易衛(wèi)國,楊 謙,李群松

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,中國 株洲 412004)

流態(tài)化技術(shù)適用于各式各樣的流道．不管是形狀比較復(fù)雜的換熱管內(nèi)部污垢的清洗、立式列管換熱器的管內(nèi)污垢[5-10]，還是臥式列管換熱器的管內(nèi)污垢清洗，均可采用流態(tài)化清洗技術(shù)，只不過對于臥式列管式換熱器中需要2.5 m/s以上的高流速才能進行．

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示，通過循環(huán)及顆粒均布裝置將小球顆粒隨流體灌進裝有螺旋線插入件的換熱管中，在管內(nèi)旋流(旋流由螺旋線產(chǎn)生)的作用下，小球顆粒具備一定的離心力，并且產(chǎn)生軸向的滑移和高速的旋轉(zhuǎn)運動．一方面小球的軸向運動能擦除管內(nèi)壁的污垢，另一方面小球的高速旋轉(zhuǎn)運動使得顆粒球后產(chǎn)生了漩渦，擾亂、減薄了邊界層，有效地強化了傳熱過程[1]．

圖1 工作原理Fig.1 Working principle

另一方面，旋轉(zhuǎn)著的粒子在管內(nèi)隨流體沿著軸線方向移動，在移動的過程中對換熱管壁面產(chǎn)生隨機而頻繁的碰擦，不僅能刮除污垢，而且還抑制了管內(nèi)壁面上污垢的生成速度，同時又攪亂了滯流層，有效地強化了傳熱過程．

1-水槽；2-冷卻壁；3-流態(tài)化粒子；4-鋼絲螺旋線；5-碳鋼管；6-三通閥；7-粒子循環(huán)槽；8-轉(zhuǎn)子流量計；9-調(diào)節(jié)閥；10-循環(huán)泵；11-壓差儀；12-軟管圖2 試驗裝置Fig.2 Test equipment

2 傳熱強化及除垢試驗

2.1 試驗原理和試驗裝置

本研究設(shè)計的試驗裝置如圖2 所示．小球顆粒在各換熱管內(nèi)的分布非常重要，采用如圖3所示的顆粒均布裝置對進入換熱管內(nèi)的顆粒進行均布處理．通過粒子觀測試驗得出：該法基本上可以做到粒子在各換熱管內(nèi)均勻分布．

2.2 造污垢的制備

人造污垢的制備是用水及乳膠將水泥與輕質(zhì)碳酸鈣粉按一定的比例混合配制而成，其配制質(zhì)量百分比為：水泥20%，輕質(zhì)碳酸鈣粉80%．配制完畢后，采用自流方式在換熱管內(nèi)進行涂刷，待其硬化兩天后再以同樣的方式涂抹，如此反復(fù)進行3次．涂抹人造污垢之前換熱管的內(nèi)徑：d=51.32 mm, 涂抹人造污垢后換熱管內(nèi)徑變?yōu)椋篸=49.43 mm．因此，污垢的厚度約為1.0 mm,事實上，這樣制備出來的污垢的硬度要比工程實際中的一般污垢硬．

圖3 流化顆粒均布裝置Fig.3 The devices for fluidized particles uniformly distribution

2.3 試驗方法及步驟

(1)組裝試驗裝置，加砂于粒子循環(huán)槽內(nèi)，如圖2所示．

(2)啟動循環(huán)泵；

分析圖3和圖4可知：采用多傳感器對機器人跟蹤具有更高的精度,因為其比單傳感器跟蹤系統(tǒng)可分析處理更多的測量結(jié)果,一定程度上避免噪聲及外部干擾引起的誤差.此外,在分布式傳感器節(jié)點(UIF-IMM 2)中,采用模型似然函數(shù)組合的多傳感器融合算法,其位置精度和角度精度均優(yōu)于不進行組合的多傳感器融合算法(UIF-IMM 1).在4種目標跟蹤算法中,本文提出的算法定位誤差最小,跟蹤效果最好.

(3)調(diào)節(jié)管內(nèi)流量，使得轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)基本穩(wěn)定在7.1 m3/h左右，即管內(nèi)流速為1.0 m/s．

(4)開啟粒子循環(huán)槽后，即開始計時．

(5)待正向清洗完成后，通過調(diào)節(jié)粒子循環(huán)槽的控制閥，進行反方向清洗．

(6)數(shù)據(jù)的測量與記錄．

按照上述試驗步驟重復(fù)幾次．

2.4 試驗數(shù)據(jù)、現(xiàn)象及結(jié)論

(1)試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)記錄

表1給出了粒子體積比為2%時的試驗結(jié)果，其中粒子的平均直徑為2 mm.

表1 粒子體積比2%(粒子平均直徑2 mm)時的清洗效果Tab.1 The cleaning effect with particle volume 2% ( average particle diameter φ 2 mm)

在試驗的過程中，存在有粒子卡在螺旋線與換熱管內(nèi)壁之間的現(xiàn)象，但由于螺旋線是柔性的，卡住的粒子在下次清洗的時侯就會自行脫落，因此，不會造成冷卻水流道發(fā)生粒子的堵塞．

(2)試驗結(jié)果

試驗發(fā)現(xiàn), 污垢的清洗速度非?？?，在經(jīng)過145 s后，換熱管內(nèi)壁的污垢基本清洗干凈了．但是，有一部分螺旋線的部分弧線與流道內(nèi)壁間殘留有少量污垢，其原因是在該部位的螺旋線與流道內(nèi)壁之間的徑向間隙較小，流態(tài)化細粒子不能順暢通過．

此外，在按照實際尺寸制作的模擬試驗工作臺上，通過旋液流態(tài)化正、反向的連續(xù)清洗和多次試驗，沒有發(fā)現(xiàn)粒子沉積與堵塞的現(xiàn)象，證明其安全可靠性比較好．

圖4 強化傳熱試驗結(jié)果對比Fig.4 Results contrast of enhanced heat transfer test

3 強化傳熱對比試驗

為驗證流態(tài)化顆粒的強化傳熱效果，特做了對比試驗．在同樣的試驗條件下，將裝有不同型號的螺旋與顆粒流態(tài)化螺旋的強化傳熱結(jié)果進行比較，得出結(jié)果如圖4所示．流化型螺旋的傳熱系數(shù)在1 000 W·m-2·K-1附近波動，遠遠高于各種非流態(tài)化螺旋，并且傳熱系數(shù)基本維持穩(wěn)定．

5 結(jié)論

(1)通過流態(tài)化小球顆粒，可以有效的抑制換熱管內(nèi)污垢的生成，并可以擦除已經(jīng)生成的污垢．污垢的擦除主要是依靠小球的滑動來摩擦管壁實現(xiàn)的，但同時對換熱管也起到了一定程度的沖蝕．

(2)高速轉(zhuǎn)動的流態(tài)化小球顆粒能在近壁區(qū)域形成漩渦，并且所產(chǎn)生的渦流位置是非固定的，流動的、強大的渦流攪亂了邊界層以達到強化傳熱的目的．

(3)該技術(shù)不僅適用于新設(shè)備的設(shè)計制造，而且同樣適用于舊設(shè)備的技術(shù)改造．

(3)換熱管中顆粒濃度的最優(yōu)配置及精確測定還有待繼續(xù)研究．

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