（化工过程机械专业论文）立式换热管内置螺旋叶片工作特性及传热特性试验研究.pdf

广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用篓嬲 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，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 廓麓 l 学位论文使用授权说明 年占其一e l 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。 请选择发布时间： 嘶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) 做储擗：墨豁刷哟： 砌年多月刁日 立式换热管内置螺旋叶片工作特性及传热特性的试验研究 摘要 管壳式换热器加装内插物元件是强化传热的有效措施之一。本文提出 一种新型管内强化传热技术螺旋叶片插入物，它能够起到在线自动防 垢、除垢和强化传热的双重作用。 本文简要阐述了国内外强化传热及在线防垢、除垢技术的研究现状及 发展趋势，并介绍了换热管内置螺旋叶片的结构、工作原理、试验设备及 试验方法等。试验分为冷态试验和热态试验两部分。 冷态试验是以水为工作介质，对6 根不同几何尺寸的螺旋叶片试件进行 转动特性研究。通过多元线性回归分析，得到转速的回归方程式，可知流 体的流速和螺旋叶片的结构参数是影响螺旋叶片的转速的主要因素。 热态试验对采用饱和蒸汽加热的内置不同几何尺寸的螺旋叶片换热管 内流阻及传热特性进行研究。通过数据处理及多元线性回归分析，推导出 压降、摩擦阻力系数和总传热系数的回归方程式，并利用威尔逊图解法求 解管内给热系数的关联式。本文分析了雷诺数和螺旋叶片结构参数对换热 管内流阻及传热的影响，并且对螺旋叶片的强化传热性能进行了评价。 试验结果表明，螺旋叶片在较低的流速下就开始转动，且能达到较高 的转速，说明螺旋叶片具有较好的转动特性。与空管相比，在相同流速下， 插入螺旋叶片的换热管内摩擦阻力系数平均值比空管约增大了2 4 8 倍，总传 热系数较空管有明显增大，总传热系数提高率平均值为2 6 6 。 综上所述，螺旋叶片内插物不仅强化换热效果好，而且产生压降小， 综合性能评价好，因此具有广阔的工程应用前景。 关键词：换热管螺旋叶片内插物在线防垢除垢强化传热 n e - p e r j n 删t a ls t u d yo nt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s i c sa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e i u s t i co ft 厂i s t e d b l a d ei n s e r t e di nav e r t i c a lh e a tt ra n s f e rt u b e a bs t r a c t i ti so n ee f f e c t i v em e t h o dt oe n h a n c eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew i t hi n s e r t i nt h et u b ei n s t a l l e di nt h es h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e r i nt h i sr e p o r t ，an e w i n - t u b eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y , n a m e dt w i s t e db l a d ei n s e r t ，w a s s t u d i e d i ti sc a p a b l et or e m o v eo rp r e v e n td i r to nl i n ea n de n h a n c eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e t h eo u t l i n eo ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s f i r s tt h es t a t eo fa r to fr e s e a r c hi n h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta n dd i r to nl i n er e m o v e m e n ta n dp r e v e n t a t i o nw a s i n t r o d u c e d t h e nt h eg e o m e t r y , w o r k i n gm e c h a n i s m ，t e s tr i ga n de x p e r i m e n t a l m e t h o d o l o g yw a ss t a t e d t h ee x p e r i m e n t sc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h ec o l ds t a t e e x p e r i m e n ta n dt h eh e a ts t a t ee x p e r i m e n t t h ec o l ds t a t ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt os t u d yt h ef l o wr o t a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft w i s t e db l a d e si n s e r tb yu s i n gs i xd i f f e r e n td i a m e t e r sa n dw a t e r a st h ef l o w t h o u g ht h em u l t i v a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h er o t a t i o n a l s p e e de q u a t i o n sw e r eo b t a i n e d f r o mw h i c hi ti sc o n c l u d e dt h a tt h em a i ne f f e c t c a u s ef a c t o r so fr o t a t i o n a ls p e e d sa r et h ev 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 e t w i s t e db l a d e s t h ef l o wr e s i s t a n c ec 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 rc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i i i t u b ei n s e r t e dw i t ht w i s t e db l a d e sh e a t e db ys a t u r a t e ds t e a mw a ss t u d i e d t h r o u g hd a t ap r o c e s s i n ga n dt h em u l t i v a r i a b l el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h e e q u a t i o n so ft h ep r e s s u r el o s s ，f 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 t sa n dt o t a lt r a n s f e r h e a tc o e f f i c i e n t sw e r e r e g r e s s e d 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 e c o e f f i c i e n t so fh e a tt r a n s f e rw e r ec o n c l u d e du s i n gw i l s o ng r a p h i cs o l u t i o n i n t h i sp a p e r , t h ee f f e c t so f r e y n o l d sn u m b e ra n dg e o m e t r yp a r a m e t e r so ft w i s t e d b l a d e so nt h ef l o wr e s i s t a n c ea n di n t u b eh e a tt r a n s f e rw a sa n a l y z e d t h e n c o m m e n t so nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft w i s t e db l a d e sw e r e s t a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt w i s t e db l a d e sc a nr o t a t ea tl o wm a s sf l o wr a t ea n d r e a c ham u c h h i g h e rr o t a t i o n a ls p e e dw h i c hm e a n st h a tt h e yc a np r o v i d eag o o d r o t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c c o m p a r e dw i t ht u b ew i t hn oi n s e r t ，w h e nt h em a s sf l o w w a sf i x e d ，t h ea v e r a g ev a l u eo ft h ei n t u b ef 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 ti s2 4 8 t i m e sa st h eo n ew i t h o u ti n s e r t t h et o t a lh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n ta l s oh a s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dw h i c hh a sa2 6 6 a v e r a g ei n c r e m e n t i n s u m m a r y , t w i s t e d b l a d ei n s e r tn o to n l yh a sb e t t e rh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c e ，b u ta l s op r o d u c e sv e r ys m a l lp r e s s u r ed r o p i th a sa g o o dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ew h i c hm a yp r o v i d eaw i d eu s ei nal a r g e v a r i e t i e so fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e r t u b e ；t w i s t e db l a d e s ；t u b ei n s e r t s ； r e m o v e p r e v e n td i r to nl i n e ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t i v 目录 摘善暮：。i a b s t r a c t i i i 符号说明v i i 第一章绪论“1 1 1 选题背景1 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 强化传热技术2 1 2 2 国内外强化传热技术的发展历程及研究概况2 1 2 3 污垢的产生及影响6 1 2 4 国内外在线防垢、除垢技术的发展历程及研究概况6 1 3 研究课题简介1 1 1 3 1 课题来源1 1 1 3 2 研究的目的和意义。1 1 1 3 3 试验方案1 2 第二章螺旋叶片的工作原理、制作及安装1 3 2 1 螺旋叶片的工作原理1 3 2 1 1 自动防垢、除垢机理13 2 1 2 强化传热机理1 3 2 2 螺旋叶片的制作1 3 2 2 1 制作过程13 2 2 2 注意事项：1 5 2 3 螺旋叶片的校直与安装1 5 2 3 1 螺旋叶片的校直1 5 2 3 2 螺旋叶片的安装调试- 。1 5 2 4 本章小结1 6 第三章试验目的、装置及方法17 3 1 试验目的1 7 3 2 试验装置1 7 3 3 试验步骤l9 3 3 1 冷态试验步骤：1 9 3 3 2 冷态试验注意事项1 9 3 3 3 热态试验步骤2 0 、1 3 3 4 热态试验注意事项2 0 3 4 试验数据的测量与读数2 1 3 4 1 流量的调节与测量2 1 3 4 2 压力的测量，2 1 3 4 3 转速的测量2 l 3 4 4 温度的测量2 l 3 5 试验运行前的检查2 l 3 5 1 离心泵的检查2 l 3 5 2 电蒸汽发生器的检查2 1 3 5 3 试验段的检查2 2 3 6 本章小结j ：2 2 第四章螺旋叶片的转动特性及管内流阻特性分析2 3 4 1 研究的必要性2 3 4 2 螺旋叶片的转动特性分析2 3 4 3 插有螺旋叶片的管内流体阻力特性分析2 5 4 3 1 参数计算2 5 4 3 2 管程流体阻力试验结果分析3 0 4 4 本章小结3 3 第五章插入螺旋叶片的管内流体传热特性分析3 5 5 1 热态试验数据处理及结果分析3 5 5 1 1 参数计算3 5 5 1 2 插有螺旋叶片的管内流体强化传热性能分析4 0 5 2 强化传热性能评价4 4 5 3 试验系统的可靠性分析4 5 5 4 本章小结4 7 第六章结论4 9 参考文献51 附录5 6 附录l 部分冷态试验数据5 6 附录2 部分热态试验数据5 7 致谢。：6 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录。：6 l v l 符号说明 意义单位或量纲 传热面积-in2 换热管的横截面积in2 换热管的流通截面积m 2 内插件的横截面积i n 2 螺旋叶片圈径 m s 1 当量直径m 换热管内径m 重力加速度 m s 2 换热管上下法兰内侧压差 i n 换热管上下法兰外侧压差m u 形管压差计水银液面读数差值m 螺旋叶片的螺距 m 局部阻力造成的压头损失m 单位质量流体流过l 米的直管阻力损失 r n 总传热系数 w ( m 2 k ) 。1 试验段换热管直管长度( 不含上下法兰) m 局部阻力中管件与阀门的当量长度m 螺旋叶片的长度 。 m u 形管压差计两测点之间各管件和阀门的 当量长度之和 m 螺旋叶片的转速 r m i n 1 努塞尔( n u s s e l t ) 准数 无量纲 v i i 特 彳 也 以 也 d 以 历 g 胁 圯 幽 日 忍 母k ， 厶 如 趴 以 肌 意义 换热管两端因流体流动引起的总压力降 饱和蒸气压 普朗特( p r a n d t l ) 准数 换热器的热负荷 管壁和污垢热阻 雷诺数 螺旋叶片的宽度 冷流体进口温度 冷流体出口温度 冷流体的定性温度 对数平均温度差 饱和蒸汽温度 换热管内壁温度 流体的流速 流体的体积流量 流体的导热系数 局部阻力系数 螺旋叶片的螺旋升角 摩擦阻力系数 管内冷流体的导热系数 流体的粘度 流体的密度 强化传热性能评价因子 总传热系数相对空管的提高率 v i i i 单位或量纲 p a p a 无量纲 w k m 2 w 。l 无量纲 m m s 。l m 3 h l j w ( m 2 k ) - 1 无量纲 0 无量纲 w ( m k ) 1 p a s k g m 3 无量纲 隅 肇 尸 办 q 尺 胎 ， 孔 死 易 蜴 瓦 凡 ” 矿 口 考 y a 丸 弘 p 妒 叩 广西大学硕士学位论文立式换热管内置螺旋叶片工 r g 特性及传热特性试验研究 1 1 选题背景 第一章绪论 换热器是实现化工工业生产过程中热量交换和传递最多的设备。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部分【l 】。随着尖端科学技术的迅速发展以及能源的日益短缺， 世界各国都在寻求新能源及节能的新途径。而要研究如何高效回收化工、石油等工业生 产过程中存在的大量余热并加以充分利用，如何开发诸如核能、地热、太阳能等新能源， 都离不开最经济、综合效率最高的换热器【2 一钉。因此，从节能、节材和节约资金角度出 发，世界各国都非常重视新型高效换热器的开发研究，希望能提高热能利用率，不断降 低能耗【5 l 。随着各种新材料、新工艺和新的加工技术的不断发展，换热器的设计、加工、 制造工艺得到不断地完善，推动了新型高效紧凑节能换热器的蓬勃发展和广泛应用【6 j 。 1 在线防垢、除垢的需要 据调查，9 0 以上的换热设备的传热表面均存在不同程度的结垢现象。垢层的热导 率很低，使换热设备的总传热系数减小，传热性能变差，由此引起传热效率下降幅度平 均可达3 0 以上，影响传热效果，降低生产效率。除直接造成能量损失外，还会导致换 热器设计的传热面积裕度平均增加2 5 5 0 【7 1 。污垢的沉积还会使流体的流道截面积 变小，增大换热管的粗糙度，导致流体压力降增大1 8 9 】。此外，设备结垢严重时，不仅引 起流体流动阻力增加，还会产生垢下腐蚀，有的甚至造成管道过热爆炸事故，危及生产 安全。由于污垢的这些不利影响，往往使换热达不到预期的效果。宏观估计美国每年由 于传热设备结垢引起的经济损失约为8 0 - - 1 0 0 亿美元，我国由此造成的损失约在1 0 0 亿元 人民币以上。因此，换热器的防垢、除垢的研究对化工行业节能减排、提高效益具有非 常重要的意义【i o 】。 2 强化传热的需要 为了进一步提高换热设备的效率，减少能量传递过程中的损失，更合理更有效地利 用能源，通常采用各种途径来强化换热器内的传热【l j 。 对传统换热器设备研究主要集中在两大方向上【3 4 】，一是开发新的换热器品种，如板 翅式、平行流式和振动盘管式等紧凑式换热器；二是对传统的管壳式换热器采用强化措 施。针对管壳式换热设备，采用各种强化型高效换热管1 m s ，如螺旋槽纹管、横纹管、 波纹管、缩放管、翅片管及各种管内插入物等取代原来的普通金属光滑管，既可以提高 管侧流体的换热系数，减小所需的换热面积，从而极大地节约金属管材，降低设备制造 成本；又能显著地提高热能利用率，降低能耗。 强化传热新技术的应用，可使上述设备能耗较常规降低2 0 以上。可见，换热器的 合理设计、运转和改进，对于节省资金、能源、金属和空间十分重要。因此，强化传热 广西大学硕士学位论文立式换热管内置螺旋叶片工作特性及传热特性试验研究 对于国民经济的发展具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 强化传热技术 强化传热技术是指能显著改善传热性能的节能新技术【1 1 1 。应用强化传热技术的目的 是通过改进换热器结构或采用强化传热元件等措施，进一步提高换热设备的传热效率， 减少能量传递过程中的损失，更合理更有效地利用能源，从而使设备投资和运行费用最 低，力图以最经济，即体积小、质量小、成本低的换热设备来传递规定的热量，或是用 最有效的冷却来保证高温部件的安全运行，以达到生产的最优化。 换热设备传热过程的强化就是力求使换热设备在单位时间内、单位传热面积传递的 更多的热量【1 7 】。强化传热的三种途径是扩大传热面积、提高传热系数、增大传热温差； 其中，提高传热系数是当今强化传热技术的主题【l 引。 强化传热技术从被强化传热过程来划分，可以分为导热过程的强化、对流换热过程 的强化和辐射传热过程的强化。其中，对流强化传热在工业生产中应用最为广泛。按照 其强化方法是否需要附加动力源来划分，强化传热技术可分为有功技术和无功技术。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：机械搅动、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 1 9 , 2 0 】。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、扩展 表面法、粗糙表面法、扰流装置、涡流发生器、螺旋管、添加剂法以及射流冲击等【2 1 , 2 2 1 。 工程中经常采用无功技术。 1 2 2 国内外强化传热技术的发展历程及研究概况 1 8 世纪蒸气机发明之后，n e w t o n 就提出用风吹过物体表面强化对流传热。1 9 世纪中 期，i o u l e 提出在管内插人螺旋线以强化蒸汽的冷凝过程。w h i t h a n ( 1 8 9 6 ) ，a l b e r g e rh e a t e r 公司( 1 9 2 1 ) ，j a k o b 和确t z ( 1 9 3 1 ) 等先后提出了各种强化单相流体与相变传热手段1 2 3 1 。2 0 世纪初传热学独立成为一门学科，而强化传热也伴随着传热学的研究发展起来。2 0 世纪 中期，人们把研究重点集中在单相流体的强化传热、工质沸腾和凝结上，其研究成果开 始见于发表。2 0 世纪6 0 年代之后，强化传热成为传热学一个重要的专门领域而蓬勃发展。 但强化传热技术真正引起人们重视是在2 0 世纪7 0 年代石油危机出现之后。由于生产和社 会发展的需要，强化传热技术在4 0 多年来得到了广泛发展和应用。2 0 世纪8 0 年代以来， 强化传热技术在核能、动力、石油、化工、制冷乃至国防工业等领域中得到广泛应用， 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，已发展成为成熟的 第二代传热技术【1 1 , 2 4 1 。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， 2 广西大学硕士学位论文立式换热管内置螺旋叶片工作特性及传热特性试验研究 世界各主要工业国都对此进行了大量的研究开发工作。2 0 世纪末，三维肋管、漩涡发生 器、复合强化传热技术已经昭示着强化传热技术向第三代的发展【2 0 l 。目前，清华大学、 华南理工大学和西安交通大学等高校强强联合，力图建立强化传热新理论，开发第三代 传热技术【2 5 1 。清华大学的过增元教授提出了速度场和温度梯度场协同的基本思想，揭示 了传热过程的场协同规律。改善场的协同以强化传热的方法有三种i 改变热边界条件， 改变速度分布，施加其它力场。由场协同理论指导发展出来的强化对流换热新方法，整 体考虑换热器中换热介质温度场的相互配合，不以增加阻力为代价来提高换热器的效 能，因此在工程应用方面更有意义。 目前，国内外较为先进的几种强化传热技术研究概况介绍如下： 1 强化换热管的研究与应用 换热管是换热器的核心构件，其结构在很大程度上会影响管程和壳程的传热系数。 管壳式换热器在实际工程中多采用光滑圆管，其传热效率较低。为了改变其流动性能、 显著提高管内外给热系数，起到双边强化作用，可将光管加工成异形管。高效异型强化 传热管件种类有：螺旋槽管、螺旋扭曲管、缩放管、波纹管、横纹槽管、螺旋扭曲椭圆 管、螺旋扁管、内翅片管、针翅管、花瓣形翅片管和高效沸腾传热管等。 2 复合强化传热技术 。 鉴于传统的强化管内单相流体换热的管件存在加工制作难度大、成本高、强化换热 的程度受限等问题，研究者把目光转向了同时应用两种或两种以上的强化措施，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，能够相互配合、发挥其 各自的优点，从而获得更好的强化传热效果【l 】。随着强化传热技术的推广及应用，许多 换热设备在改造设计中已采用此项技术。常用的复合强化传热技术有：螺旋槽管与弹簧 的复合强化传热【2 6 1 ，螺旋槽管与旋流器、扭带的复合强化传热，纵向流换热器与不同型 式的强化管组合使用，带有扰流的内肋管以及振动复合强化传热1 2 7 ，在含有插入物的管 内或内翅管内放入传热流体的添加物，粗糙管壁面有流体质量透过等。 3 换热器上扰流子强化传热节能技术 传热过程中，换热器内、外液体的流动状态，换热面的尺寸及形状等是影响换热器 传热系数同拘主要因素。在换热管中加扰流子，可以改变液体的流动状态从而强化传热， 节省换热面积，降低设备重量，节约大量金属材料。 。 国外从1 8 9 6 年就开始研究和应用管内插入物的强化传热【2 引。在低雷诺数或高粘度流 体传热工况下，管内插入件是强化管内单相流体传热的有效方法之一【2 9 】。内插物结构有： 环式、拉希格图、盘式、螺旋线圈、螺旋弹簧、螺旋带、螺旋片、扭带、c t 插入物、星 型翅片【3 0 】、管内片条插入物【3 1 1 、静态混合器和径向混合器等。现在使用最多的包括：金 属丝制元件、金属螺旋圈、盘状构件、麻花铁、翼形物等1 3 2 】。 。 开发较早的有固定于管内的圆环形或圆盘形薄片、螺旋线以及扭带螺旋片、流线型 内插物等【3 2 1 。1 9 7 4 年m e g e r l i n 、m u r p h y 和b e r g l e s 用金属网和螺旋刷插入管内强化湍流传 热。2 0 世纪7 0 年代以来，出现了一些比较适合于层流传热特点的新型插入物，如静态混 3 广西大掌硕士学位论文立式换热管内置螺旋 1 - 片工作特性及传热特性试验研究 合器。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。此外，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。 2 0 世纪8 0 至9 0 年代，华南理工大学先后开发研制了交叉锯齿带、梯形带等置换型的内插 物，为工业生产中油类、脂类食品等高黏度、热敏性流体的传热强化提供了新的技术方 法。2 0 世纪9 0 年代末，清华大学研制出绕花丝内插物，它不仅强化换热效果好，而且产 生压降小，是一项理想的高效节能技术，将其应用于太阳能热泵系统可收到良好的效果 1 3 3 1 o 最近，英国c a l c a r i nl t d 公司研制出一种金属丝制翅片管子插入物- h i 仃a nm a t r i x e l e m e n t s 花环式插入物，它可使管壳式换热器管程传热效率提高；同时，相比于正常流 速，这种花环式插入物还可以提高换热管的防垢能力【2 5 , 3 4 1 。此外，圆锥环状插入物采用 不同的t - - i i ! n 方式和不同的径比【3 5 1 ，其传热性能较光管有很大提高。百叶窗式条状插入物 能够增加流体的湍流程度，从而强化了传热【3 6 】。外形为直的星形截面鳍状插入物能更好 的提高逆流换热器的传热犁3 7 】。 4 传热强化剂研究与应用 在工质中加入微量添加剂以强化其沸腾传热的研究已有多年的历史。工质中加入适 量的添加剂后，其传热性能却有所提高。有些添加剂不仅可以强化换热，还具有清除金 属表面污垢的能力，并且由于它易吸附于金属表面，可有效的缓减金属的腐蚀。目前较 为理想的添加剂是阴阳离子混合物表面活性剂，简称w t 强化剂。该添加剂可溶于水， 化学性能稳定，挥发性小，无毒无腐蚀性，用量少且强化传热效果明显。英国、美国在 研究添加剂强化传热技术方面居领先地位1 3 9 1 。大连理工大学的刘天庆教授根据添加剂的 结构特征及模糊数学的综合评判模型建立了评价及预测各类添加剂强化沸腾传热性能 的方法，可为各类工质选择适宜的添加剂提供依据。不过，目前添加剂的研制方面还存 在如何保持较低的添加剂用量和防止添加剂对设备造成腐蚀等问题。 5 纳米粒子在强化传热领域的广阔应用前景1 6 】 1 9 9 5 年，美国a r g o n n e 国家实验室在国际上首次提出了纳米流体的概念。纳米流体 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，在液体中添加纳米粒子能有效的增加其导热系数1 4 0 1 。在换热设备的改进中设 计一个纳米粒子按比例混入装置对换热效率的提高和减小换热器本身的设计制造成本 有十分重要的意义。e a s t m a nja 以及l e e 等人也对纳米流体强化传热技术做了深入的研 究，并取得了一定的成剁4 1 4 2 】。纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。因此， 能够生产出成本低廉的纳米粒子和找到其与强化传热倍数的准确的数学关系具有重要 意义。 6 增加电场的强化传热及节能技术 电场强化传热，称为e h d 强化传热，它将电场基本理论引入到传热学领域，是一种 主动强化传热技术。通过在流体中施加电场，利用流场、温度场和电场之间的相互作用 4 立式换热管内置螺旋叶片工作特性及传热特性试验研究 和协同达到强化传热的目的。同其他强化传热技术相比较，电场强化传热具有设备简单、 易于控制热流和温度、功耗低、强化传热效果显著、适用于某些特殊的场合、应用面广 等优点。电场强化传热效果的主要影响因素有三方面：电场特性、工质性质和热流密度。 早在二十世纪初，英、美、日等发达国家就致力于电场强化传热方面的研究。1 9 1 6 年，英国学者c h u b b 提出了电场强化传热的理论并申请了专利【4 3 】。近年来，一些发达国 家对于电场强化传热的研究取得了较大的进展，但尚未应用于工程生产。国内对该领域 的研究起步较晚，九十年代后才开始从事此项技术的研究。 7 数值模拟与计算流体力学c f d 的发展 近年来，随着计算流体力学与数值传热学的发展，强化传热技术中不断地应用数值 模拟技术，并结合实验进行验证，来完成对各种支撑结构的性能和壳程流场特性的研究。 英国的两位著名教授p a t a n k a r 和s p a l d i n g 在1 9 7 4 年最早提出应用计算流体力学对管 壳式换热器进行数值模拟研究。随着高速电子计算机的迅速发展，计算流体力学成为继 实验和解析之后又一种研究流体流动和传热的方法，并且与计算传热学、计算燃烧学和 计算物理化学等多学科相结合，产生了c f d 新技术。比起传统的实验研究方法具有选择 性强、速度快、消耗少、信息量大的特点，目前已广泛应用于各种工程领域，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4 5 】。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m 】。 8 新型高效换热器的研究与发展 应用强化传热技术的目的是力图以最经济，即体积小、质量小、成本低的换热设备 来传递规定的热量，或是用最有效的冷却来保证高温部件的安全运行，这就要求进行合 理的设计研究，制造出高效的换热器，使之节省资金和能源，减少金属消耗和所占的空 间。 一 目前，国内外开发的新型高效的换热器主要有：空心环管壳式换热器、p a c k i n o x 板 壳式换热器、热板式换热器、可拆式板式换热器、t h e r m o w a v e 板式换热器和块式换热器、 焊接式板式换热器、螺旋槽纹管换热器、旋流管换热器、热管换热器、横纹管折流板换 热器、折流杆式换热器、整体翅片式换热器、低温两相流板翅式双相变换热器、碳化硅 换热器、柔性换热器、不结垢换热器、k e n i c s 换热器、s m 型换热器、h y b r i d 换热器等【6 】。 其中，热板式换热器【4 7 】以热板为传热基本单元，是一种新型高效板面式换热器。它 具有最佳的流动状态，阻力小，传热效率高等优点；还可以根据工程需要制造成各种形 状，亦可根据介质的性能选用不同的板材，可用于加热、保温、干燥、冷凝等多种过程。 热管式换热器1 2 阳”8 】以热管为传热基本单元，是一种具有高导热性能的传热装置。利用 真空管中液态工作介质的汽化冷凝过程传热，使之能在较小温差下传递大量的热量。低 温两相流板翅式双相变换热器基于单相流体易于均匀分配的物理特性，提出了气液均匀 分配后再混合的新方法。其比传热面积、比体积均较小，性能明显优于国内外同类产品。 此外，在处理表面技术上，大连理工大学采用磁控溅射离子镀铬的方法处理铜管， 使其传热系数提高4 0 以上。华南理工大学进行了粗糙表面法试验，得到了换热器优化 5 g - 西大掌硕士掌位论文立式换热管内置螺旋叶片工- f i r 特性及传热特性试验研究 的几何尺寸。 1 2 3 污垢的产生及影响 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【4 9 1 。1 9 9 0 年，s o m e r s c a l e s 将换热器设备污垢严格定义为换热面上的妨 碍传热和增加流体流过换热面时阻力的沉积物。这一定义说明了换热面污垢的两个基本 属性：对传热的阻碍和增加流体流动的阻力5 0 1 。根据结垢层沉积的机理，可将污垢分为 颗粒污垢、结晶污垢、化学反应污垢、腐蚀污垢、生物污垢和凝固污垢。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。 污垢对换热设备及其系统有如下影响： ( 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；又由于污垢热阻值具有某些不确定性，设计者需要采用较保守的 值以增加安全系数。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 响 5 1 2 】。 ( 2 ) 污垢导热率低，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。 ( 3 ) 设备的表面积垢，使局部腐蚀加剧，产生点蚀造成穿孔。 ( 4 ) 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加1 5 2 1 。 ( 5 ) 由于污垢而引起的停车清洗，降低了设备连续运转的周期，造成生产效率下降。 1 2 4 国内外在线防垢、除垢技术的发展历程及研究概况 换热器的清洗是指从换热面上清除污垢的过程。目前，清除换热面上污垢的方法， 根据工作原理分为机械清洗法、化学清洗法和物理清洗法【5 3 弓5 1 。据美 雪d i a l o g 系统数 据库对有关传热表面清洗情况的统计可知，工业生产过程中主要采用机械清洗法，化学 清洗法约占2 5 ，物理清洗法只占2 左右。此外，根据设备是否运行，污垢清洗还可分 为在线清洗法和非在线清洗法。为了节省停工清洗的费用及劳力，延长运行时间，污垢 清洗主要以在线清洗为主。 1 机械清洗技术 机械清洗技术是靠流体的流动或机械作用提供一种大于污垢粘附力的力，使污垢从 换热面上脱落。机械清洗是工业中常用的除垢方法，它可除去炭化污垢和硬质污垢。其 缺点是：采用机械清洗，常常须将换热设备解体，周期性停车使实际生产时间减小，影 响产量和成本，并且机械刮削又容易损伤传热面。对于不同的污垢应采用不同的机械清 洗方法，主要的在线机械清洗技术如下： ( 1 ) 摩擦颗粒清洗技术：在流体中加入固体颗粒来摩擦换热表面以清除污垢，但对 换热表面易产生腐蚀。 6 广西大掌硕士掌位论文立式换热管内置螺旋叶片工作特性及传热特性试验研究 ( 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【5 6 1 。 ( 3 ) 海绵胶球连续清洗技术：1 9 5 7 年，西德公司最早发明此项专利技术。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，在通过管子时胶球会轻微挤压和摩擦管壁，去除沉积物1 5 7 , s 8 】。 ( 4 ) 自动刷洗技术：美国密尔沃基供水公司开发该装置。每根管道刷由两个外罩和 一个尼龙刷组成，外罩安装在每根管的两端，改变水流方向可使刷子沿管道前后推进刷 洗，水流换向由压缩空气驱动并定时控制联结在管道上的四通阀来完成【5 7 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 ( 5 ) 流态化类自洁式技术 流态化类自洁式技术广泛适用于管程为液体的立式换热器。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，在防垢、除垢的 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【5 9 】。 近几年还成功研制出流态化清洗车，可以应用在套管式换热器、夹套式传热设备、 螺旋板换热器、炼铁高炉水冷壁等传热面形状比较复杂的设备中，并且已经在套管式换 热器的工业应用中创造巨大的经济效益【删。 ( 6 ) 内插物防垢、除垢技术：其原理是换热管内置入内插物后改变了流体流道形状， 扰动了流体，促进湍流程度，破坏了污垢生成条件；同时，在管内流体流动作用下，内 插物产生以自动连续旋转为主，包括径向的随机振动、轴向的往复游动的复杂运动，破 坏了流体滞留边界层，增强壁面流体对污垢的剪切作用。由于内插物具有一定的刚度， 不断刮擦和刷洗换热管内壁表面，可以除去管内原有