換熱器內插件的研究進展

姜鵬，閻華，張震，楊衛民

(北京化工大學機電工程學院，北京100029)

    摘要:介紹國內外有關換熱器內插件的種類、其強化傳熱原理、研究現狀以及研究的發展方向。指出螺旋彈簧、螺旋紐帶和“潔能芯”轉子等內插件的兩個主要作用:強化傳熱和在線清洗污垢，并總結出研究的新目標:以最小的阻力消耗為代價最大限度地提高換熱效率。
    關鍵詞:換熱器;內插件;強化傳熱
    管殼式換熱器廣泛應用于化工、電力、煉油、動力、冶金、制冷等各個領域，然而此類換熱器的仍然存在運行效率低下的問題，這是提高企業經濟效益的瓶頸，特別是在能源危機越來越嚴重的今天，解決換熱器的低效率問題迫在眉睫，歸根結底就是要解決兩個關鍵性的問題，其一，提高換熱設備的換熱效率;其二，減少換熱管內污垢的沉積［1］。針對以上兩個問題，近年來有很多學者都提出要以在換熱管內加入內插件的方式作為有效的解決方法，其中內插件的主要形式有螺旋彈簧、螺旋紐帶和“潔能芯”轉子，它們都能在強化傳熱的同時，有效地減少污垢的沉積。
    1·研究進展
    1．1螺旋彈簧
    理想污垢清洗技術的原則是利用傳熱流體的動力實現傳熱面在線自動清洗，同時使流體邊界層傳熱過程有效強化［2］。針對以上原則，20世紀80年代國外便開發了螺旋彈簧在線自動除垢擾流技術，主要有固定式和旋轉式兩種。1989年，我國開始進行固定式螺旋彈簧在線自動清洗技術的工業試驗和推廣應用，取得良好效果［3］。呂志元等［3］于1993～1994年先后開發了“自動接卸除垢換熱器”和“自動除垢擾流管式換熱器”和“自動除垢擾流管式換熱器及電熱器”，并在油氣冷凝器中進行了工業試驗，經過對結構和管口擋封技術的改進，于1996年開發了雙側作用型分段自由式螺旋壓縮彈簧在線自動除垢擾流新技術。
    1998年呂志元等［3］又開發了“穿梭式壓簧自動除垢管式換熱器”，使壓簧擾流技術走向成熟，于1999年又對雙側作用型分段自由式壓縮彈簧在線自動除垢擾流技術進行了試驗研究，此技術打破了原來單側作用的局限，結果證明，此技術可使傳熱系數增大1～4倍。
    徐建民等［4］對內插螺旋彈簧換熱管和光管的換熱及其阻力特性進行了實驗研究，結果表明，內插螺旋彈簧的存在增加了對管內流體流動的擾動，使換熱管具有較好的換熱效果，尤其可觀的是，內插螺旋彈簧的換熱管的強化傳熱綜合性能比光管提高了很多。
    國外對于螺旋彈簧也做了很多研究工作。Alberto Garcia等［5］對于安裝螺旋彈簧的圓管進行了實驗研究，并與光管做了對比，發現在湍流情況下，螺旋彈簧所造成的壓降是光管的9倍，而傳熱是光管的4倍;層流狀態下，保持同泵功率換熱效率是光管的二倍。數據表明其效果較油冷器、預熱器等其他強化技術更好。M．A．Akhavan－Behabadi等［6－7］對于不同直徑和節距的螺旋彈簧在蒸發器中的強化傳熱效果及其所造成的壓降做了實驗研究，并總結出了相關的經驗公式，而且通過不斷修正以減少經驗公式的誤差，最后得出效果評價公式，為以后的實驗研究奠定了理論基礎。
    螺旋彈簧在一定程度上可以通過擾流調高換熱效率，但是在能源日益緊張的今天，這是遠遠不夠的，其次，螺旋彈簧還不能很好地解決除垢、防垢問題，在容易結垢的環境不能充分地發揮作用。
    1．2螺旋紐帶
    螺旋紐帶是一種簡單的管內旋流裝置，它是由寬度約等于管子內徑、厚度約1～2 mm的薄片扭曲而成，它的基本工作原理劉舜堯等［8］有所介紹。螺旋紐帶內插件的開發進一步加快了換熱器內插件研究前進的步伐，對此國內有很多學者做了大量工作，并取得了一些成果。劉志儒等［9］對流體動力自動清洗螺旋紐帶的污垢清洗力矩做了研究，通過動量矩定理建立了螺旋紐帶的動力矩理論計算式，并導出了螺旋紐帶的結構優化原則。周立等［10］在此基礎上通過實驗著重針對紐帶在不同的應用場合的特殊工況，分別提出了不同的紐帶優化結構。周立等［10］還對螺旋紐帶的寬度和螺距分別進行了優化比較，發現寬紐帶動力矩大，有較強的防垢、除垢能力，小流量立式水冷器中宜采用寬度大、螺距小紐帶，大流量臥式冷凝器中宜采用中寬度、中螺距紐帶。劉舜堯等［8］人對在管殼式換熱器中的螺旋紐帶做了強化傳熱實驗研究，實驗證明，裝入螺旋紐帶后可明顯地提高換熱系數。吳劍恒［11］對螺旋紐帶在火力發電廠的應用情況及經濟效果進行了深入分析，表明螺旋紐帶在提高真空、降低汽耗、節約水電、減低成本等方面都有明顯的效果。
     同樣，國外的學者對螺旋紐帶的研究也在步步邁進。國內螺旋紐帶的材料一般是高分子材料，而國外主要用的是金屬材料，靠的是螺旋紐帶的靜態擾流，其目的主要是提高換熱效率，對于防垢、除垢沒做具體的考慮。Smith Eiamsa－ard等［12－13］對于換熱管中插入單根螺旋紐帶和雙根螺旋紐帶不同情況下的換熱狀況做了對比，結果證明后者明顯好于前者，同時他還通過實驗證實了正、反旋向交替放置的螺旋紐帶比單旋向放置的螺旋紐帶有更好的強化換熱作用。P．Murugesan等［14］發現有V形缺口的螺旋紐帶對強化換熱更有利，但是，與此同時也增加了阻力因數。為了更深入地研究切口的形狀對換熱效率的影響，Kh-wanchit Wongcharee［15］等對于梯形、矩形、三角形切口形式及不同切口尺寸進行了實驗研究，發現梯形切口的效果較好，而且深一些的切口對提高努塞爾數的效果更顯著，當然，這也是以增加阻力為代價的。
    螺旋紐帶的效果明顯優于螺旋彈簧，一方面，它所造成的擾流效果對于強化換熱更加有利，另一方面，對于可以轉動的螺旋紐帶來說，它既可以防止污垢沉積，又可以破壞結垢的條件，有效地做到了在線自動清洗。因此，螺旋紐帶已被很多企業所認可，并得到大規模的推廣使用。
    1．3“潔能芯”轉子
    在能源日益緊張的今天，在管殼式換熱器內，我們迫切需要一種強化傳熱效果更好的內插件形式，“潔能芯”轉子應運而生，要想滿足強化傳熱和在線自動清洗而且清洗時不摩擦管壁的要求，常規的內插件效果不是很理想，因此，北京化工大學的楊衛民教授綜合考慮以往內插件的優點和不足，開發了一種新結構，那就是“潔能芯”轉子。
    潔能芯是特殊材料成型的轉子，具有在線自動清除污垢和強化傳熱雙重功能。潔能芯的強化換熱機理是［1］:(1)形成旋轉流，延長水流在單位長度里通過的時間;(2)破壞邊界層;(3)中心流體與管壁流體產生置換作用;(4)產生二次流等。潔能芯在傳熱管內迅速轉動對管壁的污垢有四種作用［1］:(1)螺棱對污垢的掃掠作用;(2)介質通過螺棱與管壁之間的間隙時高速流對管壁的沖刷作用;(3)水流通過節能元件時產生的離心力作用于管內壁，沖擊內壁上的污垢，繼而通過水流沖刷使其導出;(4)潔能芯螺棱對沉積物的推動作用。而且，楊衛民教授通過在可視化實驗裝置上的實驗發現該技術具有優異的自清潔作用，除此之外，還在大唐佳木斯第二發電廠2號機組做了工業應用實驗，潔能芯不僅很好地根除了污垢頑癥，而且提高了換熱效率，節能增效達到20%以上［1，16］。李鋒祥等［17］曾做過轉子組合式強化傳熱的實驗研究，發現在同等流量下“潔能芯”強化管的管程努塞爾數較廣管提高10%～15%，同等管內流量條件下，總傳熱系數較光管約提高20%。李月等［16］對加入“潔能芯”轉子的換熱管進行了數值研究，結果證實無論是整體的三維螺旋流動，還是流體內部的徑向混合、二次流，都提高了流體的湍流度和換熱效率，增加了自清潔能力。目前，“潔能芯”轉子的結構也已經開發出了很多種，比如說螺旋三葉片式、螺旋階梯式等，對于“潔能芯”轉子，楊衛民教授及其團隊還在做相關的實驗和數值研究工作，以求更好地滿足節能降耗的目標。“潔能芯”轉子在中心軸的支撐下，可以更好地轉動，因此可以有效地根除污垢，而且，由于支撐軸是柔性軸，他可以更好地適應有撓度變化的換熱管，在水流的沖擊下，轉子基本可以懸浮在換熱管中心，正常轉動，很好地避免了對管壁的刮擦。
    1．4其它內插件形式
    內插件除了螺旋彈簧、螺旋紐帶、“潔能芯”轉子外，還有許多其它的形式，上世紀六十年代末期荷蘭人就提出在光滑直管內加入不同形狀的混合原件，也就是靜態混合器［18］。換句話說，內插件的形狀可以是任意的，只是不同的形狀對于強化換熱和除垢、防垢的效果有所差異，加入不同形狀的靜態混合原件就組成了不同的靜態混合器。國內的有SK型靜態混合器(扭旋葉片)［18］、混合孔板型［19］等，國外的主要有美國的Kenics型、瑞士的(Sulzer)SMX和SMV型、日本的東利高效型等［20］。
    2·結語
    換熱管內插件的研究對于節能減排具有十分重要的意義，這不僅可以提高能源利用率，而且可以推動新材料等其它行業的發展。同時，隨著計算機技術和高性能計算的發展，不僅可以減少試驗研究的成本，而且可以提高理論研究的精確性，大大縮短了科研周期。有限元法、有限體積法、有限差分法和邊界元法在內插件的研究方面開始發揮愈來愈大的作用。目前，內插件螺旋彈簧、螺旋紐帶和“潔能芯”轉子等都開始使用相關的軟件進行模擬分析，以更好地優化結構、提高強化換熱的效果。但是，據目前的研究結果分析，換熱效率的提高往往是以增加阻力為代價的，所以，對于內插件的研究要綜合考慮傳熱和阻力這兩方面的因素，力求在阻力最低的情況下最大程度地提高換熱效率。
    參考文獻：略