立式换热器管外双向内循环三相流态化在线清洗研究

　　湘潭大学自然科学学报立式换热器管外双向内循环三相流态化在线清洗研究俞秀民\吴金香\支校衡2（1.湖南工业大学机械清洗研究所，湖南株州412008；2郴州职业技术学院，湖南郴州423000）的、内循环流动的三相流态化来实现的。建造了由40根f32 mm3mm2ro0mm传热管组成的大型的有机玻璃立式试验台，采用色水法对其不同深度的截面速度场进行试验观测。结果表明：一根布气管可以两侧各带动2排传热管区域的流态化清洗；清洗气体的消耗量设计算式为24.8（D2-Nd2）；清洗气体的压力为管外液体静压的1.10倍。该清洗技术不仅结构简单，设备费用几乎与传统设备一样，操作方便，清洗费用低廉，而且污垢清洗均匀性好，速度快，无污染。：换热器；管外清洗；内循环；流态化换热器的管内污垢有多种在线自动清洗技术可以选择，例如自转钢丝螺旋线、自转塑料扭带、自转螺旋齿管丨3、电厂冷凝器胶球丨41、自转塑料齿带丨5、循环流态化丨6等等，技术也比较成熟，并且工业应用的综合效益也比较大。但是，立式传热设备管外的污垢在线清洗技术的研究者甚少。对此作者查阅到的中早的是专利US4300625，属于稳定流态化床，显然的缺陷有：分布筛板的筛孔容易堵塞，无法修理与更换；下管板与分布板之间的管段污垢不能清洗，依然会逐步积累导致阻塞甚至堵塞；多管进水可以提高流态化的周向均匀性，却无法解决径向的均匀性，外层区域流速高，会跑失沙子，靠筛网回收沙子解决；内层流态化不充分、甚至个别区域不流态化，会引发早期阻塞的恶果。防止沙子泡失，增加了上网板，但是出口段无流态化清洗功能。的方案是周期性用压缩惰性气体，剧烈的稳定床鼓泡快速清洗，但是进口段没有流态化清洗。因此，至今尚未见有能够工业应用的立式换热器管外污垢在线机械清洗技术。由于管外污垢清除不及时，不仅运行效率低，而且垢下腐蚀导致换热器寿命大大缩短。

　　基金项目：国家九五重点推广计划资助项目（96050403A）；湖南省教育厅资助项目（03C596）为此，本文专题研究换热器管外双向内循环三相流态化在线清洗技术。

　　1管外双向内循环三相流态化在线清洗技术方案如所示。在换热器管外流体内添加一定数量的可以在设备壳体内循环流动的沙子。在壳体底部通入一定压力和流量的惰性气体，经过布气管系统喷入管外，大量的气泡不断浮升，使通气区域的两相混合物密度比尚未通气的邻近区域的液体密度小得多。因此，通气区域的气水混合物向上快速流动，其速度显著地大于清洗沙子的自由沉降速度，随之一起向上流动，形成气液固三相混合物的流态化向上剧烈运动，对管外壁的污垢产生强烈的冲刷和频繁的撞击，达到快速清洗污垢的目的。三相混合物流动至设备顶部后，气体逸出液面，由排气口排放出去。尚未通气的邻近区域的流体快速下流，形成管外的内循环流动。顶部分离出来液固两相混合物也随之回流到设备底部，继续参与循环清洗。经过一定时间的清洗后，改换为第二布气管系统喷气，形成与前恰好相反的内循环流态化流动清洗，达到均匀、干净、快速清洗的目的。

　　2双向内循环三相流态化清洗动力学试验由于气泡的聚合、破碎、液面的逸出分离、气泡体积大小在向上流动过程中随压力变化的改变等原因，三相流态化流动是非稳态过程，管外结构是一个相互连通、十分复杂的流道，因此内循环的速度场无法理论计算。但是工程设计必须保证通气区域向上流动的速度大于沙子沉降速度的条件，因此设计了所示的模拟试验研究。试验设备由40根f32mm3mm2200mm管，管间距为40mm等边三角形排列，每排10根管。为了便于直接观察三相流态化的循环流动状况并且测量流动速度，试验时，设备底部通入的惰性气体由萝茨鼓风机供给，气量大小通过阀门调节，流量计测量。由差压计测量清洗气体的压力。管外流动速度场用色水法显示和测量。考虑布气管两侧的管子排列的对称性，只测出布气管一侧三相混合物流动的速度场。清洗气体在液面下2m进入，因为汽泡的体积在向上浮升运动中逐渐变大，故对布气管口上方高度为300mm和1080mm的两个截面分别测量速度场，以便研究不同深度（确切说是静压）对流态化混合物运动速度场的影响。

　　3内循环流态化清洗的速度场试验在试验过程中可以直接观察到内循环流态化清洗运动十分剧烈，清洗沙子实现预想的内循环流动，能够并且快速、均匀、干净、高效地清洗管外的人工模拟垢。和为不同深度处截面循环流动的垂直方向分速度场曲线。由图可以看出：通入一定压力和流量的气体可以使管外的流体向上的流速达到0.4m/s以上，大于清洗沙子的沉降速度0.243m/s，因此三相流态化能够带动清洗沙子实现清洗；在保证能进行清洗的条件下，同一截面上不同的位置的流速相差较大，大约在0. 3~0.6m/s变化。这样容易造成流态化清洗不均匀。通过两个独立布气管系统的轮换喷气形成双向循环流动的流态化，不仅流动方向相反，而且流速分布也恰好相反：原先向上流动区的变为向下流动区，原先较低流速区变为较高流速区，达到污垢清洗均匀、快速、彻底、高效的目的。

　　布气管上方300mm截面侧邻区域管外流速曲线布气管上方1 080mm截面侧邻区域管外流速曲线C.小的送气压力近似为送气口处纯液体的静液压。例如，送气口为液下2000mm处时，小的送气压力为19459Pa当送气压力更低时，则气体流量太少，达不到三相流态化速度要求。考虑大的压力是在管外全部为液体的刚开始送气时，因此清洗气体的供气压力就是稍大于管外液体的静压，加上15的裕量克服流动阻力。

　　对比与的曲线可知，同一位置不同深度截面的气液混合物流速变化影响不大，因此可以忽略壳体深度对流态化速度的影响。

　　要确保清洗沙子可靠的流态化，就必须有足够的气量来保证流态化混合物向上流动的速度。一根布气管子送气时，在垂直方向的左右两侧邻近的各2排列管范围内的混合物上升流动速度都显著超过沙子沉降速度0.24Ws，能够确保该范围可靠的三相流态化向上流动清洗。因此，结构设计可以是每4排管中间安排1根布气管，并且两个喷气管系统相互间隔排列。

　　清洗气量大小与每次清洗的换热器管间截面面积S大小正比。管外单位截面积清洗气体的消耗量通过试验测得为每平方米60. 6m3/h.由此数据可知，每小时的气体消耗量是很少的。壳体内径为Dm、传热管根数为N、传热管外径为dm，则清洗气体消耗量的工程设计计算式为对于大型设备则可采用多区域分组通气清洗，以免采用大气源，减少了噪音的污染。例如，直径/1600mm有560根直径/38mm传热管的大型设备，管外清洗时只需要94.5m3/h的气量。为了清洗的均匀性，也为了减低气源的容量-供气能力，可以采用4组布气管，区域间隔送气的办法。

　　4清洗沙子的浓度粒度流态化的前提是沙子的自由沉降速度必须小于气液混合物上升流动速度。因此，必须依据试验的速度曲线确定合理的沉降速度。若沙子的沉降速度选择得太大，则每根送气管能够带动邻近区域流态化的范围就小，清洗需要的耗气量就大，由于结构设计中布气管是布置在管间，而两管间的距离在常规设计时为0.25D，因此一般需要的送气管数也多，制造费用也高。并且，过大的沙子无法通过传热管间区域，导致清洗失败。若沙子的沉降速度选择得太小，则沙子太细，清洗的速度太慢，也不经济。因此，综合分析比较，选择8~10目的沙子，其自由沉降速度约0.24m/s.沙子的浓度也是影响三相流态化清洗效果的一个重要因素。如果浓度太低，清洗速度太慢；如果浓度太高，不仅清洗气体的压力要求高，就需要采用压缩机供气，成本上升不经济，并且有可能发生沙子在管间的局部阻塞淤积，导致清洗失败。根据试验测量可知沙子总体积应占管间体积的2 ~5为宜。

　　5清洗气体的排放口排气口是为了将液面上的清洗惰性气体及时排出，使液面上的气压接近大气压，以便清洗惰性气体的压力保持低值M但是若排气口口设计太大对壳体的结构强度影响太大也经济d若排气口面积太i.net小，还会引起外排气体夹带液体。因此排气口面积的小值是由排气口的大允许速度决定的。通过试验得到的结果，排气口的大速度容许值为29.5Ws.此外，应该注意排气口位置的排布。首先应尽量靠近设备的上部，其次应根据设备的大小选择合适的排气口个数，还须注意周围环境。

　　6清洗费用低廉内循环三相流态化清洗中型设备，一般只需两个小时左右，仅需一个操作人员。清洗气体压强低，绝大多数比较高的立式换热器的管板间高度只有6000mm，6600Pa的气压就足够，可以不要压缩机，而由萝茨鼓风机供气。以直径1 000mm的大型设备为例，按每平方米的管间面积清洗需要60.6m3/h的气量计算，清洗2h，萝茨鼓风机的电费10多元，加上人员工时费不足100元。因此，清洗费用十分低廉。

　　7双向内循环流态化清洗技术小结两个独立的喷气系统轮换喷气清洗，形成正反方向交替、内循环流动的三相流态化，清洗效果彻底、均匀、快速；管外流态化速度场的测试结果是布气管结构设计的依据，一根布气管可以带动每侧的2排传热管区域的流态化清洗；d该清洗方法结构简单，操作方便，清洗费用十分低廉。