組合轉子強化傳熱及阻垢裝置穩定性分析

何長江，楊斯博，張震，何立臣，閻華，楊衛民

（1北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2北京航天動力研究所，北京 100076）

組合轉子強化傳熱及阻垢裝置穩定性分析

何長江1，楊斯博2，張震1，何立臣1，閻華1，楊衛民1

（1北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2北京航天動力研究所，北京 100076）

針對組合轉子強化傳熱及阻垢裝置在某石化企業冷卻器中運行穩定性進行了研究。通過對裝置轉子的葉片磨損量以及轉子的軸向長度進行測量分析得出，轉子經過17個月的運轉，最大徑向減少量為1.1mm，占轉子外徑11.6%，若認為每年的磨損量相同，那么組合轉子有效使用年限遠遠超過5年。轉子軸向長度方向最大磨損量為0.315mm，占總長度的0.9%，在一定的條件下，軸向磨損基本可忽略。裝置運行后轉子表面存在少量污垢，但其未對裝置運行的穩定性造成影響。裝置運行后換熱器無新增漏管的報告，故裝置未對換熱管造成嚴重的損害。由于現場安裝不夠規范以及掛件未能與換熱管固定在一起，有部分裝置的出水端掛件脫出換熱管并傾倒，封頭的安裝也對其產生了一定的影響。針對掛件傾倒問題本文給出了解決辦法。

換熱器；組合轉子；穩定性；強化傳熱；阻垢

管殼式換熱器作為一種重要的過程設備，廣泛應用于電力、石化、冶金、輕工等行業，其傳熱效率低下和傳熱表面積結垢所造成的傳熱劣化，直接影響到企業的經濟效益[1]。鑒于換熱器的重要性，科研工作者提出了很多種提高管殼式換熱器傳熱效率以及防垢除垢的方法，其中內插件技術作為一種管程被動強化傳熱技術，受到國內外研究者的關注[2-6]。組合轉子強化傳熱及阻垢裝置是一項提高換熱器傳熱效率以及防垢除垢的新技術，是楊衛民等[7-8]從“場協同”理論[9]角度出發，提出的一種新型管內插入結構。

如圖1所示，其主要由轉子、支撐軸、掛件和限位件組成。若干轉子穿裝于支撐軸上，并用限位件對轉子進行分組以及限位，掛件將穿裝轉子的支撐軸固定于換熱管的兩端，并對支撐軸起到限位作用。組合轉子強化傳熱及阻垢裝置能形成旋轉流，延長水流在單位長度里通過的時間；能促進中心流體與管壁流體置換，產生二次流，并破壞邊界層，增強強化傳熱效果[10]。

針對組合轉子強化傳熱及阻垢裝置，研究者對其做了很多富有成效的研究。張震等[11-16]采用試驗及模擬手段研究分析了組合轉子的幾何參數、轉子間距、左右旋向組合方式等對其強化換熱性能的影響。姜鵬等[17-18]分析了相間內插螺旋開槽轉子與低流阻轉子不同數目以及不同導程的轉子對強化傳熱效果的影響。彭威等[19-20]采用試驗手段研究了螺旋葉片和開槽螺旋葉片兩種結構組合轉子以及間隔開槽螺旋葉片轉子的綜合傳熱性能。趙本華等[21]對相同條件下同向轉子強化管、旋向交叉轉子強化管以及光管的污垢沉積情況進行了試驗研究對比，結果表明旋向交叉轉子的自清潔效果最佳，光管中沉積的污垢最多。

雖然前人對組合轉子強化傳熱及阻垢裝置進行了很多的研究，但是研究主要集中在試驗室強化傳熱方面以及防垢除垢方面，未對裝置在工廠惡劣環境下的運行穩定性進行研究。本文主要對組合轉子強化傳熱以及阻垢裝置在某石化企業管殼式換熱器中運行穩定性進行分析。

圖1 內置轉子換熱管結構示意圖

1 試驗裝置

某石化企業控制酰胺油苛化反應器反應溫度的冷卻器在運行中，含有磺化副產物的物料極易黏附于換熱管管壁上，形成凝固污垢。其不但增加熱阻，降低換熱器效率，還會造成管路的堵塞，增加流通阻力。

為研究組合轉子強化傳熱以及阻垢裝置在管殼式換熱器惡劣環境下長期運轉的穩定性，在某石化企業所用酰胺油苛化反應器的冷卻器中對組合轉子強化傳熱以及阻垢裝置進行了穩定性試驗，換熱器的參數如表1所示。

本試驗用轉子為葉片間斷型轉子，結構如圖 2所示，其軸向長度為35mm±0.1mm，外徑為19mm。

如圖3所示，本試驗用組合轉子強化傳熱及阻垢裝置，每串共165個轉子，轉子每15個一組，每組間用限位件限位，限位件位于每組轉子的末端，在最后一個轉子于限位件之間放置若干墊片用以防止轉子的磨損。

表1 試驗換熱器參數

圖2 試驗用轉子

圖3 組合轉子

組合轉子強化傳熱及阻垢裝置被換熱管兩端的掛件固定在換熱管內，組合轉子強化傳熱及阻垢裝置的設計使用年限為5年。組合轉子強化傳熱及阻垢裝置在現場換熱器中運行17個月后，取出4串組合轉子，對其進行測量，并對測量數據進行研究分析。

為方便測量以及數據的分析，把組合轉子從率先與水接觸的入水端到最后與水接觸的出水端為序，以限位件為界，依次編號為1～11組，每組轉子個數為15個。

2 結果與討論

2.1 轉子運轉狀況

組合轉子強化傳熱及阻垢裝置在連續運行17個月時間后，運轉狀態穩定，但有少量裝置的掛件從換熱管中脫出，產生松動現象。

2.2 轉子參數變化

2.2.1 轉子葉片的尺寸變化

對轉子的葉片長度進行測量，取每組轉子葉片長度的平均值為葉片磨損后尺寸，如圖4所示，為組合轉子的葉片磨損值沿管程方向的數據分布圖。

從圖4中看出，轉子沿管程方向外徑磨損量成兩端小、中間大的現象。減小的最大量出現在A串組合轉子中間第8組轉子處，減少量為1.1mm，占轉子外徑的11.6%。究其原因為，管端掛件對支撐軸限位，使靠近換熱管兩端的支撐軸，與換熱管同軸心，轉子以支撐軸為軸心做與換熱管無干涉的同軸心的旋轉運動，從而使位于換熱管兩端的轉子磨損較小。裝置的柔性支撐軸在重力作用下產生遠離換熱管軸心的徑向偏移，但管端掛件無法提供足夠支撐力來限制換熱管中間段支撐軸的徑向偏移，從而在管程流體推動下，換熱管中間段轉子做著偏離換熱管中心的旋轉運動，造成了中間段轉子的葉片與換熱管管壁的干涉，從而導致中間轉子葉片的磨損量較兩端轉子葉片的磨損量大。

在實際運行中，轉子外徑磨損50%時還有一定的強化傳熱及阻垢的效果，為計算轉子的使用壽命，選取磨損量50%作為失效標準。運轉17個月后，轉子徑向最大磨損量為11.6%，若認為每年的磨損量相同，那么組合轉子有效使用年限遠遠超過5年。

2.2.2 轉子軸向的尺寸變化

轉子運轉時，配合間會出現磨損，最終反映到轉子軸向尺寸變化上，對轉子軸向尺寸變化的研究有助于了解轉子間配合的磨損情況。試驗用轉子設計長度為35mm±0.1mm，取35mm為壽命計算標準長度，軸向長度的測量數據如圖5所示。

由圖5得出，轉子軸向尺寸沿34.8mm上下波動，并成前端磨損量大、后端磨損量小的現象。最大磨損量為0.315mm，出現在A串轉子的第3組轉子處，占總長度的0.9%，總體磨損量較小。究其原因為，轉子自身結構決定其在運轉時每組轉子具有相同的轉速跟旋轉方向，轉子間旋轉協同性較好不會導致磨損，但是不穩定流體打破了轉子間的協同作用，使轉子間出現相對運動，最終導致轉子間的磨損。又由于組合轉子被分為11組，每組有限位件限位，使每組轉子軸向的受力比較小并且較平均，故磨損量不明顯。裝置的前端率先與管程液體接觸，液體沖擊力較大，轉子的轉速以及轉子間的軸向接觸力較大，從而導致前端的磨損較大；水流經過前端后，對后端轉子的沖擊減弱，從而使裝置后端轉子磨損量較前端的小。轉子運行17個月后，轉子的長度磨損量為0.9%，在一定的條件下轉子軸向磨損可以忽略。

圖4 轉子葉片尺寸沿管程變化

圖5 轉子長度沿管程方向的變化

圖6 安裝前以及安裝后轉子

2.3 轉子自身污垢狀態及其對穩定性的影響

轉子在液體中運行，不可避免地會有污垢沉積在轉子本身上，但是液體性質以及轉子形態不同，污垢的沉積量也會不同。

如圖6所示，圖中左邊轉子為未運行轉子，右側兩個轉子為運行后的轉。轉子在酰胺油內運轉17個月后，運行后轉子自身上的污垢沉積量較少，沉積物質量很小，對轉子的轉動特性無影響。轉子采用不溶于工作介質的高分子材料制作，故轉子表面上的污垢對轉子無腐蝕作用，并且轉子中心軸內孔始終繞鋼絲繩轉動，內孔無污垢。故轉子自身表面的污垢對裝置的穩定性無影響。

2.4 轉子對換熱管的影響

換熱管是管殼式換熱器的主要工作部件，也是最容易損壞的部件，換熱管的損壞，不但會降低換熱器的換熱效率，還會對產品的質量產生一定的影響。若管程或殼程介質具有毒性或者具有很高的壓力，換熱管的損壞可能會造成重大事故的發生。因此，研究轉子對管壁的磨損是有意義的。

轉子自身的磨損可以說明組合轉子強化傳熱及阻垢裝置運轉時對換熱管造成一定的損害。但是經現場檢驗得知，經過17個月的運轉，換熱器并無新漏管增加，裝置未對換熱管造成嚴重損害。

2.5 掛件倒傾現象原因分析以及改進方案

有少量裝置的出水端掛件脫出換熱管并倒傾于管外，如圖7所示。尾部掛件脫出換熱管并倒傾于管外失去了其對裝置柔性軸軸向和徑向限位作用，造成裝置與換熱管干涉，降低裝置壽命，并導致裝置失效。倒傾的掛件會在水流的沖擊下擺動，與周圍掛件發生干涉，影響周圍裝置的正常運轉。

分析其原因為：一方面，安裝裝置時未能使裝置支撐軸足夠的繃緊，造成其在管內有一定的彎曲，使其在管內長度大于換熱管總長。裝置運行時，支撐軸長出部分在流體的作用下從換熱管尾部脫出，而掛件本身未與換熱管緊固在一起，造成出水端掛件從換熱管中滑落出來發生倒傾斜。另一方面，裝置現場安裝前需要打開換熱器封頭，安裝完成后再把封頭吊裝到換熱器上，在吊裝的過程中，凸出于換熱器管板的端部掛件，可能會與封頭產生干涉，導致掛件應力性倒傾。

為解決掛件脫出的問題，一方面需要在裝置安裝時拉緊裝置支撐軸；另一方面適當增大深入換熱管內部的掛件的尺寸，使其與換熱管間的配合由隙配合變為過盈配合，保證其不被裝置支撐軸的長出部分帶出管外。

圖7 掛件倒傾

3 結 論

（1）組合式轉子強化傳熱及阻垢裝置轉子葉片的磨損呈兩端小、中間大的現象，最大磨損量出現在A串組合轉子中間第8組轉子處，減少量為1.1mm，占轉子外徑的11.6%。選取磨損量50%作為失效標準，若認為每年的磨損量相同，那么組合轉子有效使用年限遠遠超過5年。

（2）組合式轉子強化傳熱及阻垢裝置轉子軸向磨損量很小，成前端磨損量大、后端磨損量小的現象，最大磨損量為0.315mm，出現在A串轉子的第3組轉子處占總長度的0.9%，磨損量在一定的條件下可以忽略，其對裝置的壽命影響較小。

（3）轉子自身表面有少量的污垢，但污垢對裝置的穩定性無影響。

（4）組合轉子強化傳熱及阻垢裝置轉子采用高分子材料制作，經過17個月的運轉，無新漏點出現，裝置未對換熱管造成嚴重損害。

（5）出水端掛件的倒傾現象，主要是由現場安裝時未能使裝置中心軸拉緊以及掛件本身未能與換熱管固定造成的，換熱器封頭的安裝過程也對掛件的傾倒起到一定的作用。

[1] 張震，楊衛民，關昌峰，等. 螺旋葉片轉子強化傳熱機理分析[J]. 化工學報，2013，64（11）：3927-3932

[2] Eiamsa-ard S，Wongcharee K，Eiamsa-ard P，et al. Heat transfer enhancement in a tube usingdelta-winglet twisted tape inserts[J].Applied Thermal Engineering，2010，30：310-318.

[3] Smith Eiamsa-ard，Pongjet Promvonge. Thermal characteristics in round tube fitted with serrated twisted tape[J].Applied Thermal Engineering，2010，30：1673-1682.

[4] Promvonge P，Eiamsa-ard S. Heat transfer behaviors in a tube with combined conical-ring and twisted-tape insert[J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2007，34：849-859.

[5] Chinaruk Thianpong，Petpices Eiamsa-ard，Khwanchit Wongcharee，et al. Compound heat transfer enhancement of a dimpled tube with a twisted tape swirl generator[J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2009，36：698-704.

[6] Murugesan1 P，Mayilsamy K，Suresh S. Turbulent heat transfer and pressure drop in tube fitted with squarecut twisted tape[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2010，18（4）：609-617.

[7] 楊衛民，丁玉梅，耿立波，等. 轉子式自清潔強化傳熱裝置：中國，200520127121.9[P]. 2005-10-10.

[8] 楊衛民，李鋒祥，陳勝利，等. 管程轉子組合式強化傳熱裝置工業試驗研究[J]. 熱能動力工程，2008，23（4）：378-442.

[9] Guo Zengyuan，Li Zhixin，Zhou Senquan，et al. Principle of uniformity of temperature difference field in heat exchanger[J].Science in China，Series E：Technological Sciences，1996，39（1）：68-75.

[10] 姜鵬，閻華，張震，等.換熱器內插件的研究進展[J]. 廣州化工，2011，39（20）：1-2

[11] Zhang Zhen，Ding Yumei，Guan Changfeng，et al. Heat transfer enhancement in double-pipe heat exchanger by means of rotor-assembled strands[J].Chemical Engineering and Processing：Process Intensification，2012，60：26-33.

[12] Zhang Zhen，Yang Weimin，Guan Changfeng，et al. Heat transfer and friction characteristics of turbulent flow through plain tube inserted with rotor-assembled strands[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2012，38：33-39.

[13] Zhang Zhen，Yang Weimin，Guan Changfeng，et al. Heat transfer enhancement in a tube fitted with helical blade rotors with grooves[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2013，48：169-176.

[14] Zhang Zhen，Yan Hua，Yang Weimin，et al. Heat transfer enhancement in the tube fitted with Left-Right helical blade rotors[J].Applied Thermal Engineering，2013，55：95-101.

[15] Zhang Zhen，Yang Weimin，Guan Changfeng，et al. Numerical study on thermo-hydraulic characteristics of turbulent flow in a circular tube fitted with helical blade rotors[J].International Journal of Heat andMass Transfer，2013，60：603-611.

[16] 張震，丁玉梅，閻華，等. 內置轉子套管式換熱器強化傳熱試驗[J].化工學報，2012，63（3）：728-732.

[17] 姜鵬，楊衛民，張震，等. 相間內插兩種轉子換熱管的換熱及阻力特性[J]. 機械設計與制造，2013（2）：129-131

[18] 姜鵬，閻華，關昌峰，等. 內置轉子換熱管強化傳熱性能試驗研究[J]. 化學工程，2012（7）：96-100.

[19] 彭威，閻華，關昌峰，等. 內置組合轉子換熱管的綜合傳熱性能[J].化工進展，2012，31（4）：749-753.

[20] 彭威，關昌峰，閻華，等. 內置間隔排布轉子串換熱管的傳熱和阻力特性試驗研究[J]. 北京化工大學學報，2013，40（1）：103-108.

[21] 趙本華，何雪濤，關昌峰，等. 旋向自交叉式轉子自清潔性能試驗研究[J]. 化工裝備，2011（5）：18-22.

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。

何長江（1987—），男，碩士研究生，研究方向為工業節能及高效換熱。E-mail changjiang87@126.com。聯系人：閻華，講師，研究方向為節能減排與傳熱強化技術。E-mail yinglanyh@163.com。