換熱器內(nèi)插件的研究進(jìn)展

換熱器內(nèi)插件的研究進(jìn)展

姜鵬，閻華，張震，楊衛(wèi)民

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029)

    摘要:介紹國(guó)內(nèi)外有關(guān)換熱器內(nèi)插件的種類(lèi)、其強(qiáng)化傳熱原理、研究現(xiàn)狀以及研究的發(fā)展方向。指出螺旋彈簧、螺旋紐帶和“潔能芯”轉(zhuǎn)子等內(nèi)插件的兩個(gè)主要作用:強(qiáng)化傳熱和在線(xiàn)清洗污垢，并總結(jié)出研究的新目標(biāo):以最小的阻力消耗為代價(jià)最大限度地提高換熱效率。
    關(guān)鍵詞:換熱器;內(nèi)插件;強(qiáng)化傳熱
    管殼式換熱器廣泛應(yīng)用于化工、電力、煉油、動(dòng)力、冶金、制冷等各個(gè)領(lǐng)域，然而此類(lèi)換熱器的仍然存在運(yùn)行效率低下的問(wèn)題，這是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的瓶頸，特別是在能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重的今天，解決換熱器的低效率問(wèn)題迫在眉睫，歸根結(jié)底就是要解決兩個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，其一，提高換熱設(shè)備的換熱效率;其二，減少換熱管內(nèi)污垢的沉積［1］。針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，近年來(lái)有很多學(xué)者都提出要以在換熱管內(nèi)加入內(nèi)插件的方式作為有效的解決方法，其中內(nèi)插件的主要形式有螺旋彈簧、螺旋紐帶和“潔能芯”轉(zhuǎn)子，它們都能在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，有效地減少污垢的沉積。
    1·研究進(jìn)展
    1．1螺旋彈簧
    理想污垢清洗技術(shù)的原則是利用傳熱流體的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)傳熱面在線(xiàn)自動(dòng)清洗，同時(shí)使流體邊界層傳熱過(guò)程有效強(qiáng)化［2］。針對(duì)以上原則，20世紀(jì)80年代國(guó)外便開(kāi)發(fā)了螺旋彈簧在線(xiàn)自動(dòng)除垢擾流技術(shù)，主要有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。1989年，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行固定式螺旋彈簧在線(xiàn)自動(dòng)清洗技術(shù)的工業(yè)試驗(yàn)和推廣應(yīng)用，取得良好效果［3］。呂志元等［3］于1993～1994年先后開(kāi)發(fā)了“自動(dòng)接卸除垢換熱器”和“自動(dòng)除垢擾流管式換熱器”和“自動(dòng)除垢擾流管式換熱器及電熱器”，并在油氣冷凝器中進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)和管口擋封技術(shù)的改進(jìn)，于1996年開(kāi)發(fā)了雙側(cè)作用型分段自由式螺旋壓縮彈簧在線(xiàn)自動(dòng)除垢擾流新技術(shù)。
    1998年呂志元等［3］又開(kāi)發(fā)了“穿梭式壓簧自動(dòng)除垢管式換熱器”，使壓簧擾流技術(shù)走向成熟，于1999年又對(duì)雙側(cè)作用型分段自由式壓縮彈簧在線(xiàn)自動(dòng)除垢擾流技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，此技術(shù)打破了原來(lái)單側(cè)作用的局限，結(jié)果證明，此技術(shù)可使傳熱系數(shù)增大1～4倍。
    徐建民等［4］對(duì)內(nèi)插螺旋彈簧換熱管和光管的換熱及其阻力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，內(nèi)插螺旋彈簧的存在增加了對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)的擾動(dòng)，使換熱管具有較好的換熱效果，尤其可觀(guān)的是，內(nèi)插螺旋彈簧的換熱管的強(qiáng)化傳熱綜合性能比光管提高了很多。
    國(guó)外對(duì)于螺旋彈簧也做了很多研究工作。Alberto Garcia等［5］對(duì)于安裝螺旋彈簧的圓管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與光管做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在湍流情況下，螺旋彈簧所造成的壓降是光管的9倍，而傳熱是光管的4倍;層流狀態(tài)下，保持同泵功率換熱效率是光管的二倍。數(shù)據(jù)表明其效果較油冷器、預(yù)熱器等其他強(qiáng)化技術(shù)更好。M．A．Akhavan－Behabadi等［6－7］對(duì)于不同直徑和節(jié)距的螺旋彈簧在蒸發(fā)器中的強(qiáng)化傳熱效果及其所造成的壓降做了實(shí)驗(yàn)研究，并總結(jié)出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，而且通過(guò)不斷修正以減少經(jīng)驗(yàn)公式的誤差，最后得出效果評(píng)價(jià)公式，為以后的實(shí)驗(yàn)研究奠定了理論基礎(chǔ)。
    螺旋彈簧在一定程度上可以通過(guò)擾流調(diào)高換熱效率，但是在能源日益緊張的今天，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其次，螺旋彈簧還不能很好地解決除垢、防垢問(wèn)題，在容易結(jié)垢的環(huán)境不能充分地發(fā)揮作用。
    1．2螺旋紐帶
    螺旋紐帶是一種簡(jiǎn)單的管內(nèi)旋流裝置，它是由寬度約等于管子內(nèi)徑、厚度約1～2 mm的薄片扭曲而成，它的基本工作原理劉舜堯等［8］有所介紹。螺旋紐帶內(nèi)插件的開(kāi)發(fā)進(jìn)一步加快了換熱器內(nèi)插件研究前進(jìn)的步伐，對(duì)此國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者做了大量工作，并取得了一些成果。劉志儒等［9］對(duì)流體動(dòng)力自動(dòng)清洗螺旋紐帶的污垢清洗力矩做了研究，通過(guò)動(dòng)量矩定理建立了螺旋紐帶的動(dòng)力矩理論計(jì)算式，并導(dǎo)出了螺旋紐帶的結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則。周立等［10］在此基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)著重針對(duì)紐帶在不同的應(yīng)用場(chǎng)合的特殊工況，分別提出了不同的紐帶優(yōu)化結(jié)構(gòu)。周立等［10］還對(duì)螺旋紐帶的寬度和螺距分別進(jìn)行了優(yōu)化比較，發(fā)現(xiàn)寬紐帶動(dòng)力矩大，有較強(qiáng)的防垢、除垢能力，小流量立式水冷器中宜采用寬度大、螺距小紐帶，大流量臥式冷凝器中宜采用中寬度、中螺距紐帶。劉舜堯等［8］人對(duì)在管殼式換熱器中的螺旋紐帶做了強(qiáng)化傳熱實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)證明，裝入螺旋紐帶后可明顯地提高換熱系數(shù)。吳劍恒［11］對(duì)螺旋紐帶在火力發(fā)電廠(chǎng)的應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行了深入分析，表明螺旋紐帶在提高真空、降低汽耗、節(jié)約水電、減低成本等方面都有明顯的效果。
     同樣，國(guó)外的學(xué)者對(duì)螺旋紐帶的研究也在步步邁進(jìn)。國(guó)內(nèi)螺旋紐帶的材料一般是高分子材料，而國(guó)外主要用的是金屬材料，靠的是螺旋紐帶的靜態(tài)擾流，其目的主要是提高換熱效率，對(duì)于防垢、除垢沒(méi)做具體的考慮。Smith Eiamsa－ard等［12－13］對(duì)于換熱管中插入單根螺旋紐帶和雙根螺旋紐帶不同情況下的換熱狀況做了對(duì)比，結(jié)果證明后者明顯好于前者，同時(shí)他還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了正、反旋向交替放置的螺旋紐帶比單旋向放置的螺旋紐帶有更好的強(qiáng)化換熱作用。P．Murugesan等［14］發(fā)現(xiàn)有V形缺口的螺旋紐帶對(duì)強(qiáng)化換熱更有利，但是，與此同時(shí)也增加了阻力因數(shù)。為了更深入地研究切口的形狀對(duì)換熱效率的影響，Kh-wanchit Wongcharee［15］等對(duì)于梯形、矩形、三角形切口形式及不同切口尺寸進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)梯形切口的效果較好，而且深一些的切口對(duì)提高努塞爾數(shù)的效果更顯著，當(dāng)然，這也是以增加阻力為代價(jià)的。
    螺旋紐帶的效果明顯優(yōu)于螺旋彈簧，一方面，它所造成的擾流效果對(duì)于強(qiáng)化換熱更加有利，另一方面，對(duì)于可以轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋紐帶來(lái)說(shuō)，它既可以防止污垢沉積，又可以破壞結(jié)垢的條件，有效地做到了在線(xiàn)自動(dòng)清洗。因此，螺旋紐帶已被很多企業(yè)所認(rèn)可，并得到大規(guī)模的推廣使用。
    1．3“潔能芯”轉(zhuǎn)子
    在能源日益緊張的今天，在管殼式換熱器內(nèi)，我們迫切需要一種強(qiáng)化傳熱效果更好的內(nèi)插件形式，“潔能芯”轉(zhuǎn)子應(yīng)運(yùn)而生，要想滿(mǎn)足強(qiáng)化傳熱和在線(xiàn)自動(dòng)清洗而且清洗時(shí)不摩擦管壁的要求，常規(guī)的內(nèi)插件效果不是很理想，因此，北京化工大學(xué)的楊衛(wèi)民教授綜合考慮以往內(nèi)插件的優(yōu)點(diǎn)和不足，開(kāi)發(fā)了一種新結(jié)構(gòu)，那就是“潔能芯”轉(zhuǎn)子。
    潔能芯是特殊材料成型的轉(zhuǎn)子，具有在線(xiàn)自動(dòng)清除污垢和強(qiáng)化傳熱雙重功能。潔能芯的強(qiáng)化換熱機(jī)理是［1］:(1)形成旋轉(zhuǎn)流，延長(zhǎng)水流在單位長(zhǎng)度里通過(guò)的時(shí)間;(2)破壞邊界層;(3)中心流體與管壁流體產(chǎn)生置換作用;(4)產(chǎn)生二次流等。潔能芯在傳熱管內(nèi)迅速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)管壁的污垢有四種作用［1］:(1)螺棱對(duì)污垢的掃掠作用;(2)介質(zhì)通過(guò)螺棱與管壁之間的間隙時(shí)高速流對(duì)管壁的沖刷作用;(3)水流通過(guò)節(jié)能元件時(shí)產(chǎn)生的離心力作用于管內(nèi)壁，沖擊內(nèi)壁上的污垢，繼而通過(guò)水流沖刷使其導(dǎo)出;(4)潔能芯螺棱對(duì)沉積物的推動(dòng)作用。而且，楊衛(wèi)民教授通過(guò)在可視化實(shí)驗(yàn)裝置上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有優(yōu)異的自清潔作用，除此之外，還在大唐佳木斯第二發(fā)電廠(chǎng)2號(hào)機(jī)組做了工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，潔能芯不僅很好地根除了污垢頑癥，而且提高了換熱效率，節(jié)能增效達(dá)到20%以上［1，16］。李鋒祥等［17］曾做過(guò)轉(zhuǎn)子組合式強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在同等流量下“潔能芯”強(qiáng)化管的管程努塞爾數(shù)較廣管提高10%～15%，同等管內(nèi)流量條件下，總傳熱系數(shù)較光管約提高20%。李月等［16］對(duì)加入“潔能芯”轉(zhuǎn)子的換熱管進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果證實(shí)無(wú)論是整體的三維螺旋流動(dòng)，還是流體內(nèi)部的徑向混合、二次流，都提高了流體的湍流度和換熱效率，增加了自清潔能力。目前，“潔能芯”轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多種，比如說(shuō)螺旋三葉片式、螺旋階梯式等，對(duì)于“潔能芯”轉(zhuǎn)子，楊衛(wèi)民教授及其團(tuán)隊(duì)還在做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究工作，以求更好地滿(mǎn)足節(jié)能降耗的目標(biāo)。“潔能芯”轉(zhuǎn)子在中心軸的支撐下，可以更好地轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以有效地根除污垢，而且，由于支撐軸是柔性軸，他可以更好地適應(yīng)有撓度變化的換熱管，在水流的沖擊下，轉(zhuǎn)子基本可以懸浮在換熱管中心，正常轉(zhuǎn)動(dòng)，很好地避免了對(duì)管壁的刮擦。
    1．4其它內(nèi)插件形式
    內(nèi)插件除了螺旋彈簧、螺旋紐帶、“潔能芯”轉(zhuǎn)子外，還有許多其它的形式，上世紀(jì)六十年代末期荷蘭人就提出在光滑直管內(nèi)加入不同形狀的混合原件，也就是靜態(tài)混合器［18］。換句話(huà)說(shuō)，內(nèi)插件的形狀可以是任意的，只是不同的形狀對(duì)于強(qiáng)化換熱和除垢、防垢的效果有所差異，加入不同形狀的靜態(tài)混合原件就組成了不同的靜態(tài)混合器。國(guó)內(nèi)的有SK型靜態(tài)混合器(扭旋葉片)［18］、混合孔板型［19］等，國(guó)外的主要有美國(guó)的Kenics型、瑞士的(Sulzer)SMX和SMV型、日本的東利高效型等［20］。
    2·結(jié)語(yǔ)
    換熱管內(nèi)插件的研究對(duì)于節(jié)能減排具有十分重要的意義，這不僅可以提高能源利用率，而且可以推動(dòng)新材料等其它行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高性能計(jì)算的發(fā)展，不僅可以減少試驗(yàn)研究的成本，而且可以提高理論研究的精確性，大大縮短了科研周期。有限元法、有限體積法、有限差分法和邊界元法在內(nèi)插件的研究方面開(kāi)始發(fā)揮愈來(lái)愈大的作用。目前，內(nèi)插件螺旋彈簧、螺旋紐帶和“潔能芯”轉(zhuǎn)子等都開(kāi)始使用相關(guān)的軟件進(jìn)行模擬分析，以更好地優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高強(qiáng)化換熱的效果。但是，據(jù)目前的研究結(jié)果分析，換熱效率的提高往往是以增加阻力為代價(jià)的，所以，對(duì)于內(nèi)插件的研究要綜合考慮傳熱和阻力這兩方面的因素，力求在阻力最低的情況下最大程度地提高換熱效率。
    參考文獻(xiàn)：略