旋液流態(tài)化流體阻力與傳熱的試驗(yàn)研究*

向寓華 姚雪峰 彭德其

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院) （湖南工業(yè)大學(xué)）

旋液流態(tài)化流體阻力與傳熱的試驗(yàn)研究*

向寓華**姚雪峰 彭德其

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院) （湖南工業(yè)大學(xué)）

對(duì)某公司換熱器的運(yùn)行情況，采用旋液流態(tài)化技術(shù)設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)方案。首先在?57 mm×3.5 mm×2000 mm PVC管內(nèi)進(jìn)行旋液流態(tài)化清洗試驗(yàn)，然后在碳鋼管上內(nèi)置不同螺距的鋼絲螺旋線進(jìn)行流體阻力測(cè)試，并進(jìn)行旋液流態(tài)化與空管的對(duì)比傳熱試驗(yàn)。結(jié)果表明：旋液流態(tài)化技術(shù)清洗管道中人工污垢只需時(shí)間145 s，沒有發(fā)生粒子沉積和堵塞的現(xiàn)象，安全可靠性好；旋液流態(tài)化流體阻力Δp隨著Re的增大而增大，摩擦系數(shù)隨著Re的增大而減小，流體總阻力48.7 kPa低于供水壓力，總傳熱系數(shù)平均提高幅度13.3%，強(qiáng)化傳熱效果好。關(guān)鍵詞 旋液流態(tài)化 流體阻力 清洗 傳熱系數(shù) 換熱器

0 前言

換熱設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，但其在運(yùn)行過程中普遍存在污垢沉積問題。污垢的形成，增加了流體流動(dòng)阻力，降低了換熱效率，造成能源損耗和設(shè)備損壞[1]。如何有效除垢、強(qiáng)化傳熱，這是換熱設(shè)備應(yīng)用中人們廣泛關(guān)注的課題[2]。近年來文獻(xiàn)報(bào)道的強(qiáng)化傳熱的方法較多，其中以換熱管內(nèi)加入內(nèi)插件的方式為主要形式，如螺旋彈簧[3-4]、螺旋紐帶[5-6]和 “潔能芯”轉(zhuǎn)子[7-8]等。流態(tài)化是傳統(tǒng)的傳熱強(qiáng)化方式之一。循環(huán)流態(tài)化技術(shù)是利用粒子的流態(tài)化運(yùn)動(dòng)使之與壁面碰撞，破壞傳熱邊界層，達(dá)到除垢、強(qiáng)化傳熱的目的。這一技術(shù)尤其適宜于曲面復(fù)雜 （如冷卻壁）的流道內(nèi)污垢的清洗。筆者運(yùn)用旋液流態(tài)化技術(shù)設(shè)計(jì)了一種模擬試驗(yàn)方案，分析了其對(duì)人工調(diào)制的污垢的清洗能力，并對(duì)冷卻通道內(nèi)的流體特性及傳熱性能進(jìn)行了研究，以便為換熱設(shè)備冷卻壁的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖2 流體阻力試驗(yàn)裝置

1 試驗(yàn)原理與裝置

旋液流態(tài)化技術(shù)原理：在冷卻水流道內(nèi)放置鋼絲螺旋線，對(duì)于液固兩相流化液，由于螺旋彈簧的作用，會(huì)使管內(nèi)的流化液產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生離心力場(chǎng)。此時(shí)流態(tài)化粒子在離心力的作用下會(huì)向壁面富集，且螺旋彈簧充當(dāng)類似螺旋輸送器的 “螺旋片”的作用，將換熱管下部的流態(tài)化粒子向上傳送，使管內(nèi)粒子分布均勻，從而達(dá)到好的除垢和強(qiáng)化傳熱作用，如圖1所示。

圖1 螺旋流態(tài)化粒子管內(nèi)流動(dòng)

模擬試驗(yàn)裝置如圖2所示。為了方便試驗(yàn)過程中對(duì)污垢清洗效果的觀察，使用半透明的PVC管。污垢清洗率定義為已清洗污垢的管內(nèi)壁面積與管內(nèi)壁總面積的比值，即：

式中A——已清洗污垢的管內(nèi)壁面積，m2；

A0——管內(nèi)壁總面積，m2。

水流的總阻力計(jì)算式為：

式中 Δp——阻力損失，Pa；

l——管程長(zhǎng)度，m；

λ——摩擦系數(shù)；

d——管內(nèi)徑，m；

ρ——水的密度，kg/m3；

u——水的流速，m/s。

從式 （2）可知，在保持一定管長(zhǎng)和管徑的條件下，改變流速 （即Re），就可通過試驗(yàn)測(cè)得兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的阻力損失Δp。通過一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖就能得到摩擦系數(shù)λ與雷諾準(zhǔn)數(shù)的關(guān)系曲線，進(jìn)而計(jì)算出流體流動(dòng)的總阻力。

2 結(jié)果與分析

2.1 旋液流態(tài)化清洗效果

清洗效果試驗(yàn)采用PVC管，污垢采用20%水泥、80%輕質(zhì)碳酸鈣粉、水和乳膠調(diào)制而成，厚度約1.0 mm，硬度比工程應(yīng)用中要高些。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 旋液流態(tài)化的清洗效果評(píng)價(jià) （粒子體積比2%）

試驗(yàn)過程中污垢清洗快速，150 s內(nèi)流道內(nèi)壁污垢基本清洗干凈。流態(tài)化粒子通過正反向連續(xù)清洗，管內(nèi)沒有發(fā)生粒子沉積和堵塞等現(xiàn)象。旋液流態(tài)化技術(shù)尤其對(duì)彎道傳熱面的污垢能夠完全均勻地清洗，且快速安全有效。

2.2 旋液流態(tài)化阻力特性

阻力試驗(yàn)采用?57 mm×3.5 mm×2000 mm碳鋼管，阻力測(cè)量點(diǎn)間距為1000 mm，內(nèi)置鋼絲螺旋線，其螺距為60 mm，鋼絲直徑?1.6 mm，螺旋線外徑?46 mm。分別對(duì)螺距為50 mm、58 mm、72 mm和80 mm進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖得到的不同螺距下的雷諾數(shù)與阻力關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 Re與阻力△p關(guān)系曲線

圖4 Re與λ關(guān)系曲線

由圖3、圖4可知：流體阻力Δp隨Re的增大而上升，摩擦系數(shù)λ隨Re的增大而減小。以鋼管?57 mm×3.5 mm、流速1.0 m/s、螺旋線外徑?45 mm、螺距58 mm為條件，根據(jù)某公司水冷壁實(shí)際情況來進(jìn)行計(jì)算，得到流體阻力約為48.7 kPa，小于循環(huán)泵的出口總壓。因此，采用旋液流態(tài)化技術(shù)可以達(dá)到節(jié)能增效的目的，且在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上就能有效運(yùn)行。

2.3 傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)即為相應(yīng)的熱阻的倒數(shù)。在傳熱強(qiáng)化試驗(yàn)中，只測(cè)量無(wú)粒子的鋼絲螺旋線的傳熱強(qiáng)化幅度。通過測(cè)定相同條件下內(nèi)置鋼絲螺旋線管及光管（空管）的傳熱系數(shù)并進(jìn)行比較，可獲得內(nèi)置鋼絲螺旋線時(shí)旋液流態(tài)化對(duì)流體傳熱的影響數(shù)據(jù)。根據(jù)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖，可得到傳熱系數(shù)K與Re的關(guān)系曲線，如圖5所示。

由圖5可知，內(nèi)置鋼絲螺旋線的旋液流態(tài)化傳熱系數(shù)隨Re增加而增大，在相同的Re條件下，旋液流態(tài)化傳熱系數(shù)明顯高于空管傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱效果高。當(dāng)Re在一定范圍時(shí)，旋液流態(tài)化傳熱系數(shù)比空管平均提高13.3%。

圖5 傳熱系數(shù)K與Re關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）清洗試驗(yàn)在150 s內(nèi)流道內(nèi)壁污垢基本清洗干凈，沒有發(fā)生粒子沉積與堵塞等現(xiàn)象，安全可靠性高。

（2）流體阻力Δp隨Re的增大而上升，摩擦系數(shù)λ隨Re的增大而減小。按某公司水冷壁尺寸制造的試驗(yàn)裝置其總阻力約為48.7 kPa，小于循環(huán)泵的出口總壓。采用旋液流態(tài)化技術(shù)可節(jié)能增效。

（3）旋液流態(tài)化傳熱系數(shù)明顯高于空管傳熱系數(shù)，強(qiáng)化傳熱效果高。當(dāng)Re在一定范圍時(shí)，旋液流態(tài)化傳熱系數(shù)比空管平均提高13.3%。

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Research on Liquid Resistance and Heat Transfer by Spiral Fluidization

Xiang Yuhua Yao Xuefeng Peng Deqi

According to the operation of a heat exchanger,the simulation experiment was devised adopting spiral fluidization.First,the spiral fluidization cleaning test was done in the ?57 mm ×3.5 mm×2000 mm PVC tube,then different pitch steel spiral wires were placed in the carbon steel tube for the fluid resistance test,and the heat transfer contrast test of spiral fluidization and blank tube was proceed.The results showed that the time for cleaning the tube by spiral fluidization was only 145 seconds without solid particles deposition and obstruct,and the method was safe and credible.The resistance of liquid fluidization fluid Δp increased,but the friction coefficient decreased with the increase of Re.The total fluid resistance was 48.7 kPa,lower than water pressure,and the total heat transfer coefficient increased 13.3%on average,meaning that the effect of enhanced heat transfer was good.

Spiral fluidization;Liquid resistance;Cleaning;Heat transfer coefficient;Heat exchanger

TQ 025

*湖南省科技廳項(xiàng)目 （2010GK3195）。

**向寓華，女，1968年生，碩士，副教授。株洲市，412004。

2012-06-25）