換熱管內(nèi)流態(tài)化顆粒的熱邊界層強(qiáng)化及除垢

易衛(wèi)國(guó),楊 謙,李群松

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,中國(guó) 株洲 412004)

流態(tài)化技術(shù)適用于各式各樣的流道．不管是形狀比較復(fù)雜的換熱管內(nèi)部污垢的清洗、立式列管換熱器的管內(nèi)污垢[5-10]，還是臥式列管換熱器的管內(nèi)污垢清洗，均可采用流態(tài)化清洗技術(shù)，只不過對(duì)于臥式列管式換熱器中需要2.5 m/s以上的高流速才能進(jìn)行．

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示，通過循環(huán)及顆粒均布裝置將小球顆粒隨流體灌進(jìn)裝有螺旋線插入件的換熱管中，在管內(nèi)旋流(旋流由螺旋線產(chǎn)生)的作用下，小球顆粒具備一定的離心力，并且產(chǎn)生軸向的滑移和高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．一方面小球的軸向運(yùn)動(dòng)能擦除管內(nèi)壁的污垢，另一方面小球的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得顆粒球后產(chǎn)生了漩渦，擾亂、減薄了邊界層，有效地強(qiáng)化了傳熱過程[1]．

圖1 工作原理Fig.1 Working principle

另一方面，旋轉(zhuǎn)著的粒子在管內(nèi)隨流體沿著軸線方向移動(dòng)，在移動(dòng)的過程中對(duì)換熱管壁面產(chǎn)生隨機(jī)而頻繁的碰擦，不僅能刮除污垢，而且還抑制了管內(nèi)壁面上污垢的生成速度，同時(shí)又?jǐn)噥y了滯流層，有效地強(qiáng)化了傳熱過程．

1-水槽；2-冷卻壁；3-流態(tài)化粒子；4-鋼絲螺旋線；5-碳鋼管；6-三通閥；7-粒子循環(huán)槽；8-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；9-調(diào)節(jié)閥；10-循環(huán)泵；11-壓差儀；12-軟管圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test equipment

2 傳熱強(qiáng)化及除垢試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置

本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置如圖2 所示．小球顆粒在各換熱管內(nèi)的分布非常重要，采用如圖3所示的顆粒均布裝置對(duì)進(jìn)入換熱管內(nèi)的顆粒進(jìn)行均布處理．通過粒子觀測(cè)試驗(yàn)得出：該法基本上可以做到粒子在各換熱管內(nèi)均勻分布．

2.2 造污垢的制備

人造污垢的制備是用水及乳膠將水泥與輕質(zhì)碳酸鈣粉按一定的比例混合配制而成，其配制質(zhì)量百分比為：水泥20%，輕質(zhì)碳酸鈣粉80%．配制完畢后，采用自流方式在換熱管內(nèi)進(jìn)行涂刷，待其硬化兩天后再以同樣的方式涂抹，如此反復(fù)進(jìn)行3次．涂抹人造污垢之前換熱管的內(nèi)徑：d=51.32 mm, 涂抹人造污垢后換熱管內(nèi)徑變?yōu)椋篸=49.43 mm．因此，污垢的厚度約為1.0 mm,事實(shí)上，這樣制備出來的污垢的硬度要比工程實(shí)際中的一般污垢硬．

圖3 流化顆粒均布裝置Fig.3 The devices for fluidized particles uniformly distribution

2.3 試驗(yàn)方法及步驟

(1)組裝試驗(yàn)裝置，加砂于粒子循環(huán)槽內(nèi)，如圖2所示．

(2)啟動(dòng)循環(huán)泵；

分析圖3和圖4可知：采用多傳感器對(duì)機(jī)器人跟蹤具有更高的精度,因?yàn)槠浔葐蝹鞲衅鞲櫹到y(tǒng)可分析處理更多的測(cè)量結(jié)果,一定程度上避免噪聲及外部干擾引起的誤差.此外,在分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(UIF-IMM 2)中,采用模型似然函數(shù)組合的多傳感器融合算法,其位置精度和角度精度均優(yōu)于不進(jìn)行組合的多傳感器融合算法(UIF-IMM 1).在4種目標(biāo)跟蹤算法中,本文提出的算法定位誤差最小,跟蹤效果最好.

(3)調(diào)節(jié)管內(nèi)流量，使得轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)基本穩(wěn)定在7.1 m3/h左右，即管內(nèi)流速為1.0 m/s．

(4)開啟粒子循環(huán)槽后，即開始計(jì)時(shí)．

(5)待正向清洗完成后，通過調(diào)節(jié)粒子循環(huán)槽的控制閥，進(jìn)行反方向清洗．

(6)數(shù)據(jù)的測(cè)量與記錄．

按照上述試驗(yàn)步驟重復(fù)幾次．

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象及結(jié)論

(1)試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄

表1給出了粒子體積比為2%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，其中粒子的平均直徑為2 mm.

表1 粒子體積比2%(粒子平均直徑2 mm)時(shí)的清洗效果Tab.1 The cleaning effect with particle volume 2% ( average particle diameter φ 2 mm)

在試驗(yàn)的過程中，存在有粒子卡在螺旋線與換熱管內(nèi)壁之間的現(xiàn)象，但由于螺旋線是柔性的，卡住的粒子在下次清洗的時(shí)侯就會(huì)自行脫落，因此，不會(huì)造成冷卻水流道發(fā)生粒子的堵塞．

(2)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 污垢的清洗速度非?？欤诮?jīng)過145 s后，換熱管內(nèi)壁的污垢基本清洗干凈了．但是，有一部分螺旋線的部分弧線與流道內(nèi)壁間殘留有少量污垢，其原因是在該部位的螺旋線與流道內(nèi)壁之間的徑向間隙較小，流態(tài)化細(xì)粒子不能順暢通過．

此外，在按照實(shí)際尺寸制作的模擬試驗(yàn)工作臺(tái)上，通過旋液流態(tài)化正、反向的連續(xù)清洗和多次試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)粒子沉積與堵塞的現(xiàn)象，證明其安全可靠性比較好．

圖4 強(qiáng)化傳熱試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Results contrast of enhanced heat transfer test

3 強(qiáng)化傳熱對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證流態(tài)化顆粒的強(qiáng)化傳熱效果，特做了對(duì)比試驗(yàn)．在同樣的試驗(yàn)條件下，將裝有不同型號(hào)的螺旋與顆粒流態(tài)化螺旋的強(qiáng)化傳熱結(jié)果進(jìn)行比較，得出結(jié)果如圖4所示．流化型螺旋的傳熱系數(shù)在1 000 W·m-2·K-1附近波動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各種非流態(tài)化螺旋，并且傳熱系數(shù)基本維持穩(wěn)定．

5 結(jié)論

(1)通過流態(tài)化小球顆粒，可以有效的抑制換熱管內(nèi)污垢的生成，并可以擦除已經(jīng)生成的污垢．污垢的擦除主要是依靠小球的滑動(dòng)來摩擦管壁實(shí)現(xiàn)的，但同時(shí)對(duì)換熱管也起到了一定程度的沖蝕．

(2)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的流態(tài)化小球顆粒能在近壁區(qū)域形成漩渦，并且所產(chǎn)生的渦流位置是非固定的，流動(dòng)的、強(qiáng)大的渦流攪亂了邊界層以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的．

(3)該技術(shù)不僅適用于新設(shè)備的設(shè)計(jì)制造，而且同樣適用于舊設(shè)備的技術(shù)改造．

(3)換熱管中顆粒濃度的最優(yōu)配置及精確測(cè)定還有待繼續(xù)研究．

參考文獻(xiàn)：

[1] 溫 娟，丁京偉，齊承英,等.壁面擾流影響邊界層湍流擬序結(jié)構(gòu)及強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,38(3)：5-12.

[2] 彭德其,支校衡,俞秀民.管口沖推塑料螺旋線自轉(zhuǎn)清洗防垢及其傳熱強(qiáng)化[J].煤礦機(jī)械, 2005(9):29-31.

[3] 俞天蘭,彭德其,俞秀民,等.汽輪機(jī)冷凝器自轉(zhuǎn)塑料紐帶自動(dòng)在線連續(xù)除垢防垢技術(shù)研究[J].現(xiàn)代化工, 2002(6):44-46.

[4] YU T L, YU X M, ZHI X H,etal. Preventing fouling and enhancing heat transfer using the dyna-flow twisted strip with dissymmetrical oblique teeth[C]//The 3rd International Symposium on Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation, 2004:710-713.

[5] ST KOLLBACH J, DAHM W, RAUTENBACH R. Continuous cleaning of heat exchanger with recirculating fluidized bed[J]. Heat Transfer Engin, 1987,8(4):26-32.

[6] PENG D Q, ZHI X H, YU X M,etal. Research on vertical water-cooled condensers of fluidized-bed of internal circulation with bubble cap plate[C]//The 3rd International Symposium on Heat Transfer Enhancement and Energy Conservation.Jan 12-15, 2004. 880-884.

[7] 俞秀民,吳金香.管程內(nèi)循環(huán)液固流態(tài)化高效換熱器研究[J].壓力容器, 1995,13(1):33-36.

[8] BOUTE L, DELANGHE H, DEPAMELARE M,etal. Installing copper staves and blast furnace operational practice at sidmar[J]. Iron Steel Engin, 1999,76(6):43-50.

[9] THILL R, POENSGEN A, CARMICHAEL I,etal. The application of FEM techniques in the development of copper staves for the high heat load and hearth areas of the blast furnace[C]//The 59th Ironmaking Conference Proceedings, 2000,59:155-167.

[10] 彭德其，俞天蘭，俞秀民，等.鹽蒸發(fā)器加熱管結(jié)晶鹽自動(dòng)清洗技術(shù)研究[J].海湖鹽與化工， 2001，30(4)：28-30.