大波纹不锈钢换热管抗污垢自清洗特性研究

1引言

换热器表面污垢是由于工作流体中的杂质在传热管上沉积而形成的。污垢的导热系数一般相对要小得多,其附加的热阻可对传热系数起到控制作用,对传热产生重大影响。有些结垢严重的换热器换热效率甚至不到正常的一半。结垢会恶化工作条件,妨碍系统的正常运行。它除了降低传热系数外,还会增大压降、造成管壁局部腐蚀、降低产品质量、阻碍流动、增加能耗等。因此,在换热器的设计选型时必须对结垢防垢问题予以足够重视。

常见污垢的类型一般有:沉积型积垢、微粒型积垢、化学反应型积垢、侵蚀型积垢、生物型积垢、结晶型积垢和聚合型积垢。真实的结垢过程大多是几种不同的积垢机理连续或者共同作用的结果。结垢状况不仅与流体中溶解和悬浮的杂质的种类和数量有关,而且与流体的物理特性、物理状态和流动状态、流体和管壁的温度、结构的材料、表面粗糙度等许多因素有关。污垢热阻的形成原因十分复杂,目前尚没有十分可靠的理论方法给予预测,主要依靠实验的方法进行防垢性能研究。

波纹管是通过特殊加工方法制成的一种高效强化传热元件,在传热过程中可起到双边强化作用,尤其适用于强化管内单相流体传热。随着波纹管在换热器中的推广应用,流体在其表面形成的及其产生的热阻已成为强化传热研究的一个重要课题。

国内外的一些研究人员对表面多孔管、螺旋槽管和内翅片管等强化传热管的防垢性能进行了实验研究,并给出了定性对比结果。结果表明,由于结垢机理十分复杂,难以对各种传热元件进行定量的研究以获得具有普遍意义的公式。因此,为在各行业中广泛应用波纹管强化传热技术,有必要对波纹管和横纹管的结垢机理进行实验研究不锈钢换热管。

2实验研究

211实验装置和操作条件

实验用的波纹管形式见图2。在实验中,用两个电热塞(8kW)加热热水罐中专门配制的流体,通过套管换热器的实验管子和套管中冷水换热完成传热过程。实验管为32×0.8的不锈钢管,管长2000mm,两根串联,总长4000mm,节距p=20mm,压深t=3mm。温度测量采用0.1级精密玻璃水银温度计。实验流体温度控制在60～70℃左右,取波纹管和光管的Re值在相同范围内(实验中为24000～31000),并使对数平均温度大致相同,以保证实验结果具有可比性。

212实验流体的配制

由于现场实际工况结垢的复杂性、多样性,实验室条件难以模拟。因此,为缩短实验时间,采取在人为的严重结垢条件下进行实验工作。实验流体采用CaCO3的饱和溶液,即在水中加入一定比例的NaCl、CaCl2和NaHCO3配制而成。此方法可以大大缩短实验时间,同时又包括了实际工业生产中典型的盐类,用于比较换热管的结垢性能、揭示结垢机理、解释结垢本质是十分有效的。

3实验结果讨论

实验所得的不锈钢换热管总传热系数和时间t的关系见图3。可见,在实验条件接近的情况下,波纹管的K值比光管要高。两者热阻在污垢初期增长很快,随着时间增加速度减缓并趋于一稳定值。

污垢热阻Rf和时间t的关系见图4。在开始阶段,光管和波纹管污垢生成都要经历一段激发的时间。波纹管的污垢激发时间要明显长得多,实验条件下,大约需要12h,有利于避免在换热表面形成图1所示的硬质垢层。在激发时间内,由计算所得的热阻可以是负值,即表明早期污垢颗粒在换热表面上可以起到一定的强化传热效果。

在相同实验条件下,光管的热阻生成速度比波纹管快,且热阻增加的幅度也大得多。当趋于稳定时,光管热阻增加的幅度将近为波纹管的1倍。波纹管的热阻不仅明显低于光管,热阻生成时间相对也要晚一些。就相对稳定后的传热系数而言,波纹管也比光管高约17%以上,且比未结垢的光管还高10%以上。

实验中,在污垢趋于稳定后,保持加热温度不变,将流体流速加大,考察波纹管和光管的自清洗性能,实验结果见图5。

在加大流体流速过程中,光管和波纹管的热阻有所下降,降低的幅度比较接近。但在短时间后,光管的热阻开始上升,直至达到一略低于原来稳定条件下的热阻值后保持相对稳定。波纹管的热阻则未见明显反弹。证明波纹管在大雷诺数条件下具有较强的自清洗能力。但是这时波纹管的流动阻力比较光管流动阻力提高的幅度要大许多,这是相对不利的情况,故应避免波纹管在过高流速下长期使用。

波纹管之所以具有良好的阻垢和自清洗特性,主要在于波纹管内的流动状态不仅存在二次扰流流动,而且还存在沿波纹管轴线方向流速周期性的脉动。这就决定了其污垢生成不易稳定,污垢热阻值较低且容易清洗。另外,由于流体界面温度越高,CaCO3一类逆溶解介质溶液的热阻生成越容易。反之,污垢热阻生成就较慢。波纹管总传热系数比光管高,可以降低流体的界面温度,这也能减少污垢的生成。