幾種換熱管內插螺旋線傳熱技術對比淺析

張治坤，王松竹

幾種換熱管內插螺旋線傳熱技術對比淺析

張治坤，王松竹

（湖南化工職業技術學院，湖南株洲 412004）

換熱設備經過一段時間的使用會產生污垢并影響傳熱效率。對比分析了自動旋轉螺旋線傳熱技術、塑包螺旋線傳熱技術、振動螺旋線技術、往復螺旋技術、往復彈簧節技術、振動往復螺旋技術等6種不同傳熱技術的結構組成、工作原理、防垢能力及效果等。在換熱管內插入螺旋線在一定程度上可以起到在線除垢防垢和強化傳熱的雙重作用。結合幾種常見的換熱管內安置螺旋線內插物，根據具體插入螺旋線方式的不同，結構原理不同，除垢效果和防垢能力亦不相同。通過對比分析，提出了除垢技術的研究方向。

換熱管；螺旋線技術；除垢

換熱器廣泛應用于化學工業、石油、醫藥工業及輕工、食品、冶金等行業，用來實現化工生產過程中熱量交換和傳遞。眾所周知，換熱設備的傳熱面均存在不同程度的結垢現象，90%以上換熱設備在使用過程中會產生污垢［1］，使得換熱達不到預期效果，傳熱性能惡化，還直接導致設備運行能耗上升，設備運行可靠性降低，產品產量、質量下降，乃至運行維護及清洗費用等生產成本增加。隨著科學技術的發展，從節能、節材、節約的角度出發，換熱器防垢、除垢技術的研究勢在必行。

1　對比分析

針對一般換熱設備，采用換熱管內插入螺旋線技術，既可以提高管側流體的換熱系數，減少設備的制造成本，又達到防垢除垢目的。文中收集整理了各類管內插入螺旋線除垢技術，對其優缺點及清洗效果進行了綜合分析。在選用時，如果選擇不當，將會對設備造成無可挽回的損害。因此一定要有針對性，選擇適于該換熱設備的清洗方法。

1）自動旋轉螺旋線傳熱技術［2］。在傳熱設備的每根傳熱管內安置轉動螺旋線來刮掃管內壁污垢的傳熱技術。這種技術端倪產生于德國專利 DE2224728，經過改進和優化而成。其結構簡圖如圖1所示。

圖1　自轉螺旋線傳熱技術結構簡圖

結構簡單，安裝方便，成本低廉。入口支承采用耐磨工程塑料，旋轉螺旋線采用沉淀硬化不銹鋼絲。工作原理：傳熱設備開機正常運行，液體以一定的流速流經傳熱管內，遇螺旋線致流動受阻而產生渦流。一方面，螺旋線隨機發生振動和軸向游走運動，這些運動互相影響互相加強，使得傳熱管壁面的污垢得到刮擦，從而達到在線連續防垢除垢的目的。另一方面，邊界滯流層不斷地被螺旋線擾動，使整個傳熱過程得到強化。采用這種技術，要求管程液流速度在0.5m/s以上，一般傳熱管內的流速都能滿足該技術要求。缺點是螺旋線的頻繁快速旋轉必然會磨損換熱管壁，流體提供螺旋的自轉力矩較小，需要外置動力驅動，額外增加設備結構，簡單的工程塑料不耐高溫，容易融化在管口致使堵塞，諸上原因導致該技術可靠性低。

2）塑包螺旋線傳熱技術［3］。在自動旋轉螺旋線傳熱技術基礎之上，將旋轉鋼絲用塑料包裹注磨而成的一項技術。其結構簡圖如圖2所示。

圖2　塑包鋼絲螺旋技術結構簡圖

螺旋線外徑與管內壁之間有可供螺旋自由旋轉的空間，管內流體流動時推動螺旋線使其不斷轉撞擊管壁，刮掃壁面污垢，實現自動除垢防垢的功能，同于自轉鋼絲螺旋線對管內流體的導向作用，軸向流動發生變化，近管壁區域的滯留邊界層受到擾動，結合自轉作用等使管內對流傳熱得以強化。在進口段即螺旋線的起始位置設計了動力輪，利用流體入口的旋流對動力輪的沖擊作用，提供給塑包鋼絲螺旋線動力矩，提升自動清洗的能力，改進之處有效地降低了對管內流速的要求，適用的范圍擴大。缺點是雖然解決了不銹鋼螺旋線的磨損問題，螺旋鋼絲進入自轉狀態后的動力矩減小，但由于入口增添了元件，使得流體流經時的阻力增大，致使開始自轉時所要求的流速更高，沿程阻力也隨之增加。

3）振動螺旋線技術［4］。是指將彈簧兩端固定懸空繃緊在傳熱管內，通過限制螺旋線的自轉，在流體流動的帶動下利用隨機發生的橫向、周向、縱向振動敲擊管壁實現除垢的技術。其結構簡圖如圖3所示。

圖3　兩端固定式振動螺旋線技術結構簡圖

振動的影響因素多樣化，如彈簧鋼絲的材料、彈性模量、外徑、螺距等。這一技術對管內流速的要求比螺旋彈簧稍低，結構簡單易行。缺點是彈簧某一部位頻繁撞擊壁面，導致局部變形從而影響使用壽命。由于兩端牢牢固定，這種振動除垢就只發生在螺旋線可以撞擊到壁面上，造成除垢不均勻現象。為解決不均勻問題，設計者又發明一種一端固定時螺旋彈簧振動振動除垢技術，其簡圖如圖4所示。

圖4　一端固定式振動螺旋線技術結構簡圖

結構原理與兩端固定式相同，不同的是其出口端自由伸縮，彈簧的振動幅度比兩端固定式大，且不斷變化，越接近出口端越大。此項技術對管內流速的要求介于旋轉式和兩端固定式之間，對管壁造成的磨損較輕，結構比兩端固定式簡單，安裝更方便，使用壽命延長但伸縮不可調不可控，使用效果視具體工況而定，難以推廣應用。

4）往復螺旋技術［5］。在傳熱設備傳熱管內安置螺旋線，依靠螺旋線的運動來除垢。螺旋線固定在網柵元件上，網柵設置在換熱設備的管板與管箱之間，且管箱兩端設置外部驅動裝置，其結構簡圖如圖5所示?？梢姍C構復雜，制造成本高。

圖5　往復螺旋技術結構簡圖

5）往復彈簧節技術［6］傳熱管內放置尺寸適宜的彈簧，在管內做上下往復運動，依靠彈簧運動來清除管內壁上的污垢，實現在線除垢和防垢的目的。其結構簡圖如圖6所示。

結構原理是在彈簧的底端放置鋼珠，流體通過換熱管時，彈簧就會被底端的鋼珠托起運行至頂端。彈簧處于壓縮狀態，當流體停止流動，內置彈簧受到彈力，鋼珠在自身重力作用下將快速返回豎直管底，如此往復運動。缺點是只適用于立式管內，需要不斷地開閉閥門來實現管內流速改變，激起彈簧節來回運動，操作繁瑣，不適合工程應用。

圖6　往復彈簧節技術結構簡圖

6）振動往復螺旋技術［7］。在換熱管出口設置平行于管口橫截面的擋板，擋板中心固定在管板中心并可繞其中心旋轉，在換熱管內流體的沖擊下擋板受到力的作用發生旋轉，同時利用流體自身動力造成管內流速波動，使得管內螺旋線產生多維運動，均勻敲擊刮擦管壁，實現在線除垢。其結構原理圖如圖7所示。

圖7　螺旋往復機結構原理圖

缺點是擋板的阻力較大，機構的安裝位置、密封等問題均要周密考慮，而且只能適用于一些對阻力要求不高的系統，局限性較大。

2　結論

隨著經濟的飛速發展，資源短缺現象日益嚴重，加之國際氣候的變化，國家對節能環保的重視程度已提上日程，采用節能環境友好型的除垢技術對換熱設備進行清洗，是技術發展的必然趨勢。除垢技術研究方向基本上朝著自動化、智能化、簡單化發展，不需要額外增添設備，不添加化學藥劑，在線連續自動清洗除垢技術將具有較好的發展前景。

［1］ 俞天蘭，蔣少青，劉桂英，等.我國冷凍水冷器設備污垢影響的能量損失研究［J］.低溫工程，2002（3）：34-36.

［2］ 俞秀民，俞天蘭，葉施仁.化工裝備技術，1997，18（5）：4-8.

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［5］ 楊善讓，翟國冬，李學武.［P］：CN，87108259.4.1989-07-12.

［6］ 竇梅，南碎飛，段培清.高?；瘜W工程學報，2010，24（5）：893-896.

［7］ 史冰樂.內置振動往復螺旋換熱器的流體流動及傳熱性能研究［D］.湘潭大學，2013.

Comparison of Heat Hransfer Technology of several kinds of Heat Hransfer Hubes with Spiral Wire

Zhang Zhi-kun，Wang Song-zhu

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TK124

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1003-6490（2016）06-0063-02