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      哈雷釬焊板式換熱器
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      內插物強化傳熱及防垢除垢技術的研究進展

      點擊:1702 日期:[ 2014-04-26 21:39:31 ]
                        內插物強化傳熱及防垢除垢技術的研究進展                       張永秋1林清宇1生建文2郭鑫1     (1.廣西大學化學化工學院廣西南寧530004;2.南京工業大學機械與動力工程學院江蘇南京210009)     摘要:本文結合近幾年國內外強化傳熱研究情況,并針對不同的防垢除垢機理綜述了管內插入物的研究情況;提出了今后研究工作的發展方向。     關鍵詞:強化傳熱;防垢除垢;內插物     中圖分類號:TQ050 TK172文獻標識碼:A文章編號:1672-8114(2008)12-0015-05     引言     為了提高換熱器的換熱效率,采用各種辦法來增強換熱器內的傳熱即換熱器的強化傳熱;管內插入物技術就是最方便的一種強化傳熱技術,它的最大優點是,適合舊的換熱器的改造,不必額外增加換熱器,而且加工制造簡單,裝卸方便,大大地節省了投資;此外,內插物有助于清除管內污垢,即內插物具有強化傳熱和除垢的雙重功能,這是其他強化傳熱技術所無法比擬的[1]。     目前國內外對內插物的研究很多,并應用于工業生產中,對節能、能源的充分利用起到了重要的推動作用;一些常用插入物內插物有:環式、拉希格圖、盤式、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶、靜態混合器和徑向混合器等;不同的管內插入物具有不同的形狀,強化傳熱的機理也不同。下面介紹幾種常用的管內插入物的研究情況。     1·彈簧插入物     華南理工大學化工所研究發現:在傳熱介質流動作用的帶動下發生彈性振動,不斷地頻繁敲擊壁面,使傳熱面的邊界層的流動受到了強烈的擾動,因此獲得了在線自動除垢和強化傳熱的雙重效果。研究還發現,移動彈簧在線防垢除垢和強化傳熱過程中,流體的流速存在最低極限,高于此流速,彈簧受流體沖刷振動,使污垢形成過程始終維持在誘導期內,這樣傳熱膜系數不會下降,而且有所提高;低于此流速,則不利于防垢及強化傳熱[2]。     1.1固定式彈簧在線清洗     固定式彈簧在線清洗-該技術由長嶺煉油化工廠設備研究所研發成功(見圖1)。該技術將彈簧的兩端繞緊于細桿上,并固定于換熱器管板上。系統結構簡單,安裝方便,適用于管內為過渡流動或湍流流動的工況。                    1.2旋轉式彈簧在線清洗[3]     旋轉式彈簧在線清洗-該技術由湘潭大學開發成功。在該系統中,彈簧兩端采用活動方法支承。在流體的作用下,彈簧除產生徑向和軸向振動外,還會產生整體的連續轉動,對傳熱面上的污垢產生較好的擦洗作用。                    1.3分段式彈簧在線清洗     分段式彈簧在線清洗-該技術由法國ELF公司于20世紀80年代末期開發成功。該技術在結構上采用了多段彈簧,其中端部兩段彈簧采用與固定式清洗系統相同的安裝方式,管中間的若干段彈簧則不加固定并在彼此間留有空隙(見圖3)。該技術在較低的流速下就能達到較好的清洗效果,而且也便于控制管程壓降。                     2·螺旋線圈     這種技術最早見諸于1974年的德國專利DE2224728,在此基礎上改進的有1985年蘇聯專利SU1158846。起初螺旋線圈都是靠外部動力帶動螺旋轉動來刮掃換熱管內壁的污垢;后來針對外力驅動的刮面式傳熱設備普遍存在的結構復雜、高成本、低可靠性的問題,提出了流體驅動的螺旋線清洗技術(見圖4)以及防磨損自轉塑料螺旋線自動清洗技術[4]。除了強化傳熱方面的權威學者Bergles等在這方面的研究外,近年來國外關于螺旋線強化傳熱的研究也很多[5]。                        其結構原理是每根傳熱管內安裝一套包括自轉流振螺旋線。生產運行時,在管內流動液體的作用下,產生以自動連續旋轉為主,包括徑向的隨機振動、軸向的往復游動的復雜運動。這種復雜運動的螺旋對管內表面產生有效的自動清洗防垢作用。     3·繞花絲內插物     繞花絲內插物是由幾組相同的線圈環繞同一中心軸線扭轉而成,形成一種特殊的多孔體,它是由網狀物發展而來,只不過繞花絲比網狀物的空隙率要大,以避免產生過大的壓力降[1]。清華大學對繞花絲內插物強化管內空氣對流換熱進行了實驗研究,結果表明繞花絲內插物同時具有徑向混合、螺旋流、擴展表面和粗糙表面的作用,是臨界的雷諾數大大降低,誘發湍流,存在最佳結構參數使阻力增加較小,而強化傳熱效果最好[2]。                       4·靜態混合器     靜態混合器是國外20世紀70年代初發展起來的新型設備,它沒有運動部件,依靠設備的特殊結構和流體的運動,使互不相溶的液體各自分散并彼此混合,從而達到良好的混合效果[6]。靜態混合器出了產生混合作用外,在管壁上還可以更新液膜和增加該處的速度梯度,故它可減薄甚至破壞管內傳熱滯流層,使換熱器的總傳熱系數大大增加。目前常用的有兩種靜態混合器應用較為廣泛:Kenica和Koch-Surer[1]。                     5· CT內插物[7]     交叉梯形波帶(簡稱CT插入物)(見圖7)。當流體團塊移到壁面后,沿平直段繼續靠壁面流動,與壁面充分換熱后再沿斜片流回中部;同時平直段能有效地降低流體阻力,因此這種CT插入物結構形式特別適用于高粘度和超高粘度的流體強化傳熱。CT插入物與螺旋紐帶、螺旋線和靜態混合器等不同,CT元件是由二三條梯形波浪帶交叉組成。它通過引導和置換流體產生擾流但不產生離心力,依靠波浪斜板使中間流體移置壁面,壁面流體移置中間,促使邊界層產生擾流。因而其防垢和強化傳熱性能優于其它形式的插入物。     6·內插扭帶     6.1螺旋扭帶在線清洗技術     插入管內的扭帶和流體的相互作用會生成復雜的二次流漩渦現象,同時還會出現邊界層中流動緩慢的流體和流核區流體相互混合的現象[8]。自轉清洗扭帶具有在線自動清洗污垢和強化傳熱的雙重功能,研究者以內置自轉塑料螺旋扭帶換熱器為研究對象,對換熱管中有、無自轉扭帶時污垢的粘附速率、換熱器的動態污垢熱阻、管壁的磨腐速率進行了工業應用對比試驗研究[9][10]。                     6.2流體動力齒帶自動清洗技術[11]     流體動力齒帶自動清洗也是一新技術,其結構如圖9所示。螺旋扭帶上的每個斜齒都是自轉動力結構元件,可以有效地強化自動清洗扭帶的旋轉力矩,因此,塑料斜齒扭帶能夠廣泛地用于0.5m/s以上的較低流速傳熱管內污垢的自動清洗防垢。同時螺旋扭帶上的每個斜齒又都是對流傳熱強化的結構元件,其中的弧線形斜齒扭帶的傳熱系數比光滑扭帶平均提高171%,因此也是一種高效傳熱強化元件。                     6.3旋流軸承自轉強化技術     運行時,冷卻水經過由軸承座的內筒、傳熱管壁、導流片構成的螺旋流道流入后,以成倍加快的速度及又顯著增大的旋流半徑,直接沖推塑料螺旋扭帶。這入口沖推力矩比較大,方向又與自轉清洗扭帶的自轉力矩同向,疊加的結果就可以使塑料扭帶的工作力矩比原先成倍增大[12]。                     7·液輪機在線自動清洗     廣西大學化學化工學院的林榕端教授等人研究發明了一項在線防垢、除垢新技術-換熱管內微型液輪機在線防垢除垢裝置。所謂微型液輪機是指在換熱管內放置有轉子,即一根直徑小于換熱管內徑的輪轂上焊上葉片(葉片有一定的寬度),如圖11。     微型液輪機與換熱管等長,當管內流體流動時,置于換熱管內的液輪機在換熱介質的帶動下發生旋轉,自動連續地擦刮刷洗管壁,從而達到防垢除垢、強化傳熱的目的[13]。                    另外Smith Eiamsa-ard和Pongjet Promvonge也對類似葉輪機的內插物進行了相關的研究,其實驗插入物的外形見圖12所示[14]。                     8·錐形插入物和片條插入物     最近幾年國外又出現一些其他的內插物,如圓錐環狀插入物和百葉窗式條狀插入物;實驗時圓錐環狀插入物采用不同的排列方式(見圖13)和不同的徑比,這兩種是影響傳熱性能的重要因素,圓錐環狀插入物的管子比光滑管具有更高的傳熱性能[15]。百葉窗式條狀插入物能增加流體的湍流程度,實驗中插入物有前后兩種排列和不同的傾斜角度(θ=15°,25°和30°),如圖14所示;實驗結果同光滑管的經驗數據比較,從綜合性能方面考慮,向后排列式優越于向前排列式[16]。                     9·立交盤式插入物和星形插入物     一種低壓降的新型管內插人物-立交盤,立交盤的外壁側視圖為一圓,在與管路連接時,其外壁焊接于管路內壁之上,該圓直徑即為管路內直徑。流體穿過一塊盤即實現一次中央區和周邊區換位,完成一次分割一位移一匯合過程,發生一次邊界層強制深度剝離[17]。-另外還有具有星形截面的鰭狀插入物,見圖15,試驗時將鋁制的具有星形截面鰭狀插入物置于換熱器中,研究其對逆流換熱器的傳熱和壓降的影響,研究對象是工作介質為水的同心套管換熱器;經研究表明:外形為直的鰭狀插入物能更好的提高逆流換熱器的傳熱率,而外形彎曲的鰭狀插入物卻不能提高換熱器的傳熱率[18]。                  10·小結與展望     以上介紹了近幾年國內外常用的內插物強化傳熱除垢技術,但隨著技術的發展,將出現更新更高效的強化傳熱技術。     10.1復合強化傳熱     鑒于有些強化管內單相流體換熱的強化管件存在著加工工藝困難,強化程度受限的問題,采用兩種或兩種以上不同手段進行復合強,以期獲得更大傳熱強化效果的技術即復合強化傳熱技術;復合強化傳熱技術要求所采用的幾種強化措施,能夠配合默契以發揮其各自的特長,從而取得更好的傳熱效果[1]。隨著強化傳熱技術的推廣應用,許多換熱設備改造設計中已采用這一技術;常用的有螺旋槽管與彈簧的復合強化傳熱[19],螺旋槽管與旋流器、扭帶、彈簧條的復合強化傳熱,帶有擾流線的內肋管的復合強化傳熱以及振動復合強化傳熱等[2]。     10.2利用納米流體強化傳熱技術的發展     迄今為止,在液體中添加的粒子都局限于毫米或微米級,由于這些毫米或微米級粒子在實際應用中容易引起磨損、堵塞等不良結果,而大大限制了其在工業實際中的應用;納米材料科學的迅速發展給強化傳熱領域帶來了新的機遇,有學者提出了一個嶄新的概念—納米流體:即以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或非金屬氧化物粒子,形成一類新的傳熱冷卻工質,這是一種提高液體導熱系數的有效方式[20]。換熱器中如果利用納米介質換熱,傳熱效率將大大提高,Eastman J A[21]以及Lee[22]等人也對納米流體強化傳熱技術做了深入的研究,并取得了一定的成果。   10.3計算流體力學(CFD)的發展     隨著計算流體力學(CFD)和數值傳熱學的發展,各種數值模擬技術不斷地被應用到強化傳熱技術中來,對各種支撐結構的性能和殼程流場的特性的研究可以通過計算機模擬來完成,因此在流體流動和傳熱計算模擬、仿真方面計算流體力學(CFD)將會得到更廣泛的應用;計算機模擬這種方法簡單、快捷,具有廣闊的應用前景,這也促使了更優化的傳熱組合的研究[23][24]。此外,換熱器的場協同原理也是今后強化傳熱技術發展的重要方向,并在此基礎上開發第三代傳熱技術[25]。 參考文獻: [1]崔海亭,彭培英.強化傳熱新技術及其應用[M].北京:化學工業出版社,2006. [2]錢頌文,朱冬生,李慶領等.管式換熱器強化傳熱技術[M].北京:化學工業出版社,2003. [3]王勤獲.管內彈簧插入物在線污垢清洗與強化傳熱技術[J].煉油設計,1994,2(3):57~62. [4]俞秀民,俞天蘭,彭德其.傳熱面流體動力機械在線自動清洗防垢技術及其新發展[J].清洗世界,2004,20(5):1~11. [5]Ebru Kavak Akpinar.Evaluation of heat transfer and energy lossin a  concentric double pipe exchanger equipped with helical wires[J].Energy  Conversion and Management 47(2006):3473~3486. [6]Pedro C.Sim?oes,Beatriz Afonso,Jo?o Fernandes.Static mixers asheat  exchangers in supercritical fluid extraction processes[J].J.of Supercritical Fluids,43(2008)477~483. [7]朱冬生.插入物強化管殼式換熱器管內高粘度流體的傳熱[J].石油煉制與化工,1998,29(7):39~41 [8]林宗虎.強化傳熱及其工程應用[M].北京:機械工業出版社,1987. [9]張琳,尤一匡,錢紅衛等.換熱器自轉螺旋扭帶自動阻垢技術應用研究[J].化學工程,2006,34(3):16~19.
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