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换热管在线阻垢清洗技术的研究进展
胡朝阳1,刘彩霞2,刘跃进2,李宗会3
(1·湖南安淳高新技术有限公司,湖南长沙 41005;2·湘潭大学化工学院,湖南湘潭 411105; 3·湖南湘维有限公司,湖南叙铺 419323)
摘要：概述了几种换热管在线阻垢清洗的方法。
关键词：换热管;在线;阻垢;清洗技术
中图分类号：TQ051.62 文献标识码：A 文章编号：1003-6490(2009)01-0047-04
0 引 言
换热管污垢是指流体中的组分或杂质在与之相接触的换热管内表面上逐渐结晶或黏附而积累起来的一层固态物质,换热管内壁面结垢现象非常普遍。为了使换热管在运行阶段保持较高的传热系数,定期清理换热表面是非常必要的。但定期清理需要停工, 增加了维护成本。因此,采用在线阻垢清洗技术受到 格外重视。
在线清洗可分为化学和机械两种方法。化学在线清洗要针对不同的污垢类型使用不同的清洗剂,加入的清洗剂会污染流体或腐蚀设备、或受到高温限制 而具有较大的局限性。而管内插件在线清洗则没有这些局限,但管内插件需巧妙地利用流体动力冲击壁面来达到阻垢清洗的目的。根据管内插件和利用流体动力方法的不同,大致可分为液固流态法、弹簧法、自动螺旋线及旋转式弹簧法和旋转扭转法等在线阻垢清洗方法。
1 液固流化态法
液固流态化法是将一定粒度范围的固体颗粒按适量配比置入管内液体,固体颗粒借助流体的载带及 涡流效应可与流体充分掺混并获得一定动能。当这种液固两相连续不断地循环流经换热管时,流态化的固体颗粒频繁地碰撞管内壁,从而达到阻垢清洗的目的。最初的流化床换热器为非循环式,即固体颗粒在 液体中浮动,固体颗粒虽可做相对液体的自由运动, 但无宏观向上流速。这种流化床对液体的流动速度 限制较严,流速太小,固体颗粒不能浮动,流速太大, 会将固体颗粒吹到上箱,破坏其稳定性。解决此问题 的方法是引入循环流化床系统,即液固两相中的固体 颗粒具有宏观流速,在管路中先上升再下降,形成1个循环体系。这种流化床允许的流速范围大,便于操作。循环流化床又分为内循环式和外循环式两种。 陈国平[1]等提出了一种泡罩式粒子流态化循环自动清洗技术,运用固一液流态化特性及动力学原理 对其工作原理和结构设计进行了分析,研究结果表明 泡罩式粒子流态化循环自动清洗技术解决了筛板筛孔的堵塞及当管内流体的速度过大时,管内的沙子随水流走并使管道堵塞的问题,且性能稳定,效果好。 韩国军[2]等对外循环式液固流化床进行了试验研究,得出了影响外循环式液一固流化床换热器操作稳定性的主要因素及其在稳定操作情况下流速、喷嘴结构、插入深度和颗粒总量等对上升管及下降管稀相空隙率的影响规律。但需做进一步研究。外循环式与内循环式流化床相比,则具有结构尺寸小,循环量易于控制,颗粒与液体之间易于分离,不易产生夹带现象等优点。
2 弹簧法
2·1 固定式弹簧法
固定式弹簧法管内插件如图1所示。
固定式弹簧法是由长岭炼油化工厂设备研究所 开发成功的[3-4]。是将弹簧的两端绕紧于细杆上,并固定于换热器管板上,结构简单,安装方便。但是,并 非弹簧振动越强就越好。因为振动过于剧烈,压力降较高,对管壁和弹簧本身的磨损太大,影响其使用寿命。在选取流速及弹簧参数时,还必须考虑到过高流 速会引起弹簧的不均匀变形问题。一般靠近流体入口端的上游段弹簧被拉伸,而另一端下游段弹簧受压缩,线径太小时,拉伸端易产生疲劳断裂。因此,在确定弹簧参数(主要是线径)时,以不引起受拉伸端和受压缩端弹簧螺距差异过大为限。工业试验时,在相同 的工艺条件下,对装有簧的换热器和未装弹簧的光管换热器进行了比较,在Re=5 300~5 800,流速0·85 ~0·93m/s的试验条件下,阻垢效率达70%左右。
2·2 分段式弹簧法
该项技术是由法国EIF公司于80年代末期开发 成功的[5],基本结构如图2所示,其主要特点是采用 分段弹簧元件,端部两段弹簧的安装与固定式相同, 其它若干段弹簧则不加固定,各段之间适当留有间隙。在流体的作用下,各段弹簧之间相互发生弹性碰撞,弹簧很容易产生显著的径轴向振动,沿轴向还会 产生穿梭式的运动。同时,各小段弹簧本身也较易发生转动(固定于端部的弹簧除外)。因此,在较低流速下就能达到较好的清洗效果。研究结果表明[5],该弹簧清洗系统适用于流速为0·3~1m/s的工况。选用较粗线径的弹簧,也能用于更高流速的工况,除垢效率一般可达80%左右,换热器的总传热系数可提高20%以上。这种结构的最大优点是在较低的流速条件下就能获得较好的除垢效果,同时便于控制管程压 力降。因此在涉及高粘度,较脏和易结垢物料的换热器中应优先考虑这种在线清洗技术。通过对炼油厂大量实际换热器单元进行的计算和分析,发现高粘度物流的流速到达0·7m/s以上时,若管程加入弹簧插入物,则压力降经常大到难以接受的程度。但固定式和旋转式弹簧清洗系统将会受到流体允许压力降的制约,而分段式结构对此则显示出较大的优越性。
2·3 大空隙率绕花丝多空体
该项技术是由清华大学开发成功的[6],绕花丝多 孔体是由金属丝按照设计出的最佳尺寸用专业的工 艺制成的一种绕花状元件,结构如下图3所示,它的 空隙率很大,一般在95%以上,绕花丝可以紧贴管内 壁插入管中,由于其本身的弹性作用,依靠与管壁的 摩擦力,可在管内牢固地定位,制造简单、安装方便。 实验结果和实际应用表明:用流速大于0·8m/s的清 洗水冲刷装有绕花丝多孔体的换热器,可以比较干净 地除掉丝上、管壁上的垢物。因为,当水速达到 0·8m/s时,水流将产生强烈的弥散涡流,对管壁有很 强的冲刷效应。因此,使用绕花丝多孔体后,换热器 管程污垢显著降低,管程压力降仅为光管时的1~ 1·5倍,而总传热系数提高2倍左右。
2·4 旋转式弹簧法
俞秀民[7]等提出的旋转式弹簧法的结构如图4 所示。弹簧两端采用活动方法支承,在流体的作用下,弹簧除了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。这种结构的优点是在较高的流速下,弹簧因能整体转动可擦洗传热面而具有较高的除垢效率。缺点是弹簧两端的支承较复杂,并存在磨损问题,安装不 如固定式弹簧容易。
3 流体动力自转法
3·1 自动螺旋线法
俞秀民[8]等设计的自动螺旋线的结构如图5所示,由一根螺旋线和轴向固定用的入口支撑组成,管程液体在管内的流动受到螺旋线的阻碍和导向而产生螺旋线流动,同时由于螺旋线的轴心线与管的轴心线不重合,管内将产生一股偏心的螺旋环流,这种螺旋环流和螺旋线的漩涡脱离共同作用,使螺旋线发生随机振动。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线环流反向的工作力矩,驱动螺旋线连续地旋转。此外,工作时螺旋线还有一定的轴向运动,其幅度在流量波动的时候更大。由于螺旋线的连续转动和横向随机振动及轴向运动,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、自动防垢除垢的目的,并使管内对流传热过程中的边界层得到有效的扰动而产生比清洁污垢时更好的强化传热作用。
俞天兰[9]等提出以塑料包覆的大截面钢丝螺旋线来解决自动清洗钢丝螺旋线的流体动力自转力矩弱和磨损问题以及塑料扭带的不耐高温问题,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。试验研究表明,这种塑包钢丝螺旋线能够在较低流速下自动清洗,适用面较广,并且管内污垢 的自动清洗能力强,对流传热强化的幅度达到53%, 比钢丝螺旋线高60%,设备阻力不大,结构简单,成本低廉。
3·2 旋转扭带法
旋转扭转法是在每根换热管中流体的进口端固定安装一根清洗扭带,利用工质本身流过扭带所传递的动量矩,使置于换热管内的扭带旋转。由于扭带本身的柔性和旋转作用,使得扭带在旋转中不断地刮扫 和撞击换热管壁面的作用,从而达到清洗管内污垢、抑制污垢沉积和强化传热的目的。
俞秀民[10]等设计的自转塑料扭带除垢的结构如图6所示。在每根传热管内,悬挂一条特制的塑料除 垢扭带。在直径方向上,扭带与管内壁面之间具有较 大的(0·4m以上)间隙,能够自由旋转。在轴心线方 向上,采用入口轴承架和钩头轴将其悬挂定位。生产 运行时,传热管内的流体在扭带的导流作用下呈螺旋 线下流,按牛顿力学第三定律流体势必反作用于塑料 扭带,其周向力推动扭带旋转,扭带的两侧面就不断 地刮扫传热管内壁面上的污垢,达到自动、连续地除 垢、防垢的目的。
李群松[11]等提出了一种具有旋流口椭圆齿的新 型平带。在平带的椭圆齿前两侧设计交错排布的旋 流口,使传热管内的液体形成类似斜齿螺旋扭带那样 的螺旋线液流,从而使旋流口椭圆齿平带同样具有斜 齿螺旋扭带能够在较低流速下可靠自转清洗防垢的 功能。由于平带上轴向等距离排布的椭圆齿齿后产 生大量强烈的涡流,使管内的对流传热得以非常有效 的强化,管内侧传热膜系数比空管时提高近一倍,其 强化幅度达到光滑扭带的6倍以上,结构如图7。虽 然流体阻力远高于光滑扭带,但是设备阻力仍然在一 般工程容许的范围内。这种新型结构的旋流口椭圆 齿平带可以注塑成型,制造费用低、制品质量好,便于 大批量生产和推广应用。
4 结 语
换热管内强化传热及在线清洗的研究近年发展很快,有内外循环流化床法、自转螺旋线法、自转塑包 螺旋线、自转塑料扭带技术等,但是这些清洗技术存 在管内插件结构复杂、可靠性不高、设备费用偏高、磨 损较快等不足,而旋流口椭圆齿平带则具有结构简 单、可以注塑成型、磨损小等优点,应用前景看好。
[参 考 文 献]
[1] 陈国平,张柱银·粒子流态化自动清洗技术的研究[J]·冶金能 源,2004,23 (4):56-59·
[2] 韩国军,赵振文·外循环式液一固流化床换热器实验研究[J]· 石油化工设备,2005, 34(3):12-15·
[3] 陈鸿斌·换热器的结垢及其管内插入物在线清洗[J]·医药工程 设计,1997,(6):1-4·
[4] 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,1994,24(3):57-62·
[5] 别东生译·换热器防污系统[J]·炼油设计, 1998,18(4):26- 27·
[6] 罗棣庵,尤先先·高效强化换热技术一大空隙率绕花丝多孔体 [J]·压力容器,1995, 12(1):24-32·
[7] 俞秀民,俞天兰,叶 施仁·列管式水冷设备自转塑料纽带自动除垢防垢技术[J]·湘 潭大学自然科学学报,1998,(3):120-123·
[8] 俞秀民·传热设备污垢清洗及其传热强化技术[J]·石油化工设 备·1990, 19(2): 35-37·
[9] 俞天兰,刘桂英·动力轮强化塑包钢丝螺旋线自动清洗与传热 强化技术[J]·工程设计学报,2006,13(2):95-98·
[10] 俞秀民,龚曙光,俞天兰·低水量立式水冷设备自动除垢防垢 技术[J]·化工机械,1998,25(4):16-18·
[11] 李群松,俞天兰·带旋流口的椭圆齿平带传热管内自动清洗及 其强化传热[J]·化工进展,2008,27(8):1298-1301·
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