管壳式换热器壳程多相流清洗技术的实验研究

       作者：康铁鑫  周远洋

　　 本文是根据管壳式换热器壳程的实际情况，做了一定的简化，制作了管壳式换热器壳程的实验模型，用此模型建立了壳程多相流清洗循环系统。在此系统上进行管壳式换热器壳程多相流清洗实验研究。由于各种条件限制，仅对管壳式换热器壳程多相流清洗实验做了固液两相流清洗实验。
　　 一、管壳式换热器壳程两相流清洗实验装置
　　 管壳式换热器两相流清洗装置系统示意图如图1所示。该装置利用磁力驱动泵对液体作功，使液体高速流动，通过固体颗粒置入装置将固体颗粒加入到循环系统当中，固体颗粒在高速流动的液体带动下，将对管壁进行连续的刮碰、撞击以达到清洗的目的；通过前期数值模拟可以证明高速流动的液体足以可以带动固体颗粒实现清洗，但两相流时可能清洗不够均匀，可以通过本实验进一步得以验证。
　　 
　　1—管壳式换热器 2—控水阀 3—固液混合物 4—过滤网
　　5—水槽 6—固体颗粒置入装置 7—漏斗 8—磁力驱动泵
　　图1 管壳式换热器多相流清洗装置系统示意图
　　 磁力驱动泵的作用是对液体作功，增大清洗液体的压力能和速度能，使其满足污垢清洗的能量要求；固体颗粒置入装置的作用是将固体颗粒加入到循环系统当中；漏斗的作用是便于固体颗粒进入；过滤网的作用是将从管壳式换热器壳程中流出的固液混合物中的固体颗粒拦截、回收，防止其进入水槽内，进而进入磁力驱动泵而破坏磁力驱动泵（磁力驱动泵不可以输送带有颗粒的液体）；水槽的最主要功能是回收固液流体，并兼作磁力驱动泵的泵槽。
　　 根据所设计的实验方案，进行了具体的实验，其实验的实物图如图2所示。 
　　 二、多相流清洗技术的基本原理
　　 多相流是指两相或两相以上不相溶（或具有相界面）物质的混合体。
　　 当管间流速达到一定值时，水流将产生强烈的弥散涡流，对管壁具有较强的冲刷效应，将一定粒度范围的固体颗粒按适量的配比置入清洗水流后，固体颗粒借助水流的载带及涡流效应可与水充分地进行掺混，实现均匀流态化。显然，这种液固两相流由于固体颗粒可与水充分地进行掺混，其速度松弛的时间较长，因此，固体颗粒具有较高的动能。当这种液固两相流连续不断地循环流经管壳式换热器管间环隙时，均匀流态化的固体颗粒随机而频繁地碰撞、擦刮管子的表面污垢，对污垢施加强烈的冲刷、磨削和破碎等物理作用，从而达到除垢清洗的目的。
　　图2 管壳式换热器多相流清洗装置系统实物图
　　
　　 三、实验仪器和设备
　　 1.管壳式换热器
　　 根据管壳式换热器的实际样子进行了简化，主要针对壳程部分制作的模型。如图3所示。其几何参数为壳体长为500mm内径为190mm，19根管子，管径为20mm成正三角形排列，管间距为35mm，弓形折流板4块。为了便于观察管子外壁的清洗情况，其中的6根管子为可拆卸抽出，这6根管子的端部加有可拆密封堵头如图4所示。
　　
　　图3 管壳式换热器模型
　　 2.动力源
　　 循环速度直接影响到固体粒子的流化程度和防、除垢效果。循环速度加大，将使粒子获得的动能加大，粒子与壁面间的碰撞力增大，防、除垢效果增强，但随着循环速度的增大，粒子与液体间的摩擦损失加大、压降增加，能耗增大，所以要存在一个适宜的液体循环速度。
　　图4 管壳式换热器模型可拆卸管堵头
　　
　　 本实验的动力源是根据实验室现有设备，采用的是磁力驱动泵，如图5所示，磁力驱动泵的优点是密封较好，缺点是输送液体不可以带有固体颗粒。
　　磁力驱动泵 ：
　　 型号：50CQ—50型号
　　 流量：130公升/分
　　 扬程：50米
　　 入口直径：50毫米
　　 出口直径：25毫米
　　 流速计算：
　　 流量：Q=130公升/分=7.8立方米/小时=0.00217立方米/秒
　　 出口流速： 米/秒
　　
　　 图5 磁力驱动泵
　　 3.过滤网与水槽：
　　 由于本次实验采用的是磁力驱动泵，磁力驱动泵输送的液体不可参有固体颗粒，因而在水槽上方加了过滤网，用于过滤由管壳式换热器壳程出口出来的固液混合物中的固体颗粒，并可以回收。过滤网下的水就可以再次进入循环系统。如图6所示。
　　 4.固体颗粒置入装置
　　 本次实验的固体颗粒加入装置如图7所示，本装置是采用的两个球阀通过一段管连接，在上面的球阀上面再放一个漏斗，便于颗粒的加入。系统运行时把下面的球阀关闭，上面的球阀打开加入固体颗粒，当固体颗粒进入短管中后，关闭上面的球阀，然后打开下面的球阀让固体颗粒进入循环系统中，固体颗粒就会在液体的带动下进入管壳式换热器的壳程。
　　
　　图 6 过滤网与水槽
　　 
　　图7 固体颗粒置入装置
　　 四、清洗磨料的选择
　　 针对不同的物料特性，适当选择固体颗粒种类。不同的固体颗粒的物性不同，其对垢层的破坏作用也不同。因此，选择固体颗粒时，应综合考虑固体颗粒的种类、形状、密度等因素，颗粒既要有较高的机械强度和良好的韧性，在流动中不被撞坏，磨损量要足够小，以防流体流动不稳定和能耗过大，又要有良好的防、除垢性能。选择粒子时，同时要考虑颗粒在特定的工况下，是否能够且容易被流化，流化的程度如何，能否均匀分布；颗粒密度要适当，对管壁的碰撞力要足够大但对壁面的磨损量要小。
　　 固体颗粒的加入量要适当，以达到既能防、除垢又不使流动阻力剧增的效果。加入系统中颗粒较多时，颗粒与管壁接触机会增多，碰撞频繁，扰动边界层能力提高，使粘性底层减薄，但颗粒加入量过大，防、除垢效果的增加幅度不很明显，将引起流动阻力大为增加。
　　 在以往用于多相流清洗的固相多为河砂和刚玉，本项研究中采用了自制的发泡橡胶钢丝球如图8所示，其特点为质轻，能悬浮于水中，并且合金钢丝坚硬锐利，对金属的表面污垢能够很好的磨削。同时又使用了研磨球、金刚砂、浮石进行了实验。
　　 发泡橡胶钢丝球的直径为5mm，密度为1.8g /cm3；研磨球（如图9所示）的直径为5mm，密度为2.5g /mm3；浮石颗粒（如图11所示）的直径为5mm，密度为1g /cm3；金刚砂（如图10所示）的颗粒直径为1.5mm~ 2mm密度为2.9g /cm3。 
　　
　　图8 发泡橡胶钢丝球
　　 
　　
　　图9 研磨球
　　
　　图10 金刚砂
　　
　　图11 浮石
　　 五、实验步骤及问题
　　 固液两相流清洗实验的液相为水，固相选用了发泡橡胶钢丝球、研磨球、金刚砂、浮石四种材料颗粒进行了实验。
　　 实验步骤： 
　　 1.将水槽注满水，因为本实验的动力源采用的是磁力驱动泵，磁力驱动泵的特点为不可以空转，并且水槽内的水至少应为整个系统容量的2倍以上。
　　 2.检查整个系统是否已连接好，特别是固体颗粒置入装置的球阀是否关闭及可拆卸管的堵头是否密封好。
　　 3.启动磁力驱动泵，让系统进入工作状态，待系统运行正常后，可以开始加入固体颗粒。首先，把颗粒置入装置中下面的球阀关闭，防止水从颗粒置入装置中溢出，然后在漏斗中加入一定量的固体颗粒，打开上面的球阀，当固体颗粒进入短管中后，关闭上面的球阀，再打开下面的球阀让固体颗粒进入循环系统中，固体颗粒就会在液体的带动下进入管壳式换热器的壳程。这样连续重复操作进行加料。
　　 4.固体颗粒在管壳式换热器的壳程中随着液体高速流动，对壳程内的污垢不断的刮碰、撞击来进行清洗，然后又随液体从壳程出口流出，直接进入水槽，水槽内有过滤网可将固体颗粒拦截，防止固体颗粒进入水槽底部，进而进入磁力驱动泵使其损坏。这样就可以循环连续清洗。
　　 在本次实验过程中也遇到了一些问题，由于水槽容积小、无冷却装置，实验模型小而循环速度快等原因，造成清洗半小时后水温升高，清洗一小时后则需停止清洗进行降温，以防止水温过高而使磁力驱动泵失去作用（磁力驱动泵输送液体温度不宜过高）。待水温降下来后再继续进行清洗。另外，每次实验结束后都会有一小部分固体颗粒留在管壳式换热器的壳程中，可以在每次停机后，重新启动磁力驱动泵，启动时的高速水流及冲击力可将残留在壳程内的固体颗粒带出来。
　　 六、实验结果及分析
　　 管壳式换热器壳程的实验模型中的管子，在实验前已使其表面上有一层铁锈。如图12所示。
　　
　　图12 实验前的管子表面
　　 本次实验分别用发泡橡胶钢丝球、研磨球、金刚砂、浮石四种材料颗粒进行了实验，用四种固体颗粒进行清洗的最终效果不同，但清洗时间也不同，并且颗粒的磨损程度也不一样。
　　 用发泡橡胶钢丝球清洗了30多小时后，6号管子部分管段表面的铁锈已基本去除，如图13所示；1、2、3号管子部分管段清洗效果不十分明显，如图14所示；4、5号管子较1、2、3号管子效果好些，如图15所示。但6根管子同时伴有折流板背面的区域清洗效果并不明显，并且附有一层泥状的污垢物。发泡橡胶钢丝球中的部分钢丝会掉出来。
　　
　　图13 用发泡橡胶钢丝球清洗的6号管
　　 
　　图14 用发泡橡胶钢丝球清洗的1号管
　　
　　 图15 用发泡橡胶钢丝球清洗的4号管
　　 用研磨球清洗了2个多小时后，6号管子部分管段表面的铁锈已基本去除，如图16所示；1、2、3、4、5号管子部分管段清洗效果不十分明显。但6根管子同时伴有折流板背面的区域清洗效果并不明显，并且附有一层泥状的污垢物。研磨球无明显变化。
　　
　　 图16 用研磨球清洗的6号管
　　 用金刚砂清洗了10多小时后，6根管子清洗效果不十分明显。并且附有一层泥状的污垢物。但流出的水面上漂有一层粉末状物质，应为金刚砂脱落粉末。
　　 用浮石清洗了5个多小时后，6根管子清洗效果不十分明显。并且附有一层泥状的污垢物。但由于浮石质粹，部分浮石已碎。
　　 根据几种固体颗粒的清洗结果来看，管壳式换热器壳程用固液两相流清洗会产生清洗不均匀的效果，由于在折流板附近存在一个流速较低的区域，在此区域清洗情况会稍差。由于条件有限而没能进行三相流清洗实验，但根据两相流清洗实验的结果与前期数值模拟结果相似来看，采用三相流清洗效果应该会较两相流清洗好很多。
　　 为实现除垢功能，必须保证管间环隙的液体流速大于固体颗粒的沉降速度。试验表明，固体颗粒的沉降速度随其粒度的增大而增大，并且固体颗粒的选择也会对清洗的时间和效果有很大影响。除垢效率随液固两相流中固体颗粒浓度的增大而提高，但在进行清洗操作时固体颗粒浓度只能逐渐增大，以免因固体颗粒沉降积聚而在流道内出现堵塞的现象。
　　 七、总结
　　 管壳式换热器在石化行业中应用的比例非常大，而其在换热器的失效中占的比例也大。管壳式换热器的管程污垢清洗较为方便，但是壳程污垢清洗就较为困难。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，为企业带来极大的困扰。本文提出了一种管壳式换热器壳程多相流在线清洗技术，为企业管壳式换热器壳程污垢清洗难的问题，提供了新的思路和方法。
　　 1.本文的研究成果
　　 本文主要通过实验研究的方法对该项技术的可行性及实用性进行了实验研究，主要有以下成果：
　　 1.1本文首次提出了在管壳式换热器壳程中利用多相流方法对壳程污垢进行在线清洗，并对该项技术进行了研究论证。
　　 1.2在进行管壳式换热器壳程的多相流在线清洗技术实验前，用FLUENT软件对流体在管壳式换热器壳程的情况进行了模拟，证明用泵对液体作功，流体流速足以带动固相颗粒实现清洗。两相流时由于在折流板附近存在一个流速较低的区域，在此区域清洗情况会稍差，这样可能造成清洗不均匀，用三相流可解决折流板背面则形成回流滞流区问题，还可使整体流速提高，缩短清洗时间。
　　 1.3实验时采用了多种不同的固体颗粒，并且同以往的多相流清洗时所用的河砂和刚玉材料不同的是，本次实验用了自制的发泡橡胶钢丝球、研磨球、浮石和金刚砂四种材料。并且得出了各种材料清洗的优缺点。
　　 1.4制作了管壳式换热器壳程两相流清洗实验系统，在此基础上对管壳式换热器壳程污垢用固液两相流清洗进行了实验。实验结果表明管壳式换热器壳程用固液两相流清洗会产生清洗不均匀的效果，由于在折流板附近存在一个流速较低的区域，在此区域清洗情况会稍差。由于条件有限而没能进行三相流清洗实验，但根据两相流清洗实验的结果与数值模拟结果相似来看，采用三相流清洗效果应该会较两相流清洗好很多。
　　 2.后续研究方向
　　 由于时间和实验条件及经费有限，本文只对固液两相流在管壳式换热器壳程进行了简单清洗实验。这些都是对实际应用中的具体情况做了很多简化，与实际情况有很大差别。所以要想此技术在实际生产应用中发挥作用，还有很多后续问题需要解决。
　　 2.1要做管壳式换热器壳程三相流清洗实验，要了解三相流清洗时在折流板背面区域的清洗效果如何。合理设计三相流时喷气管上孔的排列，以及气体用量及动力源等。
　　 2.2要根据应用的管壳式换热器实际现场情况，设计出合理的在线清洗系统。并且固体颗粒置入系统必须改进为自动加料，例如用射流器等。

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2019-07-13