噴氣自轉平帶清洗式立式管內低流速水冷器.docxVIP

1、化工進展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESSB41噴氣自轉平帶清洗式立式管內低流速水冷器,俞天蘭I蔣少青2,俞秀民1,金俊杰3湖南工業(yè)大學帥科機械清洗研究所，株洲412008；2長沙理工大學410076；3株洲華海節(jié)能設備公司，株洲412000）摘要：噴氣自轉平帶清洗式立式管內低流速水冷器，在每根傳熱管內放置塑料斜齒平帶.運行時斜齒平帶是對流傳熱的高效強化元件，管內側對流傳熱系數(shù)為強化的幅度為85.7%o污垢清洗時又是非常有效的清洗元件.清洗動力是由低壓氣源鼓風機供給、從進口底室內噴氣管進來的自轉氣流。在噴氣管噴出氣流與冷卻水的混合物帶動下，斜齒平帶實現(xiàn)

2、劇烈地往復運動清洗.往復運動周期通過噴氣管自轉速度可以調節(jié)。在線清洗速度快，不會擦傷管壁，可靠性高，無污染，操作簡便，費用低廉.這種水冷器能夠長期保持高效運行，對管內冷卻水流速幾乎為零的立式設備都同樣適用，并且結構簡單，制造成本增大10%左右。關鍵詞：水冷器；齒帶；冷卻強化；在線;清洗；噴氣自轉脈沖Verticalwatercooleroflowflowingvelocitywithslef-rotatingflatstrip-insertandjetpowerYUTianlan,JIANGShaoqing29YUXiumingJunjieJIN3（1MechanicalCleaningIns

3、titute*HunanUniversityofTechnology/412008；2ChangshaUniversityofScienceandTechnology>410076；3ZhuzhouHuahaiEnergy-savingEquipmentCo.Ltd.,412000）Abstract:Thispaperintroducesaverticalwatercooleroflowflowingvelocitywithself-rotatingjetpower,inwhichaflatstripwithobliqueteethinstalledineachheattransfert

4、ubecanspin.Thisinsertcanenhanceheattransferefficientlyduringoperationandtheconvectiveheattransfercoefficientoftubesideis85.7%.Furthermore,itcanalsoremovefoulingonlinesuccessfully.Thecleaningpoweristheairjetflowingfromthejettubeinthebottomchambersuppliedbyafanoflowpressure.Theflatstripmustmakerecipro

5、catingactionstrenuouslydrivenbythemixtureofairjetandflowingwater.Theperiodictimeofthisactioncanbeadjustedthroughchangingtheself-rotatingspeedofjettube.Theonlinecleaningtimeisshortandlessthan1hour.Thetubewallwon'tbedamagedandsuchoperationisreliableandconvenientwithoutanypollution.Suchcoolercanope

6、rateforlongtimewithhighefficiency.Thistechnologyisalsosuitableforverticalequipmentsofverylowflowingvelocity(almostOm/s).Thestructureissimpleandthemanufacturecostisincreasedbyonlyabout10%.Keywords：watercooler；flatstripwithobliqueteeth；coolingenhancement；onlineclean；jetpowerofself-rotationandpulse.1低流

7、速（0.2m/s以下）水冷器的強化問題對流傳熱系數(shù)近似正比于管內流速的0.8次方,低流速設備本身就更需要傳熱強化。對于大多數(shù)污垢來說，流速愈低，污垢生長速度愈快，并且污垢厚度也愈大。據(jù)稱污垢使我國水冷器的運行效率下降的平均幅度為50%【叱諸如管外氣體冷卻的基金項目國家科技部火炬計劃項目（99D231D7700584）和湖南省科技廳計劃資助項目（O5GK3O53）的成果。第一作者簡介俞天蘭（1刃2），女，副教授，研究方向是傳熱強化與節(jié)能。E-mailzzyutianlan。各種水冷器、冷凍系統(tǒng)的立式水冷器等等，其數(shù)量相當多，管內冷卻水實際流速很低，幾乎都在0.20m/s以下，水垢影響嚴重，效率很

8、低。對冷凍機組來說，不僅冷卻水消耗量大，更重要的是冰機排壓高，運行耗電增大，會明顯地影響運行效益。2低流速管內污垢清洗及其傳熱強化的現(xiàn)有技術螺旋線在線清洗及其傳熱強化技術清洗硬垢能力強，結構簡單，阻力低，傳熱強化幅度較高，可以達到20%以上，但是要求流速0.7m/s以上。塑料螺旋扭帶在線清洗技術清除軟垢能力強，結構簡單，阻力低。但是，要求流速1.0m/s以上，并且傳熱強化幅度不高，只有8%15%。塑料螺旋斜齒扭帶在線清洗技術能夠高效強化?？梢允箓鳠嵯禂?shù)提高91%以上，但是自動清洗污垢需要0.5m/s以上的流速條件。循環(huán)流態(tài)化在線清洗技術，雖然實際運行K值可以提高91%叫但是不考慮污垢清洗的純傳

9、熱強化幅度只有35%61%。并且，在長期運行中有的設備存在兩個問題：流態(tài)化底室的篩板篩孔容易積累性的沙子堵塞，最后可以高達20%左右，顯著影響其均勻性；流態(tài)化清洗粒子容易由出口室跑失。雖然作了許多改進，但是控制固體粒子在管束的均勻分布仍然是流化床水冷器穩(wěn)定操作的關鍵，這一難題尚未徹底解決&叫因此，污垢在線自動清洗方面，還沒有適用于（0.2m/s以下）低流速水冷器管內在線清洗的現(xiàn)有技術。3氣流脈沖斜齒平帶在線清洗結構原理同結構原理如圖1所示。設備平常運行時，水冷管內的斜齒平帶式高效冷卻強化元件。使管內的對流傳熱系數(shù)成倍提高作用最大的是每個橢圓齒的下游出現(xiàn)的大量渦流。其次另一部分液流仍然保

10、持原來的軸向流動，與斜齒導向后經過旋流口的螺旋流的融合的有效擾動，使傳熱管內液體的對流傳熱效率得以進一步的強化。在gommX4mmX2000mm的不銹鋼管、管外水蒸氣加熱、管內通冷卻水的條件下，對斜齒平帶的傳熱系數(shù)進行實驗測量。試驗結果如圖2所示，在Re=1777332969,旋流口斜齒平帶的傳熱系數(shù)2367.7比安裝前的12753平均提高85.7%o1圖1結構原理圖1排氣閥：2出口室：3出口罩；4筒體；5齒帶1水冷管；7進氣隔板室；8進口室；U氣管；11%壓表；11n閥：12自轉噴氣管；13調速板圖2氣流脈沖斜齒平帶強化傳熱特性管內污垢需要清洗時，打開進氣閥，進氣壓力達到一定值，噴氣管噴氣，

11、借助噴氣的反推力作用自動旋轉。噴出的氣體上浮到被隔板分割的氣室里，經由該氣室上方的傳熱管與液體混合向上流動，這些傳熱管內的氣泡體積逐漸地增多。在同一時間里，與沒有受到噴氣管噴氣的其它大多數(shù)傳熱管之間構成具有很大靜壓差的連通器。在此大靜壓差的作用下，這些受噴氣管噴氣的氣室上方的傳熱管內的氣液混合物產生向上的快速流，其速度遠大于塑料斜齒平帶在管內液體里的沉降速度，帶動它快速旋轉、并且一起以較快的速度向上運動。在氣液混合物的兩相流流動過程中，氣泡對于冷卻水的攪動劇烈，因此塑料斜齒平帶向上運動是有波動、有旋轉的復雜運動，與傳熱管內壁頻繁地碰撞摩表1塑料斜齒平帶脈沖氣流清洗試驗記錄表:提碧常孺供菁液落漓

12、？曄餐魏囂腎噫踩均解踹群時間Ti/s12.022.032.042.012.022.032.042.012.022.032.042.052.012.022.032.042.052.0170019001500.最低液面高度125017.74.94.98.88.09.64.29.06.46.26.9537.45111ZZ3.2.13.138.13472.11sm/s.54s0.28m/s2.480.05m/s121954噂39210356936329079-2978283751637243487763232211113.93s;0.186m/s7.69s;0.095m/s2.95s;0.247m/s

13、6.65s;0.22m/s10.26s;0.142m/s6.12s;0.239m/s1.3380.55m/s14.33s;0.102擦，能快速、均勻地將管內壁的污垢清洗除去。運動到傳熱管的上端被管口罩檔住，清洗氣體浮升到在出口室的液面，經過排氣閥排到傳熱設備外。噴氣管旋轉離開該氣室后，這些傳熱管內不再有氣體供給.又恢復為原先的液體低流速向上流動，塑料斜齒平帶在重力作用下沉降，下沉直到傳熱管下端的管口罩。因此，噴氣管每旋轉一周，傳熱設備所有傳熱管內的塑料斜齒平帶都上下往復運動一次。對傳熱管內壁的污垢清洗一次一般污垢經過3060次，就能夠很快地將傳熱管內的污垢清洗得干干凈凈。4脈沖氣流機構試驗設備

14、直徑1200mm。羅茨鼓風機作為氣源。通過©40的進氣管閥門調節(jié)氣量與壓力。用玻璃轉子氣體流量計測量消耗的氣量。供氣壓力始終控制在075的旋轉外套管的下軸承以下，噴氣管旋轉時安裝固定在中心供氣管的軸承的旋轉摩擦阻力矩很小。外套管由一定的長度，以免清洗氣體跑失，又便于控制。噴氣管上的噴氣孔方向水平、并且全部朝向同一側，以便借助噴氣反作用力形成的旋轉力矩的最大化，保障噴氣管能夠可靠地自轉。因此，噴氣管在水面以下的深度為450mm左右。試驗結果可知，隨看壓縮空氣流量的逐漸增加，噴氣管開始自轉，并且自轉速度也隨之逐漸加快。噴氣管開始自轉的氣體流量(標準狀態(tài))與噴氣孔速度乘積的最低值為2.16

15、(m3/h)(m/s)o5清洗工藝參數(shù)試驗裝置清洗工藝參數(shù)主要包括清洗氣體的壓力、流量、周期。由于氣體不僅與傳熱管內的液體一起流動，而且還相對于液體有浮升運動，氣泡的大小及其分布狀況不明，流動過程中汽泡還有聚合和破裂，因此理論計算脈沖清洗氣體的供氣量相當困難，目前沒有計算方法。因此只能借助試驗研究建立簡單可靠的計算方法。實際生產中的水冷器的傳熱管的數(shù)量一般為數(shù)百根。直接用這樣的水冷器進行試驗研究，設備費、尤其是測量儀器費用很大，并且也不方便。因此，試驗研究系統(tǒng)設計中，采用如圖3所示的單管脈沖清洗試驗系統(tǒng)。為了便于直接觀察塑料斜齒平帶在傳熱管里面運動的情況，脈沖清洗試驗管采用半透明的塑料管，并且

16、用一個100W的燈泡放在塑料管的對面照射。塑料管的尺寸為長度2600mm、內徑38mm、外徑32mm。供氣設備采用空氣壓縮機。清洗的氣流脈沖采用供氣閥門的手動開關操作產生。測量空氣壓力的標準壓力計與供氣管路并聯(lián)，測量清洗供氣量空氣流量計和測量水流速的轉子流量計分別串聯(lián)在供氣管路與供水管路中。并且，壓力計與空氣流量計安裝在比液面更高處，以防冷卻水倒流進入。6低壓氣體清洗節(jié)能與壓力計算由于脈沖清洗需要的供氣量大，若采用壓縮機供氣則需要較大的壓縮機，其設備費就會不合理。因此，在傳熱管長度較大時，必須研究直接采用鼓風機作為供氣設備的低壓氣流脈沖清洗的節(jié)能技術問題。從理論上說，要帶動斜齒平帶向上運動的條

17、件是氣液混合物的流速，而氣液混合物的流速又是構成由連通器兩管的靜壓差大小決定。因此，理論上只需要滿足一定的靜壓差條件，技術上就有可能通過降低清洗操作時的液面來降低脈沖清洗的供氣壓力要求，以便于直接采用鼓風機作為供氣設備，以求脈沖清洗的設備費和清洗能耗費用的最低化。脈沖清洗合適的最低液面為1250mm,操作液面為傳熱管高度的48%,平均供氣壓力為17.74kPao經過反復試驗，得到的低壓氣體清洗壓力要求的計算式為P=6.82H(1)式中，H為傳熱管長度，m<>7清洗脈沖周期優(yōu)化研究液面愈高，清洗需要的壓力愈大，斜齒平帶上升的推動力愈大，上升的速度也愈大。但是，沉降回復的阻力也愈大，因

18、此速度也愈慢。斜齒平帶在水冷管內上下往復清洗運動的周期是非常重要的設計參數(shù)，因為噴氣管旋轉周期必須大于運動周期，并且直接關系到氣室分隔的數(shù)量多少、清洗氣耗大小、清洗速度、清洗效果等。在合理供氣壓力和供氣量2.0m3/h的條件下，包括上升前的通氣時間在內的脈沖全周期往復運動的平均速度0.102m/s,開始上升運動前的平均通氣時間為0.63s,上升運動的平均速度0.059m/so由于摩擦力大小與旋轉機構及其組裝狀況有關，并且機構設計時很難預計的精確的自轉周期。為此，在噴氣管的下方安裝有轉速調節(jié)阻力板，轉速調節(jié)阻力板與水平截面之間的角度可以改變，以此改變噴氣管的旋轉阻力，達到調節(jié)氣流脈沖清洗周期的目

19、的。這對于設計、制造、使用調節(jié)都相當簡便。噴氣管上安裝的轉速調節(jié)阻力板與水平截面之間的傾斜角度可以經過手孔調節(jié)改變，以此顯著地增大或減低噴氣管的旋轉阻力，達到調節(jié)噴氣管的自轉周期和氣流清洗脈沖周期的目的。8供氣氣量優(yōu)化研究及其計算方法在生產過程中，一般水冷器的傳熱管子為數(shù)百根，當通氣量不足時，無法滿足生產需求，當通氣量過大時，造成不必要的能量損耗。這是供氣設備大小、清洗能耗高低、供氣管路系統(tǒng)設計的基礎。優(yōu)化實驗的結果可知，在最佳供氣壓力下.單管供氣量均為2.0m3/h最好。因此，對于同一個隔氣室內的水冷管數(shù)為根，水冷管內內徑為d,清洗要求的鼓風機的供氣量V的計算式為V=2nJ2xlO4(2)9

20、結語以傳熱面積200m2的噴氣自轉脈沖清洗式低流速高效水冷器為例.傳熱管為340根©38X3X5000mm,傳熱管內為冷卻水，采用塑料斜齒螺旋扭帶12個氣室的結構。上下往復清洗運動的行程取400mm(已經計及管口罩深度100mm)。則對氣源或鼓風機的供氣壓力要求大于344kpa,供氣量要求為大于70m3/h,噴氣管旋轉的周期T時間，若按上升運動時間計算為7s,按往復運動時間計算為8s,取定為約10s。若供氣清洗時間約30min,則上下往復運動清洗可以達到180次，耗電不足2度。但是，這種結構的噴氣自轉脈沖螺旋自動清洗式低流速高效水冷器始終保持高效運行，傳熱管內側的對流傳熱系數(shù)們比傳統(tǒng)結構的低流速水冷器提高一倍以上，而制造成本比傳統(tǒng)水冷器只增大10%O這種噴氣自轉脈沖清洗式低流速高效水冷器對于已經有公用的壓力氣源的系統(tǒng)、或多臺水冷器公用壓力氣源時更為經濟。因此，這種噴氣自轉脈沖清洗式低流速高效水冷器，不僅能夠實現(xiàn)傳熱管內污垢的在線快速清洗,及時除去管內壁污垢，保障設備