换热管内流态化颗粒的热边界层强化及除垢

易卫国,杨 谦,李群松

(湖南化工职业技术学院,中国 株洲 412004)

流态化技术适用于各式各样的流道．不管是形状比较复杂的换热管内部污垢的清洗、立式列管换热器的管内污垢[5-10]，还是卧式列管换热器的管内污垢清洗，均可采用流态化清洗技术，只不过对于卧式列管式换热器中需要2.5 m/s以上的高流速才能进行．

1 基本结构及原理

如图1所示，通过循环及颗粒均布装置将小球颗粒随流体灌进装有螺旋线插入件的换热管中，在管内旋流(旋流由螺旋线产生)的作用下，小球颗粒具备一定的离心力，并且产生轴向的滑移和高速的旋转运动．一方面小球的轴向运动能擦除管内壁的污垢，另一方面小球的高速旋转运动使得颗粒球后产生了漩涡，扰乱、减薄了边界层，有效地强化了传热过程[1]．

图1 工作原理Fig.1 Working principle

另一方面，旋转着的粒子在管内随流体沿着轴线方向移动，在移动的过程中对换热管壁面产生随机而频繁的碰擦，不仅能刮除污垢，而且还抑制了管内壁面上污垢的生成速度，同时又搅乱了滞流层，有效地强化了传热过程．

1-水槽；2-冷却壁；3-流态化粒子；4-钢丝螺旋线；5-碳钢管；6-三通阀；7-粒子循环槽；8-转子流量计；9-调节阀；10-循环泵；11-压差仪；12-软管图2 试验装置Fig.2 Test equipment

2 传热强化及除垢试验

2.1 试验原理和试验装置

本研究设计的试验装置如图2 所示．小球颗粒在各换热管内的分布非常重要，采用如图3所示的颗粒均布装置对进入换热管内的颗粒进行均布处理．通过粒子观测试验得出：该法基本上可以做到粒子在各换热管内均匀分布．

2.2 造污垢的制备

人造污垢的制备是用水及乳胶将水泥与轻质碳酸钙粉按一定的比例混合配制而成，其配制质量百分比为：水泥20%，轻质碳酸钙粉80%．配制完毕后，采用自流方式在换热管内进行涂刷，待其硬化两天后再以同样的方式涂抹，如此反复进行3次．涂抹人造污垢之前换热管的内径：d=51.32 mm, 涂抹人造污垢后换热管内径变为：d=49.43 mm．因此，污垢的厚度约为1.0 mm,事实上，这样制备出来的污垢的硬度要比工程实际中的一般污垢硬．

图3 流化颗粒均布装置Fig.3 The devices for fluidized particles uniformly distribution

2.3 试验方法及步骤

(1)组装试验装置，加砂于粒子循环槽内，如图2所示．

(2)启动循环泵；

分析图3和图4可知：采用多传感器对机器人跟踪具有更高的精度,因为其比单传感器跟踪系统可分析处理更多的测量结果,一定程度上避免噪声及外部干扰引起的误差.此外,在分布式传感器节点(UIF-IMM 2)中,采用模型似然函数组合的多传感器融合算法,其位置精度和角度精度均优于不进行组合的多传感器融合算法(UIF-IMM 1).在4种目标跟踪算法中,本文提出的算法定位误差最小,跟踪效果最好.

(3)调节管内流量，使得转子流量计的读数基本稳定在7.1 m3/h左右，即管内流速为1.0 m/s．

(4)开启粒子循环槽后，即开始计时．

(5)待正向清洗完成后，通过调节粒子循环槽的控制阀，进行反方向清洗．

(6)数据的测量与记录．

按照上述试验步骤重复几次．

2.4 试验数据、现象及结论

(1)试验现象及数据记录

表1给出了粒子体积比为2%时的试验结果，其中粒子的平均直径为2 mm.

表1 粒子体积比2%(粒子平均直径2 mm)时的清洗效果Tab.1 The cleaning effect with particle volume 2% ( average particle diameter φ 2 mm)

在试验的过程中，存在有粒子卡在螺旋线与换热管内壁之间的现象，但由于螺旋线是柔性的，卡住的粒子在下次清洗的时侯就会自行脱落，因此，不会造成冷却水流道发生粒子的堵塞．

(2)试验结果

试验发现, 污垢的清洗速度非常快，在经过145 s后，换热管内壁的污垢基本清洗干净了．但是，有一部分螺旋线的部分弧线与流道内壁间残留有少量污垢，其原因是在该部位的螺旋线与流道内壁之间的径向间隙较小，流态化细粒子不能顺畅通过．

此外，在按照实际尺寸制作的模拟试验工作台上，通过旋液流态化正、反向的连续清洗和多次试验，没有发现粒子沉积与堵塞的现象，证明其安全可靠性比较好．

图4 强化传热试验结果对比Fig.4 Results contrast of enhanced heat transfer test

3 强化传热对比试验

为验证流态化颗粒的强化传热效果，特做了对比试验．在同样的试验条件下，将装有不同型号的螺旋与颗粒流态化螺旋的强化传热结果进行比较，得出结果如图4所示．流化型螺旋的传热系数在1 000 W·m-2·K-1附近波动，远远高于各种非流态化螺旋，并且传热系数基本维持稳定．

5 结论

(1)通过流态化小球颗粒，可以有效的抑制换热管内污垢的生成，并可以擦除已经生成的污垢．污垢的擦除主要是依靠小球的滑动来摩擦管壁实现的，但同时对换热管也起到了一定程度的冲蚀．

(2)高速转动的流态化小球颗粒能在近壁区域形成漩涡，并且所产生的涡流位置是非固定的，流动的、强大的涡流搅乱了边界层以达到强化传热的目的．

(3)该技术不仅适用于新设备的设计制造，而且同样适用于旧设备的技术改造．

(3)换热管中颗粒浓度的最优配置及精确测定还有待继续研究．

参考文献：

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