（机械工程专业论文）传热管内流体动力自转斜齿平带强化传热装置研究.pdf

摘要 为了解决换热器低流速管内容易生长污垢和对流传热系数低的问题，在系 统分析国内外传热面污垢防治技术的基础上，提出一种结构巧妙的复合传热强 化元件一自转旋流口斜齿平带。其结构特点是：在塑料平带的两面，等距离的 排布斜齿，其两侧开设等距离交错排列的旋流缺口。其技术原理是利用斜齿导 向和旋流缺口相结合的办法? 使传热管内液体仍然像扭带那样能形成螺旋线 流，使齿带具有自转清洗所需要的动力矩；借助传热流体对斜齿的冲推力形成 较大的附加动力矩，以此成功地实现较低流速下的管内污垢自转清洗；利用斜 齿节流充满下游的强烈涡流，非常有效地强化对流传热。由于基本结构为平带， 适合注塑成型，成本低，质量高。 在对该技术进行比较系统的研究中，运用动力学理论得到了旋流口斜齿平 带自转动力矩的计算式，该计算式对旋流口斜齿平带的结构优化设计和工程应 用有着很好的指导作用；采用理论计算的方法，对影响传热强化的主要几个因 素分别进行了近似的定量分析，得到了主次明晰的结果；并结合试验比较的方 法优化了斜齿平带的结构参数。 研究得到的主要结果：与现有的光滑扭带相比，污垢清洗的自转力矩增大 了1 1 6 ，能够应用于较低流速的换热器；污垢自动清洗能力满足要求；对流传 热强化的平均幅度达到了9 3 6 ；流体阻力在一般的应用范围以内；具有较大 的工程应用价值。 关键词；自转旋流口斜齿平带，清洗动力矩，传热强化，除垢防垢 a b s t r a c t b a s e do nt h es y s t e m i ca n a l y s e so ft h et e c h n o l o g i e st or e m o v eo r p r e v e n tf o u l i n go nh e a tt r a n s f e rs u r f a c ei nt h ew o r l d ，ac o m p o u n dh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ti n s e r to fi n g e n i o u ss t r u c t u r ei si n v e n t e da n d r e s e a r c h e d i tc a ns o l v et h ep r o b l e m st h a tf o u l i n go rs c a l eg r o w se a s i l y o nt u b ei n s i d ew a l la n dt h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rt o e f f i c i e n ti sl o wi n h e a tt r a n s f e rt u b e sa tl o wf l o w i n gv e l o c i t y 1 1 1 ei n s e r t ss t r u c t u r ei s c h a r a c t e r i z e dt h a to b l i q u et e e t ha r ed i s t r i b u t e de q u a l l yo nb o t hs u r f a c e s o ft h ef l a ts t r i p - i n s e r ta n dt h e r ea r en o t c h e si ns t a g g e r e da r r a n g e m e n to n e a c hs i d e d i r e c t e db yt h et e e t ha n dn o t c h , t h ef l u i di nt u b e sm u s tf l o w s p i r a l l y t h ek i n e t i cm o m e n ti sc r e a t e dt or e m o v ef o u l i n ga c t e do nt h e i n s e r tb yt h es p i r a l l yf l o w i n gf l u i d i nt h em e a n t i m e ，a na d d i t i o n a lf o r c e m o m e n ti sm a d ew h e nt h ef l u i dp u s ht h eo b l i q u et e e t h t h u s ，t h eo v e r a l l f o r c em o m e n ti sg r e a te n o u g ht om a k et h ei n s e r ts e l f - r o t a t ea n dr e m o v e f o u l i n ga tl o wf l o w i n gv e l o c i t y d u et ot h et e e t ht h r o t t l ea n ds t r o n ge d d y ， t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e ri se f f e c t i v e l ye n h a n c e d t h i si n s e r tc a l lb e m a d eb yi n j e c t i o nm o l d i n gb e c a u s ei t sb a s i cs t r u c t u r ei saf l a ts t r i p 1 1 1 e c o s tw i l lb el o wa n dt h eq u a l i t yw i l lb eg o o d i nt h es y s t e m i c s t u d y o ft h ec o m p o u n dt e c h n o l o g y , t h ek i n e t i c m o m e n tf o r m u l ao ft h ei n s e r ts e l f - r o t a t i o ni so b t a i n e dt h o u g ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so fd y n a m i c s t h i sf o r m u l ac a l lb et h eg u i d ef o rt h e s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h em a i nf a c t o r st o a f f e c th e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ta r ea n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y a n d a p p r o x i m a t e l yt h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n i nt h eo p t i m i z a t i o no f s t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，t h ee x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a la n a l y s e sa r e c o m b i n e d t h es t u d ys h o w st h a tt h ef o r c em o m e n to fs e l f - r o t a t i o ni si n c r e a s e d b yl1 6 c o m p a r e dw i t ht h ep r e s e n ti n s e r tt e c h n o l o g y , i e t w i s t e ds t r i p t h en e wt e c h n o l o g yc a nb ea l s ou s e di nt h o s eh e a te x c h a n g e r sa tl o w e r f l o w i n gv e l o c i t y t h ea b i l i t yo ff o u l i n gr e m o v a li sg r e a te n o u g h t h e a v e r a g ee n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e ri sa sg r e a ta s9 3 6 n l ef l o w i n g r e s i s t a n c ei si nt h er a n g eo f i n d u s t r yp e r m i s s i o n i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c e i i o fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：s e l f - r o t a t i n gf l a ts t r i pi n s e r tw i t ho b l i q u et e e t ha n dn o t c h ， k i n e t i cm o m e n t ，h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t ，f o u l i n g r e m o v a la n d p r e v e n t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单 位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均 己在在论文中作了明确的说明。 作者签名：靼 日期：兰生l j f l 月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省 有关部门规定送交学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿 意提供使用。 作者签名：丝芦笠生导师签名日期：旦年二月上日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究目的 第一章绪论 尽管我国能源利用率在逐年提高，但跟先进国家相比还是较低。9 0 年代我 国的能源综合利用效率为3 2 ，能源系统总效率为9 3 ( 只及发达国家的5 0 左右) 9 0 以上的能源在开采，加工转换，储存运输和终端利用过程中损失 和浪费。能源问题已成为我国经济可持续发展的重要战略因素，也是制约我国 国民经济发展的关键因素之一研究热量传递过程的强化，发展高效节能技术， 对于提高工业过程的能源利用具有重大意义。本课题研究的是壳管式换热器中 传热面污垢自动清洗与对流强化传热问题。 换热器是基本的传热单元设备，其动力消耗和投资在整个工程中占有重要 的份额。据统计，热电厂中，如果将锅炉视为换热设备，则换热器的投资约占 整个电厂中投资的7 0 左右。制冷机中蒸发器和冷凝器的重量要占总重量的 3 0 4 0 ；其动力消耗约占2 0 3 0 。现代水冷制冷机组，蒸发器和凝结器的 重量约占总重量7 0 。一般炼油、化工装置中，换热器占总设备数量的4 0 左 右，投资要占全部投资的3 0 4 5 。 换热设备运行一段时间以后，在传热面上会有污垢附着。污垢是指与传热 介质相接触而在传热面上逐渐积聚起来的那层低导热系数、影响传热效率的固 态物质。污垢对换热设备的影响主要有两个方面。一是由于污垢层具有很低的导 熟系数，从而增加了传热热阻，降低了换热设备的传热效率。二是当换热设备表面 有结垢层形成时，换热设备中流体通道的流通面积将减少。导致流体流过设备时 的阻力增加，从而消耗更多的泵功率，使生产成本增加。通常，为了补偿由于污垢而 引起的换热效率降低，在设计换热器时，要考虑冗余面积作为补偿，将污垢热阻冠， 民折算在总传热系数x 中，见1 一l 式。 肛i 石确i ”。， 随着换热器运转时间的增加，污垢热阻墨，尼也在增加，从而导致总传热系 数下降。总的传热系数决定了冷、热流体之间热量传递的多少。当总传热系数降 硕士学位论文 第一章绪论 到一定值时，换热器将不能满足工业经济生产的要求，就必须对换热器进行清洗， 以除去垢层。 美国e x x c o n 化工公司早在1 9 7 9 年美国举行的第一次国际污垢会议上发表的 传热设备污垢给炼油工业造成的经济损失的评估报告表明污垢使美国炼油 工业传热设备蒙受的经济损失每年达1 3 6 亿美元之巨1 2 | 0 按四方面的费用分类对 英国每年国民经济因污垢而增加的费用做了粗略估算，得出的结果为3 7 4 9 亿 英镑，这约占英国每年工业生产总值的0 3 3 1 。在我国虽然工业构成与英国不 同，生产水平也不一样，污垢费用占工业生产总值的比例理所当然也会有所不 同。我国的总能耗水平( 年产煤1 0 4 亿吨、石油1 3 7 亿吨、天然气1 3 5 4 亿立方米) 远高于英国4 倍以上( 英国1 9 8 5 年的总能耗为2 8 3 2 6 5 亿吨标煤) ，因此可以推算 出传热设备污垢给我国工业造成的总的经济损失为每年1 0 0 亿元以上h 1 。 我国是能源消费大国，但是利用效率不高2 0 0 4 年1 2 月底国家发展改革委员 会发布了我国第一个节能中长期专项规划，其中指出每百万美元的国内生产 总值能耗比世界平均水平高2 4 倍，比美国、欧盟、日本、印度分别高2 5 倍、4 9 倍、8 7 倍、0 4 3 倍，提出的十大保障措施之六是“加快节能技术开发、示范、推 广“5 ，。因此，为了经济的持续增长，在增加能源生产的同时，还必须提高能源 利用率，节约能源。设计和制造各类高性能换热设备是经济地开发和利用能源 的重要手段。工业的发展、节能以及新能源的开发工作都迫切需要尺寸小、重 量轻和容量大的换热器。这些只有通过传热强化技术来增强换热效率才能达到。 研究各种换热过程的强化问题，设计新型的高效率的换热器，不仅是现代工业 发展过程中必须解决的课题，同时也是开发新能源和开展节能工作的紧迫任务， 因而研究和开发自动除垢强化传热式换热器技术对于发展国民经济的意义是十 分重要的。 相当长时间以来，传热设备的污垢问题未能引起足够的重视。但因结垢问题 引起的经济损失实在太大，并且非常普遍。例如，s t e i n h a g e n l 6 的研究报告中介 绍，对新西兰1 1 0 0 家企业的3 0 0 0 台各种类型换热器的调查表明，9 0 以上的换热 器都存在不同程度的污垢问题。因此，不仅在传热、节能技术一类的国际会议 上对传热设备的污垢问题进行了深入的研究探讨，而且于1 9 7 9 年在美国纽约召 开了传热设备污垢问题第一届国际学术会议，2 0 0 7 年7 月l 6 日将在葡萄牙的 t o m a r 召开第七届国际换热器污垢与清洗学术大会。近3 0 年来。防结垢问题愈来愈 引起了世界各国的重视，例如日本作了这样的强调，“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”【7 1 。 s o m e r s c a l e s 对第一届传热设备污垢问题国际学术会议以前换热器污垢防治 2 硕士学位论文第一章绪论 研究问题采用进行了历史性的详细的长篇回顾与总结，分为1 9 2 0 年的以前的污 垢早期历史、1 9 2 0 1 9 3 5 年比较系统的探索期、1 9 3 5 1 9 4 5 年期间污垢因子及 其局限性研究，1 9 4 5 1 9 7 9 年的污垢科学发展期略1 。第一届传热设备污垢问题 国际学术会议以后，除垢防垢新技术的研究开发得以加速和深入，这方面的研 究成果出版了大部头的专著，例如m e l o 等主编的7 4 4 页的专著污垢科学与技术 四1 。九十年代以后，国内也出版了第一本有关的研究专著1 。目前。国外对传 热设备污垢防治技术的研究比较重视的是美国、法国、日本、荷兰、澳大利亚、 德国、新西兰、英国和俄罗斯等国家，主要集中在一些公司和大学。国内对这 一问题的研究也比较重视，并且已经取得很大的成绩。 本学位论文的重点在于污垢的清洗与传热强化的结合。因此，不论述其污 垢的成因、机理、分类、特性等问题，而直奔主题一传热面污垢的治理。下面 只简略地叙述与传热面污垢的治理技术有关的代表性技术，以便聚焦论证研究 所采用的技术路线一传热管内复合强化传热技术 1 2 壳管式换热器传热管内复合强化传热技术思路 1 2 1 停车清洗技术的低效性 目前常用的停车清洗技术主要有两大类：停车化学清洗技术和停车机械清洗 技术。国内化学清洗技术研究相当成功，也是一种广泛应用的方法。但是，大多 数情况下设备必须停车才能进行，有时在设备运行时，也能进行清洗，但其主要缺 点是化学清洗液不稳定，对换热器和连结管处有腐蚀。机械清洗技术通常用于除 去壳程的污垢，具体是先将管束取出，沉浸在不同的液体中，使污垢泡软、松动。 然后用机械方法除去垢层，这种操作一般必须在停车时进行。 换热器停车清洗的最佳清洗周期，是工程师们关心的事情。由于难以进行严 格的理论分析以提出一个普遍适用的、精确表征污垢特性的理论模型；同时，由 于污垢本身特性数据不足，所以要确定停车化学清洗与停车机械清洗的最佳清洗 周期相当困难。在实际应用中，不得不凭照经验制定清洗周期，这直接导致了换 热设备传热效率的偏低。 由于污垢随运行时间的增加而不断增长，使换热器的传热能力逐渐下降。据 文献介绍：以工业循环水作为冷却介质，污垢从开始沉积到达到积垢热阻平衡的 时间只有2 5 天左右l i ”。这就意味着冷却器长期工作的传热设备是低效的，引起 的能源损失和能耗提高是相当可观的。以电厂真空冷凝器( 壳管式换热器) 为例， 硕士学位论文 第一章绪论 传热管内壁零点几毫米厚的水垢就会使传热系数大幅度下降，真空度下跌，使发 电机组运行时产生严重的经济损失。据文献介绍：“3 0 0 m w 的机组冷凝器如果水 垢o 5 m m ，可以使汽轮机真空度下降8 以上，相当于锅炉效率降低1 0 。如果 水垢厚度达到l m m ，不仅使发电煤耗增长8 0 9 ( k w h ) ，使机组每小时多耗煤2 4 t ， 还将降低出力2 0 以i - ，机组每小时电能减产上万元。，【1 2 】 1 2 2 无源强化传热技术的局限性 传热设备中最主要、最大量的是对流传热，其传热阻力主要集中在靠近传热 面的热边界层中，因此强化传热技术的目的是有效的减薄或扰动这一热边界层。 绝大多数的无源强化传热技术利用各种结构形状复杂的传热面来影响流体的流 动，对温度边界层进行扰动，从而实现了强化的目的。国内外的传热强化研究 基本上集中在这方面，并且发表了大量的论文，取得相当多的技术专利。这些 强化传热技术对于长时间运行过程中不会结垢的传热设备无疑是有效的。 然而，工程实际中的传热设备在长时间的运行过程中，大多数、甚至绝大多 数是要生长污垢的。对于这些采用无源强化传热技术的设备，由于传热面的复 杂结构比光滑的传热面更容易引起污垢的沉积，长期运行的结果不仅没有预想 的那么好，甚至有可能反使传热效率降低。并且结垢以后垢层更难以清洗干净。 虽然，对流传热强化又辅之以自动清洗防垢的技术研究要困难得多。但是， 它可以有效的破解无源强化传热技术在污垢面前的无奈局面，并且一定可以在 工程实际应用中获得高效益的回报。 1 2 3 换热器污垢清洗技术的国内外大趋势 1 9 6 3 年至1 9 8 8 年有关换热器或传热管内外壁清洗的1 3 5 2 件世界专利的统计 情况如表l 一1 。 表1 1 污垢清洗技术专利发展趋势的分析【1 3 】 4 硕士学位论文第一章绪论 续表1 一l 污垢清洗技术专利发展趋势的分析【1 3 】 可以看出，在各国专利中，化学清洗的专利接近1 4 左右，数量最多的是机 械清洗方法专利。在机械清洗方法中，往复清洗法专利又占其第一，振动法和 旋转法占其第二。 依据这个总态势分析，确定传热面污垢清洗技术研究开发的基本思路是： ( 1 ) 依据国际上机械清洗方法专利占其6 0 以上的态势，选择了机械法清 洗污垢的研究方向，从根本上解决人工清洗笨重，劳动强度大的问题； ( 2 ) 在机械清洗研究中，选择在线机械清洗的技术原则，以便从根本上改变 停车清洗的低效运行状态； ( 3 ) 在机械在线清洗研究中，选择利用传热介质自身的流体动力实现机械清 洗的原则，以避免外力驱动的机械在线清洗技术的结构复杂化的弊病( 如刮面式 传热设备) ； ( 4 ) 注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，而且都是 主要的传热阻力。因此，确定避免单一地研究传热强化，或者单一地研究传热 面污垢清洗的研究思路，而提出积极利用传热面机械除垢防垢所消耗的能量， 同时通过扰动流体边界层实现传热过程的有效强化的思路。 1 2 4 传热管内单一的污垢清洗功能技术 1 2 4 1 海绵胶球连续除垢系统 胶球清洗系统如图l l 所示。胶球清洗系统的工作原理是：在胶球清洗系 统中，胶球泵将存放在装球室中的湿态胶球送入换热器循环冷却水进水管，胶 球与循环冷却水混合后一起进入换热器，并在水流推动下挤压收缩通过换热器 管。因胶球不受压缩状态的直径略大于换热器管内径，故犹如活塞通过传热管， 与管内壁呈圆环面接触，即胶球通过时能将换热器管内壁全部擦洗一遍，清除 的污垢随循环水流带出换热器。粘附在胶球表面的污垢，在胶球离开换热器管 出口的瞬间恢复原状时，将其绝大部分弹入水中，剩余部分在球水混合流动中 经洗涤后，也能基本除净。通过换热器的胶球在收球网内被集中，再由胶球泵 抽出，如此反复进行 5 硕士学位论文第一章绪论 这种技术是5 0 年代西德t a p r o g g e lr e i n i g u n 公司在1 9 5 7 年发明的专 图1 - 1胶球清洗系统示意图 利，在美国大约2 0 的厂矿和大于1 0 0 m w 的核动力设备中普遍采用l i4 。我国 也于七十年代引进该技术应用于电厂真空凝汽器，一般是每个班或一天清洗一 次，每次约一小时。 我国火电厂中，在线机械清洗基本上选用的是胶球清洗；胶球在线清洗可 以减少停车清洗所造成的生产损失，能够满足电厂连续生产的要求；只要配以 不同材料的胶球，就能够适用于各种性质污垢的场合。虽然国内大型火电厂几 乎均配有胶球清洗装置，但在实际工程应用中，中、小型电厂多数都闲置不用， 6 硕士学位论文 第一章绪论 宁可采用费时、效率低的人工停车清洗。其主要原因大致有以下三个方面： ( 1 ) 、胶球清洗要求冷却水有较高的压力，一般需要有o 0 4 m p a ，而大多数中小 型发电厂达不到这个要求，这是胶球清洗不能广泛应用于实际生产的主要原因。 ( 2 ) 、胶球回收率不能得到保证，使得清洗费用增加。 ( 3 ) 、清洗用的胶球由于材料耐温性不高，在出口水温过高的场合胶球容易粘 在一起，无法通过换热管。 1 2 4 2 往复刷清洗技术 1 0 】 由美国密尔沃基的美国供水公司最先开发，并且在美国的电厂成功应用，其 结构如图1 2 所示。每根管道刷洗设施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。水流换向可 用连结在管道上的四通阀来完成，该阀由压缩空气驱动，并定时控制，一般每 8 h 循环刷洗一次刷子由尼龙鬃毛、聚丙乙烯刷锥和钛支撑棒制成。该技术的 难点在于冷却水流动换向的四通阀。 图1 2往复刷简图 1 2 5 复合强化传热技术的思路 综合上述分析研究，传热管内复合强化传热技术的基本思路可以概括为一 利用传热流体动力实现传热砸在线自动除垢防垢，同时疆化边界滞流层的传热 过程，即复合强化传热。应该说，这是传热面污垢清洗技术的比较理想的原则。 1 3 壳管式换热器传热管内传热复合强化技术综述 1 3 1 液固流态化传热复合强化技术 这种技术的工作原理是：流态化的固体粒子的随机运动，不仅使整个主体部 分的湍流程度大大增加，更重要的是较低流速、因而较厚的滞流边界层受到不 断地扰动，并且不断地碰撞擦洗传热面，从而有效地强化了边界层的传热，并 使传热面得以除垢防垢。 7 硕士学位论文 第一章绪论 这种技术具有如下的优点： ( i ) 除垢防垢全面干净，能使传热面始终保持无垢如新； ( 2 ) 传热强化的幅度大，尤其在流速 较低时( 一般 o 3 6 m s ) n - j 以是光管的 数倍； ( 3 ) 流体阻力与普通热交换器差不 多，在同等传热强度下还可低一些； ( 4 ) 不磨损传热管壁； ( 5 ) 流态化用的固体粒子在一般情况 下可以直接利用廉价的天然沙粒或矿 沙等 尽管这种技术具有诸多优点。并 且进行了许多改进和提高【1 5 i1 1 6 1 1 1 ，】 i t s ，但是一般只能用于立式的壳管式 换热器而且内循环流态化的稳定性 和可靠性较低；外循环流态化系统比 较复杂，设备费较高，容易磨损【1 9 】 2 0 l e q 。虽然也可以应用于卧式的壳管式 换热器，但是流速要求很高，须在 2 0 m s 以上，对绝大多数设备不适用 圈。 1 3 2 螺旋线传热复合强化技术 i 出口室2 档罩3 水冷管4 粒子5 内循 环管6 清液孔7 均布板8 泡罩9 底室 图卜3 双罩式内循环液固流态化水冷器 1 3 2 1 外部动力驱动螺旋线技术 旋转螺旋线传热技术是指通过在壳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。这种技术最早见诸于1 9 7 4 年的德 m 平t j d e 2 2 2 4 7 2 8 ( 医t l - 4 ) 。在此基础上改进的有1 9 8 5 年苏联专利s u11 5 8 8 4 2 4 1 ( 图1 5 ) ，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。 8 硕士学位论文 第一章绪论 1 简体2 椭圆封头5 上管板6 下管板7 下 管箱8 壳程9 上管箱l o 壳程流体出口1 l 接管1 2 壳程流体入口接管1 3 折流板1 4 接管1 9 螺旋线2 0 转轴2 l 齿轮2 2 主轴 图1 4 德国专利d e 2 2 2 4 7 2 8 1 简体3 壳程流体入口接管4 管程流体入口 接管5 壳程流体出口接管6 传热管7 螺旋 线a9 齿轮l l 软轴1 3 连接1 4 螺旋线b 1 5 螺旋线转轴1 6 管口轴承 图1 5 苏联专利s u l l 5 8 8 4 6 1 筒体2 传热管3 螺旋线4 外部动力传动机构5 管程出口接管 6 壳程入口接管7 管程入口接管8 壳程出口接管 图l 一6 往复运动钢丝螺旋线( r u 2 0 4 7 0 8 1 ) 9 硕士学位论文第一章绪论 图1 7 往复运动钢丝螺旋线( z l8 7 1 0 8 2 5 4 ) 图1 6 和图l 一7 是外力驱动往复运动的钢丝螺旋线清洗技术国内外的专利 2 4 1 2 5 】，要点是往复运动的行程大于螺旋的螺距。优点是不清洗时管内螺旋线能 够作为对流传热强化元件 这些外部动力螺旋的共同缺点是传动结构太复杂，还需要密封装置，不仅 制造费用高，而且可靠性低。 1 3 2 2 流体动力振动钢丝螺旋线技术 法国埃尔夫阿奎坦公司开发了换热器螺旋形弹簧在线振动清洗法，称为 s p i r e l y 法【2 “。该方法系在换热器管子内装设螺旋形弹簧( 见图1 8 ) ，弹簧靠流 体流动力在管内振动( 径向为主、轴向、周向为辅) 运动，从而达到使管壁结 垢清除的目的。据称，该公司采用的螺旋形弹簧最高使用温度为3 0 0 ，使用寿 命为3 年。 这种在线连续清洗方法已在该公司瓦朗西斯安炼厂、卡尔根维尔炼厂、东 日炼厂等炼厂使用。如瓦朗西斯安炼厂常压蒸馏装置原油预热系换热器，使用 螺旋形弹簧清洗方法8 个月后，比先前未采用这种方法多回收1 4 温差的热量， 每年节能效益很大。 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 图l 一8传热管内钢丝螺旋振动节能技术 国内在九十年代也进行了研究叨。与外部动力螺旋线清洗设备相比，结构 呈简单化。但是，实验室试验和工业应用试验都证明只有延缓结垢的功能，而 没有自动清洗的功能。 1 3 2 3 流体动力自转振动钢丝螺旋线技术 图l 一9 自旋钢丝螺旋线复合强化传热技术 在八十年代，我国最先成功研制的自转钢丝螺旋线自动清洗技术网 2 9 1 ，如 图l 一9 所示，具有两大显著特点，一是无需外部动力驱动及其复杂的传动装置。 而改为直接利用管程传热液体的流动能带动，并且使工作元件，即螺旋线本身兼 作动力元件，从而使结构得到大大地简化；二是污垢清洗功能强化，旋转螺旋线 同时呈横向随机振动和轴向游动，使除垢防垢消耗的机械能可以同时用来强化 管内液体的对流传热，达到自洁、高效传热的双重目的。自转螺旋线传热技术 的结构方案如图1 9 所示，全部工作零件就是一根螺旋线和轴向固定用的入口 支承两个，结构异常简单。它的工作原理是，传热设备运行时，管程液体在管 内的流动受到螺旋线的障碍、导向而产生螺旋流动，由于螺旋线与管内孔不同 心，这种偏心螺旋环流和螺旋线后的漩涡脱离的共同作用，使螺旋线发生随机 硕士学位论文第一章绪论 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，形成与螺旋环流 反向的工作力矩，驱使螺旋线连续旋转。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 及其轴向游动，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、自动除垢防垢的目的。并使管内对流传热过程 中的最薄弱环节边界滞流层得以有效的扰动而产生比原先清净无垢时更好 的传热强化作用。 但是这种技术存在两大问题：一是自转钢丝螺旋线对传热管壁的磨损问题。 二是钢丝绕成螺旋状后，重量大，需要较高的流速带动。 1 3 2 4 流体动力强化塑包钢丝螺旋线技术 为了解决自动清洗钢丝螺旋线的流体动力自转力矩弱和磨损两大问题，近 年有关研究部门提出以塑料包覆的大截面钢丝螺旋线来解决耐热耐磨问题，并 且以旋流管口轴承一动力轮来强化螺旋线自转动力矩的技术方案【3 0 】 3 h 1 3 2 1 。 动力轮强化塑包钢丝螺旋线自动清洗技术的基本原理如图1 一l o 所示。塑 包钢丝螺旋线轴向固定在传热管的进口端。螺旋线外径与管内壁之间有较大的 间隙，可以自由旋转。管内流体冲推旋线，使其发生旋转。有一定弹性和柔性 的螺旋线不断地撞击管内壁，并且刮扫其污垢，实现在线自动除垢防垢的目的。 同时由于塑包钢丝螺旋线对管内流体的导向作用，使近管壁区域的轴向流动改 变为螺旋线流动，加上自转的螺旋线对近管壁的滞留边界层的扰动，使管内对 流传热得以强化。在螺旋线的头部设置了动力轮在轴向固定到旋流式管口轴承 上，以此利用入口旋流对动力轮的冲推作用，给塑包钢丝螺旋线附加一个动力 矩，增强其自动清洗的能力，有效地降低该技术对管内流速的要求，使其适用 的范围得以成倍扩展。 的确，塑包螺旋线解决了螺旋线技术的两大问题，使螺旋线技术的应用效 果明显的提高，适用的流速范围得到较大的扩大，但是仍然存在螺旋线结构特 点注定很难突破的两道难题：一是螺旋线的结构为大螺距的刚度弱的特点和运 输成本决定了制造工艺为先制成普通的圆柱螺旋弹簧那样，然后在安装现场再 拉伸成为大螺距，这样变形以后形成的螺旋线不是几何圆柱体，除垢清洗的洁 净度就明显降低；二是塑料包层的厚度小，一般只能在1 2 m m ，因此磨损寿命 不长，若要通过增大包层的厚度来提高寿命，则须付出阻力增大的更高代价。 硕士学位论文第一章绪论 1 旋流式管口轴承2 动力轮3 塑包钢丝螺旋线 圈1 - 1 0 动力轮强化塑包钢丝螺旋线自动清洗技术的结构原理 1 3 3 光滑螺旋扭带传热复合强化技术 1 管口轴承2 转轴3 传热管4 塑料扭带 图l l l 自转塑料光滑扭带结构原理图 这一重要技术已经有近五十年的历史【j j j 。显然，金属扭带具有自转清洗与 传热强化的双重功能的复合强化技术。由于早期的螺旋扭带是采用金属扭带p 卅 1 3 “，它与传热流体的密度差很大，运行时，在重力的作用下，自然下沉始终偏 心在传热管的下方，与传热管壁的摩擦阻力矩大，须高于【。- - - 2 5 m s 的流速的 传热流体来带动自转清洗；必然存在金属扭带与金属传热管壁之间的磨损问题； 由于金属扭带的旋转偏心，传热管的上半周的污垢就不如下半周清洗得干净。 由于这些问题没有得到解决，所以很长时间未见有工业应用的报道。 直到九十年代，我国的研究人员提出利用管内液体浮力来破解上述两大难题 的塑料扭带技术l j o j 州1 以后，才迅速地成批应用于大工业生产。对于传热设备的 高效运行和节能节水具有重要的经济意义。例如，冷却面积为4 7 0 平方米的一 台大型水冷设备，水冷管尺寸l y 2 5 m m l ，5 m m 。应用后，冷却能力提高了2 0 硕士学位论文第一章绪论 12 34 1 轴承座2 钩轴3 传热管4 斜齿扭带 图l 一1 2 斜齿螺旋扭带结构 以上，管内实测流速o 6 9 m s ，循环冷却水比原设计可以每年节省5 0 0 多万吨。 塑料光滑螺旋扭带清洗技术( 见图1 1 1 ) 既具有在线清洗的功能又具有强 化传热功效，是目前世界上最先进的在线清洗无功强化传热技术之一j 。优点 是从材料的角度考虑，用塑料来代替金属材料，因为塑料重量轻，不需要很大 的流体速度来产生力矩，力矩是用来衡量自动清洗能力，自转式塑料扭带为工 程塑料制成，硬度比铜要小，在与铜壁进行碰撞、摩擦时扭带先被磨损，因此 理论上不会对铜管构成损害，保护了管子不受磨损。并且，塑料扭带能够很好 地解决塑包螺旋线的两道难题，使磨损寿命延长达到数年，经过初期短时间的 磨合以后扭带可以使管内壁的污垢清洗干净，即洁净度得以显著提高。 与任何先进技术总是会存在不足一样，光滑塑料扭带技术也存在两大缺陷： 一是传热强化幅度低，只有8 1 5 ；二是自转清洗力矩弱，一般要求管内流 体流速在1 0 m s 以上才能使之转动，目前国内9 0 0 , 6 设备的实际流速都低于 1 o m s ，故适用性的局限太大。 1 3 4 斜齿螺旋扭带传热复合强化技术 斜齿扭带自动清洗技术如图l 一1 2 所示，是对光滑塑料扭带技术的一次有 重要工程价值的大突破，成功地破解了严重制约推广应用的上述两个难题 0 9 1 4 0 1 4 1 i ，不仅成倍地增强传热系数，显著地提高了技术的经济效益，而且成倍 地增大自转动力矩后可以在数量最多的低流速传热设备中广泛应用【4 2 l 。 但由于螺旋扭带加斜齿结构的复杂性，目前尚未解决制造技术问题，无法 在工业中推广应用。 1 4 硕士学位论文 第一章绪论 1 4 自转旋流口斜齿平带传热复合强化思想的提出 以低流速传热设备节能作为焦点来看，大多数传热设备在较低流速下运行， 管内对流传热系数低。设备在长期运行过程中容易长污垢，效率更是恶化。 斜齿扭带技术对于解决较低流速下运行的传热设备的污垢自动清洗和对流 传热高效强化复合问题是一个非常好的平台。但是由于斜齿扭带的复杂结构特 点，预计近期内破解大批量、低成本生产的技术的希望不大。现有技术的制造 成本将会相当高，几乎只有研究价值，无法产业化，尚无工程价值。 为此，本文在保持这两个宝贵功能( 较低流速自动除垢防垢和高效强化传 热) 的前提下，研究提出便于低成本批量生产地旋流口斜齿平带的传热复合强 化技术课题。 其基本思路如下： 第一，吸取、斜齿螺旋扭带的技术精髓，通过保留斜齿结构元素来传承其 两大宝贵功能：利用斜齿下游的大量涡流，高效强化管内的对流传热过程；利 用斜齿的动力叶片作用，成倍地强化自转动力矩，可以适用于较低流速地传热 设备，大大地拓宽其适用范围。 第二，将螺旋扭带转换为旋流口平直带。 由于基本结构为平直带，可以很方便地采用注塑成型工艺，低成本、大批 量生产，并且质量也很好，可以顺利地解决斜齿螺旋扭带地低成本生产制造难 关。 由于在平直带地两侧设计有交错排布地旋流口，传热管内的大部分热流体 依然保留螺旋扭带所具有的螺旋线流的特点，使其保留了对传热管内污垢自动 清洗非常重要的、也是最基本的自转功能。这是传热复合强化的技术前提。 以下分章节叙述这种旋流口斜齿平带传热复合强化技术的动力学理论研 究、自转动力矩强化优化的试验研究、传热强化机理研究、污垢清洗能力及该 技术的工程应用问题。 硕七学位论文第二章自转旋流口斜齿平带在线自动清洗流体动力学理论 第二章自转旋流口斜齿平带在线自动清洗流体动力学理论 自转旋流口斜齿平带能否可靠稳定地自转实现污垢的在线连续清洗是该技 术成功的前提，因此，本章首先研究自转旋流口斜齿平带自转清洗的动力矩问题。 1 管口旋流轴承2 斜齿3 螺旋线流4 旋流口 图2 - 1 传热管内自转旋流口椭圆齿平直带结构原理示意图 2 1 自转旋流口斜齿平带复合强化传热的结构原理 自转旋流口斜齿平带自动清洗与强化传热的结构原理如图2 1 所示。其结构 特点有三： 第一是平直带的两面设置有轴向等距离均布的部分椭圆斜齿； 第二是平带的两侧开设有等距离均布的旋流缺口： 第三是从管内流体轴向流动的方向看，椭圆斜齿的上游侧被切割去一部分， 因此斜齿的形状是部分椭圆齿( 也可以简称一短齿) 。 这种新结构的自转旋流口斜齿平带的工作原理是： 每根传热管内安装一根这种结构的插入物，自转旋流口斜齿平带的长度与 传热管相等。它固定在入口端的管口旋流轴承上，在出口端自由无其他约束。 当流体经轴承以螺旋流的方式进入传热管时，斜齿受到管内液流的冲推力如图2 一l 的左局部视图所示，正面与背面的每个斜齿受到管内流体的冲推力，都对平 带的中心线产生一个自转的动力矩，所有斜齿合成的总的动力矩比螺旋光滑扭 带的自转动力矩成倍加大。 1 6 硕士学位论文第二章自转旋流口斜齿平带在线自动清洗流体动力学理论 但是，试验中会发现这种只有斜齿的平带存在自转启动困难的问题。分析 其原因是被斜齿导向的液流受到传热管壁的阻碍，这是由于流道前方没有像斜 齿螺旋扭带那样的螺旋流道。为此，在平带的两侧、每两个斜齿之间设计一个 沿轴线方向交错排布的旋流口，使传热管内的一部分液体通过旋流口流入平直 带的背面，在管内形成螺旋线流动，使其形成螺旋斜齿扭带那种螺旋流道，从 而解决自转启动困难问题。 可是，进一步的推理分析表明：这种结构不仅流阻太大，而且若管内流体 全部经过旋流口作螺旋线流动，那么其效果就会在很大程度上蜕变为现有技术 的光滑螺旋扭带。因此，必须将完整的椭圆斜齿切去一部分，并且是轴向流动 的上游方向切去一部分，成为部分椭圆齿，以保障管内的一部分液流仍然保持 原来的轴向流动，从而使这种结构的斜齿同时具有动力齿和传热强化齿的宝贵 功能。 与此同时，在每个斜齿的下游出现的大量涡流，使管内的对流传热系数成 倍提高。这样，可以保证自转旋流口斜齿平带具有与螺旋斜齿扭带一样的优异 性能：足够高的自转动力矩使自转旋流口斜齿平带实现在较低流速下可靠地自 转除垢，同时具有非常有效的对流传热强化的功能。 2 2 平带自转动力矩强化的理论分析 研究方法：由于自转旋流口斜齿平带结构复杂，直接研究管内流体对自转 旋流口斜齿平带的流体作用力产生的动力矩非常困难。因此，运用动力学动量 原理，先研究单个斜齿受到流体冲推力产生的动力矩，在此基础上再研究整条 自转旋流口斜齿平带所有斜齿产生的总动力矩。 基本假设； 为了使得到的动力矩理论计算式的物理概念简单明了，在分析中不考虑 斜齿结构和边界层等因素的影响，将传热管管内截面流速粗略地视为大小等于 平均流速的均匀速度场。； 将经过旋流口的螺旋线流与保持轴向流的两股流体虚拟地合成为一股螺 旋线流，并且记合成螺旋线流的螺旋角为口，如图2 2 所示。显然，合成螺旋 线流的螺距比经过旋流口形成的螺旋线流的螺距要大。 在对自转旋流口斜齿平带在靠近入口端附近一段和靠近出口端附近一段 的斜齿的进行受力分析时，不考虑进出口流的边界影响，视作与中间段的流动 1 7 硕士学位论文 第二章自转旋流口斜齿平带在线自动清洗流体动力学理论 状态一样。 图2 - 2 自转旋流口斜齿平直带上单个椭圆斜齿的动力矩计算分析图 斜齿平直带的几何结构及其力学分析如图2 2 所示。斜齿与传热管中心线 的斜交角为口。斜齿为部分椭圆形，其短半轴与平带宽度b 之半相同，并且与 传热管的半径r 之比为局，即下式。 置；b 2 1 r(2-1) 部分椭圆齿与完整椭圆齿的面积之比以墨表示。自转旋流口斜齿平带的带 长为三，齿距为n 以自转旋流口斜齿平带的正面与背面间隔一定距离所设置的任意一个斜齿 作为受力分析单元的代表，结合图2 2 分析单个斜齿受到流体冲推作用产生的平 带旋转动力矩m ，可以运用动量定理求取。 设在管内没有插入物时，与流量对应的流体轴向名义平均速度为”，则当管 内安装自转旋流口斜齿平带时，螺旋线流的速度为： “ 蚝2 s i n g ( 2 - - 2 ) 该流速相对于斜齿的法向分速度“为： 甜：- u c o s ( a + ) s i n o t ( 2 - - 3 ) 管内液体的质量流量为流通面积，平均流速与密度的乘积。由于传热管内 液体的质量流量是一个恒定不变的常数，其值为绒，见下式。 1 8 硕士学位论文第二章自转旋流口斜齿平带在线自动清洗流体动力学理论 绒2 石殿埘p ( 2 4 ) 由于斜齿不是完整的椭圆齿，只是部分椭圆齿，并且椭圆齿的齿顶与管内 壁之间还有一定的间隙，因此，能够对斜齿齿面产生冲推的只是其中一部分。 其大小在均匀速度场假设的条件下，是正比于部分椭圆齿在传热管横截面上的 投影面积大小。部分椭圆齿的投影面积与椭圆齿面积之比的就是墨。 因此，每个斜齿受到合成螺旋线流液体的法向冲推作用力大