波動(dòng)螺旋清洗技術(shù)的可行性探究

張治坤

摘 要：通過(guò)對(duì)工作螺旋在換熱管內(nèi)受力進(jìn)行理論分析，在管內(nèi)沿軸向方向，工作螺旋受到流體的軸向沖擊力與受到柔性彈簧的約束軸向力受力平衡，推導(dǎo)出使螺旋能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的入口流速計(jì)算方法，提出一種使恒定流速轉(zhuǎn)變?yōu)椴▌?dòng)流速的閥門控制裝置，驗(yàn)證波流產(chǎn)生的現(xiàn)實(shí)可行性。

關(guān)鍵詞：換熱管；波速流動(dòng)；清洗技術(shù)；可行性

中圖分類號(hào)：TD40 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0057-02

根據(jù)文獻(xiàn)[1-5]，只有在管內(nèi)插工作螺旋的往復(fù)行程達(dá)到自身一個(gè)螺距長(zhǎng)度以上時(shí)，內(nèi)插螺旋才能起到對(duì)換熱管壁垢層清洗和抑制的能力，因此設(shè)定的是將該種技術(shù)應(yīng)用于換熱管的滿管流中，換熱管的水平布置，但是對(duì)換熱管的立式布置仍具有通用性，同時(shí)，假定工作螺旋為剛體，不發(fā)生柔性變形，且在流體的作用下只發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即沿管軸線方向的運(yùn)動(dòng)。

1 換熱管內(nèi)插工作螺旋受力特性的理論分析

1.1 一般三維物體的受力分析

1.2 內(nèi)插工作螺旋受到的軸向力

2 工作螺旋往復(fù)振動(dòng)清洗能力的波流可行性分析

對(duì)工作螺旋在換熱管內(nèi)因柔性彈簧的約束作用和流體的軸向力作用而發(fā)生的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，通過(guò)分析推導(dǎo)出使工作螺旋發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)所需要的波流入口形式。如圖2所示，工作螺旋的軸向運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，認(rèn)為剛性的工作螺旋不發(fā)生軸向的彈性變形，如圖工作螺旋在流體的沖擊軸向力F作用下，從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到M'點(diǎn)，柔性彈簧亦被帶動(dòng)從從M點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到M'點(diǎn)，受彈簧約束作用，螺旋受到一與F大小相同方向相反的力F'。若M點(diǎn)到M'點(diǎn)的距離為S，柔性彈簧彈性系數(shù)為K，則F=F'=K·S，由式（1-6），沖擊軸向力F對(duì)應(yīng)于特定管內(nèi)流速？滋，若？滋恒定不變，則沖擊軸向力F基本不變，工作螺旋拉伸S距離后受力平衡不再發(fā)生運(yùn)動(dòng)，若要使工作螺旋能夠發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，則必定使管內(nèi)流速？滋發(fā)生變化。

管內(nèi)流速？滋以何種方式變化使工作螺旋能發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于工作螺旋的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，理想條件下，認(rèn)為工作螺旋在柔性彈簧的帶動(dòng)下做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，使彈簧發(fā)生伸長(zhǎng)的力全部由工作螺旋受到的沖擊軸向力F提供，所以柔性彈簧的伸長(zhǎng)量隨時(shí)間變化的方程為式（2-1）：

所以，要使工作螺旋在換熱管內(nèi)因柔性彈簧的約束作用和流體的軸向力作用而發(fā)生的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在最理想的條件下可以推導(dǎo)出管內(nèi)流速？滋隨時(shí)間t的變化形式應(yīng)該為式（2-3）?？梢钥闯鋈肟诓髁魉倥c柔性彈簧的彈性系數(shù)K有關(guān)，若要達(dá)到清洗效果，使管內(nèi)工作螺旋往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程達(dá)到自身一個(gè)螺距以上，所構(gòu)造的波流流速，則需要根據(jù)工作螺旋和柔性彈簧的參數(shù)共同確定。

為研究的需要，對(duì)式（2-3）進(jìn)行簡(jiǎn)化，見(jiàn)式（2-4）：

3 波動(dòng)流速產(chǎn)生的現(xiàn)實(shí)可行性

根據(jù)上述分析需要產(chǎn)生一個(gè)管內(nèi)流速大小呈正弦曲線變化的波動(dòng)流速，而波動(dòng)流速的產(chǎn)生方式有很多，作者團(tuán)隊(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的一種能夠使離心泵等動(dòng)力設(shè)備所生成的恒定流速轉(zhuǎn)變?yōu)椴▌?dòng)流速的閥門控制裝置就是其中的一種。該裝置主體部分是一個(gè)帶旋轉(zhuǎn)蝶閥的管座接頭，可接入管路系統(tǒng)，管座上裝有一慢速電機(jī)，電機(jī)由諧波器控制，通過(guò)諧波器的設(shè)置可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，該大小通過(guò)轉(zhuǎn)軸的傳送傳遞到蝶閥閥芯，控制閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相當(dāng)于增加或減小了流動(dòng)流體所經(jīng)過(guò)的管徑大小，使得流速增加或減小，所以對(duì)諧波器的設(shè)置能夠產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需要的波動(dòng)流速。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)管內(nèi)螺旋的受力進(jìn)行了理論分析，得出螺旋受到的沿流體流動(dòng)方向的軸向力與管內(nèi)流速的平方呈正相關(guān)關(guān)系。為使工作螺旋在軸向力作用下的往復(fù)行程大于自身一個(gè)螺距以上從而達(dá)到清洗的效果，構(gòu)造了管內(nèi)流速大小呈波動(dòng)形式的具體表達(dá)式，該表達(dá)式呈現(xiàn)出正弦波的形式。按照理論，初步設(shè)想提出了一種產(chǎn)生波動(dòng)流速的實(shí)驗(yàn)控制裝置，通過(guò)該裝置和設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以對(duì)管內(nèi)波流螺旋自動(dòng)清洗以及傳熱的實(shí)驗(yàn)展開(kāi)研究。預(yù)計(jì)通過(guò)試驗(yàn)研究分析，認(rèn)為波流螺旋自動(dòng)清洗及強(qiáng)化傳熱具有實(shí)際操作的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭德其，史冰樂(lè)，俞天蘭，等.振動(dòng)往復(fù)螺旋清洗機(jī)構(gòu)及其防垢性能[J].化工學(xué)報(bào)，2013，64（9）：3168-3174.

[2]程林.換熱器內(nèi)流體誘發(fā)振動(dòng)[M].科學(xué)出版社，1995.

[3]易偉.冷卻結(jié)晶設(shè)備管內(nèi)自轉(zhuǎn)螺旋自動(dòng)清洗技術(shù)研究[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2008.

[4]吳爽.內(nèi)置自旋彈簧換熱管工作特性實(shí)驗(yàn)研究[D].廣西大學(xué)，2006.

[5]王瑤，張曉冬.化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.endprint