第4章 螺旋线讲义.doc

（2008 版） 湖南工业大学 过程装备节能技术讲义 第四章 第四章 传热流体动力螺旋节能技术 4.1. 外动力旋转钢丝螺旋线节能技术4.1.1外力驱动旋转的钢丝螺旋线清洗技术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。这种技术最早见诸于1974年的德国专利DE2224728（图4.1.），在此基础上改进的有1985年苏联专利SU1158846（图4.2.）如图所示，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。这种技术最主要缺点就是结果太复杂，究其原因在于它靠外部动力驱动，因此就需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，即单一的除垢。图4-1 DE2224728 （1974） 图4-2 SU1158846（1985）（ZL 8710825.4 ）（RU2047081）图4.3.往复运动钢丝螺旋线4.1.2 外力驱动往复运动的钢丝螺旋线清洗技术 外力驱动往复运动的钢丝螺旋线清洗技术如图4.3.所示，国内外的专利，例如-C1(1993.08.24.-1995.10.27.)、CN2180962Y（1994.10.26.），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，缺点是结构过于复杂，并且管内污垢螺旋线往复清洗不干净，原因时螺旋线不是几何园，对管内壁接触本身不均匀；即使能够制造出质量非常好的螺旋线，由于螺旋线与管内壁之间存在可靠往复运动所必须的间隙，钢丝螺旋线在自重的作用下，势必下部管内壁困难回发生磨损，上不管内壁的污垢又无法清洗干净。4.2. 钢丝螺旋线振动节能化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清洗法，称为Spirely法。该方法系在换热器管子内装设螺旋形弹簧（见图4.4.），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300，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14温差的热量，每年节能效益很大。 图4-4 传热管内钢丝螺旋振动节能技术 4.3. 钢丝螺旋线自转节能技术针对外力驱动的刮面式传热设备普遍存在的结构复杂、高成本、低可靠性问题，提出了流体动力钢丝螺旋线自转在线自动清洗及其传热强化技术。自洁高效自转旋转螺旋线传热技术相比之下则有两大显著特点，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的简化；二是功能强化，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。4.3.1工作原理 图4.5. 热流体动力钢丝螺旋振动节能技术图4.6. 动力矩试验曲线自转螺旋线传热技术的结构方案如图4.5.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，这种偏心的螺旋环流和螺旋线后的旋涡脱离的共同作用，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，形成与螺旋环流反向的工作力矩，趋势螺旋线连续旋转。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的传热强化作用。50年代西德TAPRGGEL REINIGUN公司发明的海绵胶球清洗方法，是电厂凝结器实行了在线清洗，因而被誉为换热器机械清洗技术的一项重大的突破，比较而言，自动旋转螺旋线技术具有胶球清洗方法不能相比的结构简单、成本低廉的优点，大中小设备和新旧设备的广泛通用性，以及独有的传热强化作用。因而，该技术是传热设备污垢清洗技术很有实用价值的一次新突破。4.3.2 动力学试验 4.3.2.1驱动力矩试验对内径长度分别为20400mm、253800mm、323700mm规格的三种传热管的螺旋线进行了驱动力矩的研究测量，结果如图4.6.所示。驱动力矩随流速增加而增大，这是因为管内液流对螺旋的反推力是随流速增加而增大；随管径增大而增大，这是因为液流对螺旋的反推力有较大的力臂之故。由测量可知，驱动力矩不大，尤其在流速较低时。因此，采用这种技术时，对管程液流速度有下限要求，一般需在0.5-0.7m/s以上。4.3.2.2转动、振动和游动在281.5mm的玻璃管内通冷却水，对自转螺旋线的运动状况进行了观察与测量：（1） 在0.5m/s左右螺旋开始横向随机振动，整个螺旋线呈多波曲线状，随着流速逐渐增大，振动加快。（2） 流速增大到一定程度后，螺旋线由单纯的横向随机振动，变为连续振动，并且转速随流速增大而加快。（3） 螺旋线转动时，不仅有横向振动，而且有数毫米的轴向游动。轴向往复游动的位移幅度主要与螺旋线刚度、水流速度波动大小有关，并且与离入口端的距离成正比。由试验测量可知，一般结垢液体在传热管内的流速，通常都能满足该技术要求，能可靠地使螺旋线连续转动、横向随即振动并伴有一定的轴向游动，来实现在线、连续、自动除垢防垢和传热强化。 4.3.2.3 轴向力试验工作时螺旋线受到管内液流所作用的轴向力，是设计螺旋线刚度和入口支承的重要依据。由于螺旋钢丝细轴向力小，因而螺旋线刚度要求低，螺旋弯头和入口支承的对磨处的磨损问题就便于采用工程塑料来理想地解决。但是须注意，螺旋线刚度必需与流速的变化范围匹配，否则在高流速时螺旋尾端会延伸到管外，引发螺旋相互绞绕在一起的事故；在低流速时螺旋尾端会缩短到管内，出口端的管段没有除垢。4.3.3 性能试验4.3.3.1除垢能力试验在252mm的铜管内壁，调制厚约3mm的人工厚，设置自转螺旋线，通冷却水连续运转44h，除垢效果如下：（1） 水玻璃调制的白泥红泥垢，大致干净；（2） 炼油厂重整装置的柴油加热器垢，除垢干净；（3） 碳酸钙-碳酸镁，水玻璃调制的垢，除垢干净；（4） 硫酸钙-水玻璃调制的垢，除垢干净；（5） 磷酸钙-水玻璃调制的垢，除垢干净；因此，在线自动除垢清洗能力强。4.3.3.2 传热强化试验采用201mm洁净无垢的铜管，管内通冷却水，管外通水蒸汽加热，流速用玻璃管转子流量计测量，温度用0.1刻度的精密温度计测量。总的传热系数测量结果表示在图4.7.中。如图所示，在0.65-1.53m/s上午常用流速范围内，传热强化幅度在22.4-56.8范围内，平均幅度为32.85。可见螺旋旋线的确又是一种有效的传热强化技术。 图4.7. 螺旋线传热强化特性曲线 图4.8. 螺旋线阻力特性曲线4.3.3.3 流体阻力试验在19根252.54200mm传热管的立式放大试验设备上，用水银压差计测量了从换热器进口室至出口室的总阻力。流量采用电磁涡轮流量计测量，流速在0.77-0.94m/s（上限受循环泵限制）范围内，如图48所示，总阻力为4420-6120Pa，故每米传热管的阻力平均值约为1360Pa。可见自动旋转螺旋线传热技术不仅功能强，而且阻力也不大。4.3.3.4 操作弹性试验无论单管试验，还是放大试验，螺旋线只有开始旋转、开始流振的流速下限，超过此值即开始流振，开始旋转，而后随着流速增大流振和旋转加快，且无流速上限的限制。因此，操作弹性大。流速的适用范围很大。4.3.3.5 防阻塞能力试验在252.5mm的透明管内装设自动旋转螺旋线，在管内上游添加杂物，用日光灯在塑料管背透照，通水进行抗杂物阻塞能力试验，由此可观察到： 粒径约5-7mm的小石块，非但不会阻碍螺旋线的转动和振动，而且能迅速地通过，因为旋转线本身就是一个很好的螺旋输送器； 长宽约1510mm的塑料片，能较好地通过而不阻塞在管内。因此，自动旋转螺旋线传热技术能用于管程液体内含有块状、片状杂物的工况条件。4.3.4 应用研究鉴于自动旋转螺旋线传热技术有相当多的优越性和广阔的应用前景，有必要进行以工业应用为目标的如下试验研究。4.3.4.1 结构优化试验为了使自动螺旋线传热技术在工业应用中取得较好的经济效益，进行了一系列在不同换热管内径、不同流速条件下的螺旋线结构参数优化试验研究。结构优化的参数主要为螺旋线材料、直径、螺旋角、螺旋外径。优化的指标因工况不同而有所区别，但一般都有除垢防垢能力、传热强化幅度、流体阻力等项。4.3.4.2 设备放大试验为了使自动旋转螺旋线传热技术的工业装置在应用中有较高的可靠性，考虑设备放大的尺寸效应影响，不同设备不同结构带来的流速分布均布性问题，笔者先后进行了四种不同管径、不同管数、立式和卧式结构的设备放大试验： 传热管252.56000mm，管数7，同心圆排布。管间距32mm，立式设备，进出口室140； 传热管3233000mm，管数6，直线排布，管间距150mm，卧式结构，进、出口室均为910100mm； 传热管3234200mm，管数7，同心圆排布，管间距40mm，立式结构，设备进、出口室均为160mm； 传热管252.54200mm，管数19，三角形排布，管间距32mm立式结构，设备进、出口室均为190mm。放大试验表明，只要组装时保证质量，就可以保证一次开车成功，且运转可靠，开车停车操作简便，立式卧式几乎无影响。在合盖前采用专用的检验工具逐根检查一次，既快又方便，更可以保证其可靠性，这对工业采用是很有必要的。4.3.4.3 材料配套试验为了满足石油、化工等工业部门对设备长周期运转的要求，更为了自动旋转螺旋线传热技术的高效益要求，必须使两个工作零件都有长的使用寿命。为此进行了长达数年的材料配套试验，终于取得了优异的耐磨蚀性能和较低的经济成本的理想的结果。入口支承采用填充的耐磨工程塑料，旋转螺旋线采用热处理的沉淀硬化不锈钢。考核测试是在323mm的钢管内装设入口支承与旋转螺旋线，管内通冷却水，流速约0.95m/s，进行断断续续的运转试验。目的是让它交替地接触空气、让它停留可与管内壁静止接触，创造更恶劣的磨蚀条件。这样累计运转约1200h，拆检测量结果如下： 经特殊处理的特种不锈钢螺旋线几乎无可见磨损，其不均匀磨损最严重处的磨损量为0.01mm； 入口支承的孔径处，磨损量在0.01mm以下4.3.4.4 技术经济比较在国内外现有技术中对传热面污垢比较有效的先进技术主要有化学清洗、防垢涂料、胶球清洗与往复洗和流态化。自动旋转螺旋线传热技术与它们的比较如下： 功能方面a 在确保运行期间无垢和高效运行方面，其它停车清洗技术则无能为力；b 在传热强化方面，只有流态化法与自动旋转螺旋线技术有此功能。 经济成本方面化学清洗法是每清洗一次需投入一次化学药品费、机具费、工时费和废液处理费，成本较高。防垢涂料法，不仅涂料价高，而且施工费也相当高。球洗与刷洗法，一次性设备投资大，对量大面广的中小型换热器无法接受。自动旋转螺旋线传热技术成本最低，其次是流态化法。 适用范围通过功能比较与成本比较可知，只有流态化法可以与旋转螺旋线技术相比拟。但是，传热设备中卧式设备占其绝大多数，立式设备只占其少数，而流态化技术只适用于立式传热设备，自转螺旋线技术却立式卧式通用。自动旋转螺旋线传热技术的适用广泛性还表现在对管程数无限制（只需将插入口支承安装固定在传热管入口端即可）、流速无上限、传热管可以一定程度的弯曲（曲率大小须与流速大小相匹配）等方面。值得特别强调的是它对新旧设备都通用，而在役旧设备的台数一般是新设备的10倍以上。4.3.5结论通过上述比较可知，无论在功能方面、成本费用方面、适用范围的广泛性方面，自动旋转螺旋线传热技术在解决传热设备污垢方面，与世界上行之有效的各种现有技术相比都具有显著优势，值得在石油、化工、化纤、制冷、制药、制盐、食品、轻工等行业的列管式传热设备的除垢防垢和强化传热技术中推广应用。 4.4. 塑包螺旋线自转节能技术传热管内钢丝螺旋线旋转清洗技术最早见诸于1974年的德国发明专利，如图4.1.所示 。随后有前苏联1985年的发明专利，如图4.2.所示 。共同缺点是外部动力需要密封、特别是与每根传热管的螺旋线之间的传动机构太复杂。国内东北电力学院研究的带有加强筋的螺旋线型除垢装置，如图4.3.所示由外部动力带动往复运动实现除垢 ，同样结构太复杂，可靠性低，而且清洗均匀性差，没有能为工程接受。法国的法兰西精炼和总分配公司发明了靠管内流体流动诱发的螺旋线横向振动除垢的技术 ,国内也进行研究 。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，并没有自动清洗防垢的功能。传热管内自动旋转钢丝螺旋线解决了清洗功能不足的问题6，但是又出现了传热管壁的磨损的新问题，并且至今无望解决。提出采用塑料包旋线替代钢丝螺旋线来解决传热管壁的磨损问题，并且采用塑料内管支撑解决塑包螺旋线的刚度不足的问题，但是制造较困难，对较高流速的设备应用存在阻力过大的缺点 。为此,大截面刚性塑包螺旋线清洗防垢技术，既解决传热管壁的磨损问题，又有较大的通流截面积，阻力不会过大，并且耐较高温度，结构简单，制造方便，成本低廉，便于推广应用。4.4.1塑包螺旋线自动清洗技术原理大截面刚性塑包螺旋线自动清洗技术的基本原理如图4.9.所示。塑包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。在管内流体冲击螺旋线的动量矩，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，实现在校自动除垢防垢的目的。同时由于塑包螺旋线转动时强烈的扰动管内流体的滞留边界层，使管内传热得以强化。1 预旋式管口轴承座 2 冲推动力轮 3 塑包螺旋线图4.9. 塑包螺旋线在线自动清洗传热管内污垢的结构原理4.4.2 清洗功能模拟试验图4.10.开始自转流速与螺距的关系曲线为了回答自转塑包螺旋线的清洗效果能否满足实际生产的需要的问题，进行了自动清洗效果的模拟试验。人工模拟污垢为按一定比例混合的水泥和石灰。试验用的碳钢管内径为32mm长度2000mm；塑包螺旋线直径4.0mm，是直径1.2mm钢丝螺旋线截面的十多倍，螺旋线外径27mm，螺距H分别为35mm和40mm。连续133个小时的清洗试验后，将碳钢管拆下来纵向剖开，观察结果是装有螺距为35mm塑料螺旋线的传热管内没有原先凸起的小块污垢变得光滑, 污垢清除干净；螺距40mm和35两种塑包螺旋线清洗情况略差，还需要一些时间。由于人工模拟污垢比实际污垢硬许多，说明三种塑包螺旋线都具有足够的自动清洗功能。4.4.3 塑包螺旋线的自转力矩强化采用粗大的塑包螺旋线取代钢丝螺旋线后，与传热管壁的摩擦阻力矩有所增大，并且大多数传热设备的流速较低，要可靠地实现在线自动清洗，必须研究塑包螺旋线清洗力矩的强化问题。其方案是：在传热管的入口端安装固定塑包螺旋线的预旋流式轴承座和冲推动力轮，结构原理如图4.11.所示。流体经过预旋流式轴承座后转变成快速旋流，直接冲推动力轮，使塑包螺旋线获得一个比较大的附加动力矩，与塑包螺旋线自身的自转力矩同向叠加，动力矩总值得显著增大，使其能够在较低流速下可靠地自动清洗。力矩强化的试验分两步：先进行塑包螺旋线自身力矩的结构优化试验。3832000mm 的碳钢管进行通自来水，不安装预旋流式轴承座和冲推动力轮，比较其开始自转的流速高低。显然开始自转的流速愈低者，说明自转的力矩愈大。试验结果如图4.11.曲线所示，取其螺径28mm 、螺距40mm为佳。图4.1112. 动力矩的预旋轴承和动力轮的强化 在此基础上，再进行塑包螺旋线和预旋流式轴承座冲推动力轮的力矩特性曲线试验。试验条件是立式不锈钢管403mm，管内通冷却水。试验结果如图4.12.所示，塑料螺旋线的自转扭矩随着流速的增大而增大，并且近似线性关系。预旋流轴承的附加力矩平均值是2m长塑料螺旋线的自转力矩提高了75。因此，预旋流轴承的附加力矩使2m长的塑包螺旋线旋转的总动力矩增大75。依据塑包螺旋线的自转扭矩与流速似线正比关系推算，可以使2m、4m长的塑料螺旋线自转的流速要求分别下降43、27。 4.4.4 自转塑包螺旋线的传热强化试验 图4.13. 塑包螺旋线传热强化曲线无疑塑包螺旋线与钢丝螺旋线一样可以有传热强化功能，显然区别在于螺旋线的截面直径比钢丝螺旋线大许多，螺距也大得多。为此，有必要对塑包螺旋线的传热强化功能重新试验测定。试验测定是立式不锈钢管4032000mm，塑包螺旋线的螺径28mm 、螺距40mm，管外水蒸汽加热，管内冷却水。试验结果如图4.13.所示，传热系数K值比安装塑料螺旋线前平均提高了52.6%。钢丝螺旋线的传热强化幅度平均值是32.85 ，相比之下进一步提高了60。 4.4.5 阻力试验塑包螺旋线的截面比钢丝螺旋线大得多，阻力会否太大影响其工业应用？为此，在卧式传热管内对塑包螺旋线进行了阻力试验。试验条件为：碳钢管内径35mm，长度L= 2000mm；塑包螺旋线的直径均为4mm，螺径均为28mm,螺距H分别为29mm、35mm、40mm三种。测得的阻力曲线如图4.14.所示。图4.14.塑包螺旋线阻力特性曲线可见，塑包螺旋线的阻力随螺距的增大而减少，其理显然，并且与力矩优化的结论是一致的。阻力比钢丝螺旋线增大了，但是设备阻力仍然在一般用户许可范围。以0.8m/s的流速为例，长度6m的4管程设备的沿程阻力只有39Kpa。5.4.6 小结 塑料螺旋线的结构优化，无论从开始自转流速低、自转力矩较大的角度优化，还是从降低阻力的角度，都是螺距较大为好。 塑料螺旋线的自动清洗的效果较好，能够满足工业应用的要求。 采用预旋流式轴承座冲推动力轮力矩强化后，塑料螺旋线可以应用于较低流速传热管内的自动清洗。 塑料螺旋线传热强化幅度达到52.6%，比钢丝螺旋线高60。 塑料螺旋线的设备阻力在一般用户许可范围内。4.5 螺旋线管自转节能技术4.5.1 自转钢丝螺旋线技术的两大问题工业水冷设备普遍低效的主要原因是管内的水垢和管内冷却水的低流速，其中尤其是冷冻制冷系统的水冷器由于污垢造成的经济损失相当大，达到每年十多亿元 1。例如，湖南金信公司是一个技术力量强的大公司，采用江水冷却的立式水冷器，冷却水进出口的平均温差接近1，虽然进行周期性的机械清洗，但是无济于事，机械清洗后不到一周，管内壁的微生物垢已经有1mm以上2。在研究污垢清洗技术路线时，注意到文献3介绍的重要思想 “以工业循环水作为冷却介质，污垢从开始到积污热阻平衡的时间只有25天左右，直接以江河水为冷却介质污垢从开始到积污热阻平衡的时间则更短”。显然，机械清洗技术的基本要求是具有在线、自动、连续清洗的保洁功能。在现有的在线、自动、连续清洗技术中，传热管内自转钢丝螺旋线技术在原理上是比较理想的。它管内污垢自动清洗清洗能力很强，管内对流传热强化效果也相当好，结构简单成本低廉，阻力不大4。但是，一个致命的问题是钢丝螺旋线与传热管壁之间的磨损问题无法合理解决，就不能推向工业应用；还有一个不足的缺点是需要较高的管内流速才能带动可靠的旋转，适用面大为减少。为此作者提出本文研究的塑料螺旋线管技术。4.5.2 塑料螺旋线管清洗技术方案 图4.15. 塑料螺旋线管的自动清洗结构原理与自转力矩分析计算示意图本文提出的如图4.15.所示的自转塑料螺旋线管。类似的结构最早见诸于专利US2943845，与螺杆泵有些相似。国内近些年也有研究，不过名称称之为微叶轮机。冷却水改为传热管与空芯管之间的螺旋流道通过，不仅由于实际流道截面面积大大减少而成倍提高实际流速，而且又以较大的半径呈螺旋线流动，因此获得了较大的动量矩。按照力学第三定律，同时塑料螺旋线管获得一个等值、反向的力矩而自转，实行传热管内壁水垢的在线、连续、自动清洗。此外，由于实际流速增大和螺旋线流动的双重原因，使管内的对流传热也得以有效的强化。直接与冷凝管壁污垢碰磨的是塑料螺旋，当然不再会磨损管壁。并且，这种结构制造方便，成本低廉。5.5.3 塑料螺旋线管结构设计基本参数分析 为了实行低流速下的自动清洗，优化的首要的目标是自转力矩最大化。为此，利用质点系动力矩定理来分析塑料螺旋线管的结构参数与自转动力矩之间的关系。螺旋的螺距为： t2Rtg单周螺旋流道长度为： l2R/cos螺旋流道的流通截面积为： stcoc.(h+h0) =2Rsin(h+h0)体积流量W时，螺旋流道内的流速为： V W/2Rsin(h+h0)因此，流体相对于螺旋线管流道的相对角速度为： 12V/l2W/2R2tg(h+h0)螺旋线管的旋转速度值2是流体的牵连运动，其方向是与流体的相对角速度1相反，因此流体的合成角速度是： 12W/R2tg(h+h0)2冷却水在进入螺旋流道前是直线流道，动量矩L1为零。计算螺旋流道出口处、t时间内流出的冷却水具有的动量矩L2。由于螺旋流道的径向尺寸h和h0都远小于空芯管直径d，动量矩积分计算中的变量半径r的变化幅度小，为了简化起见就近似地用平均半径R代替。于是算得： L2R.Rcos. wtWR2t W /R2 (h+h0)tg2由于研究的是稳定过程，因此螺旋得到的动力矩是：M（L2L1）/tWR2W /R2 (h+h0)tg2可见，螺旋的动力矩最大值是在螺旋不转时达到的，其值为： MmaxW2 /(h+h0)tg 因此，最大动力矩是与流量（流速）近似二次方关系，在结构设计中采用较小的螺旋角和较大的空芯管直径d（或较小的h）都有利于动力矩的增大。4.5.4 螺旋线管的旋转力矩特性图4.16. 螺旋线管的自转力矩特性曲线按照上述理论分析的结果，设计制造了2060、1760、1260三种不同结构参数的螺旋线管，进行了自转力距特性测试。由于被测量的力矩绝对值很小，为了保障测试结果的可靠性和精度，自制了能够测量微小力矩值的扭矩计。为了便于比较，包括光滑螺旋扭带在内的自转力矩特性曲线的测得的结果都表示在图4.16.中。可见，试验结果与理论分析一致，空芯管直径较大的螺旋线管的动力矩较大。但是，螺旋角试验的结果并不是理论分析式展示的愈小愈好。原因是前面的理论分析是未包括摩擦力矩的自转动力矩。由于螺旋角愈小，螺旋承受的轴向力愈大，摩擦力矩也愈大。因此，实际工作力矩最大化要求的螺旋角必须大于一定的角度，比较试验表明以600较好。其中2060型螺旋线管的力矩比较大。在立式管的试验中，名义流速达到0.14m/s就开始自转。它的力矩比相同长度的光滑纽带平均增大141%。因此，螺旋线管自动清洗的动力比光滑扭带大得多，在卧式的碳钢管中可以应用在04m/s的低流速工况，在立式水冷器则可以应用在更低的流速下。4.5.5 自动清洗能力试验评价 图4.17.螺旋线管传热强化试验结果自转塑料螺旋线管的污垢清洗能力评价，采用比实际污垢更硬的人工污垢模拟的清洗试验。试验条件：冷凝管383mm；螺旋线管的空芯管20、齿高4mm、螺旋角600；人工污垢成份是25的水泥和75的碳酸钙粉，用乳胶调制，刷涂的污垢层厚度约1mm，经过一周的室内自然干燥。通0.4 m/s的自来水，塑料螺旋线管自转运行一周，拆卸观察冷凝管内壁的污垢：清洗干净，比较均匀，管壁没有磨损现象。因此，塑料螺旋线管的自动清洗能力较强，完全可以满足要求。4.5.6 传热强化试验 传热管内安装塑料螺旋线管后，管内冷却水由原先的低速直线流动，转变为贴近管壁的、大大加快的螺旋线流动，对管内的对流传热过程的强化作用理应比螺旋扭带更好。图4.17.给出了2060型和1760型塑料螺旋及其光滑扭带的传热试验对比。可见，在与Re25000以下对应的低流速的试验范围内，螺旋的传热系数将比光滑的螺旋扭带提高50左右，也是比较好的一种传热强化元件。4.5.7 螺旋线管的阻力图4.18. 2030型螺旋线管阻力曲线传热管内安装自动清洗的塑料螺旋线管后，冷却水由原先的低速直线流，转变为快速的螺旋线流动，其阻力当然会大得多。会否影响在其工程上的应用价值？为此，对工作力矩最大、传热效果也最好的2030型塑料螺旋线管的流体阻力特性进行了试验测量，其结果如图4.18.的阻力曲线所示。由图4.19.可见，即使是4管程、长度6m的传热设备、在0.60m/s这样较高的流速下应用，每米管内的流体阻力是0.55KPa，设备的总阻力并不大，13200Pa,对一般工程完全适用。4.5.8 小结 塑料螺旋线管的特点是自转力矩大，人工污垢模拟试验表明，塑料螺旋线管的污垢清洗能力强，并且比较均匀，对管壁无磨损。理论分析和试验结果都表明，塑料螺旋线管结构设计采用较大直径空芯管和较小的螺旋角有利于增大自转力矩。但是考虑到较小的螺旋角会引起轴向力及其摩擦阻力矩太大的不利因素，螺旋角一600左右为好。塑料螺旋线管的特点是自转力矩大，其中2060型的自转力矩是塑料光滑扭带的241，能够用于0.4m/s0.6m/s范围的低流速水冷器的自动清洗。理论分析和试验结果都表明，塑料螺旋线管结构设计采用较大直径空芯管有利于增大自转力矩。但是，空芯管太小会影响刚度和制造的方便程度。 塑料螺旋线管的传热强化效果也很好，2030型螺旋线管的传热系数比光滑扭带还要高50%。 塑料螺旋线管的阻力在一般工程应用范围内。 从自转力矩与管径2次方的关系、空芯管刚度与制造方便考虑，螺旋线管对较大直径的传热管更适用。4.6. 螺旋线自转力矩动力轮强化技术换热器中有两种工况需要强化自转螺旋线的力矩，一是管内流速偏低，二是管内污垢清洗比较难。螺旋线自转力矩强化的方法之一，是传热管入口端螺旋线的头部加装一个动力轮，例如前苏联专利SU1273729(1986,11.30)那样，原理示意图4.19所示。图4.19 动力轮强化螺旋线（SU1273729）4.7. 绕花钢丝微振节能技术强化管内换热的丝状绕花内插元件1，如右图4.20.所示。采用具有良好导热性、直径0.91.0的金属丝绕制而成。空隙率大于90，在Re1000的工况下，对于气流可使换热系数提高5倍，对于液体可使换热系数提高1025倍。文献2 介绍这种内插件的换热器管程污垢显著降低，用流速大于0.80m/s的清水冲刷，可以比较干净地除掉丝上、管壁上地垢物。 图4.20 金属丝环国内更早的是柳州第二空气压缩机1989.4.24.申请的专利3-高效冷却器,1989.12.13授权专利号ZL892062290，公开了具体的制造方法“它由两条紫铜（或黄铜）丝制成两条类似弹簧状物，并轧成扁形，中间各加一条铁丝再互相绕制成螺旋网状”。试验条件为管外冷却水，紫铜传热管，管内压缩空气，厂内试验数据是，光管传热系数为232.6(w/m),安装内插物以后为1163(w/m),提高到5倍。国外更早的是Stephen Robert Mercer Ellis、Theodore Regonald Bott、Howard Edward Kaye，等三人共同发明的英国专利GB20444304,于1979.2.24.申请,，也公开了制造方法，如下图4.21所示，并且还介绍了再不同工况下应用的16种不同结构,图4.22选印其中的三种结构。国外专利还有Martin J.Gough（Birmingham）、John V.Rogers、Solihull,(后两人为Egland)三人发明,1982.5.17.申请、1984.11.6.授权的的美国专利US44811545，如图4.23.所示。用4页图详细介绍了制造工艺与方法,图4.21. 制造方法示意图图4.22. GB2044430的3种结构US4481154的结构示意图 图4.23.并且专利说明书中还有两页试验曲线。该技术的在德温特专利数据库德登记号WPI82-N040E/40索引中可以查到其同族专利有EP61154(Q,8240)、NO8200892A(A8245)、GB2097910A(8245)、GB2097910B(8444)、ES8308998A(8409)、US4481154(8447)。 该技术还在国外期刊上刊登了详细的研究论文6,7。4.8. 流体动力螺旋线节能技术的工程应用4.8.1.焦化煤气冷却塔4.8.1.1.工程实际调查1 工艺：焦炉气体管外冷却冷凝，冷却水管内。2 设备配置： l 初冷塔 3台 ，终冷塔 3台。上半塔14个管箱串连运行时由一台每小时720吨冷却水的水泵供水。下半塔14个管箱串连运行时由一台每小时580吨冷媒泵供水。每个管程105根管。每塔5700根管573.55700mm。上半塔管内流速0.97m/s，半塔管内流速0.78m/s。3 运行状况：l 2台并联运行，1台备用清洗。倒塔清洗周期为两个月。4.8.1.2.节水潜力的传热学分析l 上半塔冷却水3448；气体8235l 下半塔冷却水2030；气体3525下塔的传热温度差始终只有5。通过强化传热，提高出水温度，就会严重的降低传热温差。因此，节水没有多少意义。但是，上塔冷却水出口端的传热温差比较大，有（8248）34。这就可以利用传热强化来实现节水。4.8.1.3.螺旋传热强化技术的节水效益计算由于管外气体冷却冷凝底传热膜系数低，管内水冷却底传热膜系数高，管外是控制因素。因此，虽然管内可以提高传热膜系数50以上，但是总的传热系数提高幅度只有15左右。由传热学基本公式Q=KSTm可知，由此对传热温差的要求相应地降低了15。原先是 Tm 0.5（8248）+（3534）=17.5采用新技术以后，要求的传热温差Tm降低为14.875,降低了2.625。由于进水温度由环境温度决定恒定不变的，所以出水温度相应地可以提高5.25，由48提高到53.25。热负荷不变为基本原则进行热量衡算分析，冷却水消耗量反比于进出口温度提高值。进出口温度提高值由原先的483414，提高到53.253419.25，可以节水5.25/19.25=27。每台冷却塔的水泵是每小时720吨冷却水，每年8500小时，每年每塔运行节水量为 165.24万吨。循环水价按每吨0.10元计算，每年每塔可以节水运行水费16.524万元。考虑三塔倒塔使用，实际上，每年每塔节水的冷却水费11万元。4.8.1.4.成本效益预测分析l 只在上塔的上一半每根冷却管内加装一根传热强化螺旋A-管内外温差小的下一半，传热强化的意义不大Q=KSTmB-有利于设备阻力控制l 塑包螺旋线费：设备费2左右（10.8万元）每塔总长度1400根6（米/根管）8400米。塑包线每米3元，2.5万元。入口固定1万元。绕制费(1元/根管）安装费(1元/根管），共计约1.5万元。成本费在5万元左右。l 回收周期：一年左右4.8.2.盐矿脱硝冷却器4.8.2.1问题分析某盐矿的卤水含硝量在30g/L以上，采用冷冻脱硝工艺，共计5组冷却器，每组4台脱硝冷却器串联，配套3台33万佧/时冷冻冰机，每台功率190KW。冷却器中卤水进口温度6，出口温度0，平均温差3。在每班清洗后的冷却器处理流量310m3/h，管外氨蒸发冷却（绝对）压力0.4MPa，对应温度为-2.5。因此，传热温差为5.5。管壁结盐后，处理能力下降为200 m3/h，管外氨蒸发冷却（绝对）压力下降为0.3MPa，对应温度为-10，相应的传热温差为13.0。运行后期由于管内壁结晶盐层，传热系数竟然下降了70以上！因此，每班停车清洗，平均处理流量为270 m3/h，也就是说产能损失了13。结晶盐引起的能耗问题包含两个方面：后期冰机压缩功的电耗上升10以上，按周期时间平均按多耗电5计算，每组3台冰机（190 KW/台开2台，备用1台）每年多耗电费6万元/组(年运行时间8000小时、电费按0.4元/度计算)。冷却器每次采用60热水进行20分钟刷洗，所以传热温差（6010）是正常运行的4倍左右。2台冰机需要耗190度/次。每年清洗1340次，每年冰机节电25.46万度，0.4元/度，节省电费10.2万元/组。两者相加，每组每年的电费损失为16.4万元以上。4.8.2.2技术方案4.8.2.3效益分析预测该工艺冷却器采用螺旋线自动清洗技术后，由于传热系数大幅度提高的螺旋线冷却强化作用，运行时需要的冷却温差减少，管外的液氨蒸发压力必然提高，冰机运行电流下降，预计每组每年可以节电15.2万度。由于实现自动清洗以后不再要停车热水刷洗，又可以每年冰机节电25.46万度/组。因此，采用螺旋线自动清洗技术后，盐矿5组每年可以节电203.3万度。最主要是螺旋线的自动清洗作用，其次是由于传热系数提高的平均幅度在50以上，加上不需要周期性停车清洗的连续生产能力增大，预计工艺冷却器的产能将提高50以上。4.8.3.碱厂外冷器 2007年补图4.8.3.1设备配置 l 每台碱外冷器传热面积700平米。单管程流速0.84m/s。立式。每台外冷器803根管513.56000mm。l 轴流循环泵：扬程2.5米，流量3700米3/时，电机功率75Kw，效率60时的功率萎45Kw.l 配套冰机： 4台44万佧/时，每台电机功率190 KW；2台55万佧/时，电机功率分别为275KW和250KW. 4.8.3.2实际运行状况l 介质进口78，出口 78。平均温度 7 。每次循环下降0.5。l 每班刚清洗后的管外氨蒸发冷却（绝对）压力 0.44 MPa,对应温度为 0 。因此，传热温差为 7.5 。l 管壁结盐后管外氨蒸发冷却（绝对）压力 0.24 MPa,对应温度为 -15 。因此，传热温差为 22.5 。4.8.3.3传热效率影响计算分析 传热学的基本计算式Q=KST刚刷洗后 ctK0S（7.5）后期 ctK1S（22.5）故 22.5K17.5 K0结论后期的传热系数下降了 67。4.8.3.4 塑包螺旋线自动清洗技术改造方案每根传热管安装一套塑包螺旋线螺旋自动清洗元件。4.8.3.5效益预计 环保效益 按每天3次、每年330天、氯化铵密度1.53、盐垢平均厚度1.0mm，每年向资江的排放量高达915吨。回收效益氯化铵的出厂价每吨580元计算，高达53.0万元。 节能效益管内侧的传热膜系数i值比技术改造前平均可以提高了50左右，有利于降低传热温差要求，可以提高管外侧的氨蒸发压力。以节省冰机的运行电耗10左右、每年330天、年平均运行功率（三小一大，75的负载率）615KW，每年节电49万度，电价每度0.55元计算，年节电效益达26.95万元左右。 提高产能l 连续运行达到30天以上，原先的两台外冷器可以改造成为两条生产线，提高产能一倍。l 每条生产线的能力又再提高30以上。因此，总的产能可以提高到原先的2.5倍。 本章主要参考文献 4.1. 外部动力钢丝螺旋线在线自动清洗及其传热强化技术34 德国专利齿轮传动的螺旋线 DE2224728 ，1974； SU817478苏联专利，每根传热管一个动力头的螺旋线； SU1158846，1985.10.27 、一个动力头，软轴传动的螺旋线苏联专利；）34 俞秀民、吴金香、俞天兰，流振旋转螺旋自动除垢防垢技术研究，化学清洗，1996，12（3）：3437（螺旋线数据曲线；工业试验效果；）34 Yu Xiumin,Yu Tianlan,Wu Jinxiang,et.al.,The high efficient self-cleaning technique of self-rotating and vibrating Spiral for heat transfers,Advances in heat transfer enhancement and energy conservation,1997,GUANZHOU.CHIANA,SOURH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY PRESS,429-43334俞秀民,俞天兰，吴金香，自动旋转螺旋线传热技术的试验研究.化工装备技术,1997，18（5）:4835 SU817478苏联专利，每根传热管一个动力头的螺旋线；4.2. 流体动力钢丝螺旋线振动在线自动清洗及其传热强化技术36 钱伯章，管壳式换热器清洗技术，化工炼油机械，1983，（1），6366 夏新民. 高效自洁换热器管内弹簧技术的研制J.石油化工设备技术， 1995,10(1):15-17.4.3 流体动力钢丝螺旋线自转在线自动清洗及其传热强化技术38 俞天兰、林伟璐、彭德其，等，自转塑包螺旋线自动清洗及其传热强化技术,第九届全国高等学校过程装备与控制工程专业教学改革与学科建设成果论文集，化学工业出版社，2004.p（塑包螺旋线，动力轮）39 彭德其,俞秀民,俞天兰,等，传热管内污垢在线自动清洗的流体动力塑包螺旋线，200420035102.9,2004。02.20。4.4.流体动力自激螺旋、螺旋齿、螺旋片管在线自动清洗及其传热强化技术40 Franz Jaklitsch,Heat exchanger for viscous fluids,US2943845,1957.10.23（粘性流体，金属螺旋片管，无惯性自激）40 林榕端林清宇冯庆革等,换热管内微型叶轮机研究,机械工程学报,2001,37(7)41-4341MITSUBISHI JUKOGYO KK, Steel pipe used in research work to improve performance of heat exchanger has twist plate attached along length of central shaft supported through central hollow section of pipe which directs water flowing through pipe towards inner peripheral wall of pipe,JP09280783, 97.Oct.31（两端支承；金属螺旋片）42 俞天兰、俞秀民，等,冷冻机立式水冷器污垢的塑料螺旋齿管自动清洗技术研究. 轻工机械,2003,(3): 939542 俞天兰、彭德其，等,立式水冷器螺旋齿管的自动清洗技术.化肥工业, 2003,(4)43支校衡、彭德其等,塑料螺旋管自动清洗及其传热强化技术. 煤矿机械,2004,(1):51-5343彭德其、俞秀民，等,传热管内污垢自动清洗螺旋线的低速强化与防磨损技术，洗净技术,2003,(12):7-10（螺旋齿管）44 俞天兰，俞秀民，吴金香，等，低流速管内自动清洗及传热强化螺旋齿管，ZL0277260。X 44 林溶端，林清宇，冯庆革，等，换热管内微型业轮机研究，机械工程学报，2001，37（7）：4143（实质上的螺旋片管；内径35mm、长度3080mm,）45 Rongduan LIN, Qingyu LIN. 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