西换热管内径，0 0 2 0 m 。 自旋扭带的截面积么2 为 4 = d t 式中爿2 自旋扭带的截面积，m 2 ； t 自旋扭带的厚度，0 0 0 1 2 m ； d 自旋扭带的带宽，o 0 1 0 加0 1 4 m 。 置入自旋扭带后，换热管的流通截面积彳3 为 a 3 = a 1 a 2 式中a 3 换热管的流通截面积，m 2 因此，换热管中流体的流速z f 为 矿 3 6 0 0 a ， 1 4 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 广西大掌司n b 掣啦论文立式换热管内，l 量丙n 鲁捷羞l 带工作特性反强化传热研究 式中卜流体的体积流量，m 3 h ； l 卜搿e 体的轴向平均流速，m s 。 3 2 2 当量直径 当管内置入扭带后，形成了非圆形截面。对于非圆形截面，可采用当量直径以来代 替它的“直径”。当量直径为4 倍的水力半径 d 。：! ：篓二塑：! ( 3 5 ) 口。= _ 二一 l j 一) ， 翮+ 2 d + 2 t 通过计算，带宽d = 1 0 m m 时，当量直径以= o 0 1 4 1 7 8 4 0 4 m i 带宽d - = l l m m 时，当 量直径西= o 0 1 3 7 9 8 1 6 5 m ；带宽d = 1 2 m m 时，当量直径兄= 0 0 1 3 4 3 4 9 7 8 m ；带宽d = 1 3 m m 时，当量直径应= o 0 1 3 0 8 7 7 1 9 m ；带宽d = 1 4 r a m 时，当量直径d e = 0 0 1 2 7 5 5 3 6 5 m 。 3 2 3 压力降与阻力系数 3 2 3 1 总压力降 粘性流体在流过管路时，由于粘性力和局部阻力的作用，不可避免地要消耗一定的 机械能。实验中，这部分损失的能量可以用压差计两臂的读数差h 计算出来 肇= p 啦一p h 2 0 胁( 3 - - 6 ) 式中卜换热管两端的压力降，p a ； p 日。o 水的密度，9 9 8 2 k g m 3 ： p 啦水银的密度，1 3 5 9 5 1 k g m 3 ； j 卜it 形管水银压差计两端液面读数差，m ； 卜重力加速度，9 8 1 m f s 2 。 3 2 3 2 沿程阻力 在总压力降中，部分是因流体在直管内克服粘性力产生的，称之为直管阻力或沿 程阻力。在化工设计和工程计算中，这部分阻力通常用范宁( f a n n i n g ) 公式计算 h ，：a 上笠( 3 - - 7 ) 。d 。2 9 式中 矗广一单位重量流体流过，米距离时的沿程阻力损失，m ： ，- 一直管的长度，m ： 五摩擦阻力系数，无量纲。 3 2 3 3 局部阻力 总压力降还包括流体在流道突然改变( 如流经弯头、阀门、大小头等) 时产生的局 部阻力损失。对于这部分阻力损失的计算通常采用当量长度法，即相当于流体流过一定 长度的直管损失的能量，这个直管长度称为当量长度，用符号乇表示。 广西大掌硕士掌位论文立式爿 热蕾内l 景丙| 自麓扭带工作糟性覆强化传热研究 本实验的局部阻力包括： ( 1 ) 换热管入1 2 i 法兰处，由于流通面积突然缩小造成局部阻力损失厶j ； ( 2 ) 换热管出1 2 1 法兰处，由于流通面积突然扩大造成局部阻力损失幻。 由文献【4 8 】查其当量长度为厶= 0 2 8 m ，, 2 = o 6 0 m 。 3 2 3 4 摩擦阻力系数a 在计算管路阻力时