旋液流態化流體阻力與傳熱的試驗研究*

向寓華 姚雪峰 彭德其

（湖南化工職業技術學院) （湖南工業大學）

旋液流態化流體阻力與傳熱的試驗研究*

向寓華**姚雪峰 彭德其

（湖南化工職業技術學院) （湖南工業大學）

對某公司換熱器的運行情況，采用旋液流態化技術設計了模擬試驗方案。首先在?57 mm×3.5 mm×2000 mm PVC管內進行旋液流態化清洗試驗，然后在碳鋼管上內置不同螺距的鋼絲螺旋線進行流體阻力測試，并進行旋液流態化與空管的對比傳熱試驗。結果表明：旋液流態化技術清洗管道中人工污垢只需時間145 s，沒有發生粒子沉積和堵塞的現象，安全可靠性好；旋液流態化流體阻力Δp隨著Re的增大而增大，摩擦系數隨著Re的增大而減小，流體總阻力48.7 kPa低于供水壓力，總傳熱系數平均提高幅度13.3%，強化傳熱效果好。關鍵詞 旋液流態化 流體阻力 清洗 傳熱系數 換熱器

0 前言

換熱設備在工業生產中應用十分廣泛，但其在運行過程中普遍存在污垢沉積問題。污垢的形成，增加了流體流動阻力，降低了換熱效率，造成能源損耗和設備損壞[1]。如何有效除垢、強化傳熱，這是換熱設備應用中人們廣泛關注的課題[2]。近年來文獻報道的強化傳熱的方法較多，其中以換熱管內加入內插件的方式為主要形式，如螺旋彈簧[3-4]、螺旋紐帶[5-6]和 “潔能芯”轉子[7-8]等。流態化是傳統的傳熱強化方式之一。循環流態化技術是利用粒子的流態化運動使之與壁面碰撞，破壞傳熱邊界層，達到除垢、強化傳熱的目的。這一技術尤其適宜于曲面復雜 （如冷卻壁）的流道內污垢的清洗。筆者運用旋液流態化技術設計了一種模擬試驗方案，分析了其對人工調制的污垢的清洗能力，并對冷卻通道內的流體特性及傳熱性能進行了研究，以便為換熱設備冷卻壁的設計提供理論依據。

圖2 流體阻力試驗裝置

1 試驗原理與裝置

旋液流態化技術原理：在冷卻水流道內放置鋼絲螺旋線，對于液固兩相流化液，由于螺旋彈簧的作用，會使管內的流化液產生旋轉運動，從而產生離心力場。此時流態化粒子在離心力的作用下會向壁面富集，且螺旋彈簧充當類似螺旋輸送器的 “螺旋片”的作用，將換熱管下部的流態化粒子向上傳送，使管內粒子分布均勻，從而達到好的除垢和強化傳熱作用，如圖1所示。

圖1 螺旋流態化粒子管內流動

模擬試驗裝置如圖2所示。為了方便試驗過程中對污垢清洗效果的觀察，使用半透明的PVC管。污垢清洗率定義為已清洗污垢的管內壁面積與管內壁總面積的比值，即：

式中A——已清洗污垢的管內壁面積，m2；

A0——管內壁總面積，m2。

水流的總阻力計算式為：

式中 Δp——阻力損失，Pa；

l——管程長度，m；

λ——摩擦系數；

d——管內徑，m；

ρ——水的密度，kg/m3；

u——水的流速，m/s。

從式 （2）可知，在保持一定管長和管徑的條件下，改變流速 （即Re），就可通過試驗測得兩個測點間的阻力損失Δp。通過一系列試驗數據作圖就能得到摩擦系數λ與雷諾準數的關系曲線，進而計算出流體流動的總阻力。

2 結果與分析

2.1 旋液流態化清洗效果

清洗效果試驗采用PVC管，污垢采用20%水泥、80%輕質碳酸鈣粉、水和乳膠調制而成，厚度約1.0 mm，硬度比工程應用中要高些。試驗結果如表1所示。

表1 旋液流態化的清洗效果評價 （粒子體積比2%）

試驗過程中污垢清洗快速，150 s內流道內壁污垢基本清洗干凈。流態化粒子通過正反向連續清洗，管內沒有發生粒子沉積和堵塞等現象。旋液流態化技術尤其對彎道傳熱面的污垢能夠完全均勻地清洗，且快速安全有效。

2.2 旋液流態化阻力特性

阻力試驗采用?57 mm×3.5 mm×2000 mm碳鋼管，阻力測量點間距為1000 mm，內置鋼絲螺旋線，其螺距為60 mm，鋼絲直徑?1.6 mm，螺旋線外徑?46 mm。分別對螺距為50 mm、58 mm、72 mm和80 mm進行試驗，根據試驗數據作圖得到的不同螺距下的雷諾數與阻力關系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 Re與阻力△p關系曲線

圖4 Re與λ關系曲線

由圖3、圖4可知：流體阻力Δp隨Re的增大而上升，摩擦系數λ隨Re的增大而減小。以鋼管?57 mm×3.5 mm、流速1.0 m/s、螺旋線外徑?45 mm、螺距58 mm為條件，根據某公司水冷壁實際情況來進行計算，得到流體阻力約為48.7 kPa，小于循環泵的出口總壓。因此，采用旋液流態化技術可以達到節能增效的目的，且在原有的設備基礎上就能有效運行。

2.3 傳熱系數

傳熱系數即為相應的熱阻的倒數。在傳熱強化試驗中，只測量無粒子的鋼絲螺旋線的傳熱強化幅度。通過測定相同條件下內置鋼絲螺旋線管及光管（空管）的傳熱系數并進行比較，可獲得內置鋼絲螺旋線時旋液流態化對流體傳熱的影響數據。根據模擬試驗數據作圖，可得到傳熱系數K與Re的關系曲線，如圖5所示。

由圖5可知，內置鋼絲螺旋線的旋液流態化傳熱系數隨Re增加而增大，在相同的Re條件下，旋液流態化傳熱系數明顯高于空管傳熱系數，強化傳熱效果高。當Re在一定范圍時，旋液流態化傳熱系數比空管平均提高13.3%。

圖5 傳熱系數K與Re關系曲線

3 結論

（1）清洗試驗在150 s內流道內壁污垢基本清洗干凈，沒有發生粒子沉積與堵塞等現象，安全可靠性高。

（2）流體阻力Δp隨Re的增大而上升，摩擦系數λ隨Re的增大而減小。按某公司水冷壁尺寸制造的試驗裝置其總阻力約為48.7 kPa，小于循環泵的出口總壓。采用旋液流態化技術可節能增效。

（3）旋液流態化傳熱系數明顯高于空管傳熱系數，強化傳熱效果高。當Re在一定范圍時，旋液流態化傳熱系數比空管平均提高13.3%。

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Research on Liquid Resistance and Heat Transfer by Spiral Fluidization

Xiang Yuhua Yao Xuefeng Peng Deqi

According to the operation of a heat exchanger,the simulation experiment was devised adopting spiral fluidization.First,the spiral fluidization cleaning test was done in the ?57 mm ×3.5 mm×2000 mm PVC tube,then different pitch steel spiral wires were placed in the carbon steel tube for the fluid resistance test,and the heat transfer contrast test of spiral fluidization and blank tube was proceed.The results showed that the time for cleaning the tube by spiral fluidization was only 145 seconds without solid particles deposition and obstruct,and the method was safe and credible.The resistance of liquid fluidization fluid Δp increased,but the friction coefficient decreased with the increase of Re.The total fluid resistance was 48.7 kPa,lower than water pressure,and the total heat transfer coefficient increased 13.3%on average,meaning that the effect of enhanced heat transfer was good.

Spiral fluidization;Liquid resistance;Cleaning;Heat transfer coefficient;Heat exchanger

TQ 025

*湖南省科技廳項目 （2010GK3195）。

**向寓華，女，1968年生，碩士，副教授。株洲市，412004。

2012-06-25）