张治坤，王松竹

几种换热管内插螺旋线传热技术对比浅析

张治坤，王松竹

（湖南化工职业技术学院，湖南株洲 412004）

换热设备经过一段时间的使用会产生污垢并影响传热效率。对比分析了自动旋转螺旋线传热技术、塑包螺旋线传热技术、振动螺旋线技术、往复螺旋技术、往复弹簧节技术、振动往复螺旋技术等6种不同传热技术的结构组成、工作原理、防垢能力及效果等。在换热管内插入螺旋线在一定程度上可以起到在线除垢防垢和强化传热的双重作用。结合几种常见的换热管内安置螺旋线内插物，根据具体插入螺旋线方式的不同，结构原理不同，除垢效果和防垢能力亦不相同。通过对比分析，提出了除垢技术的研究方向。

换热管；螺旋线技术；除垢

换热器广泛应用于化学工业、石油、医药工业及轻工、食品、冶金等行业，用来实现化工生产过程中热量交换和传递。众所周知，换热设备的传热面均存在不同程度的结垢现象，90%以上换热设备在使用过程中会产生污垢［1］，使得换热达不到预期效果，传热性能恶化，还直接导致设备运行能耗上升，设备运行可靠性降低，产品产量、质量下降，乃至运行维护及清洗费用等生产成本增加。随着科学技术的发展，从节能、节材、节约的角度出发，换热器防垢、除垢技术的研究势在必行。

1　对比分析

针对一般换热设备，采用换热管内插入螺旋线技术，既可以提高管侧流体的换热系数，减少设备的制造成本，又达到防垢除垢目的。文中收集整理了各类管内插入螺旋线除垢技术，对其优缺点及清洗效果进行了综合分析。在选用时，如果选择不当，将会对设备造成无可挽回的损害。因此一定要有针对性，选择适于该换热设备的清洗方法。

1）自动旋转螺旋线传热技术［2］。在传热设备的每根传热管内安置转动螺旋线来刮扫管内壁污垢的传热技术。这种技术端倪产生于德国专利 DE2224728，经过改进和优化而成。其结构简图如图1所示。

图1　自转螺旋线传热技术结构简图

结构简单，安装方便，成本低廉。入口支承采用耐磨工程塑料，旋转螺旋线采用沉淀硬化不锈钢丝。工作原理：传热设备开机正常运行，液体以一定的流速流经传热管内，遇螺旋线致流动受阻而产生涡流。一方面，螺旋线随机发生振动和轴向游走运动，这些运动互相影响互相加强，使得传热管壁面的污垢得到刮擦，从而达到在线连续防垢除垢的目的。另一方面，边界滞流层不断地被螺旋线扰动，使整个传热过程得到强化。采用这种技术，要求管程液流速度在0.5m/s以上，一般传热管内的流速都能满足该技术要求。缺点是螺旋线的频繁快速旋转必然会磨损换热管壁，流体提供螺旋的自转力矩较小，需要外置动力驱动，额外增加设备结构，简单的工程塑料不耐高温，容易融化在管口致使堵塞，诸上原因导致该技术可靠性低。

2）塑包螺旋线传热技术［3］。在自动旋转螺旋线传热技术基础之上，将旋转钢丝用塑料包裹注磨而成的一项技术。其结构简图如图2所示。

图2　塑包钢丝螺旋技术结构简图

螺旋线外径与管内壁之间有可供螺旋自由旋转的空间，管内流体流动时推动螺旋线使其不断转撞击管壁，刮扫壁面污垢，实现自动除垢防垢的功能，同于自转钢丝螺旋线对管内流体的导向作用，轴向流动发生变化，近管壁区域的滞留边界层受到扰动，结合自转作用等使管内对流传热得以强化。在进口段即螺旋线的起始位置设计了动力轮，利用流体入口的旋流对动力轮的冲击作用，提供给塑包钢丝螺旋线动力矩，提升自动清洗的能力，改进之处有效地降低了对管内流速的要求，适用的范围扩大。缺点是虽然解决了不锈钢螺旋线的磨损问题，螺旋钢丝进入自转状态后的动力矩减小，但由于入口增添了元件，使得流体流经时的阻力增大，致使开始自转时所要求的流速更高，沿程阻力也随之增加。

3）振动螺旋线技术［4］。是指将弹簧两端固定悬空绷紧在传热管内，通过限制螺旋线的自转，在流体流动的带动下利用随机发生的横向、周向、纵向振动敲击管壁实现除垢的技术。其结构简图如图3所示。

图3　两端固定式振动螺旋线技术结构简图

振动的影响因素多样化，如弹簧钢丝的材料、弹性模量、外径、螺距等。这一技术对管内流速的要求比螺旋弹簧稍低，结构简单易行。缺点是弹簧某一部位频繁撞击壁面，导致局部变形从而影响使用寿命。由于两端牢牢固定，这种振动除垢就只发生在螺旋线可以撞击到壁面上，造成除垢不均匀现象。为解决不均匀问题，设计者又发明一种一端固定时螺旋弹簧振动振动除垢技术，其简图如图4所示。

图4　一端固定式振动螺旋线技术结构简图

结构原理与两端固定式相同，不同的是其出口端自由伸缩，弹簧的振动幅度比两端固定式大，且不断变化，越接近出口端越大。此项技术对管内流速的要求介于旋转式和两端固定式之间，对管壁造成的磨损较轻，结构比两端固定式简单，安装更方便，使用寿命延长但伸缩不可调不可控，使用效果视具体工况而定，难以推广应用。

4）往复螺旋技术［5］。在传热设备传热管内安置螺旋线，依靠螺旋线的运动来除垢。螺旋线固定在网栅元件上，网栅设置在换热设备的管板与管箱之间，且管箱两端设置外部驱动装置，其结构简图如图5所示。可见机构复杂，制造成本高。

图5　往复螺旋技术结构简图

5）往复弹簧节技术［6］传热管内放置尺寸适宜的弹簧，在管内做上下往复运动，依靠弹簧运动来清除管内壁上的污垢，实现在线除垢和防垢的目的。其结构简图如图6所示。

结构原理是在弹簧的底端放置钢珠，流体通过换热管时，弹簧就会被底端的钢珠托起运行至顶端。弹簧处于压缩状态，当流体停止流动，内置弹簧受到弹力，钢珠在自身重力作用下将快速返回竖直管底，如此往复运动。缺点是只适用于立式管内，需要不断地开闭阀门来实现管内流速改变，激起弹簧节来回运动，操作繁琐，不适合工程应用。

图6　往复弹簧节技术结构简图

6）振动往复螺旋技术［7］。在换热管出口设置平行于管口横截面的挡板，挡板中心固定在管板中心并可绕其中心旋转，在换热管内流体的冲击下挡板受到力的作用发生旋转，同时利用流体自身动力造成管内流速波动，使得管内螺旋线产生多维运动，均匀敲击刮擦管壁，实现在线除垢。其结构原理图如图7所示。

图7　螺旋往复机结构原理图

缺点是挡板的阻力较大，机构的安装位置、密封等问题均要周密考虑，而且只能适用于一些对阻力要求不高的系统，局限性较大。

2　结论

随着经济的飞速发展，资源短缺现象日益严重，加之国际气候的变化，国家对节能环保的重视程度已提上日程，采用节能环境友好型的除垢技术对换热设备进行清洗，是技术发展的必然趋势。除垢技术研究方向基本上朝着自动化、智能化、简单化发展，不需要额外增添设备，不添加化学药剂，在线连续自动清洗除垢技术将具有较好的发展前景。

［1］ 俞天兰，蒋少青，刘桂英，等.我国冷冻水冷器设备污垢影响的能量损失研究［J］.低温工程，2002（3）：34-36.

［2］ 俞秀民，俞天兰，叶施仁.化工装备技术，1997，18（5）：4-8.

［3］ 俞秀民，刘桂英，俞天兰.工程设计学报，2006，13（2）：95-98.

［4］ Estienne Partrick，SansonMichel.［P］：US，4583585.1986-04-22.

［5］ 杨善让，翟国冬，李学武.［P］：CN，87108259.4.1989-07-12.

［6］ 窦梅，南碎飞，段培清.高校化学工程学报，2010，24（5）：893-896.

［7］ 史冰乐.内置振动往复螺旋换热器的流体流动及传热性能研究［D］.湘潭大学，2013.

Comparison of Heat Hransfer Technology of several kinds of Heat Hransfer Hubes with Spiral Wire

Zhang Zhi-kun，Wang Song-zhu

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heat transfer tube；helix technique；descaling

TK124

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1003-6490（2016）06-0063-02