周 梅 蔡曉君 楊二帥 王麗萍

(北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院)

換熱器在線清洗實驗臺的構(gòu)建①

周 梅 蔡曉君 楊二帥 王麗萍

(北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院)

構(gòu)建了換熱器在線清洗實驗臺，進行了物流流動實驗，得到了污垢沉積狀態(tài)與換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并觀察得出流體流動速度與污垢沉積也有一定的關(guān)系。FLUENT流體力學(xué)分析軟件模擬結(jié)果再次證明這一推論。根據(jù)實驗分析和軟件模擬得知，通過改變物料在換熱器內(nèi)部的流動速率、改變換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)都可影響換熱器結(jié)垢的速率，建議可通過改變換熱器折流板結(jié)構(gòu)形式來減少污垢的沉積。

換熱器 流體 沉積速率 數(shù)值模擬

換熱器廣泛應(yīng)用于化工、煉油及動力等領(lǐng)域[1]。在換熱設(shè)備工作過程中，由于傳遞速率及換熱設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響，某些重組分、易沉積組分會在換熱設(shè)備壁面沉積形成污垢。結(jié)垢是一種極為普遍的現(xiàn)象，它廣泛存在于各種傳熱過程中[2]。結(jié)垢也常常引起換熱面局部腐蝕乃至穿孔，嚴(yán)重威脅安全運行，造成巨大的經(jīng)濟損失[3]。石化行業(yè)的換熱器大多處于大溫差、高溫高壓、介質(zhì)高粘度、多雜質(zhì)的惡劣工作環(huán)境中，因而結(jié)垢現(xiàn)象非常嚴(yán)重[4]。污垢對換熱器的正常工作造成極大危害，使換熱性能嚴(yán)重降低。污垢在設(shè)備表面積聚，造成壁面粗糙度增大，流通截面積減小，增大了流體流動阻力[5, 6]。污垢沉積層的加厚，引起局部換熱面過熱或超高溫，導(dǎo)致垢下材料腐蝕。結(jié)垢也會嚴(yán)重造成運行維護費用增加。

常見的列管式換熱器，主要清洗其管程或殼程[7]。而污垢清洗過程是不可見的，為了能直觀地觀察換熱器內(nèi)部流體流動狀況，得到流體流動速度、流動方向和換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對污垢沉積速率的影響，筆者構(gòu)建了換熱器在線清洗實驗臺，通過換熱器在線清洗實驗臺流體流動實驗，來模擬污垢在換熱器內(nèi)部沉積狀況，并可觀察流體流動速度對污垢沉積的影響。

1 污垢沉積主要因素分析

污垢不是某種單一過程作用形成的，有多種因素影響污垢的形成速率，例如換熱設(shè)備內(nèi)部流速、換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)、換熱設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜程度及流體介質(zhì)性質(zhì)等[8]。綜合各類污垢形成過程，都需要經(jīng)過起始、輸運、附著、剝蝕和老化5個階段[9]。此外，流體流動速度對換熱設(shè)備結(jié)垢也有著重要影響，流體流動速度的改變引起流體對壁面剪切力大小的變化，并且影響污垢形成時的強度，進而影響剝蝕過程。在流速較低時，隨著流速的增大，流體對污垢層的剪切力也增大，從而加快了垢層的脫除，在此階段增加流體速度可以減少結(jié)垢速率[10]。在流速較高時，增加流體速度結(jié)垢速率反而增加，這是因為在結(jié)垢過程中粒子擴散阻力較大，而高流速引起的湍流促進了顆粒的輸送，使顆?？焖俚竭_(dá)壁面粘附而結(jié)垢。

2 清洗實驗臺的設(shè)計

為了模擬換熱器的實際工作狀況，觀測換熱器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)對流體速度的影響，筆者設(shè)計了換熱器在線清洗實驗臺，并制定了更為高效的清洗工藝[11]。該實驗臺主要針對化學(xué)清洗方法而構(gòu)建。實驗臺由換熱器、清洗劑儲槽、示蹤液儲槽、調(diào)速泵、流量計、閥門及加熱裝置等組成，換熱器在線清洗流程如圖1所示。換熱器清洗實驗臺要求水流速度為經(jīng)濟清洗流速(1.0～2.5m/s)。選擇三相無刷直流調(diào)速水泵，型號為DC50E-24150A，額定電壓12V，額定功率24W，這種水泵無需保養(yǎng)，體積小，效率高，功耗低，無碳刷，電子換向，壽命長。流量計選擇LWGY型渦輪流量計。連接管材采用三型聚丙類管，厚度2.5mm，連接管子直徑20mm。

圖1 換熱器在線清洗實驗臺示意圖

該裝置可以通過閥門切換實現(xiàn)流體流向的改變。細(xì)實線為正循環(huán)流程，此時開啟閥門1、2、3、4，流體通過泵進入換熱器殼程上口，下口流出后返回到油液儲槽，經(jīng)雙層隔板過濾后，重新進入循環(huán)。粗實線為反循環(huán)流程，此時開啟閥門1、2、5、6，流體通過泵進入換熱器殼程下口，上口流出后返回到油液儲槽，經(jīng)雙層隔板過濾后，重新進入循環(huán)[12]。

3 在線清洗實驗

為了更加清晰地觀察換熱器內(nèi)部流場，用與清洗劑密度、粘度等物性相當(dāng)?shù)耐该髟噭㎡P-10代替清洗劑，并在OP-10中加入示蹤液。為了模擬較真實的污垢狀況，選取密度略大于OP-10液體的聚乙烯顆粒，模擬顆粒沉積在換熱器壁面的狀態(tài)。實驗時，向換熱器內(nèi)置入等量顆粒，最終通過稱量儲槽里的顆粒質(zhì)量來反映流體流動速度、流體流動方向、換熱器結(jié)構(gòu)等因素對污垢生長速率的影響。

實驗過程為：首先將示蹤液放入示蹤液儲槽進行流場觀測，然后觀察在折流板處示蹤液的繞流狀況，繞流后的示蹤液迅速擴散至壁面處，說明折流板的存在會對污垢顆粒造成阻擋和碰撞，在一定運動方向上，可能會促進污垢的生長[13]。

為進一步觀測流體流動方向?qū)ξ酃干L速率的影響規(guī)律，分別對換熱器進行正向、反向和正反交替流動實驗，通過調(diào)速泵調(diào)節(jié)液體流速，觀察顆粒排出狀況，并作比較，結(jié)果見表1，可以得出，正反交替清洗方式在不同流速下可將出垢率提升3%～11%不等，并且流體流動速度越大，出垢率越高。

表1 不同流向和流速下的出垢率

實驗結(jié)果分析：正循環(huán)過程，在折流板的影響下，流體呈階梯狀流入，致使顆粒積聚在遠(yuǎn)離入口的折流板下側(cè)及出口附近的管板下側(cè)處；反循環(huán)過程，流體首先覆蓋整個換熱器底層，之后漫流至灌滿整個換熱器內(nèi)部，致使每個折流板中上側(cè)均有顆粒積聚。正循環(huán)可以使反循環(huán)積聚在折流板中上側(cè)的顆粒下行至出口流出，而反循環(huán)則可以將正循環(huán)積聚在出口附近的顆粒重新攪動起來，再次進入循環(huán)狀態(tài)。實驗結(jié)果說明，在經(jīng)濟流速范圍內(nèi)，正反交替循環(huán)時速度越大，出垢率越高。換熱器內(nèi)部流體流向的改變以及流速的變化也會影響污垢排出。

4 換熱器流場FLUENT數(shù)值模擬分析

采用簡化換熱器模型對已經(jīng)形成的污垢顆粒沉積特性進行模擬[14]。圖2為換熱器流場分布模擬?？梢钥闯鲈跉こ踢M出口處，重力作用下部分流體接近豎直地沖向換熱管，形成明顯的湍流狀態(tài)，流速也明顯增大，換熱效果最好；在折流板附近，流體形成繞流，整個殼程在多個折流板的作用下形成交錯繞流，湍流強度大幅增加；在兩折流板中間區(qū)域流體橫向沖刷換熱管，通常換熱管外徑小于折流板孔徑，因而橫向沖刷過程很容易在越過管孔間隙后形成卡門渦街[15]，很容易引發(fā)流體誘導(dǎo)振動。

圖2 換熱器速度矢量分布圖

從圖3可以看到折流板附近速度矢量的變化：折流板前方流體在殼程壁面處形成順流區(qū)，隨后在與折流板沖擊過程中獲得了更大的速度和勢能并迅速繞過了折流板缺口處，然后在慣性作用下繼續(xù)向上前方流動。下落流體在與壁面撞擊后，向與主流流向相反的后方反彈，在折流板后方形成渦流區(qū)，該區(qū)域流體相對停滯，換熱效果很差，通常稱之為傳熱死區(qū)[16]，也是最易結(jié)垢的區(qū)域。

圖3 折流板附近的速度矢量放大圖

5 結(jié)束語

通過換熱器在線清洗實驗臺的構(gòu)建，清晰地觀察到流體流動速度能夠影響污垢生長速率。隨著流體流動速度的增加，改變流體流動方向，提高了出垢總量。在實驗中能直接觀察到流體容易在折流板處形成零流速區(qū)或低流速區(qū)，這恰巧是污垢最易生長的理想?yún)^(qū)域。FLUENT軟件模擬結(jié)果再次證明該區(qū)域的存在。污垢沉積速率與流體流動速度、流體流動方向以及換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，本實驗方法與數(shù)值模擬結(jié)果可為換熱器折流板優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，也為換熱器在線清洗技術(shù)奠定良好基礎(chǔ)。

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BuildingExperimentalRigforOn-lineCleaningofHeatExchangers

ZHOU Mei, CAI Xiao-jun, YANG Er-shuai, WANG Li-ping

(CollegeofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology)

An experimental rig for on-line cleaning of the heat exchanger was constructed to get the relationship between the deposition state of the fouling and the internal structure of the heat exchanger, including the certain relationship between the fluid velocity and the fouling deposition. Simulation with FLUENT software proves this conclusion once again. Experimental analysis and software simulation show that, changing material’s flow rate within the heat exchanger and the internal structure there can affect the fouling rate of the heat exchanger. Altering the structure of heat exchanger’s baffles to reduce fouling deposition was proposed.

heat exchanger, fluid, deposition rate, numerical simulation

北京市自然科學(xué)基金項目(3132010)。

周梅(1993-)，碩士研究生，從事化工設(shè)備研究設(shè)計工作。

聯(lián)系人蔡曉君(1963-)，教授，從事化工設(shè)備研究設(shè)計工作，caixiaojun@bipt.edu.cn。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)05-0541-04

2016-11-25，

2016-12-23)