CN111536825A - 一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术 - Google Patents

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Abstract

一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，有塑料双螺旋纽带、斜端面轴承、钩头轴组成自动清洗机构。塑料双螺旋纽带由塑料双螺旋和塑料纽带两部分构成。塑料双螺旋是直接实施自动清洗功能的最重要部件，也是提供部分自动清洗动力的部件，还是边界层直接扰动的对流传热强化部件。制造双螺旋纽带的塑料，须选用硬度显著大于被清洗的硬垢、密度又尽可能大的材料作为塑料的填充剂，使其自重压力达到硬垢自动清洗强度需要的值。斜端面轴承的斜高差，控制自转速度在每分钟100转左右。该技术制造安装与维护都简便，成本低廉，适用于有硬垢的卧式列管换热器的自动清洗和对流传热强化。

Description

一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术
技术领域
本发明涉及的是换热管内一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，主要适用于有硬垢的卧式列管换热器(如钙镁硬垢水冷器、冷凝器、变温结晶工艺换热器等)的自动清洗和对流传热强化。例如，石化行业和有机合成工业蒸馏塔(精馏塔)的各种产品卧式冷凝器，浓缩结晶和变温结晶工艺的卧式列管换热器，特别是冷却水硬度较高，但是对高洁净度要求较高的汽机真空冷凝器的节能增效。
背景技术
中国专利ZL95110822.8(自转塑料纽带高效传热设备)，螺旋带装置在300MW机组凝汽器中的研究与应用(沈阳工程学院学报(自然科学版),2015,11(3):236-240)等，报道了塑料螺旋纽带在卧式水冷设备自动清洗软水垢方面应用的成功。但是，发现塑料螺旋纽带对于温度较高的水冷器内形成的钙镁类硬垢和浓缩结晶或蒸发结晶的盐类硬垢清洗，基本上无效。例如，辽宁和黑龙江的某某大电厂，200MW机组凝汽器曾经技改安装使用过这类塑料螺旋纽带，花费巨资试验，在投入运行后不到一个月的初期有些效果，可以提高真空度1％多，但是一个多月后，真空度就逐渐下降，以至于不仅没有提高，反而比安装塑料螺旋纽带前还低1％以上，无奈全部拆除。原因就是塑料螺旋纽带能够比较好地自动清洗表层的软污垢，却不能清洗紧贴管内壁面白色的钙镁类硬垢。
发明内容
本发明主要针对现有技术的塑料螺旋纽带不能自动清洗硬垢问题，提出一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，选用密度大、硬度高的塑料填充剂，使自动清洗的塑料双螺旋纽带增大自重，获得换热管内硬垢清洗所必需的压力，成倍提高硬垢的自动清洗能力，又成倍延长塑料双螺旋纽带清洗磨耗的使用寿命。这种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，成本低廉，结构简单，显著提升塑料螺旋纽带自动清洗的工程价值，拓宽了塑料螺旋纽带自动清洗的应用领域。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，适用于卧式列管换热器的硬垢自动清洗和对流传热强化。这种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，有塑料双螺旋纽带、斜端面轴承、钩头轴组成自动清洗机构。塑料双螺旋纽带通过钩头轴，挂到斜端面轴承上，斜端面轴承安装固定在换热管入口端的管口。
塑料双螺旋纽带的结构由塑料双螺旋和塑料纽带两部分构成。
塑料双螺旋是直接实施自动清洗功能的最重要部件，也是提供部分自动清洗动力的部件，还是边界层直接扰动的对流传热强化部件。塑料双螺旋采用耐腐蚀耐温度耐磨损的工程塑料制造，并且选用硬度显著大于被清洗的硬垢、密度又尽可能大的材料作为塑料的填充剂，高硬度要求是为了硬垢清洗能力的必要条件，也是延长清洗磨耗使用寿命的要求；大密度要求是有效清洗硬垢的自重压力需要。对塑料双螺旋纽带的自重压力设计值选取，随双螺旋直径d和对换热管内硬垢的自动清洗强度要求高低是一致性关系。例如，钙镁类水垢取0.12～0.18(N/m),循环蒸发浓缩结晶盐垢取0.16～ 0.32(N/m)，冷却或加热结晶盐垢取0.30～0.48(N/m)。塑料双螺旋的横截面园直径 d1.5～4.0mm，取值与换热管(或输送管道)的内径大小和流速均为一致性关系；塑料双螺旋横截面的最大宽度B比换热管(或输送管道)内径Di小1.0～4mm，取值与换热管 (或输送管道)的内径大小和长度均为一致性关系，但是与自动清洗要求的强度高低为反向关系。塑料双螺旋的螺距P为换热管(或输送管道)内径Di的2～6倍，换热管(或输送管道)内径愈大取值愈小，流速愈大取值愈小；或者按塑料双螺旋的螺旋角设计，对于自转动力矩比较弱，不太充裕者，主要考虑动力矩的最大化，双螺旋的螺旋角按 40°～45°设计，以防止卡停，保障自转清洗可靠性；对于自转动力矩过大者，双螺旋的螺旋角按50°～60°设计，避免高速自转的磨耗过快，也有利于降低流通阻力。
塑料纽带的功能之一是使塑料双螺旋维系空间结构的刚度支撑构件，功能之二对液流导流，获得自动清洗的动力。塑料纽带的厚度b在0.6～2.0mm范围选取，设计原则是在满足双螺旋维系刚度支撑前提下尽量薄，又要考虑硬垢清洗效率必需的自重压力需要。在较高流速时，可以选用塑料纽带的另一种结构方案，是沿塑纽带的中心线开设均布排列的减阻孔。减阻孔的直径和间距大小取值，仍然是以满足双螺旋维系刚度支撑要求和硬垢清洗效率必需的自重压力为前提提下尽量较大。这不仅有利于降低流通阻力，也有利于对流传热强化和减缓自转速度，延长磨损寿命。
如图4所示塑料双螺旋纽带自重压力对清洗效果影响的总传热系数试验曲线图，试验曲线图的试验条件是，换热管内流动氯化铵的热饱和溶液，换热管外逆流通过低温冷却水，冷却套管换热器的换热管尺寸φ38mm×2mm×2000mm，试验流速1.3m/s，冷却温差7℃。这种试验条件下，换热管内的结晶盐垢生长速度是130分钟后的平均厚度为1.9mm。显然，塑料双螺旋纽带对结晶盐类硬垢的自动清洗效率，随着自重压力的增大而提高，残留硬垢厚度减少的同时，盐垢热阻随之降低，使换热器的总传热系数大幅度提升。设计参考该冷却结晶工艺条件试验曲线时，要注意到自重压力会随着塑料双螺旋的自动清洗逐渐磨耗而减少。因此，盐垢结晶速度类似试验条件的换热管，自重压力的起始值选择须有磨耗余量。塑料双螺旋纽带的自重压力设计，按换热管的自动清洗强度要求高低分别取值，钙镁类水垢取0.12～0.16(N/m),循环蒸发浓缩结晶盐垢取0.16～0.26(N/m)，冷却或加热结晶盐垢取0.26～0.38(N/m)。
斜端面轴承的端面斜高差δ的作用，一是自转减速，控制自转速度在每分钟100 转左右为其基本原则，既保证自转的可靠性，又能成倍地提高斜端面磨损寿命；二是获得一定的轴向往复运动行程，提高自动清洗能力和自动清洗的均匀性；三是增强自转动力矩，防止自转卡咬，提高稳定自转的可靠性；四是增大对流传热的强化作用。端面斜高差δ的取值范围为0～16mm，按正比于自转动力矩大小选取，简便化设计按正比于(ρDi3U2)取值，其中ρ表示液体密度，Di表示换热管内径，U表示管内液体的截面平均流速。斜端面轴承的磨损裕量高度H1按维修更新周期的需要设计。斜端面轴承的入流窗的面积要求不小于换热管内的流通面积。斜端面轴承安装用的插管固定段长度H3在20～40mm范围内，按换热管内径Di的1.0～1.25倍计算，设计原则是换热管内径Di愈大，系数选取愈小。斜端面轴承选用耐腐蚀、耐磨损、耐温度的塑料制造。
钩头轴采用不锈钢钢丝制造。钢丝直径1.5～3.0mm，钢丝直径大小设计按与(ρDi2U2)正比关系选取。
换热器生产运行时，这种塑料双螺旋纽带自动清洗机构，在换热管内液流对塑料双螺旋和塑料纽带的冲动下自转，在塑料双螺旋纽带自重压力下，塑料双螺旋有效地刮洗换热管内壁的硬垢，实现连续地自动清洗。同时，由于塑料双螺旋纽带的导流作用下，换热管内液流呈螺旋线流动速度加大，又由于塑料双螺旋纽带的截面占比而流速增大，再加上塑料双螺旋对边界层区的机械扰动，都使对流传热过程得以较好地强化。
附图说明
图1是本发明的一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术方案图。
图2是塑料双螺旋纽带的横截面放大图。
图3是一种有减阻孔的塑料双螺旋纽带结构方案图。
图4是塑料双螺旋纽带自重压力对清洗效果影响的总传热系数试验曲线图
其中：A无螺旋纽带B型双螺旋纽带零重压C型双螺旋纽带重压0.1N/m D型双螺旋纽带重压0.14N/m E型双螺旋纽带重压0.21N/m F型双螺旋纽带重压0.28N/m G型双螺旋纽带重压0.32N/m
具体实施方式
下面结合附图1、附图 2、附图 3、附图 4，对本发明作进一步详细描述。
图中的1.斜端面轴承 2.入流窗 3.钩头轴 4.塑料双螺旋 5.塑料纽带 6. 换热管 7.塑料双螺旋纽带 8管板 9减阻孔 10斜高差 11斜端面磨损裕量 12 插管固定段
一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，适用于卧式列管换热器内硬垢的自动清洗和对流传热强化。这种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，有塑料双螺旋纽带7、斜端面轴承1、钩头轴3组成自动清洗机构。塑料双螺旋纽带7、钩头轴3和斜端面轴承1组装在一起，斜端面轴承1安装固定在换热管6入口端的管口。
塑料双螺旋纽带7的结构由塑料双螺旋4和塑料纽带5两部分构成。
塑料双螺旋4是直接实施自动清洗功能的最重要部件，也是提供部分自动清洗动力的部件，还是边界层直接扰动的对流传热强化部件。塑料双螺旋4采用耐腐蚀耐温度耐磨损的工程塑料制造，并且选用硬度显著大于被清洗的硬垢、密度又尽可能大的材料作为塑料的填充剂，高硬度要求是为了硬垢清洗能力的必要条件，也是延长清洗磨耗使用寿命的要求；大密度要求是有效清洗硬垢的自重压力需要。对塑料双螺旋纽带7的自重压力设计值选取，随塑料双螺旋4的直径d和对换热管6内硬垢的自动清洗强度要求高低是一致性关系。例如，钙镁类水垢取0.12～0.18(N/m)，循环蒸发浓缩结晶盐垢取0.16～0.32(N/m)，冷却或加热结晶盐垢取0.30～0.48(N/m)。塑料双螺旋4的横截面园直径d1.5～4.0mm，取值与换热管6(或输送管道)的内径大小和流速均为一致性关系；塑料双螺旋4的横截面最大宽度B比换热管6(或输送管道)内径 Di小1.0～4mm，取值与换热管6(或输送管道)的内径大小和长度均为一致性关系，但是与自动清洗要求的强度高低为反向关系。塑料双螺旋4的螺距P为换热管6(或输送管道)内径Di的2～6倍，换热管6(或输送管道)内径愈大取值愈小，流速愈大取值愈小；或者按塑料双螺旋4的螺旋角设计，对于自转动力矩比较弱，不太充裕者，主要考虑动力矩的最大化，塑料双螺旋4的螺旋角按40°～45°设计，以防止卡停，保障自转清洗可靠性；对于自转动力矩过大者，塑料双螺旋4的螺旋角按50°～60°设计，避免高速自转的磨耗过快，也有利于降低流通阻力。
塑料纽带5的功能之一是使塑料双螺旋4维系空间结构的刚度支撑构件，功能之二对液流导流，获得自动清洗的动力。塑料纽带5的厚度b在0.6～2.0mm范围选取，设计原则是在满足塑料双螺旋4维系刚度支撑前提下尽量薄，又要考虑硬垢清洗效率必需的自重压力需要。在较高流速时，可以选用塑料纽带5的另一种结构方案，是沿塑料纽带5的中心线开设均布排列的减阻孔9。减阻孔9的直径和间距大小取值，仍然是以满足塑料双螺旋4维系刚度支撑要求和硬垢清洗效率必需的自重压力为前提提下尽量较大。这不仅有利于降低流通阻力，也有利于对流传热强化和减缓自转速度，延长磨损寿命。
该曲线图的试验条件是，换热管内流动的氯化铵热饱和溶液，换热管6外逆流通过低温冷却水，冷却套管换热器的换热管6尺寸φ38mm×2mm×2000mm，试验流速 1.3m/s，冷却温差7℃。这种试验条件下，换热管6内的结晶盐垢生长速度是130分钟后的平均厚度为1.9mm。显然，塑料双螺旋纽带7对结晶盐类硬垢的自动清洗效率，随着自重压力的增大而提高，残留硬垢厚度减少的同时，盐垢热阻随之降低，使换热器的总传热系数大幅度提升。设计参考该冷却结晶工艺条件试验曲线时，要注意到自重压力会随着塑料双螺旋4的自动清洗逐渐磨耗而减少。所以，盐垢结晶速度类似试验条件的换热管，自重压力的起始值选择须留有余地。塑料双螺旋纽带7的自重压力设计，按换热管6的自动清洗强度要求高低分别取值，钙镁类水垢取0.12～0.18(N/m), 循环蒸发浓缩结晶盐垢取0.16～0.32(N/m)，冷却或加热结晶盐垢取0.30～0.42(N/m)
斜端面轴承1的端面斜高差10的作用，一是自转减速，控制自转速度在每分钟 100转左右为基本原则，既保证自转的可靠性，又能成倍地提高斜端面轴承的磨损寿命；二是获得一定的轴向往复运动行程，提高自动清洗能力和自动清洗的均匀性；三是增强自转动力矩，防止自转卡咬，提高稳定自转的可靠性；四是增大对流传热的强化作用。端面斜高差10的取值范围为0～16mm，按正比于自转动力矩大小选取，简便化设计按正比于(ρDi3U2)取值，其中ρ表示液体密度，Di表示换热管6内径，U表示管内液体的截面平均流速。斜端面轴磨损裕量11高度H1按2～3年更换一次设计。斜端面轴承1的入流窗2的面积要求不小于换热管6内的流通面积。斜端面轴承1安装用的插管固定段12长度H3在20～40mm范围内，按换热管6内径Di的1.0～1.25倍计算，设计原则是换热管6内径Di愈大，系数选取愈小。斜端面轴承1选用耐腐蚀、耐磨损、耐温度的塑料制造。
钩头轴3采用不锈钢钢丝制造。钢丝直径1.5～3.0mm，钢丝直径大小设计按与(ρDi2U2)正比关系选取。
换热器生产运行时，这种塑料双螺旋纽带自动清洗机构，在换热管6内液流对塑料双螺旋4和塑料纽带5的冲动下自转，在塑料双螺旋纽带7的自重压力下，塑料双螺旋4有效地刮洗换热管6内壁的硬垢，实现连续地自动清洗。同时，由于塑料双螺旋纽带7的导流作用下，换热管6内液流呈螺旋线流动速度加大，又由于塑料双螺旋纽带7的截面占比而使流速增大，还加上塑料双螺旋4对边界层区的机械扰动，都使对流传热过程得以较好地强化。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，其特征是：自动清洗机构有塑料双螺旋纽带(7)、斜端面轴承(1)、钩头轴(3)组成；塑料双螺旋纽带(7)通过钩头轴(3)，挂到斜端面轴承(1)上，斜端面轴承(1)安装固定在换热管(6)入口端的管口；塑料双螺旋纽带(7)的结构，由塑料双螺旋(4)和塑料纽带(5)两部分构成；塑料双螺旋(4)是直接实施自动清洗功能的最重要部件，也是提供部分自动清洗动力的部件，还是边界层直接扰动的对流传热强化部件；塑料双螺旋(4)采用耐腐蚀耐温度耐磨损的工程塑料制造，并且选用硬度显著大于被清洗的硬垢、密度又尽可能大的材料作为塑料的填充剂，塑料双螺旋纽带(7)的自重压力设计值大小，与其自身直径d大小和对换热管(6)内硬垢自动清洗强度的要求高低均为一致性关系；塑料双螺旋(4)的横截面圆直径d1.5～4.0mm，取值与换热管(6)的内径Di大小和流速U均为一致性关系；塑料双螺旋(4)的横截面最大宽度B比换热管(6)内径Di小1.0～4mm，取值与换热管(6)的内径大小和长度均为一致性关系，但是与自动清洗要求的强度高低为反向关系；塑料双螺旋(4)的螺距P为换热管(6)内径Di的2～6倍，换热管(6)内径愈大取值愈小，流速愈大取值愈小；塑料纽带(5)的功能之一是使塑料双螺旋4维系空间结构的刚度支撑构件，功能之二是对液流导流，获得自动清洗的动力，塑料纽带5的厚度b在0.6～2.0mm范围选取，设计原则是在满足塑料双螺旋(4)维系刚度支撑前提下尽量薄，又要考虑硬垢清洗效率必需的自重压力需要；斜端面轴承(1)的端面斜高差(10)的作用，一是自转减速，控制自转速度在每分钟100转左右为基本原则，既保证自转的可靠性，又能成倍地提高斜端面轴承的磨损寿命；二是获得一定的轴向往复运动行程，提高自动清洗能力和自动清洗的均匀性；三是增强自转动力矩，防止自转卡咬，提高稳定自转的可靠性；四是增大对流传热的强化作用；端面斜高差(10)的取值范围为0mm～16mm，按正比于自转动力矩大小选取，或按正比于(ρDi3U2)取值，其中ρ表示液体密度，Di表示换热管6内径，U表示管内液体的截面平均流速；斜端面轴磨损裕量(11)高度H1按维修更新周期需要设计；斜端面轴承(1)的入流窗(2)的面积要求不小于换热管(6)内的流通面积；钩头轴(3)采用直径1.5～3.0mm不锈钢钢丝制造。
2.权利要求1的一种塑料双螺旋纽带自动清洗技术，其特征是：在较高流速时，塑料纽带(5)的中心线开设均布排列的减阻孔(9)；减阻孔(9)的直径和间距大小取值，是以满足塑料双螺旋(4)维系刚度支撑要求和硬垢清洗效率必需的自重压力为前提下尽量较大。
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