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立式上行换热管内宽型扭带工作特性 摘要 究 本文阐述了国内外强化传热和在线防垢除垢技术的研究进展及现状， 对立式上行换热管内置宽型扭带的阻力特性、转动特性和强化传热性能进 行了研究。 对比立式上行换热管内置入宽型扭带前后的总压力降变化，应用非线 性回归理论拟合了压力降增量、摩擦系数与宽型扭带结构参数的关联式， 对压力降增量与摩擦系数的影响因素进行了分析，结果表明：带宽为1 8 - - - 2 2 系列宽型扭带置入换热管内的压力降相对空管压力降增幅均为2 0 以 上；同系列宽型扭带的结构参数间隙率越小，压降越大；相同流速下，管 内置入宽型扭带压力降小于管内固定扭带压力降，高于管内平带压力降。 对实验数据多元线性拟合得到了流速与转速的一般关系式。宽型扭带 工作特性试验结果表明：宽型扭带转速h 与流速u 呈近似线性关系，转速 与流体的轴向流速有关，流速u 越大，管内宽型扭带转速，z 越大。 采用电加热锅炉和立式换热器作为热态实验装置，运用威尔逊图解法 求解立式上行换热管内给热系数，对宽型扭带的强化传热性能作了评价， 并确定了宽型扭带的对流给热系数关联式、综合性能评价关联式。结果表 明，宽型扭带的强化传热性能评价因子咖始终大于1 ：在实验范围内，总传 热系数k 提高率在1 0 - 3 5 之间。 关键词：强化传热宽型扭带上行换热管 i l r e s e a r c ho nt h eh e a tt r a n s f e ra n dw o r kin gp e r f o r m a n c e c h a r a c t e ris tlc s o fwid t ht wis t e dt a p e sin sid ev e r tic a l u p w a r d - f l o wh e a te x c h a n g e rt u b e s a b s t r a c t t h ep r e s e n tr e s e a r c ho nf o u lr e m o v i n g p r e v e n t i n gt e c h n o l o g i e so fh e a t e x c h a n g e ri si n t r o d u c e di nd o m e s t i ca n do v e r s e a s 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 tp e r f o r m a n c eo fw i d t h t w i s t e dt a p e si n s e r t e dv e r t i c a lu p w a r d f l o we x c h a n g e rt u b ew e r es t u d i e db a s eo n t h ea b u n d a n te x p e r i m e n t s b yc o m p a r i n gt h 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 dw i d t ht w i s t e d t a p e st u b e ，w ec a nc o n c l u d et 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 n ta n df r i c t i o n r 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 es t r u c t u r ep a r a m e t e r st h r o u g hn o n l i n e a rf i r i n g ， a n dt h e ne f f e c tf a c t o r sa r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r e s s u r el o s si n c r e a s ea m p l i t u d eo fw i d t hl8 2 2t w i s t e d t a p e si n s i d et u b e si s m o r et h a n2 0 ：t h ec l e a r a n c er a t eo ft h es a m es e r i e so fw i d t ht w i s t e d t a p ei s l o w e r ，t h ep r e s sl o s si sb i g g e r ；u n d e rt h es a m el i q u i dv e l o c i t yc o n d i t i o n ，t h e p r e s s u r el o s so ft h ew i d t ht w i s t e d t a p e si n s i d et u b e si sl o w e rt h a nt h a to ft h e f i x t e d t a p e si n s i d et u b e s ，b u ti ti sg r e a t e rt h a nt h a to ft h ef l a t - t a p e s t h ee q u a t i o no ft h ev e l o c i t yo ff l o w & r o t a t i o n a ls p e e di sa c q u i r e dt h r o u g h l i n e a r i t yf i r i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ew i d t ht w i s t e d t a p e ss h o wt h a t t h er o t a t i o n a ls p e e dk e e p sal i n e a rr e l a t i o n 。w i t hf l o wv e l o c i t y t h er o t a t i o n a l s p e e do ft h ew i d t ht w i s t e di n s i d ev e r t i c a lu p w a r d f l o wh e a te x c h a n g e rt u b e s i n c r e a s e sa st h ev e l o c i t yo ff l o wi n c r e a s e s t h ee l e c t r i c h e a t e db o i l e ra n dv e r t i c a lh e a te x c h a n g e rh a v eb e e nu s e da s t h eh e a te x p e r i m e n t a ld e v i c e t h e nt h ec o e f f i c i e n to fh e a t t r a n s f e ri sc o n c l u d e d b yt 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 i na d d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo f h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ti se v a l u a t e d a n ds oa r et h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e e v a l u a t i oa n dt h ec o e 衔c i e n to fh e a tc o n v e c t i o nr e l a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a t t 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 tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti sh i g h e rt h a n1 ： u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h ei n c r e a s ei nt h er a t eo fo v e r a l lc o e 珩c i e n t i i i o f h e a tt r a n s f e rb e t w e e nl0 - 35 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 ；w i d t ht w i s t e d - - t a p e ；u p w a r d - f l o w h e a te x h a n g e rt u b e s ； i v 广西大掌硕士学位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 符号说明 意义 换热管换热面积 间隙率 给热系数关联式系数 定压比热 宽型扭带宽度 节距， 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 当量直径 立式上行换热管的内径 范宁摩擦系数 重力加速度 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 宽型扭带旋转阻力矩 宽型扭带转速 努塞尔数 雷诺数r e 的指数 普朗特数 立式上行换热管上下两端的压力降 置入扭带后引起的压力降增量 换热管空管的压力降 置入扭带后压力降增量 换热器的热负荷 v i l l m n m n m r m i n 。l 无量纲 无量纲 无量纲 p a p a p a p a w 一砰一一一m m m mm m m一心m 雠砰礁礁时m m m m时m m m礁郴m 枵彳 m c 勺d 日 砂厅 k 乙以 西 厂 g 阻 上 m 吩 咒 p 厅 印卸锄锄q 广西大掌硕士掌位论文 立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 饱和蒸汽的冷凝潜热 雷诺数 距离扭带旋转轴的1 4 带宽 管内流体的轴向流速 管内流体的环向流速 换热管内的流体体积流量 冷流体的质量流量 饱和蒸汽温度 宽型扭带厚度 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 饱和蒸汽的冷凝速率 给热系数 强化传热性能评价因子 u 形管压差计水银液面读数差 摩擦系数 导热系数 粘度 密度 j 蚝1 无量纲 m m郴蒯m一一m一一耐 ， 胎 坳 y 吸 丁 ， n 忽 “ 口 垂办 a 尼 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，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名易 卅年石月沙日 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) 论文储躲勿刎翩躲黼芋降月砂1 日 广西大掌硕士掌位论文立式上行换热管i 内宽型扭带的工作特性及传热研究 1 1 概述 1 1 1 换热设备存在的共性问题 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 随着工业现代化的迅速发展，以能源危机引发的环境、生态等问题日益加剧，节能 技术是解决当前问题的首要途径，世界各国都在积极寻找新能源和节能新途径。换热器 作为众多工业部门广泛使用的通用工艺设备，是确保工业生产过程顺利运转不可缺少的 关键部件。比如电力行业中换热设备的投资约占整个发电厂投资总额的7 0 ，石化炼油 企业约有2 5 的设备投资用于各种各样的换热器，在制冷机组中蒸发器的质量要占制冷 机总量的3 0 - 4 0 ，其动力消耗约占总值的2 0 一3 0 1 - 2 】。由此可见，换热设备的系统 优化，对于这些行业的经济效益有着举足轻重的影响。 目前全球正蓬勃开展对强化传热理论和应用的研究，并获得一批批可喜的结果，但 是，在实际生产中许多技术有待于继续提高，尤其是换热设备中的传热效率不高、换热 管内污垢沉积、设备腐蚀等问题亟需进一步研究。 据美国g a r r e t t p r i c e l 9 8 5 年的估计，在换热器的污垢方面蒙受的经济损失，美国每 年消耗高达8 0 1 0 0 亿美元【3 】。英国t h a c k e r y g 估算：1 9 7 7 年英国国民经济因污垢而增 加的费用约占当年工业工业总产值的0 3 t 4 j ；许多研究报告表明污垢对换热存在的影响 是不可忽视的：美国e x x o n 化工公司通过对传热设备的传热效率测试研究，得出换热设 备污垢的存在会影响换热设备的运行效率结论【5 】；早在1 9 9 3 年，s t e i n h a n g e n 对新西兰 11 0 0 家企业的3 0 0 0 台各种类型的换热器的通信调查表明，9 0 以上的换热设备都存在 着不同程度上的污垢问题【引。我国机械部兰州石油机械研究所有专题报告【7 】：污垢使我 国的换热器运行效率下降的平均幅度约为5 0 ；同时有关文献指出，发展中国家的污垢 防治水平更低，也更容易造成经济损失【j 。 湖南工业大学俞秀民学者从水垢损失的设备费用、水费评估、水垢损失的耗电费用 三方面评估【1o 】得出：水垢造成的设备费用损失高达6 亿元，水垢引起的全国水冷器运行 费用损失每年达1 9 3 8 亿元，全国每年因水垢多付出的冰机运行费用达1 0 8 亿元之巨。 综合上述运行电费水费和设备费三项分析，我国冷冻机组水冷器水垢引起的总经济损失 高达每年3 6 亿元以上。 东北电力学院徐志明、杨善让学者【l l 】参照国际通用算法提出了一种电站锅炉污垢费 用的估算方法，该法将锅炉污垢造成的经济损失分别按冗余面积、附加燃料、附加维护 三个方面，最终估算出2 0 0 0 年全国电站锅炉污垢造成的经济损失约为1 0 0 0 8 亿元，约 占当年g d p 的o 1 1 。 换热设备的安全可靠性问题也应值得重视，因泄漏、设备缺陷、设备工作失效、设 广西大掌硕士学位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 备结垢等问题引发的事故后果也是严重的。据国外化工设备损坏情况统计，换热器的损 坏率在所有化工设备中所占的比例最大为2 7 ，远远高于槽、塔、釜的1 7 2 的损坏率；据 化工部1 9 4 9 1 9 8 2 年小石化生产厂的不完全统计，换热器发生爆炸事故共2 l 起，伤亡人 数共1 0 2 人：1 9 7 3 1 9 8 3 小氮肥厂发生热交换器爆炸事故共1 6 起，伤亡人数1 2 人； 1 9 7 9 1 9 8 8 年全国热交换器爆炸事故共2 5 起，伤亡人数9 4 人【1 2 】 因此，采取合理措施，防止和减少污垢的形成，才可以减少热能的损失和金属材料 的浪费，才能杜绝安全隐患，实现换热设备的优化配置。 1 1 2 换热设备的科研方向 基于换热设备的传热效率低、污垢沉积、安全可靠性等实际问题，有关换热设备的 研究方向主要有三个方面：强化传热技术研究、在线除垢防垢研究、安全可靠性研究。 1 1 2 1 强化传热技术研究 强化传热技术是应用于显著改变传热性能的技术，其主要内容是强化传热元件和改 变换热器的支撑结构，以达到减少能源消耗、提高换热效率的目的。自1 8 世纪以来， 以蒸汽机热损失进行研究的课题引发了人们对传热问题的探索性研究，随着工业生产的 发展，传热问题的研究日趋深入。到了2 0 世纪初，传热学开始形成一门独立学科。随 着工业化的深度发展以及大规模无节制的能源开发，强化传热技术面临着多元化的挑 战，在2 0 世纪8 0 年代，第二代强化传热技术兴起，并开始有专著出版，迄今为止，强 化传热技术在化工、机械、石油乃至国防工业等领域中得到了广泛应用，相关专利已有 数百项，国内外公开发表的科研成果报告超过6 0 0 0 篇【l3 1 。到了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【l4 1 。 强化传热技术通常分为主动式和被动式两大类【l5 1 。主动式是指需要外部能量的强化 技术，如采用电磁场、搅拌、光照等措施。被动式强化传热则不需要消耗外部能量，是 换热器强化传热主要采用的方法，如传热管的表面处理、传热管外表变化、漩涡流装置、 管内加入插入物等。 目前，国内外有关强化传热技术问题的研发方向主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 管程强化传热研究 管程的强化传热是管壳式换热器强化传热的一个重要方面，研究新型强化换热管和 管内插入物的报道一直比较多【l 引。管内的强化传热需要通过做单管实验就得到换热器 传热和流阻性能。对传热表面形状不做改变，制造工艺简单，尤其适应于旧设备或现有 设备改造，不需要更换原有管壳式换热器【1 9 1 ，这些体现了管内安置插入物的强化传热技 术的优势。因此管内插入物强化传热技术在旧设备改造中得到广泛的应用。 ( 2 ) 壳程强化传热研究 壳程强化传热途径有两种【2 0 】：一种是改变管子外形通过管子形状和表面特性的改变 来强化传热：一种是减少壳程流动与传热的滞留死区，充分利用传热面。考虑壳程的强 2 广西大掌硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 化传热实验的设备负载以及实验成本高，因此相关的研究报道在近几年为数不多1 2 。直 到7 0 年代，美国菲利浦石油公司为解决实际问题，开发折流杆换热器，壳程换热技术 开始受到重视，目前国内外有许多相关报道充分肯定了该技术可节约流体输送功率，节 约换热器设备投资以及提高换热器的换热能力【2 2 】。结合使用强化传热管的新型管壳式换 热器采取管束排列、不同类型的管间支承物方法，可以使换热器的流阻与传热性能比普 通单弓形折流板换热器的流阻与传热性能有了显著优化【2 3 1 ，可以节约流体输送功耗、减 少换热器设备投资成本，实现换热器的高效换热能力的优化配置。 ( 3 ) 场协同效应研究 华南理工大学和西安交通大学有关科研机构以强化传热技术为创新基础，提出具有 理论依据的“场协同理论，【2 4 1 。该理论认为【2 5 】：对流换热是温度场和速度；场共同作用的 结果，它的大小不仅与物性有关，而且取决于温度和速度分布：强化传热可以通过改变 温度和速度的积的方式，从而改变对流的换热强度。场协同理论对于强化传热具有指导 性意义，它从物理机制出发，寻找传热强化的途径。 ( 4 ) c f d 计算流体力学模拟 c f d 即c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s 的简称。是指利用数值方法通过计算机求解 描述流体运动的控制方程，揭示流体运动的物理规律，研究流体运动的时空物理特征的 学科1 2 引。一般认为计算流体力学是从2 0 世纪6 0 年代中后期逐步发展起来的，大致经历 了四个发展阶段：无粘性线性、无粘性非线性、雷诺平均的n s 方程以及完全的n s 方程。在许多复杂的流动问题可以通过数值计算手段进行分析并给出相应的结果【2 6 。 c f d 数值模拟技术应用广泛，在化工、机械、海洋、航天、生物、汽车、建筑等诸多领 域体现其优越性。广西大学林清宇教授曾利用a n s y s 预测换热管内流场1 27 j ；西安交通大 学屈治国等人曾在波纹翅片管心偏移条件下空气侧传热流动性能进行数值研裂2 引，并对 计算模型的可靠性进行了实验验证；华南理工大学等人对板式蒸发式冷凝器通过c f d 软 件进行模拟优化设计【2 9 1 ，取得了良好的效果。 ( 5 ) 纳米流体技术研究 随着纳米材料科学的迅速发展，自9 0 年代以来。研究人员开始探索将纳米材料技 术应用于强化传热领域。国外早在1 9 9 5 年，c h o i l 3 0 1 等人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金属氧化物粒子，形成一类 新的传热冷却工质。c h o i 通过计算结果表明在液体中添加纳米粒子，可以提高悬浮液的 导热系数。国内，上海交通大学吴信宇等人【3 l 】、浙江大学洪荣华等人【3 2 】以及郑州大学李 洪亮等人【3 3 】分别对纳米流体在芯片微通道中的流动与换热特性、碳纳米流体特性及 其在重力热管内的传热、纳米流体及其强化传热性能研究进展等方面进行阐述报道，并 肯定纳米流体强化传热的可行性。 ( 5 ) 强化传热设备标准化研究【3 4 j 高效换热器的设计标准是遵循保证安全、统一公差、控制质量以及在竞争中有共同 的约束的原则。美国在管壳式换热器标准技术方面开展了相关工作，t e m a ( 美国列管式 广西大掌硕士掌位论文 立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 换热器制造商协会标准) 于1 9 4 1 年问世，并为全球其他国家提供了参考标准。目前a s m e 、 t e m a 和h t r t 对于今后继续推动换热器的技术发展、不断完善标准技术工作相当重视。 由此可见，具有科学性、权威性标准的制定和完善，需要从结构、选材等方面更完整、 合理的分类；并且在确保安全的前提下，充分考虑经济合理性。 由于各国对强化传热技术研究的侧重点不同，以下表i - i t 3 5 】列出了各国研究以及应 用现状。 表1 i 国外应用现状 t a b l e1 1w o r l d w i d ea p p l i c a t i o n 4 广西大学硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 1 1 2 2 除垢防垢技术研究 ( 1 ) 除垢防垢的意义 污垢日益成为强化传热的主要障碍之一。有文献表吲3 6 】：传热面上的污垢可能会是 许多强化传热的措施的努力都归于零，得不到什么结果。所以，换热设备传热面上污垢 的预防、在线抑垢除垢技术的研究成为换热设备研究的另一个焦点。 ( 2 ) 污垢形成研究 所有各类污垢的形成一般都要经历以下5 个阶段【3 7 】：起始阶段，输运阶段，附着阶 段，老化阶段，剥蚀阶段；其中，对于剥蚀阶段，有关学者提出了相应的3 种剥蚀机制： 溶解、磨蚀和剥落。k e m 和s e n t o n 提出的相关数学模型为广大研究者提供了研究基础， 污垢的最终形成是沉积和脱落两种作用相互平衡的结果3 8 9 1 。 ( 3 ) 污垢监测技术的研究【4 0 1 国内在污垢在线监测方面主要仍以监测换热器与计算机技术结合为主。在测试原理 的研究、测试手段、监测换热器设计等方面落后于发达国家。国内部分研究单位已经开 始电热式污垢热阻监测设备的研究但还很不成熟。因此引入国外成熟的技术，结合国 内的实际情况，整合其他水处理在线监测系统，进行二次开发，形成自己的冷却水在线 监测技术，是目前最可行且经济的途径。 ( 4 ) 除垢防垢对策研究 除垢防垢的清洗方法主要有三种：机械方法、化学方法和物理方法。这些方法都是 建立在停车的状态下进行作业，研究者发现周期性停车使实际生产时间减小，对成本和 产量造成影响，同时运行期间的传热系数值比传热面清洁无垢时的传热系数值下降许 多，设备运行长时间处于低效状态。因此为了实现“零停车”，实现精益化生产，在线 污垢清洗逐渐成为污垢清洗研究领域的重点之一。 如今已开发出了多种形式的除垢防垢技术元件，如螺旋弹簧，静态混合器，扭带， 微型液轮机等。现简要分述如下： 螺旋弹簧 早在在八十年代初，法国企业研发了名叫s p i r e l y 的换热器螺旋形弹簧在线清洗法 f 4 l 】。文献 4 2 】将这种弹簧插入物称为防垢一强化器，达到在线除垢防垢和强化传热的双 重作用。在上世纪7 0 8 0 年代，管内螺旋弹簧作为强化传热元件就有人进行研究1 4 3 州】， 在内插物引发的流体阻力减弱方面该法具有一定的优势。图1 1 为结构示意图： 图1 1 固定式螺旋弹簧结构示意图 f i g 1 - 1t h es 訇r u c t u r eo ff e ds p i r a ls p r i n g 广西大掌硕士掌位论文 立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 国内，江苏石油化工学院张锁龙等人【4 5 】对内螺旋弹簧换热管进行研究，并自行设计 套管传热实验装置及六层，进行冷膜实验以及分析实验现象，并得出了“弹簧与换热管 内壁的摩擦可缓解管内壁结垢，实现换热器的长期高效运行。除此之外，螺旋弹簧安 置于管内的方式有多种，通常是固定式、旋转式、分段式【删鄹，其应用相当广泛。 扰动元件 联合化学反应工程研究所朱永全等人【4 9 】针对粘稠液体传热系数很低这一现象，开发 了m c 新型强化传热扰动元件。该元件以派生涡旋、促进湍流脉动、次流运动以及内肋 效应等强化传热机理作用，充分论证了m c 型扰动元件是一种低阻高效的强化元件。 静态混合器 在1 9 8 9 年世界上就设计出5 0 多种静态混合器，约有一半已经实现工业化生产。静 态混合器由按一定方式装填在管道内的各种形状的混合单元组成，并借助本身的压强作 为动力实现抗垢除垢的的效果。静态混合器种类繁多，美国肯尼斯公司发明了斯塔梯克 混合器以及其他公司的科马克斯混合器和多流通混合器，瑞士苏尔泽公司研发了静态混 合单元s m v 型和静态混合单元b k m 型【5 引。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 静态混合器。结构示意图1 5 l 】如图1 2 所示。k e n i c s 静态混合器由于 对流体有很好的混合作用，很有可能演变成一种理想的具有良好强化传热效果的换热设 备【5 2 】。 图1 - 2 扭带结构 f i g 1 2b es 咖c t u r eo ft w i s t e dr o p e 绕花丝多孔体 清华大学罗棣庵等人【5 3 】利用多孔介质弥散效应强化管内换热的新技术进行设计研 究，大空隙率绕花丝多孔体将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，它的空隙率为9 5 ，大空隙率多孔体绕花丝可以大大提前诱发层流向湍流的转 化，使得凝结液膜和流体在较低的雷诺数下就处于湍流换热规律，同时通过试验发现换 热器管程污垢显著降低。绕花丝内插物结合了多孔介质的空隙率、形状、尺寸等诸多因 素都对其弥散效应、换热特性及流动特性有很大的影响，实现了在线除垢防垢，结构图如 图1 3 所示。 6 广西大学硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 图1 - 3 绕花丝多孔体示意图 f i g 1 - 3m es 1 邛c t i 肛eo ft 、) l ，i n e d - c o i l 内插v 型管 为研究v 型管的除垢性能，泰国的研究人员在管中固定放置了湍流发生器之后，原 来的光管变成了缩放管。流体在管内流动时，流速周期性的增减，同时还起到一个导向 作用，使流体有一个径向的分速度，对壁面进行冲刷，在层流底层减薄的同时，可以起 到防垢的作用【5 4 】。 复合金属丝网 复合金属丝网表面是一种有效的强化沸腾传热表面，它具有加工简单、在基体内外 表面都能复合、孔隙均匀及连通性好等优点，汽液混合物在金属丝网层内的高速流动， 对金属管壁及金属丝网表面不断进行冲刷，起到更新界面和清洗的效果，提高其抗污能 力【5 5 】。国外的有关报道中【5 6 】提到研究人员在换热器出口喷头出设置了金属丝网，通过实 验研究喷头向平板喷水的传热性能，并得出结论：金属丝网的存在改变了喷出流体的内 部结构形态，使得局部的传热速率提高，与没有丝网的喷头相比，安装一定的丝网可以 使传热速率提高3 9 2 ，平均努塞尔常数提高1 3 8 。 液轮机 该装置是由广西大学强化传热实验室林榕端教授等人通过大量的试验研究而发明 的一项在线除垢防垢起到强化传热作用的新技术，并已获中国国家专利授权，专利号 z l 9 9 2 1 0 3 7 7 0 。 液轮机是在一钢管上焊上螺旋叶片( 叶片有一定的宽度) ，无需外加动力传动装置， 结构简单，操作弹性很大，能满足换热设备工作流量变化的要求。有关学者认为液轮机 的实质就是加了固定转轴的扭带【5 7 1 。当管内液体流动时，液轮机自行运动。不连续螺旋 叶片的液轮机在高雷诺数情况下，并保证较高的强化传热性能的同时，大大的减小由于 摩擦而引起的能量损失【5 引。换热管内放置液轮机后的总传热系数比光管的总传热系数提 高了1 9 8 1 1 1 9 7 ，平均提高了5 2 2 3 嘣5 9 】 扭带 国内外的科学家研究了扭带在不同流体、不同流态下的强化传热效果，发现扭带在 层流状态下有非常显著的强化传热以及在线除垢防垢效果。华南理工大学化工所【6 0 l 、清 华大学【6 i 】对内插错开扭带管内换热进行了实验，并肯定了扭带的综合性能。对于粘滞流 体，扭带也有很好的强化效果。 目前国内外研究扭带的种类较多，通常是错开扭带、锯齿扭带、半扭带等等，对于 扭带的材质通常是铁片、铝板以及塑料材质，扭带工作原理是：扭带本身对流体有导流 7 广西大掌硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 作用，并且扭带旋转刮擦对边界层的直接扰动作用，实现了传热强化【6 2 埘】，同时在扭带 的反作用力使流体在管内绕着扭带螺旋流动，改变了流体的流动性质。在流体和扭带的 相互作用下，达到对污垢的自动连续清洗。 1 1 2 3 安全评定性研究 压力容器安全评定是确保工业生产安全的前提，在实际设备运行中，由于污垢以及 工作环境等因素造成的腐蚀引发的设备故障及事故也是日益严重。据统计，1 9 9 7 1 9 8 7 年十年间我国发生的锅炉压力容器爆炸事故2 2 5 4 起，因事故死亡1 2 0 人，受伤4 9 0 0 人， 测算经济损失8 0 1 0 0 亿元。万台锅压力容器的平均爆炸事故率是发达国家的1 0 倍以上， 重大事故是发达国家的1 0 0 倍左右【6 5 1 。换热设备作为压力容器的一种，其设计可靠性、 安全评定性也是近几年研究的热剧6 引。 1 1 3 本文研究方向的确定 本文以宽型扭带的强化传热技术和转动特性为研究方向，宽型扭带具有强化传热、 在线除垢防垢双重功能，利用工装工具制作的宽型扭带插入换热管中，有效的清除了污 垢，减少设备腐蚀，提高了设备的运行效率，设备的安全可靠性也到了大大提升。 1 2 本文研究目的和意义 本文在课题前期工作铝制自旋扭带的基础上选用轧板铝为材料制作各种型号的宽 型扭带，通过改装立式上行换热器，在立式上行换热管内进行冷热态实验，研究宽型扭 带结构参数以及安装结构对其工作特性和强化传热性能的影响，根据实验数据推导相应 经验关联式，并给出具体应用范围。研究成果可为宽型扭带在线除垢防垢、强化传热的 工业应用提供理论依据，也可供相关科研人员作为实践与理论参考。 1 3 研究课题简介 1 3 1 题目来源 本课题是在广西科学基金项目“微型液轮机强化传热研究”和广西大学基金项目“换 热管内液轮机工作特性研究 的基础上进行的。同时该课题的理论基础来源于广西大学 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。 1 3 2 论文的主要工作 1 3 2 1 课题的主要工作 ( 1 ) 根据实验要求，加工不同宽度的纯铝条作为宽型扭带的制作材料； ( 2 ) 设计工具工装，规范扭制成不同螺距的旋转扭带的工艺，按照宽型扭带标准规格 广西大掌硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 进行加工制造，根据试验管长度范围进行安装连接： ( 3 ) 在现有的试验设备基础上，改进系统内的管路系统，分别进行冷态、热态试验， 并对试验数据进行采集：前者主要采集宽型扭带的转速和阻力等数据；热态实验需要测 量饱和蒸汽温度、流体进出口温度、阻力损失等数据； ( 4 ) 采用e x c e l 对冷热态数据进行回归处理，运用数据处理软件m a t l a b 对冷态试验数 据进行参数结果分析，得出直观体现立式上行换热管内宽型扭带形成的流体阻力和传热 特性的图线，并通过数据图表对宽型扭带的传热特性和阻力特性进行量化分析、定性判 断。 1 4 本文小结 本章进行大量文献检索以及试验调研，了解换热设备普遍存在的问题，对当前换热 设备的主流研究方向进行了细分阐述，确定把具有强化换热效能和在线除垢防垢功能的 宽型扭带技术作为本文的研究方向，并对当前除垢防垢技术以及强化传热技术的研究现 状进行了阐述，最后确定了本文研究的主要内容。 9 广西大学硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 第二章实验装置简介与扭带加工工艺 2 1 实验装置简介 2 1 1 实验仪器设备 表2 1 实验仪器设备 t a b l e2 1e x p e r i m e n ti n s t r u m e n t 2 1 2 实验装置系统简介 立式上行换热管管内宽型扭带的运行状态测量系统分为冷态试验系统和传热实验 系统。除此之外，通过变换水力系统阀门，可实现冷态实验系统水资源的回收。实验中 使用卧式i s w 6 5 2 0 0 水泵将储水槽的水输送到立式上行换热管内的工作段进行实验。立 式上行换热器管程目标介质为常温工况液态水，在立式上行换热管内管内可内置不同规 格型号的宽型扭带；换热管壳程的饱和蒸汽通过运行d z f 电蒸汽发生器产生，立式上 行换热器外壁包裹有约5 0 m m 厚的保温层。在立式上行换热器管程的进出口以及壳程的 中间位置分别设置温度计，以测量目标介质的进、出口温度和壳程冷凝水的温度。具体 测量细节参照第三章实验步骤。试验装置如图2 一l 所示 l o , r - 西大掌硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 1 、贮水槽2 、水泵3 ，电磁式流量计4 、疏水阀5 ，d z f 电蒸汽发生器 6 、精密压力表7 、视镜8 ，换热管9 ，温度计1 0 、u 形管压差计1 1 排气管 1 2 上法兰1 3 下法兰 图2 - 1 实验设备流程简图 f i g 2 - 1t h et e s ti n s t a l l a t i o n 2 2 宽型扭带的材质和结构指标 2 2 1 宽型扭带的物性特点 扭带的材料是轧板铝，相比其他材料有如下特点：密度接近2 7 9 c m 3 , 可较好的保 证扭带在换热管中的旋转转动；它的硬度比较小，具有良好的延展性，便于扭带的制作； 铝是银白色金属，熔点6 6 0 4 ，沸点2 4 6 7 ，具有良好的耐热性，工业上常用于绝热 材料的制作；铝的表面易自然生产一层致密牢固的a l 2 0 3 保护膜，能很好的保护基体不 受腐蚀；易加工，添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑 性好的变形铝合金。 2 2 2 宽型扭带的结构指标 宽型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。其主要指 标有：带宽d ，旋转1 8 0 0 轴向距离h ，厚度f ，还有被称为扭转比】，的与d 比值。本 广西大掌硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 文对宽型扭带厚度r 定义为常量，研究带宽d 和节距日以及由前者参数处理形成的间隙 率对自旋扭带工作特性的影响。便于论文的前后对应，定义文中涉及扭带型号时均表示 成d 一】，的形式。 u 】，=兰(2-1) d 式中】，自旋扭带扭转比； 限一扭带旋转1 8 0 0 的节距，m ： 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 a m e t e r so fs e l f - r o t a t i n gt w i s t e dt a p e 2 3 扭带加工工艺 2 3 1 扭带加工工艺分析 参照前期广西大学强化传热实验室有关人员加工扭带的方法，在试制扭带初期， 忽略了工件的实际情况：宽型扭带宽度大，间隙率小，扭转比要求高，材质选择重要。 按照常规的手工制作方法，难以进行正常的加工。因此我们按照试验规格要求，经过仔 细分析，发现宽型扭带加工存在如下问题。 1 ) 一般铁板材料硬度大，试制加工时扭带易于褶皱，人工消耗强度大，费时费力， 易于造成工件浪费。 2 ) 工件需要加工的量不大，但对于扭带的结构指标要求较高； 3 ) 由于该零件体积不大，但整体长度较长，不易于在车床上加工，而且不经济， 结合实验室实际情况，选择自行设计夹具工装进行加工。 2 3 2 扭带夹具设计要求 根据扭带加工工艺特点，对扭带夹具工装提出如下设计要求 1 ) 扭带一端定位在稳固装置上，另一端定位在可移动的夹具上； 2 ) 装夹方便，调节灵活，可保证小批量加工； 3 ) 夹具两端接口需要安放垫片，保证扭带的成品没有褶皱； 4 ) 扭带随着夹具转轴旋转，有一定的惯性力，所以夹具既要轻巧，又要牢固，保 1 2 j x # # * * _ 内 n * ”* t a * 日r 证扭带的加工正常进行。 233 扭带夹具结构设计 扭带在央具中定位的日的是：扭带在夹其中占掘正确的位置，并且能方便夹装， 满足加上的需求。 扭带兴具工裴可分为三个部分：定位装黄，用于保证平带的拉直，校准，确保扭 带的f 直：紧同挚片装置，紧圊装置的作用是将扭带两端压紧夹牢，保旺工件在加工过 程中受到外力作用时不离开已经确定的位置。该装置是一个包括卜下紧同块的装置， l 紧固块的上面有两个可调节螺丝，用于微调工件必紧程度：旋转动力曲柄装置，通过 手摇曲柄追使两端固定平带进行旋转，确保扭带正常加工的动力装置。其工装实物图如 图2 - 3 所示： 2 34 扭带旋转加工工艺 囤2 3 扭带工襄 f i 9 2 3 t w i s t e d l a p e f r o c k 由丁= 采用了扭带兴具旋转工装，扭带的加工相对比较简单： ( 1 ) 运用直线辅助t 贝观察两个紧同装置的是否水平成线，并做相应调整，确保紧 同装置水平一线； ( 2 ) 将扭带端固定在固定夹具上，旋转螺母将其夹紧，调接至轧板铝条水平，将其 另端固定在个装有摇柄的夹具上： ( 3 ) 操作时，摇动摇柄，将装有摇柄的装置托紧：并保持扭带水平扣直，然后均匀用 力旋转扭带； ( 4 ) 实验过程中需测量节距，同时旋转扭带； ( 5 ) 当即将达到预定节距刚扭转扭带速度变慢，始终保持央紧状态不能放松，保持 预紧力是防止扭带由于扭转过程巾的变形造成扭带的褶皱乃罕破坏，需冉多扣3 5 圈， 广西大掌硕士掌位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 防止轧板铝回弹，然后缓慢将扭带放松，这样扭带松弛后刚好达到预定节距； ( 6 ) 扭带加工好后，应该进行校直，然后悬空垂放或平放在水平地面上； 最后在扭带的一端钻一个小孔，装上一根钢丝悬挂起来，校直扭带。为了方便后续 实验的进行，我们记录了每根扭带的规格( 带长、带宽、节距等) ，这样一根完整的铝 制扭带就算制作完成了。 2 4 立式上行换热管内宽型扭带的配件设计 2 4 1 转轴挂钩设计 转轴挂钩设计的好坏影响实验正常运行的关键之一。转轴挂钩一端呈菱形状，一端 略弯3 0 。左右，动力旋转良好的扭带需要减少转轴挂钩对顶端固定件的摩擦。其设计图 如图2 4 所示： 2 4 2 扭带衔接挂钩 图2 - 4 挂钩 f i g 2 _ 4 也eh o o k 由于扭带加工工艺的特点，我们制作的扭带实际为分段连接式，考虑到扭带的水平 成线，因此扭带的衔接挂钩应该为对称结构。本着上述设计原则，我们把钩子制成菱形 挂钩，其目的是起自动矫正的作用，可以使上下两段铝制扭带的旋转同步，当扭带的位 置发生偏离时还可自动调整( 见图2 5 ) 。 2 4 3 固定装置的设计 连接件 图2 - 5 连接件 f i g 2 5 山el i n l ( e r 在换热管两端都必须设计固定装置，保证宽型扭带能够固定与换热管的中心轴线位 1 4 广西大掌硕士学位论文立式上行换热管内宽型扭带的工作特性及传热研究 置，如图2 6 ： 图2 - 6 支撑架 f i g 2 - 6t l l es u p p o nf l a m e 安装需注意宽型扭带与挂钩的总长度应略大于换热管内固定装置的间距，如果两者 间距刚好一样的话，不便安装，并且影响扭带的转动效果；如果前者比后者差距过大的 话，宽型扭带摆动方向不稳定，可能造成扭带卡住立式上行换热管内壁，对转速测量的 结果带来较大的误差。 2 5 实验测量系统的改进策略 2 5 1 管路的改进 本实验装置，流量调节阀与换热管之间的距离过长，使得流体输送的时间也过长， 影响实验效率。这个问题改进的方法就是尽量缩短流量调节阀和换热管之间的距离。 2 5 2 回收实验用水 考虑从本实验装置没有进行水的回收，且本实验用时长，所以水的耗费很大。为 了节约水资源，可对实验装置进行改进，以实现水的回收及其循环使用。在立式上行换 热管出口端增设一个储水罐，用来收集水资源，然后再增加一台卧式水泵，用来把此储 水罐中的水抽送到为实验装置提供水的储罐中去，这样就可以实现水的回收及其循环使 用。 2 6 本章小结 本章对实验设备进行了