管內(nèi)插入物強化傳熱及除垢的研究進展

馬 強

(承德石油高等?？茖W校熱能工程系，河北承德 067000)

管內(nèi)插入物強化傳熱及除垢的研究進展

馬 強

(承德石油高等?？茖W校熱能工程系，河北承德 067000)

介紹了內(nèi)插物強化傳熱技術(shù)的特點，運用了場協(xié)同理論來解釋其強化傳熱的機理，主要是速度矢量場和熱流矢量場之間的協(xié)同對傳熱過程的影響?？偨Y(jié)了近年來研究者們對管內(nèi)插入扭帶強化傳熱和除垢的研究結(jié)果及進展，并對將來的研究工作提出了建議。

強化傳熱;內(nèi)插物;除垢;進展

近年來，能源與材料費用的不斷增長大大地推動了高效節(jié)能換熱器的發(fā)展。管殼式換熱器由于其可靠性高和適用性強，目前被廣泛用于電力、化工、石油、能源與動力等工業(yè)部門，其用量占全部工業(yè)換熱器的70%［1］。為了提高換熱器的換熱效率，采用各種辦法來增強換熱器內(nèi)的傳熱即換熱器的強化傳熱;管內(nèi)插入物技術(shù)就是最方便的一種強化傳熱技術(shù)，它的最大優(yōu)點是，適合舊的換熱器的改造，不必額外增加換熱器，而且加工制造簡單，裝卸方便，大大地節(jié)省了投資;此外，內(nèi)插物有助于清除管內(nèi)污垢，即內(nèi)插物具有強化傳熱和除垢的雙重功能，這是其他強化傳熱技術(shù)所無法比擬的［1］。

目前國內(nèi)外對內(nèi)插物的研究很多，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，對節(jié)能、能源的充分利用起到了重要的推動作用;一些常用管內(nèi)插入物形式有:環(huán)式、拉希格圖、盤式、螺旋線圈、螺旋帶、螺旋片、扭帶、靜態(tài)混合器和徑向混合器等［2］;不同的管內(nèi)插入物具有不同的形狀，強化傳熱的機理也不同。下面主要介紹管內(nèi)插入扭帶的研究情況。

1 扭帶強化傳熱的機理

扭帶強化傳熱的主要機理是管內(nèi)流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)并引起二次流，促進徑向混合，以強化傳熱。管內(nèi)的扭帶可使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動和二次流，這是一種強制旋轉(zhuǎn)和軸向流動疊加而成的運動，可產(chǎn)生連續(xù)不斷的渦流，使管內(nèi)主體流體和壁面邊界層流體充分混合，減薄邊界層，達到強化傳熱的目的(見圖1)。

場協(xié)同理論是近年發(fā)展起來的關(guān)于傳遞過程強化和控制的新途徑［3］。過增元在研究對流換熱時，從傳熱過程的能量方程中發(fā)現(xiàn)速度矢量場和熱流矢量場之間的協(xié)同對傳熱過程的影響，并作了詳細論述［4］，之后又進一步將對流換熱場協(xié)同理論擴展至三維湍流換熱［5－6］。

流體在流道內(nèi)流動，受扭帶的影響，要產(chǎn)生繞軸向的旋轉(zhuǎn)運動，同時流體還有軸向流動，在兩個運動共同作用下使流體呈現(xiàn)螺旋流動。流體的這種螺旋流動對于強化傳熱會帶來一定的益處:在相同的流量下，換熱管內(nèi)插扭帶與無扭帶時內(nèi)部流體有著相同的軸向速度，但是受扭帶的影響流體要繞軸向作旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)速度與軸向速度疊加使得有扭帶時流體有著更大的流速，流體流速的增加伴隨著剪應(yīng)力的增大，這樣可以破壞管壁附近的邊界層，從而增強了傳熱效果;流體在螺旋流道內(nèi)作螺旋運動，受離心作用的影響，流體會有徑向速度分量，流體徑向流動的結(jié)果是造成了流體的二次流，它直接沖刷管壁，促進主體流體和壁面邊界層流體充分混合，減薄了邊界層，提高了傳熱效果。

流體在做螺旋流動時會產(chǎn)生二次流，二次流作用于邊界層，使流體主體與邊界層流體發(fā)生混合，混合的結(jié)果使流體流動更加復(fù)雜，速度與溫度場的夾角趨于減小，場協(xié)同數(shù)提高，強化了傳熱。另外，小扭比的扭帶相對于大扭比的扭帶在相等的長度內(nèi)具有較多的扭轉(zhuǎn)圈數(shù)，因而使流體具有更長的流程，流體的切向和徑向速度會更大，隨之產(chǎn)生的二次流更強，協(xié)同角會更小。因此，扭比小的扭帶強化傳熱的效果更好。

2 扭帶對強化傳熱、磨損及阻力的影響

扭帶作為管內(nèi)插入物之一，其工業(yè)應(yīng)用已有五十多年的歷史，許多研究者用不同扭率的扭帶，對各種雷諾數(shù)(Re)范圍的不同工作流體進行了實驗。張華等［7］對3根不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的扭帶插入光管的換熱特性和流體動力學特性進行了實驗研究。以空氣為工質(zhì)，Re在8 000～100 000之間，管外被水冷卻。發(fā)現(xiàn)在相同的操作條件下，所有扭帶的Nu數(shù)與光管的變化趨勢一致，但均比光管有所提高。增大最多的達到90% ～95%，最少的也有56% ～60%，他們將傳熱實驗數(shù)據(jù)與Kays和Crawford公式Nu=0.022 Re0.8Pr0.5相比相對誤差在±3%以內(nèi)，這表明實驗系統(tǒng)具有足夠的精確度。但是傳熱的增強是以阻力的增加為代價的。張華等［7］通過對流動阻力的實驗得到了光管內(nèi)插入摩擦扭帶時管內(nèi)摩擦系數(shù)f與空氣雷諾數(shù)Re的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在相同的操作條件下，所有的扭帶管的摩擦系數(shù)與光管的變化趨勢一致，但均比光管的值大。隨著管內(nèi)空氣雷諾數(shù)(Re)的增加，阻力系數(shù)呈下降趨勢，但變化逐漸變緩，這是因為隨著雷諾數(shù)(Re)的增加，扭帶對流體的擾動作用相對減弱。阻力增加最大為400%;阻力增加最小為70%。扭帶節(jié)距越小，扭率越小，則摩擦系數(shù)越大。

管內(nèi)插入扭帶存在需要較高的流速帶動和磨損兩大問題，彭德其等［8］提出以塑料螺旋線替代鋼絲螺旋線解決磨損問題，又設(shè)計固定塑料螺旋線的空芯管(見圖2)來解決剛性太差的缺點，并且又以螺旋流道的高速流動替代管內(nèi)的低流速，顯著增大其自傳力矩，達到可以在0.4 m/s以上的低流速下可靠應(yīng)用的目的，并且傳熱系數(shù)強化幅度約50%，塑料螺旋線管的污垢清洗能力強，而且比較均勻，對管壁無磨損。塑料螺旋線管螺旋角以60o左右為好。塑料螺旋線管的自轉(zhuǎn)力矩在一定條件下可達到光管的241%。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)也用于自傳螺旋扭帶管內(nèi)流體的流動特性的研究。張琳等［9］采用RNG k－ε湍流模型對自轉(zhuǎn)螺旋扭帶管內(nèi)的流動和傳熱特性進行數(shù)值研究。模擬結(jié)果表明:1)扭帶管與普通光管相比，流體的流動發(fā)生了根本性的變化，扭帶管內(nèi)流體呈非常有規(guī)律的三維螺旋狀旋轉(zhuǎn)流動，而普通管內(nèi)流體呈常規(guī)的直線流動;2)扭帶管和光管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都是在傳熱管的進口處最高，但扭帶管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在整個長度方向比較均勻，而光管的卻下降非常明顯;3)扭帶管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最高值為5 051.4W/(m2·K)，平均值為3 611.8 W/(m2·K)，光管的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最高值為4 897.8 W/(m2·K)，平均值為 3 262.7 W/(m2·K)，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均值提高了 10.7%。

唐志偉等［10］也利用k－ε湍流模型對管內(nèi)插入扭帶的流體流動特性和傳熱特性做了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果得出:1)由于扭帶的擾流作用，流體在靠近扭帶處速度達到最高，由此也帶動了管內(nèi)流體的平均速度，從而提高了換熱效果。同時扭帶也與管壁管熱，增強了傳熱效果。2)扭帶的扭轉(zhuǎn)比越小，扭帶的彎曲程度越大，流體旋轉(zhuǎn)混合和流速增大的程度就越大，強化傳熱的效果就越明顯。當雷諾數(shù)較低時，與光管相比，扭帶的強化傳熱效果比較高雷諾數(shù)時更為顯著。3)管內(nèi)流體的壓降隨著扭轉(zhuǎn)比的增大而減小，隨著雷諾數(shù)的增大而急速增大。在插有扭轉(zhuǎn)帶的管子中，流體按螺旋運動的規(guī)律在流動，同時伴有二次流并形成復(fù)雜的渦流。

3 扭帶自轉(zhuǎn)對傳熱管的除垢作用

傳熱管內(nèi)也常存在結(jié)垢的弊端，而內(nèi)插扭帶對除垢保潔也有很好的效果。傳熱管內(nèi)的鹽垢的自動清洗保潔技術(shù)是生產(chǎn)實際迫切需要解決的一道難題。李群松等［11］對管內(nèi)插入塑料扭帶進行實驗研究，當連續(xù)運行120 min后，結(jié)垢厚度達到5.4 mm，插入扭帶后鹽垢厚度降為2 mm，同時傳熱系數(shù)可以提高60%左右。管內(nèi)安裝自轉(zhuǎn)扭帶后，傳熱管內(nèi)仍然會存在有較薄的結(jié)晶鹽層，因此，旋轉(zhuǎn)螺旋不會與管壁直接接觸，不會損壞管內(nèi)壁的防腐蝕保護膜，更不必擔心磨損管壁問題。彭德其等［8］也通過實驗研究得到塑料螺旋線管的自動清洗能力較強，而且比較均勻，對管壁沒有磨損現(xiàn)象，完全可以滿足要求。

4 結(jié)語

目前對管內(nèi)插入扭帶基本還處于研究階段，值得繼續(xù)研究的是如何最大限度的提高管內(nèi)擾流件的自動清洗強度，從而進一步提高傳熱效率?？梢詮臄_流件的結(jié)構(gòu)形式及其幾何尺寸方面考慮。但是扭帶的種種優(yōu)點決定了它必將得到廣泛應(yīng)用。本文通過對管內(nèi)插入扭帶技術(shù)的總結(jié)，希望能對從事強化換熱和除垢技術(shù)研究的工作者提供一定的參考。

［1］ 崔海亭，彭培英.強化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［2］ 張永秋，林清宇，生建文，等.內(nèi)插物強化傳熱及防垢除垢技術(shù)的研究進展［J］.化工中間體，2008，(12):15－19.

［3］ 韓澤光，華賁，魏耀東.傳遞過程強化的新途徑—場協(xié)同［J］.自然雜志，2002，24(5)，273－227.

［4］ 過增元，黃素逸.場協(xié)同原理與強化傳熱新技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［5］ 孟繼安，陳澤敬，李志信，過增元.管內(nèi)對流換熱的場協(xié)同分析及換熱強化［J］.工程熱物理學報，2003，24(4):652－654.

［6］ 孟繼安，過增元，李志信.應(yīng)用場協(xié)同理論的多縱向渦強化換熱管［J］.動力工程，2005，25(3):404－407.

［7］ 張華，周強泰.管內(nèi)扭帶傳熱與流動阻力的實驗研究［J］.物理測試，2005，9，5(23):15－18.

［8］ 彭德其，俞秀民，張柱銀，等.傳熱管內(nèi)污垢自動清洗螺旋線的低速強化與防磨損技術(shù)［J］.清洗技術(shù)，2003(10):7－10.

［9］ 張琳，錢紅衛(wèi)，宣益民，等.自傳螺旋扭帶管內(nèi)三維流動與傳熱數(shù)值模擬［J］.化工學報，2005，56(9):1633－1637.

［10］ 唐志偉，閆桂蘭，高麗麗.管內(nèi)插入扭帶的強化傳熱數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學報，2008，29(7):1211－1214.

［11］ 李群松，陳東旭，向寓華，等.傳熱管內(nèi)結(jié)晶鹽螺旋自轉(zhuǎn)保潔技術(shù)試驗研究［J］.熱科學與技術(shù)，2008，7(3):217－219.

Progress in Study on Heat Transfer Enhancement for Tube Insert and Scale Removal

MA Qiang
(Department of Thermal Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

This article introduced the characteristics of heat transfer enhancement for tube insert，and the field synergy theory was used to explain the mechanism of heat transfer，especially in velocity vector field and heat flow vector field synergy between the effects of heat transfer process.In recent years，researchers have summarized the insertion of the tube with enhanced heat transfer and scale removal.Suggestions have been given for future research.

heat transfer enhancement;inserts;scale removal;progress

TK124

B

1008-9446(2011)04-0030-04

2011-07-16

馬強(1980－)男，河北保定人，承德石油高等專科學校熱能工程系助教，主要從事傳熱學及熱能動力類教學與科研工作。