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换热器内自转螺旋扭带除盐防垢研究点击：1873 日期：[ 2014-04-26 22:01:05 ] |
| 换热器内自转螺旋扭带除盐防垢研究 向寓华1 李群松1 刘 宏1 易 伟2 俞秀民2 吴子红1 (1·湖南化工职业技术学院 2·湖南工业大学) 摘要：传热设备普遍存在不同程度的结垢而导致其传热效果下降,为实现传热管的自动清洗, 进行了传热管内自转扰流元件在不同流速下的传热强化及除盐保洁技术的模拟试验研究。依据结 晶动力学原理设计模拟试验方案,采用38mm×3mm×2000mm不锈钢管内通NH4Cl热饱和溶 液,管外加碳钢套管通冷却水冷却,传热管内分别采用钢丝螺旋结构和塑料扭带进行试验。试验 结果表明,在流体雷诺数Re不超过43000的情况下,同等试验条件时,钢丝螺旋结构和塑料扭 带在达到平衡时的总传热系数分别比空管提高224%和273%,且塑料扭带除盐效果优于钢丝螺旋结构,可以实现长期连续生产。 关键词：结晶盐 换热器 传热管 自动清洗 螺旋扭带 防垢 引 言 传热设备普遍存在不同程度的结垢而导致其传 热效果下降,污垢使换热器的运行效率下降的平均 幅度达50%[1]。根据对某碱业公司外冷器工作情 况的调查发现,刚清洗的管外氨蒸发冷却压力 (绝对)为0·44MPa,对应温度为0℃,传热温差 为7·5℃;管壁结盐后管外氨蒸发冷却压力(绝 对)为0·24MPa,对应温度为-15℃,传热温差 为22·5℃。通过传热学的基本计算式Q=KSΔT (Q为热功率,K为传热系数,S为散热面积,ΔT 为升温)对传热效率进行计算分析,发现管壁结 盐后的传热系数比刚清洗后的传热系数下降了 67%。另对某市盐矿脱硝每台236根管38mm×2 mm×6000mm的冷却器的情况调查发现,刚清洗 后的处理流量为310m3/h,传热温差为5·5℃。 管壁结盐后,处理能力下降为200m3/h,相应的 传热温差为13·0℃,通过计算分析,结盐后传热 系数为原来的28·2%。 上述调查表明,强化换热器的传热性能是国内 外面临的一大难题,故各国学者的研究方向主要集 中在传热管的自动清洗上。目前,能够有效地自动清洗传热管内污垢的技术有循环流态化、自转螺旋 线、自转扭带等[2],也有报道称能利用传热流体 的动力实现传热面在线自动清洗,同时使流体边界 层传热过程得以有效强化。 为实现传热管的自动清洗,笔者进行了传热管 内自转扰流元件在不同流速下的传热强化及除盐保洁技术的模拟试验研究。 传热管内自转螺旋保洁的技术原理 其技术原理(见图1、图2)是直接利用饱和溶液的循环流动能,带动传热管内的自动清洗保洁元件———钢丝螺旋线或塑料扭带旋转,实现传热管内自动清洗保洁。同时,旋转的元件频繁地扰动边界滞流层,使管内对流传热过程中热阻最大的边界滞流层的传热过程得到有效强化[3],以此达到降低能耗、提高生产能力的目的。 与塑料螺旋有些类似的技术有1974年的德国专利DE2224728和1985年的苏联专利SU1158846。这些专利技术都是靠外部动力带动螺旋带或螺旋丝 的旋转来刮扫传热管内壁的污垢,其主要缺点在于需靠外部动力驱动,需要大量的齿轮、轴和轴承, 结构十分复杂,设备费用高,并且对管壁的磨损问 题不能解决。 笔者研究的螺旋技术优势在于:一是直接利用 饱和溶液的循环流动能来驱动除垢元件———螺旋扭 带转动,无需外部动力,省去复杂的传动机构和密 封装置,结构大大简化,设备费用大幅度降低;二 是螺旋扭带采用耐高温的塑料(例如PSU)制造, 能避免管壁磨损;三是兼具传热强化功能,自转螺 旋扭带除垢防垢消耗的机械能必然同时扰动边界滞 流层,使对流传热过程强化,达到自洁和高效传热的双重目的。 模拟试验设计 新结构的热态模拟试验装置费用大,特别是需 要大功率的热源等配套条件。为此,笔者根据结晶 动力学原理,将传热面结垢清洗问题转换为冷却面 过饱和溶液的结晶盐垢清洗问题进行动力学模拟试验。 在自动清洗技术模拟试验方案的可靠性设计中,试验方案设计应遵循如下3条基本原则: (1)传热面有足够大的过饱和度来模拟快速 结垢的恶劣工况; (2)饱和溶液的流动速度在实际生产范围内, 使模拟试验结果能够有广阔的工程应用范围; (3)传热管的结构尺寸直接采用工程实际尺 寸,以提高应用的工程可靠性。 试验装置 试验装置如图3所示。38mm×3mm×2000 mm不锈钢管内通入温度在45~48℃的NH4Cl热 饱和溶液,在管外加碳钢套管62mm×2·5mm× 1820mm,通冷却水冷却。管外冷却水温度20~30℃。试验时确保溶液为NH4Cl过饱和盐液。 试验结果及其分析 1·传热强化 在上述装置中将溶盐槽换成恒流蒸汽发生器 并以蒸汽为介质研究不同结构参数的样带(表1 在不同雷诺数下的传热系数,如图4所示。 由图4可知,传热管内各试验样带均产生较好 的传热强化效果,在同一雷诺数下,平齿带的传热 效果最好,雷诺数Re在8000~43000的范围内, 光滑扭带、钢丝螺旋线、斜齿螺旋线、平齿带强化 效果依次增强。超过43000以后,传热强化的幅 度呈下降趋势。另据报道[4-6]:弧线形斜齿螺旋扭 带和螺旋光滑扭带在雷诺数Re为10000~40000的范围内传热系数比光滑平带的传热系数平均能提 高170%。随着雷诺数的增大,传热强化的幅度略 有下降。 2·除盐保洁强化 采用图3所示装置进行除盐保洁技术的模拟试 验研究。试验采用的钢丝螺旋线和塑料扭带的宽度 为26·5mm,螺距为30和70mm,根据传热学的 基本计算式Q=KSΔT对传热效率进行计算,绘出 传热系数曲线图(图5)。 从图5可以看出,空管运行时传热系数下降很快,连续运行120min后,传热系数下降85%,与实际设备生产工况相似甚至还恶劣一些。管内装螺旋钢丝运行180min后传热系数趋于稳定,而管内装塑料扭带运行140min后趋于稳定,运行240 min后的传热系数仍保持较高水平。管内装螺旋钢 丝和塑料扭带均能改善传热管内除盐状况,2种内插件稳定时传热系数的最低值分别比空管时提高了224%和273%,且塑料扭带比螺旋钢丝传热强化 效果好。 连续运行320min后停车,拆卸观察的结果 是:装塑料螺旋扭带的套管段无盐垢;无塑料螺旋扭带的套管段盐垢厚度约1·5mm;无塑料螺旋扭带、也无套管段的盐垢少。 结 论 (1)扰流元件在流体雷诺数为35000~40000 之间传热强化明显,Re在43000以上强化幅度呈下降趋势。 (2)传热管内壁盐类结晶垢的生长速度模拟是成功的,连续运行120min后,传热系数下降85%,与实际设备生产工况相似甚至还恶劣一些。 因此,试验结果的工程应用具有较好的可靠性。 (3)装钢丝螺旋线和塑料扭带后的传热系数最低值分别比空管的传热系数值提高了224%和273%,说明由饱和溶液带动塑料螺旋扭带的自 清洗能力可以满足一般结晶盐设备实现长期连续生产的要求。 (4)长时间连续试验过程中,无塑料螺旋管段的盐垢少,说明工程应用时不会在非传热管的输送管路结起很厚的盐垢,长期连续生产不会影响系统的可靠性。 参考文献 [1] 俞天兰,蒋少青,刘桂英,等·我国冷冻水冷器设 备污垢影响的能量损失研究·低温工程,2002 (3):34-36· [2] 蒋少青,俞天兰,彭德其,等·外螺旋塑料管自动 清洗及其传热强化技术的研究·冷饮与速冻食品工 业,2005,11(1):15-18· [3] 彭德其,俞天兰,俞秀民,等·盐蒸发器加热管结 晶盐自动清洗技术研究·海湖盐与化工,2001,30 (4):28-30· [4] 彭德其,林伟璐,俞秀民,等·斜齿扭带传热强化及 其自动清洗·中国井矿盐,2004,35(3):32-34· [5] 张柱银,陈国平,俞天兰,等·斜齿塑料螺旋扭带 自动清洗及其传热强化的研究·化工科技,2004, 12(3):1-3· [6] 张 琳,俞秀民,宣益民,等·自转清洗扭带管对 流传热强化机理的实验研究·热能动力工程,2003, 18(6):608-610· |
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