何長江，楊斯博，張震，何立臣，閻華，楊衛(wèi)民

（1北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2北京航天動力研究所，北京 100076）

組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置穩(wěn)定性分析

何長江1，楊斯博2，張震1，何立臣1，閻華1，楊衛(wèi)民1

（1北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2北京航天動力研究所，北京 100076）

針對組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置在某石化企業(yè)冷卻器中運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。通過對裝置轉(zhuǎn)子的葉片磨損量以及轉(zhuǎn)子的軸向長度進(jìn)行測量分析得出，轉(zhuǎn)子經(jīng)過17個月的運(yùn)轉(zhuǎn)，最大徑向減少量為1.1mm，占轉(zhuǎn)子外徑11.6%，若認(rèn)為每年的磨損量相同，那么組合轉(zhuǎn)子有效使用年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5年。轉(zhuǎn)子軸向長度方向最大磨損量為0.315mm，占總長度的0.9%，在一定的條件下，軸向磨損基本可忽略。裝置運(yùn)行后轉(zhuǎn)子表面存在少量污垢，但其未對裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響。裝置運(yùn)行后換熱器無新增漏管的報(bào)告，故裝置未對換熱管造成嚴(yán)重的損害。由于現(xiàn)場安裝不夠規(guī)范以及掛件未能與換熱管固定在一起，有部分裝置的出水端掛件脫出換熱管并傾倒，封頭的安裝也對其產(chǎn)生了一定的影響。針對掛件傾倒問題本文給出了解決辦法。

換熱器；組合轉(zhuǎn)子；穩(wěn)定性；強(qiáng)化傳熱；阻垢

管殼式換熱器作為一種重要的過程設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、輕工等行業(yè)，其傳熱效率低下和傳熱表面積結(jié)垢所造成的傳熱劣化，直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。鑒于換熱器的重要性，科研工作者提出了很多種提高管殼式換熱器傳熱效率以及防垢除垢的方法，其中內(nèi)插件技術(shù)作為一種管程被動強(qiáng)化傳熱技術(shù)，受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注[2-6]。組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置是一項(xiàng)提高換熱器傳熱效率以及防垢除垢的新技術(shù)，是楊衛(wèi)民等[7-8]從“場協(xié)同”理論[9]角度出發(fā)，提出的一種新型管內(nèi)插入結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，其主要由轉(zhuǎn)子、支撐軸、掛件和限位件組成。若干轉(zhuǎn)子穿裝于支撐軸上，并用限位件對轉(zhuǎn)子進(jìn)行分組以及限位，掛件將穿裝轉(zhuǎn)子的支撐軸固定于換熱管的兩端，并對支撐軸起到限位作用。組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置能形成旋轉(zhuǎn)流，延長水流在單位長度里通過的時(shí)間；能促進(jìn)中心流體與管壁流體置換，產(chǎn)生二次流，并破壞邊界層，增強(qiáng)強(qiáng)化傳熱效果[10]。

針對組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置，研究者對其做了很多富有成效的研究。張震等[11-16]采用試驗(yàn)及模擬手段研究分析了組合轉(zhuǎn)子的幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)子間距、左右旋向組合方式等對其強(qiáng)化換熱性能的影響。姜鵬等[17-18]分析了相間內(nèi)插螺旋開槽轉(zhuǎn)子與低流阻轉(zhuǎn)子不同數(shù)目以及不同導(dǎo)程的轉(zhuǎn)子對強(qiáng)化傳熱效果的影響。彭威等[19-20]采用試驗(yàn)手段研究了螺旋葉片和開槽螺旋葉片兩種結(jié)構(gòu)組合轉(zhuǎn)子以及間隔開槽螺旋葉片轉(zhuǎn)子的綜合傳熱性能。趙本華等[21]對相同條件下同向轉(zhuǎn)子強(qiáng)化管、旋向交叉轉(zhuǎn)子強(qiáng)化管以及光管的污垢沉積情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究對比，結(jié)果表明旋向交叉轉(zhuǎn)子的自清潔效果最佳，光管中沉積的污垢最多。

雖然前人對組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置進(jìn)行了很多的研究，但是研究主要集中在試驗(yàn)室強(qiáng)化傳熱方面以及防垢除垢方面，未對裝置在工廠惡劣環(huán)境下的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行研究。本文主要對組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱以及阻垢裝置在某石化企業(yè)管殼式換熱器中運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖1 內(nèi)置轉(zhuǎn)子換熱管結(jié)構(gòu)示意圖

1 試驗(yàn)裝置

某石化企業(yè)控制酰胺油苛化反應(yīng)器反應(yīng)溫度的冷卻器在運(yùn)行中，含有磺化副產(chǎn)物的物料極易黏附于換熱管管壁上，形成凝固污垢。其不但增加熱阻，降低換熱器效率，還會造成管路的堵塞，增加流通阻力。

為研究組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱以及阻垢裝置在管殼式換熱器惡劣環(huán)境下長期運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，在某石化企業(yè)所用酰胺油苛化反應(yīng)器的冷卻器中對組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱以及阻垢裝置進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，換熱器的參數(shù)如表1所示。

本試驗(yàn)用轉(zhuǎn)子為葉片間斷型轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)如圖 2所示，其軸向長度為35mm±0.1mm，外徑為19mm。

如圖3所示，本試驗(yàn)用組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置，每串共165個轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子每15個一組，每組間用限位件限位，限位件位于每組轉(zhuǎn)子的末端，在最后一個轉(zhuǎn)子于限位件之間放置若干墊片用以防止轉(zhuǎn)子的磨損。

表1 試驗(yàn)換熱器參數(shù)

圖2 試驗(yàn)用轉(zhuǎn)子

圖3 組合轉(zhuǎn)子

組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置被換熱管兩端的掛件固定在換熱管內(nèi)，組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置的設(shè)計(jì)使用年限為5年。組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置在現(xiàn)場換熱器中運(yùn)行17個月后，取出4串組合轉(zhuǎn)子，對其進(jìn)行測量，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。

為方便測量以及數(shù)據(jù)的分析，把組合轉(zhuǎn)子從率先與水接觸的入水端到最后與水接觸的出水端為序，以限位件為界，依次編號為1～11組，每組轉(zhuǎn)子個數(shù)為15個。

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)狀況

組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置在連續(xù)運(yùn)行17個月時(shí)間后，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定，但有少量裝置的掛件從換熱管中脫出，產(chǎn)生松動現(xiàn)象。

2.2 轉(zhuǎn)子參數(shù)變化

2.2.1 轉(zhuǎn)子葉片的尺寸變化

對轉(zhuǎn)子的葉片長度進(jìn)行測量，取每組轉(zhuǎn)子葉片長度的平均值為葉片磨損后尺寸，如圖4所示，為組合轉(zhuǎn)子的葉片磨損值沿管程方向的數(shù)據(jù)分布圖。

從圖4中看出，轉(zhuǎn)子沿管程方向外徑磨損量成兩端小、中間大的現(xiàn)象。減小的最大量出現(xiàn)在A串組合轉(zhuǎn)子中間第8組轉(zhuǎn)子處，減少量為1.1mm，占轉(zhuǎn)子外徑的11.6%。究其原因?yàn)?，管端掛件對支撐軸限位，使靠近換熱管兩端的支撐軸，與換熱管同軸心，轉(zhuǎn)子以支撐軸為軸心做與換熱管無干涉的同軸心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而使位于換熱管兩端的轉(zhuǎn)子磨損較小。裝置的柔性支撐軸在重力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)離換熱管軸心的徑向偏移，但管端掛件無法提供足夠支撐力來限制換熱管中間段支撐軸的徑向偏移，從而在管程流體推動下，換熱管中間段轉(zhuǎn)子做著偏離換熱管中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，造成了中間段轉(zhuǎn)子的葉片與換熱管管壁的干涉，從而導(dǎo)致中間轉(zhuǎn)子葉片的磨損量較兩端轉(zhuǎn)子葉片的磨損量大。

在實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子外徑磨損50%時(shí)還有一定的強(qiáng)化傳熱及阻垢的效果，為計(jì)算轉(zhuǎn)子的使用壽命，選取磨損量50%作為失效標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)轉(zhuǎn)17個月后，轉(zhuǎn)子徑向最大磨損量為11.6%，若認(rèn)為每年的磨損量相同，那么組合轉(zhuǎn)子有效使用年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5年。

2.2.2 轉(zhuǎn)子軸向的尺寸變化

轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，配合間會出現(xiàn)磨損，最終反映到轉(zhuǎn)子軸向尺寸變化上，對轉(zhuǎn)子軸向尺寸變化的研究有助于了解轉(zhuǎn)子間配合的磨損情況。試驗(yàn)用轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)長度為35mm±0.1mm，取35mm為壽命計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)長度，軸向長度的測量數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5得出，轉(zhuǎn)子軸向尺寸沿34.8mm上下波動，并成前端磨損量大、后端磨損量小的現(xiàn)象。最大磨損量為0.315mm，出現(xiàn)在A串轉(zhuǎn)子的第3組轉(zhuǎn)子處，占總長度的0.9%，總體磨損量較小。究其原因?yàn)?，轉(zhuǎn)子自身結(jié)構(gòu)決定其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)每組轉(zhuǎn)子具有相同的轉(zhuǎn)速跟旋轉(zhuǎn)方向，轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)協(xié)同性較好不會導(dǎo)致磨損，但是不穩(wěn)定流體打破了轉(zhuǎn)子間的協(xié)同作用，使轉(zhuǎn)子間出現(xiàn)相對運(yùn)動，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子間的磨損。又由于組合轉(zhuǎn)子被分為11組，每組有限位件限位，使每組轉(zhuǎn)子軸向的受力比較小并且較平均，故磨損量不明顯。裝置的前端率先與管程液體接觸，液體沖擊力較大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子間的軸向接觸力較大，從而導(dǎo)致前端的磨損較大；水流經(jīng)過前端后，對后端轉(zhuǎn)子的沖擊減弱，從而使裝置后端轉(zhuǎn)子磨損量較前端的小。轉(zhuǎn)子運(yùn)行17個月后，轉(zhuǎn)子的長度磨損量為0.9%，在一定的條件下轉(zhuǎn)子軸向磨損可以忽略。

圖4 轉(zhuǎn)子葉片尺寸沿管程變化

圖5 轉(zhuǎn)子長度沿管程方向的變化

圖6 安裝前以及安裝后轉(zhuǎn)子

2.3 轉(zhuǎn)子自身污垢狀態(tài)及其對穩(wěn)定性的影響

轉(zhuǎn)子在液體中運(yùn)行，不可避免地會有污垢沉積在轉(zhuǎn)子本身上，但是液體性質(zhì)以及轉(zhuǎn)子形態(tài)不同，污垢的沉積量也會不同。

如圖6所示，圖中左邊轉(zhuǎn)子為未運(yùn)行轉(zhuǎn)子，右側(cè)兩個轉(zhuǎn)子為運(yùn)行后的轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在酰胺油內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)17個月后，運(yùn)行后轉(zhuǎn)子自身上的污垢沉積量較少，沉積物質(zhì)量很小，對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動特性無影響。轉(zhuǎn)子采用不溶于工作介質(zhì)的高分子材料制作，故轉(zhuǎn)子表面上的污垢對轉(zhuǎn)子無腐蝕作用，并且轉(zhuǎn)子中心軸內(nèi)孔始終繞鋼絲繩轉(zhuǎn)動，內(nèi)孔無污垢。故轉(zhuǎn)子自身表面的污垢對裝置的穩(wěn)定性無影響。

2.4 轉(zhuǎn)子對換熱管的影響

換熱管是管殼式換熱器的主要工作部件，也是最容易損壞的部件，換熱管的損壞，不但會降低換熱器的換熱效率，還會對產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。若管程或殼程介質(zhì)具有毒性或者具有很高的壓力，換熱管的損壞可能會造成重大事故的發(fā)生。因此，研究轉(zhuǎn)子對管壁的磨損是有意義的。

轉(zhuǎn)子自身的磨損可以說明組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對換熱管造成一定的損害。但是經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)得知，經(jīng)過17個月的運(yùn)轉(zhuǎn)，換熱器并無新漏管增加，裝置未對換熱管造成嚴(yán)重?fù)p害。

2.5 掛件倒傾現(xiàn)象原因分析以及改進(jìn)方案

有少量裝置的出水端掛件脫出換熱管并倒傾于管外，如圖7所示。尾部掛件脫出換熱管并倒傾于管外失去了其對裝置柔性軸軸向和徑向限位作用，造成裝置與換熱管干涉，降低裝置壽命，并導(dǎo)致裝置失效。倒傾的掛件會在水流的沖擊下擺動，與周圍掛件發(fā)生干涉，影響周圍裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

分析其原因?yàn)椋阂环矫妫惭b裝置時(shí)未能使裝置支撐軸足夠的繃緊，造成其在管內(nèi)有一定的彎曲，使其在管內(nèi)長度大于換熱管總長。裝置運(yùn)行時(shí)，支撐軸長出部分在流體的作用下從換熱管尾部脫出，而掛件本身未與換熱管緊固在一起，造成出水端掛件從換熱管中滑落出來發(fā)生倒傾斜。另一方面，裝置現(xiàn)場安裝前需要打開換熱器封頭，安裝完成后再把封頭吊裝到換熱器上，在吊裝的過程中，凸出于換熱器管板的端部掛件，可能會與封頭產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致掛件應(yīng)力性倒傾。

為解決掛件脫出的問題，一方面需要在裝置安裝時(shí)拉緊裝置支撐軸；另一方面適當(dāng)增大深入換熱管內(nèi)部的掛件的尺寸，使其與換熱管間的配合由隙配合變?yōu)檫^盈配合，保證其不被裝置支撐軸的長出部分帶出管外。

圖7 掛件倒傾

3 結(jié) 論

（1）組合式轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置轉(zhuǎn)子葉片的磨損呈兩端小、中間大的現(xiàn)象，最大磨損量出現(xiàn)在A串組合轉(zhuǎn)子中間第8組轉(zhuǎn)子處，減少量為1.1mm，占轉(zhuǎn)子外徑的11.6%。選取磨損量50%作為失效標(biāo)準(zhǔn)，若認(rèn)為每年的磨損量相同，那么組合轉(zhuǎn)子有效使用年限遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5年。

（2）組合式轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置轉(zhuǎn)子軸向磨損量很小，成前端磨損量大、后端磨損量小的現(xiàn)象，最大磨損量為0.315mm，出現(xiàn)在A串轉(zhuǎn)子的第3組轉(zhuǎn)子處占總長度的0.9%，磨損量在一定的條件下可以忽略，其對裝置的壽命影響較小。

（3）轉(zhuǎn)子自身表面有少量的污垢，但污垢對裝置的穩(wěn)定性無影響。

（4）組合轉(zhuǎn)子強(qiáng)化傳熱及阻垢裝置轉(zhuǎn)子采用高分子材料制作，經(jīng)過17個月的運(yùn)轉(zhuǎn)，無新漏點(diǎn)出現(xiàn)，裝置未對換熱管造成嚴(yán)重?fù)p害。

（5）出水端掛件的倒傾現(xiàn)象，主要是由現(xiàn)場安裝時(shí)未能使裝置中心軸拉緊以及掛件本身未能與換熱管固定造成的，換熱器封頭的安裝過程也對掛件的傾倒起到一定的作用。

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Stability analysis on heat transfer enhancement and anti-fouling device called rotor-assembled strands

HE Changjiang1，YANG Sibo2，ZHANG Zhen1，HE Lichen1，YAN Hua1，YANG Weimin1
（1College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China；2Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China）

This paper presented stability analysis on assembled rotors anti-fouling and heat transfer enhancement device used in heat exchangers in a chemical plant. The stability analysis of rotors blade and rotor axial length provided the parameter changes for the device. After 17 months’ running，the results showed that the diameter of the rotor was reduced by 1.1 mm，about11.6% of the rotor diameter. Assuming steady wear each year，the assembled rotors will be in effective use for more than five years. The rotor axial length was reduced by 0.315mm，about 0.9% of the rotor axial length. Under certain conditions，the axial wear can be ignored. A small amount of fouling appeared on the rotors surface，without affecting the device stability. Heat exchangers had no new leak tube after using the rotor-assembled strands，showing no serious damage. Water side support components tipped over due to incorrect installation. The authors suggested solutions to the improper accessory installation.

heat exchanger；rotor；stability；heat transfer enhancement；anti-fouling

TK 172

A

1000-6613（2014）08-1970-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.08.005

2014-01-20；修改稿日期：2014-02-27。

何長江（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)節(jié)能及高效換熱。E-mail changjiang87@126.com。聯(lián)系人：閻華，講師，研究方向?yàn)楣?jié)能減排與傳熱強(qiáng)化技術(shù)。E-mail yinglanyh@163.com。