引言
換熱設備在石油、化工、冶金、動力、製冷等許多工業生產領域中有著廣泛的套用。據統計,現代石油化工企業中,換熱設備的投資要占全部設備投資的30%～ 40%[1]。然而,換熱設備在運行中普遍存在污垢沉積問題,由於污垢的導熱性極差,是鋼的2%～ 3%,其後果是造成換熱器的傳熱效率大大降低,污垢使我國換熱器的運行效率平均下降幅度為50%[2]。傳熱設備的污垢所造成的能源浪費和經濟損失是驚人的。在我國,對於換熱設備,平均每1 mm水垢要多消耗能源7%～ 9%,換熱效率降低10%～ 20%[3]。例如某廠大修的水冷器結垢幾乎把換熱管堵死,大修時花費大量的人力物力來清洗,有的換熱管子無法再清洗,只能堵管或更換芯子。因此,研究換熱表面污垢防止、自清潔對強化傳熱、節能降耗、提高經濟效益有著十分重要的意義。
自轉螺旋紐帶清洗技術具有線上清洗除垢、防垢及強化傳熱的雙重功效。
工作原理
自動螺旋紐帶工作原理如圖1所示。在每根換熱管的流體進口端安裝1根塑膠扭帶,利用傳熱介質自身流過扭帶所傳遞的動量矩使扭帶旋轉,不斷地刮掃和撞擊管內壁,從而達到清洗管內污垢、抑制污垢沉積和強化對流傳熱之目的。
自轉螺旋紐帶雖然紐帶在不同的套用場合,其工作原理和作用都是相同的。但由於管內介質工況條件差異以及換熱管安裝方式(立式、臥式)的不同,同一規格的紐帶在不同工況下工作時所表現出來的功效就不可能相同,試驗證明有的還相距甚遠。
自轉螺旋紐帶結構最佳化的目標
紐帶結構最佳化的首要目標是增大其防垢除垢能力;其二是提高它強化傳熱的功效;其三是減少由於管內插入紐帶所導致管內介質流動阻力的增加,亦即降低能耗。而換熱管有不同的安裝方式,其工況條件又不盡相同。如立式水冷器冷卻水的的截面平均流速均在0.1～ 0.5m/s以下[1],由於真空冷凝器管內流速通常在1.5m/s以上。所以任何一種規格的紐帶要在這樣兩種不同的套用場合都獲得上述三個方面的最佳綜合功效是絕對不可能的。因此,有必要根據具體情況確定出特殊結構的紐帶而取得最佳的經濟效益。
管內流動介質的動力分析
流體的流動分析
流體在插有螺旋紐帶的管內流動,其流域存在兩個不同的區域,即紐頻寬度範圍內區域和管子與紐帶所形成的環形區域。
①在與紐頻寬度相等的直徑範圍內的流體運動按照運動學原理,流體流動角速度ω′應是流體相對於螺旋紐帶的運動角速度ω1與螺旋紐帶自轉的牽連角速度ω2之矢量和,即ω′= ω1+ ω2。由於螺旋紐帶自轉角速度ω2與流體相對於螺旋紐帶角速度ω1的方向一定相反,因此可表示為ω′=ω1-ω2。其中ω1= 2πu/ Hu=管內截面上介質平均流速;H-紐帶螺距;ω2=紐帶自轉角速度。
②在管子與紐帶間隙區域裡流體的運動假定自轉式螺旋紐帶與管子之間的間隙處於邊界層範圍內,對於湍流下Pr> 1的流體,在此區域內流體運動角速度可近似地認為是線性分布的。即:ω″=R- rR- B/2·ω′=(R- r)(R- B/2)(2πuH-ω2)(B/2≤ r≤ R)
紐帶清洗動力矩M的理論關係式推導
螺旋紐帶在管中受到流體作用的動力矩(亦即清洗動力矩M),反向等值於流體流經管內得到是動量矩的增量ΔM。由於流體流動存在兩個不同的區域,因此總動量矩增量應是兩個不同區域中流體動量矩增量之和:
即ΔM=ΔM′+ΔM″
①ΔM′與ΔM″的計算式據動量矩方程可知,紐帶作用於流體的力矩M為:
M=∫ R0d(ρQ)vr-∫ R0d(ρQ)v0r
其中: v—流體的切向速度, v=ωr因流體是軸向流入管內, v0= 0; 故:
M=∫ R0d(ρQ)vr=∫ R0d(ρQ)ωr2
(0≤ r≤ R)
∴ΔM′=∫B/202πruρω′r2dr1
32πuρB4(2πuH- ω2) (1)
ΔM″=∫ RB/22πruρω″r2dr
πρu/80(2R- B)·(2πuH-ω2)(16R5- 5RB4+ 2B5)。
∴ΔM= ΔM′+ ΔM″=1160π uρ(2π uH- ω2)(16R4+ 8R3B+ 4R2B2+ 2RB3+ B4) (3)
② M的理論計算式用P表示紐頻寬度與管徑之比,即P= B/(2R),則由(3)式可得:M=110πu·ρR4(2πuH-ω2)(1+ P+ P2+ P3+ P4)(4)由公式(4)可以得到如下幾點有意義的結論:
a.要想清洗力矩大則紐帶不宜過窄,螺距不宜太大。
b.要使紐帶可靠穩定自轉,流體必需具有一定的流速u。
自轉螺旋紐帶套用及特點
自轉塑膠螺旋紐帶不僅具有理想的清洗功能,同時也是管內對流傳熱的強化元件。自轉鋼絲螺旋紐帶的污垢清洗能力和傳熱強化功能都很強,但是因對傳熱管壁的磨損問題難以解決而無法在工程上廣泛套用。為克服管壁磨損的缺點,自轉塑膠螺旋紐帶選擇密度和管內流體密度相同並且與傳熱管壁材質摩擦磨損性能合理匹配的工程塑膠,使其始終處於懸浮狀態並且與傳熱管同心旋轉。目前使用的工程塑膠螺旋紐帶已經經過實驗室2 000 h的運行試驗,沒有發現磨損問題。在6MW發電機組冷凝器的2 000多根冷凝管中裝機試驗,運行1 a以上也沒有發生磨損。在循環水不是嚴格中性的化工企業的臥式冷凝器中試驗,282根規格為38mm× 3mm× 6 000mm的碳鋼管,經3 a運行也沒有發現磨損磨蝕問題。因此,所使用的材料在工程中的套用是安全可靠的。
結語
1.寬紐帶動力矩大,有較強的防垢、除垢能力。
2.在小流量立式水冷器中、宜採用寬度大、螺距小紐帶。
3.在大流量臥式冷凝器中、宜採用中寬度、中螺距紐帶。
