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换热器内插件的研究进展点击：2162 日期：[ 2014-04-26 21:35:30 ] |
| 换热器内插件的研究进展 姜鹏，阎华，张震，杨卫民 (北京化工大学机电工程学院，北京100029) 摘要:介绍国内外有关换热器内插件的种类、其强化传热原理、研究现状以及研究的发展方向。指出螺旋弹簧、螺旋纽带和“洁能芯”转子等内插件的两个主要作用:强化传热和在线清洗污垢，并总结出研究的新目标:以最小的阻力消耗为代价最大限度地提高换热效率。 关键词:换热器;内插件;强化传热 管壳式换热器广泛应用于化工、电力、炼油、动力、冶金、制冷等各个领域，然而此类换热器的仍然存在运行效率低下的问题，这是提高企业经济效益的瓶颈，特别是在能源危机越来越严重的今天，解决换热器的低效率问题迫在眉睫，归根结底就是要解决两个关键性的问题，其一，提高换热设备的换热效率;其二，减少换热管内污垢的沉积［1］。针对以上两个问题，近年来有很多学者都提出要以在换热管内加入内插件的方式作为有效的解决方法，其中内插件的主要形式有螺旋弹簧、螺旋纽带和“洁能芯”转子，它们都能在强化传热的同时，有效地减少污垢的沉积。 1·研究进展 1．1螺旋弹簧 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有效强化［2］。针对以上原则，20世纪80年代国外便开发了螺旋弹簧在线自动除垢扰流技术，主要有固定式和旋转式两种。1989年，我国开始进行固定式螺旋弹簧在线自动清洗技术的工业试验和推广应用，取得良好效果［3］。吕志元等［3］于1993～1994年先后开发了“自动接卸除垢换热器”和“自动除垢扰流管式换热器”和“自动除垢扰流管式换热器及电热器”，并在油气冷凝器中进行了工业试验，经过对结构和管口挡封技术的改进，于1996年开发了双侧作用型分段自由式螺旋压缩弹簧在线自动除垢扰流新技术。 1998年吕志元等［3］又开发了“穿梭式压簧自动除垢管式换热器”，使压簧扰流技术走向成熟，于1999年又对双侧作用型分段自由式压缩弹簧在线自动除垢扰流技术进行了试验研究，此技术打破了原来单侧作用的局限，结果证明，此技术可使传热系数增大1～4倍。 徐建民等［4］对内插螺旋弹簧换热管和光管的换热及其阻力特性进行了实验研究，结果表明，内插螺旋弹簧的存在增加了对管内流体流动的扰动，使换热管具有较好的换热效果，尤其可观的是，内插螺旋弹簧的换热管的强化传热综合性能比光管提高了很多。 国外对于螺旋弹簧也做了很多研究工作。Alberto Garcia等［5］对于安装螺旋弹簧的圆管进行了实验研究，并与光管做了对比，发现在湍流情况下，螺旋弹簧所造成的压降是光管的9倍，而传热是光管的4倍;层流状态下，保持同泵功率换热效率是光管的二倍。数据表明其效果较油冷器、预热器等其他强化技术更好。M．A．Akhavan－Behabadi等［6－7］对于不同直径和节距的螺旋弹簧在蒸发器中的强化传热效果及其所造成的压降做了实验研究，并总结出了相关的经验公式，而且通过不断修正以减少经验公式的误差，最后得出效果评价公式，为以后的实验研究奠定了理论基础。 螺旋弹簧在一定程度上可以通过扰流调高换热效率，但是在能源日益紧张的今天，这是远远不够的，其次，螺旋弹簧还不能很好地解决除垢、防垢问题，在容易结垢的环境不能充分地发挥作用。 1．2螺旋纽带 螺旋纽带是一种简单的管内旋流装置，它是由宽度约等于管子内径、厚度约1～2 mm的薄片扭曲而成，它的基本工作原理刘舜尧等［8］有所介绍。螺旋纽带内插件的开发进一步加快了换热器内插件研究前进的步伐，对此国内有很多学者做了大量工作，并取得了一些成果。刘志儒等［9］对流体动力自动清洗螺旋纽带的污垢清洗力矩做了研究，通过动量矩定理建立了螺旋纽带的动力矩理论计算式，并导出了螺旋纽带的结构优化原则。周立等［10］在此基础上通过实验着重针对纽带在不同的应用场合的特殊工况，分别提出了不同的纽带优化结构。周立等［10］还对螺旋纽带的宽度和螺距分别进行了优化比较，发现宽纽带动力矩大，有较强的防垢、除垢能力，小流量立式水冷器中宜采用宽度大、螺距小纽带，大流量卧式冷凝器中宜采用中宽度、中螺距纽带。刘舜尧等［8］人对在管壳式换热器中的螺旋纽带做了强化传热实验研究，实验证明，装入螺旋纽带后可明显地提高换热系数。吴剑恒［11］对螺旋纽带在火力发电厂的应用情况及经济效果进行了深入分析，表明螺旋纽带在提高真空、降低汽耗、节约水电、减低成本等方面都有明显的效果。 同样，国外的学者对螺旋纽带的研究也在步步迈进。国内螺旋纽带的材料一般是高分子材料，而国外主要用的是金属材料，靠的是螺旋纽带的静态扰流，其目的主要是提高换热效率，对于防垢、除垢没做具体的考虑。Smith Eiamsa－ard等［12－13］对于换热管中插入单根螺旋纽带和双根螺旋纽带不同情况下的换热状况做了对比，结果证明后者明显好于前者，同时他还通过实验证实了正、反旋向交替放置的螺旋纽带比单旋向放置的螺旋纽带有更好的强化换热作用。P．Murugesan等［14］发现有V形缺口的螺旋纽带对强化换热更有利，但是，与此同时也增加了阻力因数。为了更深入地研究切口的形状对换热效率的影响，Kh-wanchit Wongcharee［15］等对于梯形、矩形、三角形切口形式及不同切口尺寸进行了实验研究，发现梯形切口的效果较好，而且深一些的切口对提高努塞尔数的效果更显著，当然，这也是以增加阻力为代价的。 螺旋纽带的效果明显优于螺旋弹簧，一方面，它所造成的扰流效果对于强化换热更加有利，另一方面，对于可以转动的螺旋纽带来说，它既可以防止污垢沉积，又可以破坏结垢的条件，有效地做到了在线自动清洗。因此，螺旋纽带已被很多企业所认可，并得到大规模的推广使用。 1．3“洁能芯”转子 在能源日益紧张的今天，在管壳式换热器内，我们迫切需要一种强化传热效果更好的内插件形式，“洁能芯”转子应运而生，要想满足强化传热和在线自动清洗而且清洗时不摩擦管壁的要求，常规的内插件效果不是很理想，因此，北京化工大学的杨卫民教授综合考虑以往内插件的优点和不足，开发了一种新结构，那就是“洁能芯”转子。 洁能芯是特殊材料成型的转子，具有在线自动清除污垢和强化传热双重功能。洁能芯的强化换热机理是［1］:(1)形成旋转流，延长水流在单位长度里通过的时间;(2)破坏边界层;(3)中心流体与管壁流体产生置换作用;(4)产生二次流等。洁能芯在传热管内迅速转动对管壁的污垢有四种作用［1］:(1)螺棱对污垢的扫掠作用;(2)介质通过螺棱与管壁之间的间隙时高速流对管壁的冲刷作用;(3)水流通过节能元件时产生的离心力作用于管内壁，冲击内壁上的污垢，继而通过水流冲刷使其导出;(4)洁能芯螺棱对沉积物的推动作用。而且，杨卫民教授通过在可视化实验装置上的实验发现该技术具有优异的自清洁作用，除此之外，还在大唐佳木斯第二发电厂2号机组做了工业应用实验，洁能芯不仅很好地根除了污垢顽症，而且提高了换热效率，节能增效达到20%以上［1，16］。李锋祥等［17］曾做过转子组合式强化传热的实验研究，发现在同等流量下“洁能芯”强化管的管程努塞尔数较广管提高10%～15%，同等管内流量条件下，总传热系数较光管约提高20%。李月等［16］对加入“洁能芯”转子的换热管进行了数值研究，结果证实无论是整体的三维螺旋流动，还是流体内部的径向混合、二次流，都提高了流体的湍流度和换热效率，增加了自清洁能力。目前，“洁能芯”转子的结构也已经开发出了很多种，比如说螺旋三叶片式、螺旋阶梯式等，对于“洁能芯”转子，杨卫民教授及其团队还在做相关的实验和数值研究工作，以求更好地满足节能降耗的目标。“洁能芯”转子在中心轴的支撑下，可以更好地转动，因此可以有效地根除污垢，而且，由于支撑轴是柔性轴，他可以更好地适应有挠度变化的换热管，在水流的冲击下，转子基本可以悬浮在换热管中心，正常转动，很好地避免了对管壁的刮擦。 1．4其它内插件形式 内插件除了螺旋弹簧、螺旋纽带、“洁能芯”转子外，还有许多其它的形式，上世纪六十年代末期荷兰人就提出在光滑直管内加入不同形状的混合原件，也就是静态混合器［18］。换句话说，内插件的形状可以是任意的，只是不同的形状对于强化换热和除垢、防垢的效果有所差异，加入不同形状的静态混合原件就组成了不同的静态混合器。国内的有SK型静态混合器(扭旋叶片)［18］、混合孔板型［19］等，国外的主要有美国的Kenics型、瑞士的(Sulzer)SMX和SMV型、日本的东利高效型等［20］。 2·结语 换热管内插件的研究对于节能减排具有十分重要的意义，这不仅可以提高能源利用率，而且可以推动新材料等其它行业的发展。同时，随着计算机技术和高性能计算的发展，不仅可以减少试验研究的成本，而且可以提高理论研究的精确性，大大缩短了科研周期。有限元法、有限体积法、有限差分法和边界元法在内插件的研究方面开始发挥愈来愈大的作用。目前，内插件螺旋弹簧、螺旋纽带和“洁能芯”转子等都开始使用相关的软件进行模拟分析，以更好地优化结构、提高强化换热的效果。但是，据目前的研究结果分析，换热效率的提高往往是以增加阻力为代价的，所以，对于内插件的研究要综合考虑传热和阻力这两方面的因素，力求在阻力最低的情况下最大程度地提高换热效率。 参考文献：略 |
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