波动螺旋清洗技术的可行性探究

张治坤

摘 要：通过对工作螺旋在换热管内受力进行理论分析，在管内沿轴向方向，工作螺旋受到流体的轴向冲击力与受到柔性弹簧的约束轴向力受力平衡，推导出使螺旋能够实现往复运动的入口流速计算方法，提出一种使恒定流速转变为波动流速的阀门控制装置，验证波流产生的现实可行性。

关键词：换热管；波速流动；清洗技术；可行性

中图分类号：TD40 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）35-0057-02

根据文献[1-5]，只有在管内插工作螺旋的往复行程达到自身一个螺距长度以上时，内插螺旋才能起到对换热管壁垢层清洗和抑制的能力，因此设定的是将该种技术应用于换热管的满管流中，换热管的水平布置，但是对换热管的立式布置仍具有通用性，同时，假定工作螺旋为刚体，不发生柔性变形，且在流体的作用下只发生往复运动，即沿管轴线方向的运动。

1 换热管内插工作螺旋受力特性的理论分析

1.1 一般三维物体的受力分析

1.2 内插工作螺旋受到的轴向力

2 工作螺旋往復振动清洗能力的波流可行性分析

对工作螺旋在换热管内因柔性弹簧的约束作用和流体的轴向力作用而发生的往复运动进行分析，通过分析推导出使工作螺旋发生往复运动所需要的波流入口形式。如图2所示，工作螺旋的轴向运动简图，认为刚性的工作螺旋不发生轴向的弹性变形，如图工作螺旋在流体的冲击轴向力F作用下，从M点运动到M'点，柔性弹簧亦被带动从从M点运动到M'点，受弹簧约束作用，螺旋受到一与F大小相同方向相反的力F'。若M点到M'点的距离为S，柔性弹簧弹性系数为K，则F=F'=K·S，由式（1-6），冲击轴向力F对应于特定管内流速？滋，若？滋恒定不变，则冲击轴向力F基本不变，工作螺旋拉伸S距离后受力平衡不再发生运动，若要使工作螺旋能够发生往复运动，则必定使管内流速？滋发生变化。

管内流速？滋以何种方式变化使工作螺旋能发生往复运动。对于工作螺旋的往复运动，理想条件下，认为工作螺旋在柔性弹簧的带动下做简谐运动，使弹簧发生伸长的力全部由工作螺旋受到的冲击轴向力F提供，所以柔性弹簧的伸长量随时间变化的方程为式（2-1）：

所以，要使工作螺旋在换热管内因柔性弹簧的约束作用和流体的轴向力作用而发生的往复运动，在最理想的条件下可以推导出管内流速？滋随时间t的变化形式应该为式（2-3）。可以看出入口波流流速与柔性弹簧的弹性系数K有关，若要达到清洗效果，使管内工作螺旋往复运动行程达到自身一个螺距以上，所构造的波流流速，则需要根据工作螺旋和柔性弹簧的参数共同确定。

为研究的需要，对式（2-3）进行简化，见式（2-4）：

3 波动流速产生的现实可行性

根据上述分析需要产生一个管内流速大小呈正弦曲线变化的波动流速，而波动流速的产生方式有很多，作者团队试验设计的一种能够使离心泵等动力设备所生成的恒定流速转变为波动流速的阀门控制装置就是其中的一种。该装置主体部分是一个带旋转蝶阀的管座接头，可接入管路系统，管座上装有一慢速电机，电机由谐波器控制，通过谐波器的设置可以控制电机的转速大小，该大小通过转轴的传送传递到蝶阀阀芯，控制阀芯的转动，转动的角度相当于增加或减小了流动流体所经过的管径大小，使得流速增加或减小，所以对谐波器的设置能够产生实验所需要的波动流速。

4 结束语

对管内螺旋的受力进行了理论分析，得出螺旋受到的沿流体流动方向的轴向力与管内流速的平方呈正相关关系。为使工作螺旋在轴向力作用下的往复行程大于自身一个螺距以上从而达到清洗的效果，构造了管内流速大小呈波动形式的具体表达式，该表达式呈现出正弦波的形式。按照理论，初步设想提出了一种产生波动流速的实验控制装置，通过该装置和设计的系统，可以对管内波流螺旋自动清洗以及传热的实验展开研究。预计通过试验研究分析，认为波流螺旋自动清洗及强化传热具有实际操作的可行性。

参考文献：

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