换热管内置塑料扭带阻力及转动特性的试验研究

点击：1673 日期：[ 2014-04-26 22:01:05 ]

换热管内置塑料扭带阻力及转动特性的试验研究赵海全林清宇张永秋易凯林榕端（广西大学化学化工学院，南宁 530004）摘要：换热管内置自旋扭带能够起到在线除垢防垢和强化传热的双重作用，是换热器节能降耗的有效途径之一。为了研究扭带的主要结构参数对扭带阻力及转动特性的影响，将 9 根不同结构参数的塑料扭带安置到换热管，比较在不同流速下，扭带管的压力降和扭带转速的变化规律。用多元线性回归方法，推导出了实验状态的扭带阻力﹑扭带转速关联式。结果表明，除流速外，扭带节距和带宽是影响压力降增量的主要因素；扭带节距是影响扭带转速的主要因素。为以后有效制作和选取扭带提供了理论依据。关键词：塑料扭带;换热管;在线除垢防垢;压力降;转速中图分类号:TQ050 文献标识码:A 文章编号：1672- 545X（2008）11- 0007- 03 由于能源消耗巨大，节能的意识日益深入人心。有效的改善换热器，增强其强化传热是节能的有效途径之一，而且潜力巨大。开发能够提高传热效率，节省材料的新型高效节能换热器是当前的紧迫任务。在实际生产中，换热器运行一段时间后，尤其是涉及制糖、制盐、造纸等蒸发工艺的加热过程普遍出现不同程度的结垢现象。污垢的存在,严重降低了换热的总传热系数，使强化传热效果明显下降[1～2]。针对这一情况，采用在换热管内插入塑料扭带，以实现在线连续除垢、防垢及强化传热的目的。自旋扭带是利用换热管内介质自身流过扭带所传递的动量矩使其旋转，并有随机的径向摆动和少量的轴向运动，由于扭带不断刮扫和撞击管的内壁，使管内不易结垢并可以除去原有污垢,而且扭带不断地破坏流体滞流边界层，增加扰动，能够有效起到强化传热的作用[3～4]。本文以水为介质，对三种宽度、三种扭转比的塑料扭带进行了研究，以探讨不同宽度、扭转比、节距的扭带在换热管内阻力及转动特性，并在大量数据的基础上，建立了扭带阻力及转速试验关联式，为以后有效制作和选取扭带提供了理论依据。 1 实验方法及方案 1.1 实验装置实验系统如图 1 所示: 实验段的换热管是一根竖直放置的长 2956mm、直径为 Φ42mm×2.5mm无缝钢管，管内介质为冷流水，通过在管内安置不同规格的塑料扭带对水作用。水的流程为：水箱中的水在水泵的作用下，通过调节阀，电磁式流量计，流经一上行管后，进入装有扭带的实验管，最后再排入水箱，如此往复循环。此实验中，当水流出实验管并未直接流入水箱，而是又流经一上行管后流入水箱，原因在于：如果水流冲下实验管直接排入水箱，会导致测得的压力和转速不稳定，此上行管，起到缓冲和稳定的作用。在实验过程中，缓慢调节流水阀，控制流量到适当的测定点，注意记录起转流量，待每次稳定后，从电磁式流量计、U 型压差计中读出流量和压力差，用手持数字测速仪对准视镜测量扭带的转速。 1.2 扭带的结构及参数扭带是由厚 2mm、密度约为 1.0184kg/m3 的塑料，按照不同宽度和扭转比制作而成,有效长度为 2900mm。扭带主要结构参数为节距 H、宽度 D、扭转比 Y（Y=H/D）参照图 2。扭带的编号采用 D- Y，例如，19- 4.0,表示宽度为 19mm、扭转比为 4.0 的塑料扭带，为了有效对比扭带宽度和扭转比对压降及扭带转动的影响，实验中共采用三种宽度，三种扭转比九种规格的扭带进行试验（见表 1）。 2 实验结果及分析 2.1 流体阻力特性分析如图 3、图 4 所示，选取部分插有扭带后换热管的压降与空管压降进行比较。图 3，选取三根扭转比(Y)相同,宽度(D)不同的扭带；图 4，选取三根宽度(D)相同，扭转比(Y)不同的扭带。从图 3、图 4 中我们可以看出扭带管的压降与光管相比变化趋势一致，都成抛物线趋势，但整体要高于空管压降。由文献[5]知，安装了自旋扭带换热管的流体压力降△P 由两部分组成，一部分是流体与管内壁摩擦力引起的压力降，即未安装自旋扭带换热管的流体压力降为△P1；另一部分是流体与自旋扭带摩擦引起的压力降,即扭带压降为△P2。 △P2=△P- △P1 （1）所有装入扭带换热管压降△P 与空管的压降△P1 都是随流速 u 的增大迅速增大近似成二次曲线的关系，只是抛物线开口不同，通过非线性拟合，得出流体压力降的回归方程（见表 2）：用式（5）计算九种型号扭带在不同流速下的扭带压降，所计算得的结果与实验值相比较有 90.33 %的数据偏差在 10% 以内。从式（5）中可以看出在相同操作条件下自旋扭带的宽度 D 和扭转比 Y 是影响扭带压降的主要因素，扭带压降随着扭带宽度 D 增加而增大；随着扭转比 Y 减小而增大。 2.2 扭带转动特性分析为实现换热设备的在线除垢、防垢、强化传热，扭带必须有良好的转动特性。图 5 表示 9 根扭带转速 n 与流速 u 的回归曲线。从中我们可以看出：（1）扭带在液体流速很低的情况下即可转动，9 根扭带起转流速范围是 0.31~0.675 m/s。（2）扭带无上速限制，扭带的转速随液体流速增加而增加，且成线性关系。（3）转动效果最好的是型号 19- 4.0（节距 H 最小）的扭带，转动效果最差的是型号 23- 6.5（节距 H 最大）的扭带。（4）转速 n 与流速 u 有负截距，原因是自旋扭带不可避免地需要克服与换热管内壁及轴承支撑处的摩擦才能起转。由于转速 n 与流速 u 成线性关系，所以所有扭带转速方程均可以回归成 n = au - C：以回归直线斜率 a 为纵坐标，扭带节距 H 为横坐标作图，如图 6 所示：我们可以从表 3 以及图 6 都可以很直观的看出，整体上扭带节距 H 越大，斜率 a 就越小即扭带转速的增量也就越小。同样参照文献[6]，通过线性回归分析，可得到 9 根自旋扭带的转速与流速 u﹑扭带宽度 D，节距 H 的关联式为：适用范围为：（1）8000<Re>46000；（2）自旋扭带的带宽 D＝19~23mm；（3）扭转比 Y＝4.0~6.5。用式(6)计算九种型号扭带在不同流速下的转速，所计算得的结果与实验值相比较有 86.2 %的数据偏差在 10%以内。通过式（6），我们也能看出影响换热管内自旋扭带转速 n 的主要因素是流体流速 u 及扭带节距 H。u 越大，n 越大，两者成线性关系；H 越大，则 n 越小，扭带宽度也会对转速有一定的影响，但受到换热管内径的限制，D 不宜过大，否则刮擦管壁严重，流阻也会增加。 3 结论（1）流体压力降与流体流速 u 成二次曲线关系，压力降 △p随着流速u增加而增大；（2）自旋扭带节距 H 和带宽 D 是影响压力降增量△p 的主要因素：△p 随着扭带宽度的增大而增大，随着节距 H 的增大而减小；（3）扭带转速 n 与流体流速 u 成线性关系，转速 n 随着流速 u 增加而增大；（4）影响扭带转速 n 的因素是流体流速 u、扭带节距 H 及扭带宽度 D，其中前两者为主要的影响因素，转速 n 随着扭带节距 H 的增大而减小；（5）进行多元线性回归，推导出了实验状态的扭带阻力﹑ 扭带转速关联式；（6）自旋扭带具有良好的综合性能，产生阻力小﹑能够在很低的流速下起转，转速高，能够满足一般换热设备的流体阻力及工作流量的要求具有较高的工程和经济价值。参考文献： [1] STEINHAGEN R，STEINHAGEN H M，MA ANI K．Problems and costs due to heat exchanger fouling in New Zealand industry[J]．Heat Transfer Engineering，1993，l4(1)：19- 30． [2] 朱冬生，卜穗安，谭盈科．管壳式换热器的防垢、强化传热技术 [J]．海湖盐与化工，1993，23（5):20- 24． [3] 林榕端，林清宇，冯庆革，石卫军，换热管内微型液轮机研究[J].机械工程学报，2001,37（7）：41- 43. [4] 林清宇，林榕端，李培宁.换热管内自动除垢液轮机主要结构参数试验研究[J].中国机械工程，2004，15(4):346- 348. [5] 林清宇，林靖宇，林榕端.内置自旋扭带换热管流阻的计算[J].石油机械，2007，35（9）:39- 41. [6] 林清宇，林靖宇，林榕端，等.管内自旋扭带转速的研究[J].中国机械工程，2007，18（16）:1970- 1973.

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