管壳式换热器在线防垢及强化传热技术

张客厅 詹士会 杨 闪 王国桦 袁钦源

（郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001）

换热设备除垢的方法有很多，目前在线清洗技术应用较广，因该法可延长设备使用周期,性能稳定，同时又可节省停工清洗所需的人力和物力,避免化学清洗给设备和环境带来的危害。其中内插螺旋弹簧技术是一种比较方便的强化传热技术，它的最大优点是，适合旧的换热器的改造，不必额外增加换热器，而且加工制造简单，装卸方便，大大地节省了投资,且有助于清除管内污垢，即内插双螺旋弹簧具有强化传热和除垢的双重功能。该技术的作用机理是由于双螺旋弹簧的存在加剧了近壁面处流动边界层的扰动,使污垢不易沉积。一般在层流情况下该技术能有效地清除管内壁上的污垢，同时管内侧膜传热系数可达光管时的1.5～2.5倍，因此被广泛地应用于换热器除垢和强化传热中。但由于压降太大，需进一步探究，对其结构参数进行优化，以对工程应用提供依据。

1 设计方案

本实验双旋线结构两端采用固定方式支承，在流体的作用下，螺旋线产生整体的连续转动，采用工程塑料制成,其密度在1000kg/m3左右，使其在流动液体中自转能够较好地浮动在传热管的中心部位。装置由两端固定架、铰链、双螺旋弹簧等零件构成，两端固定架分别承插固定在传热管的两端，外径小于传热管的内径，其总长度基本等于传热管长度。双螺旋装置如图1所示，端部为螺旋桨式，使螺旋更容易起转。

2 数值模拟分析

(1)认为管内流动为非稳态流动，管程流动都在完全湍流区 (2)流体为不可压缩流体 (3)管内流动为三维流动 (4)忽略管内流体质量力。

本次模拟采用内径15mm光管与内插外径13mm线径1mm螺距25mm的双螺旋管。定义壁面温度恒定为20℃。进出口为周期性边界条件，弹簧边界条件用墙边界。利用有限体积法离散方程，非耦合的非稳态隐式格式求解。采用标准κ-ε湍流模型计算模拟管内湍流时的流动情况。压力与速度的耦合计算采用SIMPLE方法,对流项采用二阶迎风格式，定义收敛条件为残差绝对值小于1×10-6。

如图2所示与光管相比内插双螺旋弹簧换热管，流体主流沿轴向的速度梯度较大,湍动程度大,强化换热效果较好。

3 参数优化

在上述理论研究基础上，对双旋弹簧装置进行参数优化。通过研究发现，流体传热系数主要取决于弹簧的3个几何参数：线径、圈径及螺距。但根据以往研究，同一螺距条件下，换热管中置入不同外径和线径的弹簧，传热系数差别很小,因此这里外径为确定值13mm、线径1mm，只考虑螺距的影响。

采用6种螺距进行数值模拟，以光管做参照，探究螺距对传热除垢的影响。以（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3作为强化传热综合性能评判准则。

表1 内插双螺旋不同螺距尺寸

由以上几图分析得：在同一流速下,当弹簧螺距改变时，传热系数具有较大变化，螺距较小的换热管流体传热系数较大，具有较好的传热性能；综合考虑，弹簧2的综合性能最好。

4 结论

内插双螺旋弹簧结构对管壳式换热器的除垢及强化传热均具有较好的效果，以（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3作为强化传热综合性能评判准则，当弹簧螺距与自身外径近似相等时，除垢、传热效果最好，具有更高的工程实际指导应用价值。