大型波纹不锈钢换热管防污自洁性能研究

2021-06-29 08:30:41

对波纹管和光滑管的阻垢性能和自洁性能进行了对比实验研究。结果表明，波纹管的污染率比光管慢，稳定后的传热系数更高。波纹管内的湍流程度较高，周期性的轴向速度脉动明显阻碍了污染的形成。波纹管的自洁能力远高于普通光滑管，有助于延长传热管的使用寿命。波纹管具有提高传热性能、抑制结垢、自清洁等优良性能，是在石油化工行业具有广泛应用潜力的传热元件。

一、简介

换热器的表面污染是由传热管工作流体中的杂质沉积形成的。污染物的导热系数通常较小，附加热阻控制传热系数，对传热有显着影响。一些污染严重的换热器的换热效率甚至达不到正常水平的一半。结垢加重了工作条件，干扰了系统的正常运行。除了降低传热系数外，还增加压降，造成管壁局部腐蚀，降低产品质量，阻碍流动，增加能耗。因此，在换热器的设计和选型中应充分注意污染和防污问题。

常见的污染类型通常包括： 沉积物污染、颗粒污染、化学反应污染、侵蚀污染、生物污染、结晶污染和聚合物污染。实际的污染过程通常是几种不同污染机制的连续或协同作用的结果。污染状况不仅与流体中溶解和悬浮杂质的种类和数量有关，还与流体的物理性质、物理和流动条件以及流体和管道的温度等诸多因素有关。壁面、结构材料、表面粗糙度等诸多因素。抗污耐热性形成的原因非常复杂，目前还没有可靠的理论方法对其进行预测，防污性能研究主要以实验方法为主。

波纹管是一种采用特殊加工方法制成的高效传热元件，在传热过程中可作为两侧的加强件，特别适用于加强管内单相流体的传热.随着波纹管在换热器中的推广应用，其表面流体的形成及其产生的热阻已成为强化传热研究的重要课题。

国内外研究人员对改进的传热管，如表面多孔管、螺旋槽管和内翅片管的防污性能进行了实验研究，并给出了定性比较结果。结果表明，由于污染机理复杂，很难对各种传热因素进行定量研究，得到一个具有普遍意义的公式。因此，为了在各行业中广泛使用波纹管来改进传热技术，需要对波纹管和横纹管的结垢机理进行实验研究。

2 实验研究

211 实验室设备和操作条件

实验中使用的波纹管如图2所示。实验中，用两个电热塞（8kW）对特制的热水箱中的流体进行加热，通过套管式换热器的试管与内部冷水的热交换来完成传热过程。包装。试管为320.8不锈钢管，管长2000mm，两根串联，总长4000mm，节距p=20mm，压深t=3mm。温度用0.1级精密玻璃水银温度计测量。将实验流体的温度调整到6070，波纹管和光管的Re值在同一范围内（实验中为2400031000），对数平均温度几乎相同，证实实验结果具有可比性。

212 实验液的制备

由于现场实际工况复杂多变，难以模拟实验室条件。因此，为了缩短实验时间，实验工作在人为严重污染的条件下进行。实验液采用在水中加入一定比例的NaCl、CaCl2和NaHCO3制备的CaCO3饱和溶液。该方法可大大缩短实验时间，同时在实际工业生产中含有食盐，对比较换热管污染性能、揭示污染机理和描述污染性质非常有效。

3 实验结果讨论

不锈钢换热管的总传热系数与实验得到的时间t的关系如图4所示。随着实验条件的接近，可以看到波纹管的K值高于导光管的K值。两者的热阻在结垢初期迅速增加，随着时间的增加趋于减慢并具有稳定值。

污染热阻Rf 与时间t 的关系如图1 所示。在初始阶段，光管和波纹管的污染将经历一个激发期。波纹管的结垢激发时间相当长，在实验条件下约为12小时，有利于防止在换热面上形成如图1所示的硬结垢层。在激发时间内计算出的热阻可以为负值，这意味着初始灰尘颗粒可以对传热表面产生一定的增强传热效果。

在相同的实验条件下，光管的耐热性比波纹管快，耐热性的增加要大得多。稳定后，光管的热阻增加几乎是波纹管的两倍。波纹管的耐热性不仅明显低于光管，而且耐热性产生时间也比较慢。在相对稳定的传热系数方面，波纹管比光滑管高17%左右，比不结垢光滑管高10%以上。

实验中，待污染稳定后，加热温度保持恒定，增加流体流量，考察波纹管和光管椅的自洁性能，实验结果如图5所示。

在增大流体流量的过程中，光管和波纹管的热阻减小，减小幅度比较接近。但是，经过很短的时间后，光管的热阻开始上升，直到达到略低于原始稳态热阻的值，保持相对稳定。波纹管的热阻没有明显回弹。波纹管已被证明在大雷诺数条件下具有很强的自清洁能力。但此时波纹管的流阻比光管大很多，是比较不利的情况，因此应避免波纹管在过高的流速下长期使用。

波纹管具有良好的防垢和自洁性能的原因在于波纹管的流动状态不仅具有二次湍流，而且沿波纹管轴线具有流速的周期性脉动。这就决定了污染不易稳定，污染的耐热性低，易清洗。此外，流体界面温度越高，CaCO3 和其他抗溶解介质溶液的热阻越容易。反之，粉尘耐热性产生较慢。由于波纹管的总传热系数高于光管，可以降低流体的界面温度，减少污染的发生。

4。结论

(1)波纹管的流动状态比光管复杂，有垂直于管壁的二次流和沿波纹管轴线的流速周期性脉动。这种复杂的流动状况，一方面使波纹管的传热系数和内外壁的传热膜系数远高于光管的传热系数，同时又防止了粉尘的产生。对灰尘有冲击和擦洗作用，使灰尘耐热，避免形成难以清洁的坚硬灰尘层。

(2)在相同条件下，由于总传热系数K的增大，波纹管的流体界面温度相对于光管低，有利于防止污染热阻的形成。

(3)由于波纹管的脉动流动特性和自洁特性，灰尘不易在换热面上形成硬垢层。通过增加波纹管内外流体的流量，可以有效去除换热面上的灰尘。