公司技术力量雄厚，由专业的研发队伍、施工团队和管理队伍组成，具有强大的新产品研发能力和生产能力，具有合格的施工及项目管理人员，拥有无轴螺旋生产线工厂。公司与相关高等院校和中国工程物理研究院等专业研发机构建立了长期的合作关系。公司现有节能环保专业技术研发人员11人，其中博士3人，硕士及本科生8人，占公司总人数的60％以上。长期从事环保节能相关产品的研究，公司的产品设有联合工程实验室、生产制造中心、工程管理中心、网络信息中心。

1、应用背景：

在化工、石油、火力发电等行业中，大量使用了各式各样的列管式换热器和冷凝器。这些换热器和冷凝器经过一定时间使用后，水侧管道的内壁上就会沉积污垢，换热效率大幅度下降，显著增加能量消耗，加大了污染排放、降低了经济效益。因此，新的换热器和冷凝器或者清洗洁净后的换热器和冷凝器使用时其换热效率是最好的，保持这种状态是使用单位所期望的。

对换热器和冷凝器除垢的主要方法分为离线和在线两种：

离线清洗除垢：机组停机后，采用高压水流射入换热器和冷凝器管道内进行清洗，除垢率可达到90%以上，但会因停机造成损失，且基本上是每年至少清洗一次才能保证设备有效运行。

在线除垢：在设备不停机状态，用化学清洗和胶球清洗。化学清洗的效果好，但对有些换热管会造成腐蚀、降低换热器和冷凝器使用寿命，而且运行成本高。胶球清洗则是在冷却水循环管路投放表面粗糙的胶球，利用胶球与管壁间的摩擦清洗管道。实际中存在以下问题：除垢效率是随机的，水垢难以除尽，换热效率不能达到初始状态（最佳状态）；易出现“死球”现象，堵塞管路，影响换热器和冷凝器有效换热；胶球易磨损，回收率低，需一定人工、材料、电耗等运行成本和检修成本。

2、装置原理：

本项目研制的无轴螺旋在线清洁装置（SES技术），安装在列管式换热器和冷凝器换热管的入口端，利用冷却液（水）的流速，使无轴螺旋带在管腔内自行旋转。当流速≥0.7m/s时，换热效率开始提高：管道内形成的螺旋水流，破坏了在管壁处形成的热阻，同时，紊流阻止污垢沉积，破坏了结垢的形成机理，从而提高了换热效率（见检测报告）、保持了管道内壁的清洁，不需要对该装置及换热管道进行维护。当流速达到1.2～1.5m/s时，换热效率趋于稳定，此时的无轴螺旋带的转速为：500～600rpm，即为最佳换热状态。因本装置在洁净管道状态能够有效提高换热效率，所以，能为化工、石油、火力发电等行业有效降低能耗。

3、所解决的问题：

（1）耐久性问题：如何解决长期在高温液体中使用不出现问题；

（2）换热效率最优问题：在不同的流速条件下，获得最优的换热效率；

（3）降低摩擦问题：减小摩擦系数，延长使用寿命。

4、解决思路：

（1) 无轴螺旋带采用高分子复合材料，具有良好的抗蠕变性和韧性，使用环境温度≯200℃，材料密度≈1.0，具有良好的耐弱酸弱碱性及耐磨性，热膨胀系数≤0.1%，避免长期在高温换热液使用中产生接口开裂、螺旋带脆断及脱落等问题。

(2)对应不同的流速（水的流速≮0.7m/s），为保持螺旋带的转速稳定在500～600rpm范围内，对无轴螺旋带的螺距、带宽进行仿真及优化设计，生产出不同螺距、带宽的无轴螺旋清洁装置。

（3）减小摩擦系数也是本项目中一个关键问题之一。本项目无轴螺旋带的支撑没有采用常规轴承，而是采用了HY851减磨材料（摩擦系数0.008）作为支撑套，避免了使用时因细小颗粒造成的卡涩，同时，在无轴螺旋带连接的空心轴端面，使用了涡轮叶片结构，在使用中，能够在支撑套上表面形成一层水膜，在减小了摩擦系数的同时还降低了磨损、避免了卡涩，提高了可靠性，延长了使用寿命。

5、技术参数：

使用环境：弱酸弱碱液体中；环境温度：≯200℃；管道清洁长度：≯25米；转动速度：500～600rpm；使用寿命：＞3年免维护；提高换热效率（在洁净换热管道状态）：≮12%；节约标煤（火电厂）：2.5～8.5g/kW.h；旋转面摩擦系数：≤0.008；热膨胀率：≤0.1%。

6、研发的总体技术方案：

近年来，随着技术的发展，一种在列式换热管内加装螺旋带，通过循环水的流动带动螺旋带旋转除垢、强化热交换，有效减小传热端差的新技术已逐渐在部分化工厂和火力发电厂开始使用。其工作原理是根据传热效率方程式Q=KA△t_m，换热器传热的强化可以通过增大热平均温差△t_m、传热面积A和总传热系数K来实现。而运行的机组中，温差△t_m和传热面积A是定值，提高传热系数K则能有效提高传热效率，K与凝汽器管内外侧对流系数有关，积垢则会显著降低K的大小。在凝汽器管道内插入螺旋带会增大传热系数K。基于此，本项目就是通过现有螺旋带换热装置进行改进、优化，以实现传热系数K的增大，达到较好的热交换效果。特别是换热器管道内随着结垢的增厚，换热效率会快速下降，直接导致了能耗的增加。

1、换热管 2、无轴螺旋带 3、空心轴 4、支撑座 5、支撑套 6、端盖

图1 无轴螺旋在线清洁装置（SES技术）

7、技术路线：

凝汽器结垢的原因是换热水质较硬，且在换热过程中，换热液与内管壁在循环过程中以层流状态在流。如下图：

图2 管道内结垢的形成阶段

图3 破坏结垢的关键点

如果能设计出有一种装置，能够将不同速度的层流，打破为难以结垢的紊流，同时又尽可能减少对装置自由旋转和耐久性的影响，那就能一直抑制结垢的生长，提高热交换效率、延长凝汽器的使用寿命。因此，要达到上述目的，必须要解决以下两个问题：一是螺旋带的优化设计；二是可靠性保障。

（1）螺旋带的优化设计

由于螺旋带材料选用密度接近于水的高分子复合材料，将螺旋带置于换热管中，螺旋带将处于自由状态。根据计算，当换热管内流体的流速＞0.6 m/s时，螺旋带能够实现自转。通常换热管内流速的速度均≥1.2 m/s，具备推动螺旋带旋转的动力。由于流体阻力与流速的平方成正比，可能导致螺旋带流体阻力大幅增加。因此，最优的螺距设计，能够有效降低高流速流体下自转式螺旋带的流体阻力，还能够保持合理旋转（500～600rpm），提高传热功效，保持抑制结垢的性能，是设计优化的主要目标，计算机仿真是设计优化的有效手段。相关影响因素分析如下：

螺旋带宽度。本项目使用时，若对流体阻力增加，直接影响对流传热系数。若螺旋带过宽，增加了流体阻力，并且会加重与换热管壁的摩擦，严重影响螺旋带的使用寿命，还会对换热管产生过度磨损（铜质换热管），甚至产生泄漏。保持合理的带宽，减少磨损，减少流体阻力，保持流体的螺旋流动状态，就能够稳定地抑制结垢。合理的螺旋带宽度是优化设计的关键，且应该与螺旋带螺距的大小进行综合分析和设计。

螺旋带螺距化。流体旋转流动螺旋流线的螺距，对流体阻力影响最明显。流体螺旋流线螺距越小，流体阻力越大。螺旋带宽度的直径范围内和管子与螺旋带的环形间隙这两个区域中的流体流线是各不相同的，持续保持管壁的紊流状态，并尽可能降低螺旋带阻力，是螺旋带优化设计的关键。

对流体的流动分析可知，在自转螺旋带作用下，流体旋转流动的螺旋流线的螺距H′越小，流体阻力越大。按照运动学原理，考虑到螺旋带自转方向与流体旋转流动的方向相反这一因素，流体的角速度ω′等于流体相对于螺旋带的运动速度与旋转螺旋带的牵连速度之矢量和,表达成角速度形式为：

ω^′=ω₁+ω₂

其中，ω₁=2πu/H；u为流体流速， H为螺旋带的螺距；

ω₂为螺旋带的自转角速度

这样，螺旋带宽度范围内流体旋转运动螺距：

H′=2πu/ω^′=2πu H(2πu- Hω₂)

其中， R为管半径，B为螺旋带宽度。

若将间隙流场速度按线性分布处理，则管子与纽带环形间隙区的旋转流动的平均螺距H^′′=2πu/ω^′′=2 H′。

螺旋的在管中受到流体作用的动力矩M，经对管内两个区域中流体动量矩增量进行推算得：
P为螺旋带宽度与管径之比。

由此可知，欲获得较大的清洗力矩，则螺旋带不宜过窄，螺距不宜太大；欲使螺旋带可靠稳定自转，流体速度必须达到一定的流速要求。

螺旋带螺距的优化。螺旋带螺距对其转速有重要的影响。螺旋带螺距越小，流体相对于螺旋带的切向速度越大，传递给螺旋带的动量矩越大，由上述公式可知，H越小，即使流体螺距H′减小，通过增大螺旋带的转速来增大H^′′，螺旋带对流体的阻力影响不大，当将导致螺旋带转速显著提高，综合考虑小螺距螺旋带转速较高、对其使用寿命及传热不利，在保证螺旋带旋转的前提下，宜选择较大螺距的螺旋带设计参数。

螺旋带开孔。当管内流速太大时，螺旋带受到较强的液体驱动力而高速旋转，使螺旋带受到很大的轴向拉力，将加快端面的磨损、加大螺旋带与管壁之间的摩擦力、加快螺旋带的磨损等。因此，在螺旋带开孔，以降低螺旋带的自转角速度ω2，进一步引起流体流动螺距减小，引起流体阻力的增加，因此，开孔是对这两方面影响的优化和平衡。主要有两种方式：

一是中心开孔方式：一方面将使部分流体直接穿过孔向前流动，使流线的曲率减小和流体流动的路程缩短，直接减小流体阻力；另一方面开孔减小了流体对自转式螺旋带的冲击面积，从而减小了流体对螺旋带的动量矩，使得螺旋带转速ω₂下降。根据相关研究表明，实验中也得到证实，中心开孔对螺旋带的转速影响较小，对散热具有一定的强化作用。

二是错位对称开孔方式：由于在螺旋带宽度优化过程中，需要尽可能增大刮扫管壁几率的同时，尽可能减小带宽以降低螺旋带阻力，由于受螺旋带宽度限制以及强度要求，完全对称打孔又受到孔径限制，对局部的强度也受到影响，且效果并不明显。而采用错位对称打孔方式，即沿螺旋带中轴线交替对称打孔，既克服了孔径受限的不足，尽管存在局部的不平衡，但由此产生不平衡冲击，只要在螺旋带高分子材料的应力承受范围内，可减缓螺旋带旋转速度，散热、紊流及速度控制效果反而更佳。

（2）可靠性保障

从螺旋带外形结构和尺寸上实现抑制结垢生成，需要解决摩擦、耐久、水质等其他细节问题，以保证长期、稳定、可靠运行。

A、耐久性。

本项目产品壳体材料为304不锈钢材料；

无轴螺旋材料采用的高分子复合材料，密度与水接近，能较好地浮动在管的中心部位，在运行时可避免与金属的硬摩擦，保护金属表面的氧化膜，能够有效阻止水解，在高温下（＜120℃）不蠕变，长期使用不变形、不脆断，并具有很好的耐磨性，能够保证长期使用；拉伸强度>102MPa。远大于实际使用环境的极限值40MPa.

轴螺带的支撑轴套采用HY851高分子复合耐磨材料，具有很好的强度和硬度，摩擦系数很小（0.008），能够满足无轴螺旋在使用过程中的旋转支撑。

连接螺旋带的空心轴采用304不锈钢材料精冲而成，支撑端设计有涡轮叶片。该涡轮叶片在旋转式能够在支撑轴套与空心轴接触支撑面上产生一层水膜，能够有效降低摩擦系数，提高使用寿命。

B、使用无轴螺旋技术。

目前市场上已有的螺旋带普遍采用铆接形式与轴相连，存在局部应力集中现象，在长期高温旋转过程中出现开裂和螺旋带脱落的几率大增。本项目将螺旋带熔融于漏斗形空心连接轴中，能保证在长期高温和交变应力下不开裂、脆断，防止了由于螺旋带断裂而造成的水管堵塞现象的发生。

C、摩擦副的优化设计。

螺旋带在管道内随动旋转产生持续紊流。由于大型火力发电厂、石油化工、冶金矿山、盐业制冷等行业中冷凝系统的冷却液杂质很难去除，加之污垢会不断形成，螺旋带单一的固定联接方式将使连接处旋转摩擦副难以保证可靠性，有很大可能会出现杂质卡死摩擦副而降低旋转效果的现象。为尽可能减少螺旋带旋转内部的阻力，并防止循环液杂质对螺旋带自由旋转的影响，采用并联二级减磨设计。一是空心连接轴与支撑套之间采用间隙配合，支撑套采用HY851高分子复合耐磨材料，摩擦系数能达到0.008；二是空心轴端面支撑端设计有涡轮叶片。在使用时由于涡轮叶片的作用，使连接轴支撑端面与支撑轴套之间形成了一层水膜，从而大幅降低了连接轴与支撑套之间的端面摩擦。

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四川德拉普环保科技有限公司研究发明的应用于列管式换热器的无轴螺旋在线清洁装置（SES技术）。装置在换热管内不停地旋转，在线主动防垢，同时提高水侧管壁的传热系数12.8%以上，实现节能增效。本产品广泛应用于石油、化工、钢厂、垃圾及余热发电厂等行业。