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（2008版）湖南工业大学过程装备节能技术讲义第四章--53第四章传热流体动力螺旋节能技术4.1.外动力旋转钢丝螺旋线节能技术4.1.1外力驱动旋转的钢丝螺旋线清洗技术旋转螺旋线传热技术是指列管式传热设备的每根传热管内设置一转动螺旋线来刮扫内壁污垢的刮面式传热技术。这种技术最早见诸于1974年的德国专利DE2224728（图4.1.），在此基础上改进的有1985年苏联专利SU1158846（图4.2.）如图所示，它们都是靠外部动力带动螺旋转动来刮扫传热管内壁的污垢。这种技术最主要缺点就是结果太复杂，究其原因在于它靠外部动力驱动，因此就需有密封装置及复杂的传动装置、大量的轴和轴承；其次就是功能缺点，即单一的除垢。图4-1DE2224728（1974）图4-2SU1158846（1985）（2008版）湖南工业大学过程装备节能技术讲义第四章--54（RU2047081）图4.3.往复运动钢丝螺旋线4.1.2外力驱动往复运动的钢丝螺旋线清洗技术外力驱动往复运动的钢丝螺旋线清洗技术如图4.3.所示，国内外的专利，例如-C1(1993.08.24.-1995.10.27.)、CN2180962Y（1994.10.26.），要点是往复运动的行程大于螺旋的螺距。优点是不清洗时管内螺旋线能够作为对流传热强化元件，缺点是结构过于复杂，并且管内污垢螺旋线往复清洗不干净，原因时螺旋线不是几何园，对管内壁接触本身不均匀；即使能够制造出质量非常好的螺旋线，由于螺旋线与管内壁之间存在可靠往复运动所必须的间隙，钢丝螺旋线在自重的作用下，势必下部管内壁困难回发生磨损，上不管内壁的污垢又无法清洗干净。4.2.钢丝螺旋线振动节能化技术法国埃尔夫·阿奎坦公司开发了换热器螺旋形弹簧在线清洗法，称为Spirely法。该方法系在换热器管子内装设螺旋形弹簧（见图4.4.），弹簧靠流体流动力在管内振动（径向为主、轴向、周向为辅）运动，从而达到使管壁结垢清除的目的。据称，该公司采用的螺旋形弹簧最高使用温度为300℃，使用寿命为3年。这种在线连续清洗方法已在该公司瓦朗西斯安炼厂、卡尔根维尔炼厂、东日炼厂等炼厂使用。如瓦朗西斯安炼厂常压蒸馏装置原油预热系换热器，使用螺旋形弹簧清洗方法8个月后，比先前未采用这种方法多回收14℃温差的热量，每年节能效益很大。图4-4传热管内钢丝螺旋振动节能技术动力头螺旋线蒸汽冷凝水冷却水冷却水（ZL8710825.4）（2008版）湖南工业大学过程装备节能技术讲义第四章--554.3.钢丝螺旋线自转节能技术针对外力驱动的刮面式传热设备普遍存在的结构复杂、高成本、低可靠性问题，提出了流体动力钢丝螺旋线自转在线自动清洗及其传热强化技术。自洁高效自转旋转螺旋线传热技术相比之下则有两大显著特点，一是无需外部动力驱动及其复杂的传动装置，而改为直接利用管程传热液体的流动能带动，并且使工作元件，即螺旋线本身兼作动力元件，从而使结构得到大大的简化；二是功能强化，旋转螺旋线同时呈横向随机振动和轴向游动，使除垢防垢消耗的机械能可以同时用来强化管内液体的对流传热，达到自洁、高效传热的双重目的。4.3.1工作原理图4.5.热流体动力钢丝螺旋振动节能技术自转螺旋线传热技术的结构方案如图4.5.所示，全部工作零件就是一根螺旋线和轴向固定用的入口支承两个，结构异常简单。它的工作原理是，传热设备运行时，管程液体在管内的流动受到螺旋线的障碍、导向而产生螺旋流动，由于螺旋线与管内孔不同心，这种偏心的螺旋环流和螺旋线后的旋涡脱离的共同作用，使螺旋线发生随机振动；又由于螺旋环流的液体给螺旋线的反作用力的切向分量，形成与螺旋环流反向的工作力矩，趋势螺旋线连续旋转。此外，工作时螺旋线还有一定的轴向游动，游动的幅度在流量波动时更大。由于螺旋线的连续转动和横向随机振动及其轴向游动，使传热管内壁面的污垢得到刮扫和撞击，加上螺旋环流与法向振搅的共同作用，达到在线、连续、自动除垢防垢的目的，并使管内对流传热过程中的最薄弱环节—边界滞流层得以有效的扰动而产生比原先清净无垢时的传热强化作用。50年代西德TAPRGGELREINIGUN公司发明的海绵胶球清洗方法，是电厂凝结器实行了在线清洗，因而被誉为换热器机械清洗技术的一项重大的突破，比较而言，自动旋转螺旋线技术具有胶球清洗方法不能相比的结构简单、成本低廉的优点，大中小设备和新旧设备的广泛通用性，以及独有的传热强化作用。因而，该技术是传热设备污垢清洗技术很有实用价值的一次新突破。图4.6.动力矩试验曲线（2008版）湖南工业大学过程装备节能技术讲义第四章--564.3.2动力学试验4.3.2.1驱动力矩试验对内径长度分别为Ø20ⅹ400mm、Ø25ⅹ3800mm、Ø32ⅹ3700mm规格的三种传热管的螺旋线进行了驱动力矩的研究测量，结果如图4.6.所示。驱动力矩随流速增加而增大，这是因为管内液流对螺旋的反推力是随流速增加而增大；随管径增大而增大，这是因为液流对螺旋的反推力有较大的力臂之故。由测量可知，驱动力矩不大，尤其在流速较低时。因此，采用这种技术时，对管程液流速度有下限要求，一般需在0.5-0.7m/s以上。4.3.2.2转动、振动和游动在Ø28ⅹ1.5mm的玻璃管内通冷却水，对自转螺旋线的运动状况进行了观察与测量：（1）在0.5m/s左右螺旋开始横向随机振动，整个螺旋线呈多波曲线状，随着流速逐渐增大，振动加快。（2）流速增大到一定程度后，螺旋线由单纯的横向随机振动，变为连续振动，并且转速随流速增大而加快。（3）螺旋线转动时，不仅有横向振动，而且有数毫米的轴向游动。轴向往复游动的位移幅度主要与螺旋线刚度、水流速度波动大小有关，并且与离入口端的距离成正比。由试验测量可知，一般结垢液体在传热管内的流速，通常都能满足该技术要求，能可靠地使螺旋线连续转动、横向随即振动并伴有一定的轴向游动，来实现在线、连续、自动除垢防垢和传热强化。4.3.2.3轴向力试验工作时螺旋线受到管内液流所作用的轴向力，是设计螺旋线刚度和入口支承的重要依据。由于螺旋钢丝细轴向力小，因而螺旋线刚度要求低，螺旋弯头和入口支承的对磨处的磨损问题就便于采用工程塑料来理想地解决。但是须注意，螺旋线刚度必需与流速的变化范围匹配，否则在高流速时螺旋尾端会延伸到管外，引发螺旋相互绞绕在一起的事故；在低流速时螺旋尾端会缩短到管内，出口端的管段没有除垢。4.3.3性能试验4.3.3.1除垢能力试验在Ø25ⅹ2mm的铜管内壁，调制厚约3mm的人工厚，设置自转螺旋线，通冷却水连续运转44h，除垢效果如下：（1）水玻璃调制的白泥红泥垢，大致干净；（2）炼油厂重整装置的柴油加热器垢，除垢干净；（3）碳酸钙-碳酸镁，水玻璃调制的垢，除垢干净；（4）硫酸钙-水玻璃调制的垢，除垢干净；（5）磷酸钙-水玻璃调制的垢，除垢干净；因此，在线自动除垢清洗能力强。（2008版）湖南工业大学过程装备节能技术讲义第四章--574.3.3.2传热强化试验采用Ø20ⅹ1mm洁净无垢的铜管，管内通冷却水，管外通水蒸汽加热，流速用玻璃管转子流量计测量，温度用0.1刻度的精密温度计测量。总的传热系数测量结果表示在图4.7.中。如图所示，在0.65-1.53m/s上午常用流速范围内，传热强化幅度在22.4％-56.8％范围内，平均幅度为32.85％。可见螺旋旋线的确又是一种有效的传热强化技术。图4.7.螺旋线传热强化特性曲线图4.8.螺旋线阻力特性曲线4.3.3.3流体阻力试验在19根Ø25ⅹ2.5ⅹ4200mm传热管的立式放大试验设备上，用水银压差计测量了从换热器进口室至出口室的总阻力。流量采用电磁涡轮流量计测量，流速在0.77-0.94m/s（上限受循环泵限制）范围内，如图4－8所示，总阻力为4420-6120Pa，故每米传热管的阻力平均值约为1360Pa。可见自动旋转螺旋线传热技术不仅功能强，而且阻力也不大。4.3.3.4操作弹性试验无论单管试验，还是放大试验，螺旋线只有开始旋转、开始流振的流速下限，超过此值即开始流振，开始旋转，而后随着流速增大流振和旋转加快，且无流速上限的限制。因此，操作弹性大。流速的适用范围很大。4.3.3.5防阻塞能力试验在Ø25ⅹ2.5mm的透明管内装设自动旋转螺旋线，在管内上游添加杂物，用日光灯在塑料管背透照，通水进行抗杂物阻塞能力试验，由此可观察到：①粒径约5-7mm的小石块，非但不会阻碍螺旋线的转动和振动，而且能迅速地通过，因为旋转线本身就是一个很好的螺旋输送器；0.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.3012345678910螺距20mm螺距25mm螺距30mm螺距35mm△P(×103Pa/m)u(m/s)1.01.52.02.53.03.50.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.9 螺矩35 螺矩40 空管K×103(w/m2k)Re×104（2008版）湖南工业大学过程装备节能技术讲义第四章--58②长宽约15ⅹ10mm的塑料片，能较好地通过而不阻塞在管内。因此，自动旋转螺旋线传热技术能用于管程液体内含有块状、片状杂物的工况条件。4.3.4应用研究鉴于自动旋转螺旋线传热技术有相当多的优越性和广阔的应用前景，有必要进行以工业应用为目标的如下试验研究。4.3.4.1结构优化试验为了使自动螺旋线传热技术在工业应用中取得较好的经济效益，进行了一系列在不同换热管内径、不同流速条件下的螺旋线结构参数优化试验研究。结构优化的参数主要为螺旋线材料、直径、螺旋角、螺旋外径。优化的指标因工况不同而有所区别，但一般都有除垢防垢能力、传热强化幅度、流体阻力等项。4.3.4.2设备放大试验为了使自动旋转螺旋线传热技术的工业装置在应用中有较高的可靠性，考虑设备放大的尺寸效应影响，不同设备不同结构带来的流速分布均布性问题，笔者先后进行了四种不同管径、不同管数、立式和卧式结构的设备放大试验：①传热管Ø25ⅹ2.5ⅹ6000mm，管数7，同心圆排布。管间距32mm，立式设备，进出口室Ø140；②传热管Ø32ⅹ3ⅹ3000mm，管数6，直线排布，管间距150mm，卧式结构，进、出口室均为910ⅹ100mm；③传热管Ø32ⅹ3ⅹ4200mm，管数7，同心圆排布，管间距40mm，立式结构，设备进、出口室均为Ø160mm；④传热管Ø25ⅹ2.5ⅹ4200mm，管数19，三角形排布，管间距32mm立式结构，设备进、出口室均为Ø190mm。放大试验表明，只要组装时保证质量，就可以保证一次开车成功，且运转可靠，开车停车操作简便，立式卧式几乎无影响。在合盖前采用专用的检验工具逐根检查一次，既快又方便，更可以保证其可靠性，这对工业采用是很有必要的。4.3.4.3材料配套试验为了满足石油、化工等工业部门对设备长周期运转的要求，更为了自动旋转螺旋线传热技术的高效益要求，必须使两个工作零件都有长的使用寿命。为此进行了长达数年的材料配套试验，终于取得了优异的耐磨蚀性能和较低的经济成本的理想的结果。入口支承采用填充的耐磨工程塑料，旋转螺旋线采用热处理的沉淀硬化不锈钢。考核测试是在Ø32ⅹ3mm的钢管内装设入口支承与旋转螺旋线，管内通冷却水，流速约0.95m/s，进行断断续续的运转试验。目的是让它交替地接触空气、让它停留可与管内壁静止接触，创造更恶劣的磨蚀条件。这样累计运转约1200h，拆检测量结果如下：①经特殊处理的特种不锈钢螺旋线几乎无可见磨损，其不均匀磨损最严重处的磨损量为0.01mm；②入口支承的孔径处，磨损量在0.01mm以下（2008版）湖南工业大学过程装备节能技术讲义第四章--594.3.4.4技术经济比较在国内外现有技术中对传热面污垢比较有效的先进技术主要有化学清洗、防垢涂料、胶球清洗与往复洗和流态化。自动旋转螺旋线传热技术与它们的比较如下：①功能方面a在确保运行期间无垢和高效运行方面，其它停车清洗技术则无能为力；b在传热强化方面，只有流态化法与自动旋转螺旋线技术有此功能。②经济成本方面化学清洗法是每清洗一次需投入一次化学药品费、机具费、工时费和废液处理费，成本较高。防垢涂料法，