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上行换热管内宽型扭带的转动特性实验研究设计

2009年11月26 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要:采用不同的宽型扭带在上行换热管内进行转动特性实验研究,通过对扭带转速的分析,得出了转速关联经验公式,实验结果表明宽型扭带具有在线除垢防垢的应用价值。

换热设备在石油、化工、冶金、动力、制冷等许多工业生产领域中有着广泛的应用,据统计,现代石油化工企业中,换热设备的投资要占全部设备投资的30%~40%[1],可见换热设备在工厂起着重要作用。然而,污垢沉积是换热设备运行中普遍存在的问题,据Steinhagen[2]等对新西兰1 100 家企业的3000台各类换热器的调查表明,90%以上的换热器都存在不同程度的污垢问题。污垢的存在,造成很严重的浪费和损失。因此,对除垢防垢技术的研究变得十分迫切而重要。

在研究除垢防垢技术中,需要考虑的是[3]能否大规模生产,所采用的除垢防垢方法与传热介质的相容性如何;能否保证除垢防垢性能持久有效。随着换热设备技术的不断发展,换热管内内插扭带作为强化传热技术的一种工具,已经有效地解决了上述需要考虑的问题———宽型自旋扭带不需外加动力,没有传动装置,当管内流体流动时,内置扭带会自动旋转,不断刮擦管壁,可有效地防止和除去管内壁上的污垢[4]。作者所研究的是,在对换热器中的流体流速进行细分设置的情况下,同时改变扭带尺寸结构参数,测量扭带转动速度,对其转动特性进行实验研究并得出理论估算式,为实际生产应用提供参考价值。

1实验装置

为了研究宽型扭带的运行特性,设计了实验装置,见图1。

图1中的实验段是一个立式的管壳式换热器。为了实现管内流体由原来的下行流动变为上行流动,对原有的设备进行简单的改造,换热器的两端装有测量转速和压力的测量点,可以方便地测量实验所需要的数据。

1.1实验扭带的结构性能

扭带的外形设计见图2,扭带的主要结构参数有节距H、宽度D,扭转比Y=H/D。其材质采用厚度为5 mm的轧板铝。实验宽型扭带的宽度在 18~22 mm.,扭带型号以D-Y表示,如带宽为18 mm、扭转比为3.5的扭带,应表示为18-3.5。

1.2实验方法

(1)在换热管中置入自旋扭带后,打开换热器上方的排气阀,缓慢调节流量,将管程内空气完全排尽,从观测镜处观察无气泡即可,连接水银压差计。

(2)将流量调到零,校核U型压差计两臂读数是否相同,如不同,应调平。

(3)从流量为零开始,逐次递增0.5 m3/h流量。流量稳定后,记录流量V?水银注液面差h 及扭带转速n。若遇到特殊点,如自旋扭带起转停转,则记录相应数据。注意在改变操作条件后, 一定要等待过程达到新的稳定状态,再开始记录数据。

(4)当流量达到8.0 m3/h后,逐次递减流量,记录相应数据。

(5)实验完成后,关闭测压管阀门,将泵的流量调到零,取出自旋扭带。

2实验理论基础[5]

根据动量矩定理,扭带的转动需要动力,其转动力矩来源于液体对扭带的推动作用,表示为

扭带起转时需要克服两端固定装置的摩擦力,在运转过程中这部分阻力仍然会损耗流体施加在扭带的动力矩,考虑此因素,可以将转速表达式修正为

u0≈u0;u0—扭带开始自旋时的流体轴向流速, m/s。

3结果与讨论

3.1扭带转动特点转速关联

扭带在线除垢的主导运动形式是扭带的转动,因此在基于对常规扭带转动理论公式的引导下,通过对流体流速进行规律细分,并记录对应流速下的转速,通过图表直观对比、分析,并回归分析转速与扭带结构参数的关联特性式。20根自旋扭带试件的流速u与转速n的关系见图3,图3中表示的是每一根试件转速n和流速u的回归曲线。因为研究的是转动性能,所以只保留了自旋扭带转动时的实验数据来进行分析。

(1)从图3可以很直观地看出,流速u与转速n近似成线性关系,即n=au+b。随着流速的增大,转速也随着线性增大。

(2)由于自旋扭带需要克服与换热管内壁的摩擦阻力才能旋转起来,所以流体提供给自旋扭带的旋转力矩必须大于摩擦阻力。这就是实验中在流体流速很低的情况下,试件没有起转的原因 (图上表现为回归直线不经过原点,且相交于横轴的正半轴)。当流速大于与横轴相交点的流速时, 自旋扭带开始转动。

(3)拟合曲线没有经过原点,即回归方程有负截距。这是由于自旋扭带需克服两个摩擦阻力才能起转。一个是固定扭带装置之间的摩擦阻力;另一个是由于换热管内扭带与管壁接触所产生的摩擦阻力。从图3中还可看出,20种型号的扭带起转流速的范围大致在(0.3~1.2) m/s之间,最高转速可达800 r/min。说明扭带在低流速下也能起转,具有良好的转动特性,对于工业应用有良好的参考价值。

3.2转速关联

将实验中测量得到的数据通过非线性回归表示成式(4)的形式,其中的负截距C值在不考虑安装等因素的影响情况下,表示成与自旋扭带的结构参数相关的量。

适用范围:3.5<Y<6.5,18<D<22。从关联式所依据的实验数据来看,有85.0%的实验数据与关联式的偏差在±10%以内。计算结果中发现,偏差较大的数据都集中在低流速的情况下。

3.3结构参数对转动特性的影响

由于自旋扭带的结构参数(扭转比和带宽)的不同,所以在流体的冲击下,产生的旋转力矩也不同。这样就造成了不同参数的自旋扭带在相同的流速下具有不同的转速n。不同结构参数的试件,其增长的幅度也不同,图3部分放大见图4、图5。

(1)通过直观对比分析结合扭带转速关联式,扭转比是影响自旋扭带的转动特性的一个十分重要的参数。从图4两种宽度扭带的转速与流速图中可以看出:

a.流速与转速成线性关系,其起转速度没有规律,其原因可能是由于扭带制作与安装的误差, 使得与前人总结的规律:“起转流速随节距的增大而增大”不吻合。

b.在相同带宽和流速下,随着扭转比Y的增加,自旋扭带的转速n则越小。

(2)旋扭带的带宽D也是影响转动特性的另一个因素。在扭转比相同的情况下,随着带宽D 的增大,旋转变慢,转速n减小,见图5。但受到换热管内径的限制,不能无限的增大带宽D。否则带宽D过大,会与换热管内壁刮擦严重,阻力增大,转速n降低,甚至卡死不转,导致自旋扭带不能正常工作。

4结论

(1)自旋扭带的转速n与流体流速u近似成线性关系,转速n随流速u增加而增大;转速关联式为:

(2)在自旋扭带的转动过程中,在相同带宽和流速下,随着扭转比Y的增加,自旋扭带的转速n则越小。