喷气自转平带清洗式立式管内低流速水冷器.docx

1、化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESSB41喷气自转平带清洗式立式管内低流速水冷器,俞天兰I蒋少青2,俞秀民1,金俊杰3湖南工业大学帅科机械清洗研究所，株洲412008；2长沙理工大学410076；3株洲华海节能设备公司，株洲412000）摘要：喷气自转平带清洗式立式管内低流速水冷器，在每根传热管内放置塑料斜齿平带.运行时斜齿平带是对流传热的高效强化元件，管内侧对流传热系数为强化的幅度为85.7%o污垢清洗时又是非常有效的清洗元件.清洗动力是由低压气源鼓风机供给、从进口底室内喷气管进来的自转气流。在喷气管喷出气流与冷却水的混合物带动下，斜齿平带实现

2、剧烈地往复运动清洗.往复运动周期通过喷气管自转速度可以调节。在线清洗速度快，不会擦伤管壁，可靠性高，无污染，操作简便，费用低廉.这种水冷器能够长期保持高效运行，对管内冷却水流速几乎为零的立式设备都同样适用，并且结构简单，制造成本增大10%左右。关键词：水冷器；齿带；冷却强化；在线;清洗；喷气自转脉冲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）水冷器的强化问题对流传热系数近似正比于管内流速的0.8次方,低流速设备本身就更需要传热强化。对于大多数污垢来说，流速愈低，污垢生长速度愈快，并且污垢厚度也愈大。据称污垢使我国水冷器的运行效率下降的平均幅度为50%【叱诸如管外气体冷却的基金项目国家科技部火炬计划项目（99D231D7700584）和湖南省科技厅计划资助项目（O5GK3O53）的成果。第一作者简介俞天兰（1刃2），女，副教授，研究方向是传热强化与节能。E-mailzzyutianlan。各种水冷器、冷冻系统的立式水冷器等等，其数量相当多，管内冷却水实际流速很低，几乎都在0.20m/s以下，水垢影响严重，效率很

8、低。对冷冻机组来说，不仅冷却水消耗量大，更重要的是冰机排压高，运行耗电增大，会明显地影响运行效益。2低流速管内污垢清洗及其传热强化的现有技术螺旋线在线清洗及其传热强化技术清洗硬垢能力强，结构简单，阻力低，传热强化幅度较高，可以达到20%以上，但是要求流速0.7m/s以上。塑料螺旋扭带在线清洗技术清除软垢能力强，结构简单，阻力低。但是，要求流速1.0m/s以上，并且传热强化幅度不高，只有8%15%。塑料螺旋斜齿扭带在线清洗技术能够高效强化。可以使传热系数提高91%以上，但是自动清洗污垢需要0.5m/s以上的流速条件。循环流态化在线清洗技术，虽然实际运行K值可以提高91%叫但是不考虑污垢清洗的纯传

9、热强化幅度只有35%61%。并且，在长期运行中有的设备存在两个问题：流态化底室的筛板筛孔容易积累性的沙子堵塞，最后可以高达20%左右，显著影响其均匀性；流态化清洗粒子容易由出口室跑失。虽然作了许多改进，但是控制固体粒子在管束的均匀分布仍然是流化床水冷器稳定操作的关键，这一难题尚未彻底解决&叫因此，污垢在线自动清洗方面，还没有适用于（0.2m/s以下）低流速水冷器管内在线清洗的现有技术。3气流脉冲斜齿平带在线清洗结构原理同结构原理如图1所示。设备平常运行时，水冷管内的斜齿平带式高效冷却强化元件。使管内的对流传热系数成倍提高作用最大的是每个椭圆齿的下游出现的大量涡流。其次另一部分液流仍然保

10、持原来的轴向流动，与斜齿导向后经过旋流口的螺旋流的融合的有效扰动，使传热管内液体的对流传热效率得以进一步的强化。在gommX4mmX2000mm的不锈钢管、管外水蒸气加热、管内通冷却水的条件下，对斜齿平带的传热系数进行实验测量。试验结果如图2所示，在Re=1777332969,旋流口斜齿平带的传热系数2367.7比安装前的12753平均提高85.7%o1图1结构原理图1排气阀：2出口室：3出口罩；4筒体；5齿带1水冷管；7进气隔板室；8进口室；U气管；11%压表；11n阀：12自转喷气管；13调速板图2气流脉冲斜齿平带强化传热特性管内污垢需要清洗时，打开进气阀，进气压力达到一定值，喷气管喷气，

11、借助喷气的反推力作用自动旋转。喷出的气体上浮到被隔板分割的气室里，经由该气室上方的传热管与液体混合向上流动，这些传热管内的气泡体积逐渐地增多。在同一时间里，与没有受到喷气管喷气的其它大多数传热管之间构成具有很大静压差的连通器。在此大静压差的作用下，这些受喷气管喷气的气室上方的传热管内的气液混合物产生向上的快速流，其速度远大于塑料斜齿平带在管内液体里的沉降速度，带动它快速旋转、并且一起以较快的速度向上运动。在气液混合物的两相流流动过程中，气泡对于冷却水的搅动剧烈，因此塑料斜齿平带向上运动是有波动、有旋转的复杂运动，与传热管内壁频繁地碰撞摩表1塑料斜齿平带脉冲气流清洗试验记录表:提碧常孺供菁液落漓

12、？晔餐魏嚣肾噫踩均解踹群时间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、均匀地将管内壁的污垢清洗除去。运动到传热管的上端被管口罩档住，清洗气体浮升到在出口室的液面，经过排气阀排到传热设备外。喷气管旋转离开该气室后，这些传热管内不再有气体供给.又恢复为原先的液体低流速向上流动，塑料斜齿平带在重力作用下沉降，下沉直到传热管下端的管口罩。因此，喷气管每旋转一周，传热设备所有传热管内的塑料斜齿平带都上下往复运动一次。对传热管内壁的污垢清洗一次一般污垢经过3060次，就能够很快地将传热管内的污垢清洗得干干净净。4脉冲气流机构试验设备

14、直径1200mm。罗茨鼓风机作为气源。通过©40的进气管阀门调节气量与压力。用玻璃转子气体流量计测量消耗的气量。供气压力始终控制在075的旋转外套管的下轴承以下，喷气管旋转时安装固定在中心供气管的轴承的旋转摩擦阻力矩很小。外套管由一定的长度，以免清洗气体跑失，又便于控制。喷气管上的喷气孔方向水平、并且全部朝向同一侧，以便借助喷气反作用力形成的旋转力矩的最大化，保障喷气管能够可靠地自转。因此，喷气管在水面以下的深度为450mm左右。试验结果可知，随看压缩空气流量的逐渐增加，喷气管开始自转，并且自转速度也随之逐渐加快。喷气管开始自转的气体流量(标准状态)与喷气孔速度乘积的最低值为2.16

15、(m3/h)(m/s)o5清洗工艺参数试验装置清洗工艺参数主要包括清洗气体的压力、流量、周期。由于气体不仅与传热管内的液体一起流动，而且还相对于液体有浮升运动，气泡的大小及其分布状况不明，流动过程中汽泡还有聚合和破裂，因此理论计算脉冲清洗气体的供气量相当困难，目前没有计算方法。因此只能借助试验研究建立简单可靠的计算方法。实际生产中的水冷器的传热管的数量一般为数百根。直接用这样的水冷器进行试验研究，设备费、尤其是测量仪器费用很大，并且也不方便。因此，试验研究系统设计中，采用如图3所示的单管脉冲清洗试验系统。为了便于直接观察塑料斜齿平带在传热管里面运动的情况，脉冲清洗试验管采用半透明的塑料管，并且

16、用一个100W的灯泡放在塑料管的对面照射。塑料管的尺寸为长度2600mm、内径38mm、外径32mm。供气设备采用空气压缩机。清洗的气流脉冲采用供气阀门的手动开关操作产生。测量空气压力的标准压力计与供气管路并联，测量清洗供气量空气流量计和测量水流速的转子流量计分别串联在供气管路与供水管路中。并且，压力计与空气流量计安装在比液面更高处，以防冷却水倒流进入。6低压气体清洗节能与压力计算由于脉冲清洗需要的供气量大，若采用压缩机供气则需要较大的压缩机，其设备费就会不合理。因此，在传热管长度较大时，必须研究直接采用鼓风机作为供气设备的低压气流脉冲清洗的节能技术问题。从理论上说，要带动斜齿平带向上运动的条

17、件是气液混合物的流速，而气液混合物的流速又是构成由连通器两管的静压差大小决定。因此，理论上只需要满足一定的静压差条件，技术上就有可能通过降低清洗操作时的液面来降低脉冲清洗的供气压力要求，以便于直接采用鼓风机作为供气设备，以求脉冲清洗的设备费和清洗能耗费用的最低化。脉冲清洗合适的最低液面为1250mm,操作液面为传热管高度的48%,平均供气压力为17.74kPao经过反复试验，得到的低压气体清洗压力要求的计算式为P=6.82H(1)式中，H为传热管长度，m<>7清洗脉冲周期优化研究液面愈高，清洗需要的压力愈大，斜齿平带上升的推动力愈大，上升的速度也愈大。但是，沉降回复的阻力也愈大，因

18、此速度也愈慢。斜齿平带在水冷管内上下往复清洗运动的周期是非常重要的设计参数，因为喷气管旋转周期必须大于运动周期，并且直接关系到气室分隔的数量多少、清洗气耗大小、清洗速度、清洗效果等。在合理供气压力和供气量2.0m3/h的条件下，包括上升前的通气时间在内的脉冲全周期往复运动的平均速度0.102m/s,开始上升运动前的平均通气时间为0.63s,上升运动的平均速度0.059m/so由于摩擦力大小与旋转机构及其组装状况有关，并且机构设计时很难预计的精确的自转周期。为此，在喷气管的下方安装有转速调节阻力板，转速调节阻力板与水平截面之间的角度可以改变，以此改变喷气管的旋转阻力，达到调节气流脉冲清洗周期的目

19、的。这对于设计、制造、使用调节都相当简便。喷气管上安装的转速调节阻力板与水平截面之间的倾斜角度可以经过手孔调节改变，以此显著地增大或减低喷气管的旋转阻力，达到调节喷气管的自转周期和气流清洗脉冲周期的目的。8供气气量优化研究及其计算方法在生产过程中，一般水冷器的传热管子为数百根，当通气量不足时，无法满足生产需求，当通气量过大时，造成不必要的能量损耗。这是供气设备大小、清洗能耗高低、供气管路系统设计的基础。优化实验的结果可知，在最佳供气压力下.单管供气量均为2.0m3/h最好。因此，对于同一个隔气室内的水冷管数为根，水冷管内内径为d,清洗要求的鼓风机的供气量V的计算式为V=2nJ2xlO4(2)9

20、结语以传热面积200m2的喷气自转脉冲清洗式低流速高效水冷器为例.传热管为340根©38X3X5000mm,传热管内为冷却水，采用塑料斜齿螺旋扭带12个气室的结构。上下往复清洗运动的行程取400mm(已经计及管口罩深度100mm)。则对气源或鼓风机的供气压力要求大于344kpa,供气量要求为大于70m3/h,喷气管旋转的周期T时间，若按上升运动时间计算为7s,按往复运动时间计算为8s,取定为约10s。若供气清洗时间约30min,则上下往复运动清洗可以达到180次，耗电不足2度。但是，这种结构的喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效水冷器始终保持高效运行，传热管内侧的对流传热系数们比传统结构的低流速水冷器提高一倍以上，而制造成本比传统水冷器只增大10%O这种喷气自转脉冲清洗式低流速高效水冷器对于已经有公用的压力气源的系统、或多台水冷器公用压力气源时更为经济。因此，这种喷气自转脉冲清洗式低流速高效水冷器，不仅能够实现传热管内污垢的在线快速清洗,及时除去管内壁污垢，保障设备