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内插物强化传热及防垢除垢技术的研究进展
张永秋1林清宇1生建文2郭鑫1
(1.广西大学化学化工学院广西南宁530004；2.南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京210009)
摘要：本文结合近几年国内外强化传热研究情况，并针对不同的防垢除垢机理综述了管内插入物的研究情况；提出了今后研究工作的发展方向。
关键词：强化传热；防垢除垢；内插物
中图分类号：TQ050 TK172文献标识码：A文章编号：1672-8114（2008）12-0015-05
引言
为了提高换热器的换热效率，采用各种办法来增强换热器内的传热即换热器的强化传热；管内插入物技术就是最方便的一种强化传热技术，它的最大优点是，适合旧的换热器的改造，不必额外增加换热器，而且加工制造简单，装卸方便，大大地节省了投资；此外，内插物有助于清除管内污垢，即内插物具有强化传热和除垢的双重功能，这是其他强化传热技术所无法比拟的[1]。
目前国内外对内插物的研究很多，并应用于工业生产中，对节能、能源的充分利用起到了重要的推动作用；一些常用插入物内插物有:环式、拉希格图、盘式、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带、静态混合器和径向混合器等；不同的管内插入物具有不同的形状，强化传热的机理也不同。下面介绍几种常用的管内插入物的研究情况。
1·弹簧插入物
华南理工大学化工所研究发现：在传热介质流动作用的带动下发生弹性振动，不断地频繁敲击壁面，使传热面的边界层的流动受到了强烈的扰动，因此获得了在线自动除垢和强化传热的双重效果。研究还发现，移动弹簧在线防垢除垢和强化传热过程中，流体的流速存在最低极限，高于此流速，弹簧受流体冲刷振动，使污垢形成过程始终维持在诱导期内，这样传热膜系数不会下降，而且有所提高；低于此流速，则不利于防垢及强化传热[2]。
1.1固定式弹簧在线清洗
固定式弹簧在线清洗-该技术由长岭炼油化工厂设备研究所研发成功(见图1)。该技术将弹簧的两端绕紧于细杆上，并固定于换热器管板上。系统结构简单，安装方便，适用于管内为过渡流动或湍流流动的工况。
1.2旋转式弹簧在线清洗[3]
旋转式弹簧在线清洗-该技术由湘潭大学开发成功。在该系统中，弹簧两端采用活动方法支承。在流体的作用下，弹簧除产生径向和轴向振动外，还会产生整体的连续转动，对传热面上的污垢产生较好的擦洗作用。
1.3分段式弹簧在线清洗
分段式弹簧在线清洗-该技术由法国ELF公司于20世纪80年代末期开发成功。该技术在结构上采用了多段弹簧，其中端部两段弹簧采用与固定式清洗系统相同的安装方式，管中间的若干段弹簧则不加固定并在彼此间留有空隙(见图3)。该技术在较低的流速下就能达到较好的清洗效果，而且也便于控制管程压降。
2·螺旋线圈
这种技术最早见诸于1974年的德国专利DE2224728，在此基础上改进的有1985年苏联专利SU1158846。起初螺旋线圈都是靠外部动力带动螺旋转动来刮扫换热管内壁的污垢；后来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、低可靠性的问题，提出了流体驱动的螺旋线清洗技术(见图4)以及防磨损自转塑料螺旋线自动清洗技术[4]。除了强化传热方面的权威学者Bergles等在这方面的研究外，近年来国外关于螺旋线强化传热的研究也很多[5]。
其结构原理是每根传热管内安装一套包括自转流振螺旋线。生产运行时，在管内流动液体的作用下，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。这种复杂运动的螺旋对管内表面产生有效的自动清洗防垢作用。
3·绕花丝内插物
绕花丝内插物是由几组相同的线圈环绕同一中心轴线扭转而成，形成一种特殊的多孔体，它是由网状物发展而来，只不过绕花丝比网状物的空隙率要大，以避免产生过大的压力降[1]。清华大学对绕花丝内插物强化管内空气对流换热进行了实验研究，结果表明绕花丝内插物同时具有径向混合、螺旋流、扩展表面和粗糙表面的作用，是临界的雷诺数大大降低，诱发湍流，存在最佳结构参数使阻力增加较小，而强化传热效果最好[2]。
4·静态混合器
静态混合器是国外20世纪70年代初发展起来的新型设备，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[6]。静态混合器出了产生混合作用外，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。目前常用的有两种静态混合器应用较为广泛：Kenica和Koch-Surer[1]。
5· CT内插物[7]
交叉梯形波带(简称CT插入物)(见图7)。当流体团块移到壁面后，沿平直段继续靠壁面流动,与壁面充分换热后再沿斜片流回中部；同时平直段能有效地降低流体阻力,因此这种CT插入物结构形式特别适用于高粘度和超高粘度的流体强化传热。CT插入物与螺旋纽带、螺旋线和静态混合器等不同，CT元件是由二三条梯形波浪带交叉组成。它通过引导和置换流体产生扰流但不产生离心力，依靠波浪斜板使中间流体移置壁面，壁面流体移置中间，促使边界层产生扰流。因而其防垢和强化传热性能优于其它形式的插入物。
6·内插扭带
6.1螺旋扭带在线清洗技术
插入管内的扭带和流体的相互作用会生成复杂的二次流漩涡现象，同时还会出现边界层中流动缓慢的流体和流核区流体相互混合的现象[8]。自转清洗扭带具有在线自动清洗污垢和强化传热的双重功能，研究者以内置自转塑料螺旋扭带换热器为研究对象，对换热管中有、无自转扭带时污垢的粘附速率、换热器的动态污垢热阻、管壁的磨腐速率进行了工业应用对比试验研究[9][10]。
6.2流体动力齿带自动清洗技术[11]
流体动力齿带自动清洗也是一新技术，其结构如图9所示。螺旋扭带上的每个斜齿都是自转动力结构元件，可以有效地强化自动清洗扭带的旋转力矩，因此，塑料斜齿扭带能够广泛地用于0.5m/s以上的较低流速传热管内污垢的自动清洗防垢。同时螺旋扭带上的每个斜齿又都是对流传热强化的结构元件，其中的弧线形斜齿扭带的传热系数比光滑扭带平均提高171%，因此也是一种高效传热强化元件。
6.3旋流轴承自转强化技术
运行时，冷却水经过由轴承座的内筒、传热管壁、导流片构成的螺旋流道流入后，以成倍加快的速度及又显著增大的旋流半径，直接冲推塑料螺旋扭带。这入口冲推力矩比较大，方向又与自转清洗扭带的自转力矩同向，叠加的结果就可以使塑料扭带的工作力矩比原先成倍增大[12]。
7·液轮机在线自动清洗
广西大学化学化工学院的林榕端教授等人研究发明了一项在线防垢、除垢新技术-换热管内微型液轮机在线防垢除垢装置。所谓微型液轮机是指在换热管内放置有转子，即一根直径小于换热管内径的轮毂上焊上叶片（叶片有一定的宽度），如图11。
微型液轮机与换热管等长，当管内流体流动时，置于换热管内的液轮机在换热介质的带动下发生旋转，自动连续地擦刮刷洗管壁，从而达到防垢除垢、强化传热的目的[13]。
另外Smith Eiamsa-ard和Pongjet Promvonge也对类似叶轮机的内插物进行了相关的研究，其实验插入物的外形见图12所示[14]。
8·锥形插入物和片条插入物
最近几年国外又出现一些其他的内插物，如圆锥环状插入物和百叶窗式条状插入物；实验时圆锥环状插入物采用不同的排列方式（见图13）和不同的径比，这两种是影响传热性能的重要因素，圆锥环状插入物的管子比光滑管具有更高的传热性能[15]。百叶窗式条状插入物能增加流体的湍流程度，实验中插入物有前后两种排列和不同的倾斜角度(θ=15°，25°和30°)，如图14所示；实验结果同光滑管的经验数据比较，从综合性能方面考虑，向后排列式优越于向前排列式[16]。
9·立交盘式插入物和星形插入物
一种低压降的新型管内插人物-立交盘，立交盘的外壁侧视图为一圆，在与管路连接时，其外壁焊接于管路内壁之上，该圆直径即为管路内直径。流体穿过一块盘即实现一次中央区和周边区换位，完成一次分割一位移一汇合过程，发生一次边界层强制深度剥离[17]。-另外还有具有星形截面的鳍状插入物，见图15，试验时将铝制的具有星形截面鳍状插入物置于换热器中，研究其对逆流换热器的传热和压降的影响，研究对象是工作介质为水的同心套管换热器；经研究表明：外形为直的鳍状插入物能更好的提高逆流换热器的传热率，而外形弯曲的鳍状插入物却不能提高换热器的传热率[18]。
10·小结与展望
以上介绍了近几年国内外常用的内插物强化传热除垢技术，但随着技术的发展，将出现更新更高效的强化传热技术。
10.1复合强化传热
鉴于有些强化管内单相流体换热的强化管件存在着加工工艺困难，强化程度受限的问题，采用两种或两种以上不同手段进行复合强，以期获得更大传热强化效果的技术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，能够配合默契以发挥其各自的特长，从而取得更好的传热效果[1]。随着强化传热技术的推广应用，许多换热设备改造设计中已采用这一技术；常用的有螺旋槽管与弹簧的复合强化传热[19]，螺旋槽管与旋流器、扭带、弹簧条的复合强化传热，带有扰流线的内肋管的复合强化传热以及振动复合强化传热等[2]。
10.2利用纳米流体强化传热技术的发展
迄今为止,在液体中添加的粒子都局限于毫米或微米级,由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起磨损、堵塞等不良结果,而大大限制了其在工业实际中的应用；纳米材料科学的迅速发展给强化传热领域带来了新的机遇,有学者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非金属氧化物粒子,形成一类新的传热冷却工质，这是一种提高液体导热系数的有效方式[20]。换热器中如果利用纳米介质换热，传热效率将大大提高，Eastman J A[21]以及Lee[22]等人也对纳米流体强化传热技术做了深入的研究，并取得了一定的成果。 10.3计算流体力学(CFD)的发展
随着计算流体力学(CFD)和数值传热学的发展，各种数值模拟技术不断地被应用到强化传热技术中来，对各种支撑结构的性能和壳程流场的特性的研究可以通过计算机模拟来完成，因此在流体流动和传热计算模拟、仿真方面计算流体力学(CFD)将会得到更广泛的应用；计算机模拟这种方法简单、快捷，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[23][24]。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[25]。
参考文献：
[1]崔海亭,彭培英.强化传热新技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2006.
[2]钱颂文,朱冬生,李庆领等.管式换热器强化传热技术[M].北京:化学工业出版社,2003.
[3]王勤获.管内弹簧插入物在线污垢清洗与强化传热技术[J].炼油设计,1994,2(3):57~62.
[4]俞秀民,俞天兰,彭德其.传热面流体动力机械在线自动清洗防垢技术及其新发展[J].清洗世界,2004,20(5):1~11.
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[9]张琳,尤一匡,钱红卫等.换热器自转螺旋扭带自动阻垢技术应用研究[J].化学工程,2006,34(3):16~19.
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