换热器在线清洗实验台的构建①

周 梅 蔡晓君 杨二帅 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

换热器在线清洗实验台的构建①

周 梅 蔡晓君 杨二帅 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

构建了换热器在线清洗实验台，进行了物流流动实验，得到了污垢沉积状态与换热器内部结构的关系，并观察得出流体流动速度与污垢沉积也有一定的关系。FLUENT流体力学分析软件模拟结果再次证明这一推论。根据实验分析和软件模拟得知，通过改变物料在换热器内部的流动速率、改变换热器内部结构都可影响换热器结垢的速率，建议可通过改变换热器折流板结构形式来减少污垢的沉积。

换热器 流体 沉积速率 数值模拟

换热器广泛应用于化工、炼油及动力等领域[1]。在换热设备工作过程中，由于传递速率及换热设备内部复杂结构的影响，某些重组分、易沉积组分会在换热设备壁面沉积形成污垢。结垢是一种极为普遍的现象，它广泛存在于各种传热过程中[2]。结垢也常常引起换热面局部腐蚀乃至穿孔，严重威胁安全运行，造成巨大的经济损失[3]。石化行业的换热器大多处于大温差、高温高压、介质高粘度、多杂质的恶劣工作环境中，因而结垢现象非常严重[4]。污垢对换热器的正常工作造成极大危害，使换热性能严重降低。污垢在设备表面积聚，造成壁面粗糙度增大，流通截面积减小，增大了流体流动阻力[5, 6]。污垢沉积层的加厚，引起局部换热面过热或超高温，导致垢下材料腐蚀。结垢也会严重造成运行维护费用增加。

常见的列管式换热器，主要清洗其管程或壳程[7]。而污垢清洗过程是不可见的，为了能直观地观察换热器内部流体流动状况，得到流体流动速度、流动方向和换热器内部结构对污垢沉积速率的影响，笔者构建了换热器在线清洗实验台，通过换热器在线清洗实验台流体流动实验，来模拟污垢在换热器内部沉积状况，并可观察流体流动速度对污垢沉积的影响。

1 污垢沉积主要因素分析

污垢不是某种单一过程作用形成的，有多种因素影响污垢的形成速率，例如换热设备内部流速、换热设备结构、换热设备内部复杂程度及流体介质性质等[8]。综合各类污垢形成过程，都需要经过起始、输运、附着、剥蚀和老化5个阶段[9]。此外，流体流动速度对换热设备结垢也有着重要影响，流体流动速度的改变引起流体对壁面剪切力大小的变化，并且影响污垢形成时的强度，进而影响剥蚀过程。在流速较低时，随着流速的增大，流体对污垢层的剪切力也增大，从而加快了垢层的脱除，在此阶段增加流体速度可以减少结垢速率[10]。在流速较高时，增加流体速度结垢速率反而增加，这是因为在结垢过程中粒子扩散阻力较大，而高流速引起的湍流促进了颗粒的输送，使颗粒快速到达壁面粘附而结垢。

2 清洗实验台的设计

为了模拟换热器的实际工作状况，观测换热器内部流道结构对流体速度的影响，笔者设计了换热器在线清洗实验台，并制定了更为高效的清洗工艺[11]。该实验台主要针对化学清洗方法而构建。实验台由换热器、清洗剂储槽、示踪液储槽、调速泵、流量计、阀门及加热装置等组成，换热器在线清洗流程如图1所示。换热器清洗实验台要求水流速度为经济清洗流速(1.0～2.5m/s)。选择三相无刷直流调速水泵，型号为DC50E-24150A，额定电压12V，额定功率24W，这种水泵无需保养，体积小，效率高，功耗低，无碳刷，电子换向，寿命长。流量计选择LWGY型涡轮流量计。连接管材采用三型聚丙类管，厚度2.5mm，连接管子直径20mm。

图1 换热器在线清洗实验台示意图

该装置可以通过阀门切换实现流体流向的改变。细实线为正循环流程，此时开启阀门1、2、3、4，流体通过泵进入换热器壳程上口，下口流出后返回到油液储槽，经双层隔板过滤后，重新进入循环。粗实线为反循环流程，此时开启阀门1、2、5、6，流体通过泵进入换热器壳程下口，上口流出后返回到油液储槽，经双层隔板过滤后，重新进入循环[12]。

3 在线清洗实验

为了更加清晰地观察换热器内部流场，用与清洗剂密度、粘度等物性相当的透明试剂OP-10代替清洗剂，并在OP-10中加入示踪液。为了模拟较真实的污垢状况，选取密度略大于OP-10液体的聚乙烯颗粒，模拟颗粒沉积在换热器壁面的状态。实验时，向换热器内置入等量颗粒，最终通过称量储槽里的颗粒质量来反映流体流动速度、流体流动方向、换热器结构等因素对污垢生长速率的影响。

实验过程为：首先将示踪液放入示踪液储槽进行流场观测，然后观察在折流板处示踪液的绕流状况，绕流后的示踪液迅速扩散至壁面处，说明折流板的存在会对污垢颗粒造成阻挡和碰撞，在一定运动方向上，可能会促进污垢的生长[13]。

为进一步观测流体流动方向对污垢生长速率的影响规律，分别对换热器进行正向、反向和正反交替流动实验，通过调速泵调节液体流速，观察颗粒排出状况，并作比较，结果见表1，可以得出，正反交替清洗方式在不同流速下可将出垢率提升3%～11%不等，并且流体流动速度越大，出垢率越高。

表1 不同流向和流速下的出垢率

实验结果分析：正循环过程，在折流板的影响下，流体呈阶梯状流入，致使颗粒积聚在远离入口的折流板下侧及出口附近的管板下侧处；反循环过程，流体首先覆盖整个换热器底层，之后漫流至灌满整个换热器内部，致使每个折流板中上侧均有颗粒积聚。正循环可以使反循环积聚在折流板中上侧的颗粒下行至出口流出，而反循环则可以将正循环积聚在出口附近的颗粒重新搅动起来，再次进入循环状态。实验结果说明，在经济流速范围内，正反交替循环时速度越大，出垢率越高。换热器内部流体流向的改变以及流速的变化也会影响污垢排出。

4 换热器流场FLUENT数值模拟分析

采用简化换热器模型对已经形成的污垢颗粒沉积特性进行模拟[14]。图2为换热器流场分布模拟。可以看出在壳程进出口处，重力作用下部分流体接近竖直地冲向换热管，形成明显的湍流状态，流速也明显增大，换热效果最好；在折流板附近，流体形成绕流，整个壳程在多个折流板的作用下形成交错绕流，湍流强度大幅增加；在两折流板中间区域流体横向冲刷换热管，通常换热管外径小于折流板孔径，因而横向冲刷过程很容易在越过管孔间隙后形成卡门涡街[15]，很容易引发流体诱导振动。

图2 换热器速度矢量分布图

从图3可以看到折流板附近速度矢量的变化：折流板前方流体在壳程壁面处形成顺流区，随后在与折流板冲击过程中获得了更大的速度和势能并迅速绕过了折流板缺口处，然后在惯性作用下继续向上前方流动。下落流体在与壁面撞击后，向与主流流向相反的后方反弹，在折流板后方形成涡流区，该区域流体相对停滞，换热效果很差，通常称之为传热死区[16]，也是最易结垢的区域。

图3 折流板附近的速度矢量放大图

5 结束语

通过换热器在线清洗实验台的构建，清晰地观察到流体流动速度能够影响污垢生长速率。随着流体流动速度的增加，改变流体流动方向，提高了出垢总量。在实验中能直接观察到流体容易在折流板处形成零流速区或低流速区，这恰巧是污垢最易生长的理想区域。FLUENT软件模拟结果再次证明该区域的存在。污垢沉积速率与流体流动速度、流体流动方向以及换热器内部结构有密切关系，本实验方法与数值模拟结果可为换热器折流板优化设计提供技术依据，也为换热器在线清洗技术奠定良好基础。

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BuildingExperimentalRigforOn-lineCleaningofHeatExchangers

ZHOU Mei, CAI Xiao-jun, YANG Er-shuai, WANG Li-ping

(CollegeofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology)

An experimental rig for on-line cleaning of the heat exchanger was constructed to get the relationship between the deposition state of the fouling and the internal structure of the heat exchanger, including the certain relationship between the fluid velocity and the fouling deposition. Simulation with FLUENT software proves this conclusion once again. Experimental analysis and software simulation show that, changing material’s flow rate within the heat exchanger and the internal structure there can affect the fouling rate of the heat exchanger. Altering the structure of heat exchanger’s baffles to reduce fouling deposition was proposed.

heat exchanger, fluid, deposition rate, numerical simulation

北京市自然科学基金项目(3132010)。

周梅(1993-)，硕士研究生，从事化工设备研究设计工作。

联系人蔡晓君(1963-)，教授，从事化工设备研究设计工作，caixiaojun@bipt.edu.cn。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)05-0541-04

2016-11-25，

2016-12-23)