管殼式換熱器在線防垢及強(qiáng)化傳熱技術(shù)

張客廳 詹士會(huì) 楊 閃 王國(guó)樺 袁欽源

（鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001）

換熱設(shè)備除垢的方法有很多，目前在線清洗技術(shù)應(yīng)用較廣，因該法可延長(zhǎng)設(shè)備使用周期,性能穩(wěn)定，同時(shí)又可節(jié)省停工清洗所需的人力和物力,避免化學(xué)清洗給設(shè)備和環(huán)境帶來(lái)的危害。其中內(nèi)插螺旋彈簧技術(shù)是一種比較方便的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是，適合舊的換熱器的改造，不必額外增加換熱器，而且加工制造簡(jiǎn)單，裝卸方便，大大地節(jié)省了投資,且有助于清除管內(nèi)污垢，即內(nèi)插雙螺旋彈簧具有強(qiáng)化傳熱和除垢的雙重功能。該技術(shù)的作用機(jī)理是由于雙螺旋彈簧的存在加劇了近壁面處流動(dòng)邊界層的擾動(dòng),使污垢不易沉積。一般在層流情況下該技術(shù)能有效地清除管內(nèi)壁上的污垢，同時(shí)管內(nèi)側(cè)膜傳熱系數(shù)可達(dá)光管時(shí)的1.5～2.5倍，因此被廣泛地應(yīng)用于換熱器除垢和強(qiáng)化傳熱中。但由于壓降太大，需進(jìn)一步探究，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以對(duì)工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)雙旋線結(jié)構(gòu)兩端采用固定方式支承，在流體的作用下，螺旋線產(chǎn)生整體的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用工程塑料制成,其密度在1000kg/m3左右，使其在流動(dòng)液體中自轉(zhuǎn)能夠較好地浮動(dòng)在傳熱管的中心部位。裝置由兩端固定架、鉸鏈、雙螺旋彈簧等零件構(gòu)成，兩端固定架分別承插固定在傳熱管的兩端，外徑小于傳熱管的內(nèi)徑，其總長(zhǎng)度基本等于傳熱管長(zhǎng)度。雙螺旋裝置如圖1所示，端部為螺旋槳式，使螺旋更容易起轉(zhuǎn)。

2 數(shù)值模擬分析

(1)認(rèn)為管內(nèi)流動(dòng)為非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，管程流動(dòng)都在完全湍流區(qū) (2)流體為不可壓縮流體 (3)管內(nèi)流動(dòng)為三維流動(dòng) (4)忽略管內(nèi)流體質(zhì)量力。

本次模擬采用內(nèi)徑15mm光管與內(nèi)插外徑13mm線徑1mm螺距25mm的雙螺旋管。定義壁面溫度恒定為20℃。進(jìn)出口為周期性邊界條件，彈簧邊界條件用墻邊界。利用有限體積法離散方程，非耦合的非穩(wěn)態(tài)隱式格式求解。采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型計(jì)算模擬管內(nèi)湍流時(shí)的流動(dòng)情況。壓力與速度的耦合計(jì)算采用SIMPLE方法,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，定義收斂條件為殘差絕對(duì)值小于1×10-6。

如圖2所示與光管相比內(nèi)插雙螺旋彈簧換熱管，流體主流沿軸向的速度梯度較大,湍動(dòng)程度大,強(qiáng)化換熱效果較好。

3 參數(shù)優(yōu)化

在上述理論研究基礎(chǔ)上，對(duì)雙旋彈簧裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，流體傳熱系數(shù)主要取決于彈簧的3個(gè)幾何參數(shù)：線徑、圈徑及螺距。但根據(jù)以往研究，同一螺距條件下，換熱管中置入不同外徑和線徑的彈簧，傳熱系數(shù)差別很小,因此這里外徑為確定值13mm、線徑1mm，只考慮螺距的影響。

采用6種螺距進(jìn)行數(shù)值模擬，以光管做參照，探究螺距對(duì)傳熱除垢的影響。以（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3作為強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)判準(zhǔn)則。

表1 內(nèi)插雙螺旋不同螺距尺寸

由以上幾圖分析得：在同一流速下,當(dāng)彈簧螺距改變時(shí)，傳熱系數(shù)具有較大變化，螺距較小的換熱管流體傳熱系數(shù)較大，具有較好的傳熱性能；綜合考慮，彈簧2的綜合性能最好。

4 結(jié)論

內(nèi)插雙螺旋彈簧結(jié)構(gòu)對(duì)管殼式換熱器的除垢及強(qiáng)化傳熱均具有較好的效果，以（Nu/Nuo）/（ξ/ξo）1/3作為強(qiáng)化傳熱綜合性能評(píng)判準(zhǔn)則，當(dāng)彈簧螺距與自身外徑近似相等時(shí)，除垢、傳熱效果最好，具有更高的工程實(shí)際指導(dǎo)應(yīng)用價(jià)值。