组合转子强化传热及阻垢装置稳定性分析

何长江，杨斯博，张震，何立臣，阎华，杨卫民

（1北京化工大学机电工程学院，北京 100029；2北京航天动力研究所，北京 100076）

组合转子强化传热及阻垢装置稳定性分析

何长江1，杨斯博2，张震1，何立臣1，阎华1，杨卫民1

（1北京化工大学机电工程学院，北京 100029；2北京航天动力研究所，北京 100076）

针对组合转子强化传热及阻垢装置在某石化企业冷却器中运行稳定性进行了研究。通过对装置转子的叶片磨损量以及转子的轴向长度进行测量分析得出，转子经过17个月的运转，最大径向减少量为1.1mm，占转子外径11.6%，若认为每年的磨损量相同，那么组合转子有效使用年限远远超过5年。转子轴向长度方向最大磨损量为0.315mm，占总长度的0.9%，在一定的条件下，轴向磨损基本可忽略。装置运行后转子表面存在少量污垢，但其未对装置运行的稳定性造成影响。装置运行后换热器无新增漏管的报告，故装置未对换热管造成严重的损害。由于现场安装不够规范以及挂件未能与换热管固定在一起，有部分装置的出水端挂件脱出换热管并倾倒，封头的安装也对其产生了一定的影响。针对挂件倾倒问题本文给出了解决办法。

换热器；组合转子；稳定性；强化传热；阻垢

管壳式换热器作为一种重要的过程设备，广泛应用于电力、石化、冶金、轻工等行业，其传热效率低下和传热表面积结垢所造成的传热劣化，直接影响到企业的经济效益[1]。鉴于换热器的重要性，科研工作者提出了很多种提高管壳式换热器传热效率以及防垢除垢的方法，其中内插件技术作为一种管程被动强化传热技术，受到国内外研究者的关注[2-6]。组合转子强化传热及阻垢装置是一项提高换热器传热效率以及防垢除垢的新技术，是杨卫民等[7-8]从“场协同”理论[9]角度出发，提出的一种新型管内插入结构。

如图1所示，其主要由转子、支撑轴、挂件和限位件组成。若干转子穿装于支撑轴上，并用限位件对转子进行分组以及限位，挂件将穿装转子的支撑轴固定于换热管的两端，并对支撑轴起到限位作用。组合转子强化传热及阻垢装置能形成旋转流，延长水流在单位长度里通过的时间；能促进中心流体与管壁流体置换，产生二次流，并破坏边界层，增强强化传热效果[10]。

针对组合转子强化传热及阻垢装置，研究者对其做了很多富有成效的研究。张震等[11-16]采用试验及模拟手段研究分析了组合转子的几何参数、转子间距、左右旋向组合方式等对其强化换热性能的影响。姜鹏等[17-18]分析了相间内插螺旋开槽转子与低流阻转子不同数目以及不同导程的转子对强化传热效果的影响。彭威等[19-20]采用试验手段研究了螺旋叶片和开槽螺旋叶片两种结构组合转子以及间隔开槽螺旋叶片转子的综合传热性能。赵本华等[21]对相同条件下同向转子强化管、旋向交叉转子强化管以及光管的污垢沉积情况进行了试验研究对比，结果表明旋向交叉转子的自清洁效果最佳，光管中沉积的污垢最多。

虽然前人对组合转子强化传热及阻垢装置进行了很多的研究，但是研究主要集中在试验室强化传热方面以及防垢除垢方面，未对装置在工厂恶劣环境下的运行稳定性进行研究。本文主要对组合转子强化传热以及阻垢装置在某石化企业管壳式换热器中运行稳定性进行分析。

图1 内置转子换热管结构示意图

1 试验装置

某石化企业控制酰胺油苛化反应器反应温度的冷却器在运行中，含有磺化副产物的物料极易黏附于换热管管壁上，形成凝固污垢。其不但增加热阻，降低换热器效率，还会造成管路的堵塞，增加流通阻力。

为研究组合转子强化传热以及阻垢装置在管壳式换热器恶劣环境下长期运转的稳定性，在某石化企业所用酰胺油苛化反应器的冷却器中对组合转子强化传热以及阻垢装置进行了稳定性试验，换热器的参数如表1所示。

本试验用转子为叶片间断型转子，结构如图 2所示，其轴向长度为35mm±0.1mm，外径为19mm。

如图3所示，本试验用组合转子强化传热及阻垢装置，每串共165个转子，转子每15个一组，每组间用限位件限位，限位件位于每组转子的末端，在最后一个转子于限位件之间放置若干垫片用以防止转子的磨损。

表1 试验换热器参数

图2 试验用转子

图3 组合转子

组合转子强化传热及阻垢装置被换热管两端的挂件固定在换热管内，组合转子强化传热及阻垢装置的设计使用年限为5年。组合转子强化传热及阻垢装置在现场换热器中运行17个月后，取出4串组合转子，对其进行测量，并对测量数据进行研究分析。

为方便测量以及数据的分析，把组合转子从率先与水接触的入水端到最后与水接触的出水端为序，以限位件为界，依次编号为1～11组，每组转子个数为15个。

2 结果与讨论

2.1 转子运转状况

组合转子强化传热及阻垢装置在连续运行17个月时间后，运转状态稳定，但有少量装置的挂件从换热管中脱出，产生松动现象。

2.2 转子参数变化

2.2.1 转子叶片的尺寸变化

对转子的叶片长度进行测量，取每组转子叶片长度的平均值为叶片磨损后尺寸，如图4所示，为组合转子的叶片磨损值沿管程方向的数据分布图。

从图4中看出，转子沿管程方向外径磨损量成两端小、中间大的现象。减小的最大量出现在A串组合转子中间第8组转子处，减少量为1.1mm，占转子外径的11.6%。究其原因为，管端挂件对支撑轴限位，使靠近换热管两端的支撑轴，与换热管同轴心，转子以支撑轴为轴心做与换热管无干涉的同轴心的旋转运动，从而使位于换热管两端的转子磨损较小。装置的柔性支撑轴在重力作用下产生远离换热管轴心的径向偏移，但管端挂件无法提供足够支撑力来限制换热管中间段支撑轴的径向偏移，从而在管程流体推动下，换热管中间段转子做着偏离换热管中心的旋转运动，造成了中间段转子的叶片与换热管管壁的干涉，从而导致中间转子叶片的磨损量较两端转子叶片的磨损量大。

在实际运行中，转子外径磨损50%时还有一定的强化传热及阻垢的效果，为计算转子的使用寿命，选取磨损量50%作为失效标准。运转17个月后，转子径向最大磨损量为11.6%，若认为每年的磨损量相同，那么组合转子有效使用年限远远超过5年。

2.2.2 转子轴向的尺寸变化

转子运转时，配合间会出现磨损，最终反映到转子轴向尺寸变化上，对转子轴向尺寸变化的研究有助于了解转子间配合的磨损情况。试验用转子设计长度为35mm±0.1mm，取35mm为寿命计算标准长度，轴向长度的测量数据如图5所示。

由图5得出，转子轴向尺寸沿34.8mm上下波动，并成前端磨损量大、后端磨损量小的现象。最大磨损量为0.315mm，出现在A串转子的第3组转子处，占总长度的0.9%，总体磨损量较小。究其原因为，转子自身结构决定其在运转时每组转子具有相同的转速跟旋转方向，转子间旋转协同性较好不会导致磨损，但是不稳定流体打破了转子间的协同作用，使转子间出现相对运动，最终导致转子间的磨损。又由于组合转子被分为11组，每组有限位件限位，使每组转子轴向的受力比较小并且较平均，故磨损量不明显。装置的前端率先与管程液体接触，液体冲击力较大，转子的转速以及转子间的轴向接触力较大，从而导致前端的磨损较大；水流经过前端后，对后端转子的冲击减弱，从而使装置后端转子磨损量较前端的小。转子运行17个月后，转子的长度磨损量为0.9%，在一定的条件下转子轴向磨损可以忽略。

图4 转子叶片尺寸沿管程变化

图5 转子长度沿管程方向的变化

图6 安装前以及安装后转子

2.3 转子自身污垢状态及其对稳定性的影响

转子在液体中运行，不可避免地会有污垢沉积在转子本身上，但是液体性质以及转子形态不同，污垢的沉积量也会不同。

如图6所示，图中左边转子为未运行转子，右侧两个转子为运行后的转。转子在酰胺油内运转17个月后，运行后转子自身上的污垢沉积量较少，沉积物质量很小，对转子的转动特性无影响。转子采用不溶于工作介质的高分子材料制作，故转子表面上的污垢对转子无腐蚀作用，并且转子中心轴内孔始终绕钢丝绳转动，内孔无污垢。故转子自身表面的污垢对装置的稳定性无影响。

2.4 转子对换热管的影响

换热管是管壳式换热器的主要工作部件，也是最容易损坏的部件，换热管的损坏，不但会降低换热器的换热效率，还会对产品的质量产生一定的影响。若管程或壳程介质具有毒性或者具有很高的压力，换热管的损坏可能会造成重大事故的发生。因此，研究转子对管壁的磨损是有意义的。

转子自身的磨损可以说明组合转子强化传热及阻垢装置运转时对换热管造成一定的损害。但是经现场检验得知，经过17个月的运转，换热器并无新漏管增加，装置未对换热管造成严重损害。

2.5 挂件倒倾现象原因分析以及改进方案

有少量装置的出水端挂件脱出换热管并倒倾于管外，如图7所示。尾部挂件脱出换热管并倒倾于管外失去了其对装置柔性轴轴向和径向限位作用，造成装置与换热管干涉，降低装置寿命，并导致装置失效。倒倾的挂件会在水流的冲击下摆动，与周围挂件发生干涉，影响周围装置的正常运转。

分析其原因为：一方面，安装装置时未能使装置支撑轴足够的绷紧，造成其在管内有一定的弯曲，使其在管内长度大于换热管总长。装置运行时，支撑轴长出部分在流体的作用下从换热管尾部脱出，而挂件本身未与换热管紧固在一起，造成出水端挂件从换热管中滑落出来发生倒倾斜。另一方面，装置现场安装前需要打开换热器封头，安装完成后再把封头吊装到换热器上，在吊装的过程中，凸出于换热器管板的端部挂件，可能会与封头产生干涉，导致挂件应力性倒倾。

为解决挂件脱出的问题，一方面需要在装置安装时拉紧装置支撑轴；另一方面适当增大深入换热管内部的挂件的尺寸，使其与换热管间的配合由隙配合变为过盈配合，保证其不被装置支撑轴的长出部分带出管外。

图7 挂件倒倾

3 结 论

（1）组合式转子强化传热及阻垢装置转子叶片的磨损呈两端小、中间大的现象，最大磨损量出现在A串组合转子中间第8组转子处，减少量为1.1mm，占转子外径的11.6%。选取磨损量50%作为失效标准，若认为每年的磨损量相同，那么组合转子有效使用年限远远超过5年。

（2）组合式转子强化传热及阻垢装置转子轴向磨损量很小，成前端磨损量大、后端磨损量小的现象，最大磨损量为0.315mm，出现在A串转子的第3组转子处占总长度的0.9%，磨损量在一定的条件下可以忽略，其对装置的寿命影响较小。

（3）转子自身表面有少量的污垢，但污垢对装置的稳定性无影响。

（4）组合转子强化传热及阻垢装置转子采用高分子材料制作，经过17个月的运转，无新漏点出现，装置未对换热管造成严重损害。

（5）出水端挂件的倒倾现象，主要是由现场安装时未能使装置中心轴拉紧以及挂件本身未能与换热管固定造成的，换热器封头的安装过程也对挂件的倾倒起到一定的作用。

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Stability analysis on heat transfer enhancement and anti-fouling device called rotor-assembled strands

HE Changjiang1，YANG Sibo2，ZHANG Zhen1，HE Lichen1，YAN Hua1，YANG Weimin1
（1College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China）

This paper presented stability analysis on assembled rotors anti-fouling and heat transfer enhancement device used in heat exchangers in a chemical plant. The stability analysis of rotors blade and rotor axial length provided the parameter changes for the device. After 17 months’ running，the results showed that the diameter of the rotor was reduced by 1.1 mm，about11.6% of the rotor diameter. Assuming steady wear each year，the assembled rotors will be in effective use for more than five years. The rotor axial length was reduced by 0.315mm，about 0.9% of the rotor axial length. Under certain conditions，the axial wear can be ignored. A small amount of fouling appeared on the rotors surface，without affecting the device stability. Heat exchangers had no new leak tube after using the rotor-assembled strands，showing no serious damage. Water side support components tipped over due to incorrect installation. The authors suggested solutions to the improper accessory installation.

heat exchanger；rotor；stability；heat transfer enhancement；anti-fouling

TK 172

A

1000-6613（2014）08-1970-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.005

2014-01-20；修改稿日期：2014-02-27。

何长江（1987—），男，硕士研究生，研究方向为工业节能及高效换热。E-mail changjiang87@126.com。联系人：阎华，讲师，研究方向为节能减排与传热强化技术。E-mail yinglanyh@163.com。