旋液流态化流体阻力与传热的试验研究*

向寓华 姚雪峰 彭德其

（湖南化工职业技术学院) （湖南工业大学）

旋液流态化流体阻力与传热的试验研究*

向寓华**姚雪峰 彭德其

（湖南化工职业技术学院) （湖南工业大学）

对某公司换热器的运行情况，采用旋液流态化技术设计了模拟试验方案。首先在Ø57 mm×3.5 mm×2000 mm PVC管内进行旋液流态化清洗试验，然后在碳钢管上内置不同螺距的钢丝螺旋线进行流体阻力测试，并进行旋液流态化与空管的对比传热试验。结果表明：旋液流态化技术清洗管道中人工污垢只需时间145 s，没有发生粒子沉积和堵塞的现象，安全可靠性好；旋液流态化流体阻力Δp随着Re的增大而增大，摩擦系数随着Re的增大而减小，流体总阻力48.7 kPa低于供水压力，总传热系数平均提高幅度13.3%，强化传热效果好。关键词 旋液流态化 流体阻力 清洗 传热系数 换热器

0 前言

换热设备在工业生产中应用十分广泛，但其在运行过程中普遍存在污垢沉积问题。污垢的形成，增加了流体流动阻力，降低了换热效率，造成能源损耗和设备损坏[1]。如何有效除垢、强化传热，这是换热设备应用中人们广泛关注的课题[2]。近年来文献报道的强化传热的方法较多，其中以换热管内加入内插件的方式为主要形式，如螺旋弹簧[3-4]、螺旋纽带[5-6]和 “洁能芯”转子[7-8]等。流态化是传统的传热强化方式之一。循环流态化技术是利用粒子的流态化运动使之与壁面碰撞，破坏传热边界层，达到除垢、强化传热的目的。这一技术尤其适宜于曲面复杂 （如冷却壁）的流道内污垢的清洗。笔者运用旋液流态化技术设计了一种模拟试验方案，分析了其对人工调制的污垢的清洗能力，并对冷却通道内的流体特性及传热性能进行了研究，以便为换热设备冷却壁的设计提供理论依据。

图2 流体阻力试验装置

1 试验原理与装置

旋液流态化技术原理：在冷却水流道内放置钢丝螺旋线，对于液固两相流化液，由于螺旋弹簧的作用，会使管内的流化液产生旋转运动，从而产生离心力场。此时流态化粒子在离心力的作用下会向壁面富集，且螺旋弹簧充当类似螺旋输送器的 “螺旋片”的作用，将换热管下部的流态化粒子向上传送，使管内粒子分布均匀，从而达到好的除垢和强化传热作用，如图1所示。

图1 螺旋流态化粒子管内流动

模拟试验装置如图2所示。为了方便试验过程中对污垢清洗效果的观察，使用半透明的PVC管。污垢清洗率定义为已清洗污垢的管内壁面积与管内壁总面积的比值，即：

式中A——已清洗污垢的管内壁面积，m2；

A0——管内壁总面积，m2。

水流的总阻力计算式为：

式中 Δp——阻力损失，Pa；

l——管程长度，m；

λ——摩擦系数；

d——管内径，m；

ρ——水的密度，kg/m3；

u——水的流速，m/s。

从式 （2）可知，在保持一定管长和管径的条件下，改变流速 （即Re），就可通过试验测得两个测点间的阻力损失Δp。通过一系列试验数据作图就能得到摩擦系数λ与雷诺准数的关系曲线，进而计算出流体流动的总阻力。

2 结果与分析

2.1 旋液流态化清洗效果

清洗效果试验采用PVC管，污垢采用20%水泥、80%轻质碳酸钙粉、水和乳胶调制而成，厚度约1.0 mm，硬度比工程应用中要高些。试验结果如表1所示。

表1 旋液流态化的清洗效果评价 （粒子体积比2%）

试验过程中污垢清洗快速，150 s内流道内壁污垢基本清洗干净。流态化粒子通过正反向连续清洗，管内没有发生粒子沉积和堵塞等现象。旋液流态化技术尤其对弯道传热面的污垢能够完全均匀地清洗，且快速安全有效。

2.2 旋液流态化阻力特性

阻力试验采用Ø57 mm×3.5 mm×2000 mm碳钢管，阻力测量点间距为1000 mm，内置钢丝螺旋线，其螺距为60 mm，钢丝直径Ø1.6 mm，螺旋线外径Ø46 mm。分别对螺距为50 mm、58 mm、72 mm和80 mm进行试验，根据试验数据作图得到的不同螺距下的雷诺数与阻力关系曲线如图3、图4所示。

图3 Re与阻力△p关系曲线

图4 Re与λ关系曲线

由图3、图4可知：流体阻力Δp随Re的增大而上升，摩擦系数λ随Re的增大而减小。以钢管Ø57 mm×3.5 mm、流速1.0 m/s、螺旋线外径Ø45 mm、螺距58 mm为条件，根据某公司水冷壁实际情况来进行计算，得到流体阻力约为48.7 kPa，小于循环泵的出口总压。因此，采用旋液流态化技术可以达到节能增效的目的，且在原有的设备基础上就能有效运行。

2.3 传热系数

传热系数即为相应的热阻的倒数。在传热强化试验中，只测量无粒子的钢丝螺旋线的传热强化幅度。通过测定相同条件下内置钢丝螺旋线管及光管（空管）的传热系数并进行比较，可获得内置钢丝螺旋线时旋液流态化对流体传热的影响数据。根据模拟试验数据作图，可得到传热系数K与Re的关系曲线，如图5所示。

由图5可知，内置钢丝螺旋线的旋液流态化传热系数随Re增加而增大，在相同的Re条件下，旋液流态化传热系数明显高于空管传热系数，强化传热效果高。当Re在一定范围时，旋液流态化传热系数比空管平均提高13.3%。

图5 传热系数K与Re关系曲线

3 结论

（1）清洗试验在150 s内流道内壁污垢基本清洗干净，没有发生粒子沉积与堵塞等现象，安全可靠性高。

（2）流体阻力Δp随Re的增大而上升，摩擦系数λ随Re的增大而减小。按某公司水冷壁尺寸制造的试验装置其总阻力约为48.7 kPa，小于循环泵的出口总压。采用旋液流态化技术可节能增效。

（3）旋液流态化传热系数明显高于空管传热系数，强化传热效果高。当Re在一定范围时，旋液流态化传热系数比空管平均提高13.3%。

[1]段培清，南碎飞，窦梅，等．换热器防垢除垢实验研究 ［J］．高校化学工程学报，2009,23(1):51-56.

[2]姜鹏,阎华，张震，等．换热器内插件的研究进展［J］ ．广州化工， 2011,39 （20）： 1-3.

[3]吕志元,赵正维，吕刚，等.热交换器的螺旋压缩弹簧在线自动除垢扰流新技术 ［J］.黑龙江石油化工,1999(10):4-6.

[4]徐建民，黄伟，熊雯．内插螺旋弹簧换热管传热特性试验研究 ［J］．化工装备技术,2010,31(2):15-18.

[5]周立，陶卫民.自动清洗螺旋纽带在不同的应用场合结构优化比较研究［J］.机床与液压,2002(3):90-92.

[6]吴剑恒．螺旋纽带自动除垢防垢和强化传热技术的原理及应用 ［J］．汽轮机技术,2007,49(2):151-154.

[7]李月,丁玉梅,杨卫民．节能芯工作原理数值分析及其工业应用 ［J］．石油化工设备，2009,38(6):73-76.

[8]李锋祥,阎华,丁玉梅，等．管程扰流传热与阻力实验中的特征长度 ［J］.计算机与应用化学,2008,25(7):867-871.

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 Ø57 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

*湖南省科技厅项目 （2010GK3195）。

**向寓华，女，1968年生，硕士，副教授。株洲市，412004。

2012-06-25）