摘 要：以二甲基甲酰胺生产中易于结垢的换热器冷却过程为研究对象，采用换热管内置弹簧并利用泵的开、停措施使流体产生脉冲流动的方法对换热器在线防垢除垢进行研究。采用测定换热管外冷却水的吸热量随时间的变化关系以及试验结束后管内污垢称重法研究内置弹簧脉冲流动法对换热器在线防垢除垢效果。研究了泵的开、停时间，内置弹簧长度等因素对防垢除垢的影响。结果表明：在试验装置上，内置弹簧长度175~198 cm、泵运行时间5~10 s、泵停止时间5s时，具有显著的防垢除垢效果，在试验装置运行4 h除垢率高达92.9％。同时在此条件下装置运行4~12 h内，污垢增长量较少，说明此法除垢效果稳定。实验研究结果对实际工业换热器的改造具有一定的参考意义和指导价值。
关键词：二甲基甲酰胺；换热器；内置弹簧；防垢除垢；脉冲流动
1 引 言
换热设备在工业生产领域中应用十分广泛，但在运行中普遍存在污垢沉积而引起严重问题。因此，对于污垢形成规律的研究[1,2]和以实用为目的的防垢除垢方法研究[3,4]日益为人们所重视。
一步法合成二甲基甲酰胺(简称DMF)时，生成物须经换热器换热，移走反应热以维持反应系统的温度。当产物经换热器降温时，产物中的盐分由于降温而在换热管内壁上析出，造成严重的结垢问题，为解决此问题，并为其他类似工艺过程提供解决问题的启示，作者做过相关研究[5]，取得良好的除垢效果。本文采用内置弹簧脉冲流动除垢技术，实验结果表明除垢能力显著提高。
2 实验部分
2.1 实验装置及防垢除垢原理
试验装置见文献[5]。实验方法为冷却水流量保持恒定，试验工质(DMF溶液)通过泵的开、停在实验系统中产生脉冲流动。泵的开、停时间通过时间继电器控制。
试验管内径为10 mm，管内放置一段长度小于试验管段、直径为8 mm的弹簧，如图1所示。为了能够使弹簧易于被脉冲流体快速托起，在弹簧的底端放置直径d =3 mm的钢珠，高约20 mm，并将钢珠段固定在弹簧底部。流体静止时，弹簧处于试验管段下部，如图1(a)所示。高速流体通过换热管时，弹簧就会被底端的钢珠段托起运行到顶端，如图1(b)所示，同时弹簧处于受压缩状态。当流体停止流动时，内置弹簧受到弹力、底端钢珠和自身的重力作用下将快速返回到试验管底部。只要流体在试验管段内做适当的脉冲流动，内置弹簧将在管内做上下往复运动，这样就可起到清除管内壁上的污垢，达到在线防垢除垢的目的。
图1 内置弹簧结构
Fig.1 The structure of the inserted spring
(a) The inserted spring at bottom while the pump stopping (b) The inserted spring at top and compressed while the pump running
2.2 实验数据处理方法
由于试验工质在系统内作脉冲流动，其流量和进、出试验管段的温度为不稳定量，但冷却水流量恒定且进、出口温度也相对稳定。所以本研究采用冷却水吸热下降百分率和结垢物(主要为无机盐)的质量W两个物理量来衡量传热效率和管内结垢情况。随操作时间的增加，结垢量变多，换热管传热速率降低，恒定流量的冷却水吸热量会随时间而下降。传热量下降得越多，说明管内结垢越严重，因此，冷却水吸热量下降百分率可以衡量换热器内结垢的情况。
图2 不同运行时间下冷却水吸热量下降百分率随时间变化曲线
Fig.2 Variation of the decreasing percentage of cooling water heat transfer with operating time for different running times
2.2.1 冷却水吸热量下降百分率的计算
冷却水吸热量下降百分率：
2.2.2 盐的质量W
运行相同时间后，将管内壁上污垢取出烘干，用电子天平(精度0.0001 g)称重，可以直观地反映出不同工况下换热器结垢程度。
3 实验结果及分析
3.1 泵的运行时间对防除垢的影响
换热管的长度为200 cm，管内插入长度为175 cm的弹簧，控制换热管中DMF流速为1.4 m×s-1(下面其它实验也同)，经初步试验，弹簧从试验管顶部落到底部所需的时间约为5 s，因此设定泵的停止时间为5 s，改变泵的运行时间q1分别为3、5、10 s进行研究。实验结果如图2和图3所示。
图2表明随着试验操作的进行，冷却水吸热量减少，传热热阻增大，传热速率下降，由此可推测管内壁的污垢在逐步增多。而随泵运行时间的增加，冷却水吸热量减少的百分率在下降，这个结果由两方面原因造成：1) 由于泵运行时间的增加，即热流体侧有较长的时间是处于流动状态，对流传热系数大，因而冷却水得到热量就多；2) 随着传热的进行，溶液中的盐分也将不断在管壁上析出形成污垢，热阻增大，冷却水得到热量就减少。从这两方面来看，很难由图2的结果判断它们的防垢除垢效果。
图3表明随着泵运行时间的增加，管内污垢盐的重量减小，这可以说明防垢除垢效果随着泵的运行时间增多而增强。可能的原因是泵运行时间长，盐晶体易于在壁面上长大，大颗粒的盐易于被弹簧刮下除去。但泵运行时间过长不利于传热的强化，而且若污垢在壁面上过多生成将难于被弹簧除去，换热器会进入恶性循环。从图3可以看出运行时间为5 s和10 s条件下的盐重接近，为了使盐晶体长大至合适的大小易于被除去，运行时间取5~10 s比较适宜。
图3 盐重对泵运行时间曲线(操作时间t = 240 min)
Fig.3 Weight of salts for different running times (Operating time t = 240 min)
图4 不同停止时间下冷却水吸热量下降百分率随时间变化曲线
Fig.4 Variation of the decreasing percentage of cooling water heat transfer with operating time for different stopping times
图5 盐重对泵停止时间曲线(操作时间t =240 min)
Fig.5 Weight of salts for different stopping times (Operating time t =240 min)
图6 不同弹簧长度冷却水吸热量下降百分率随时间变化曲线
Fig.6 Decreasing percentage of cooling water heat transfer with operating time for different length of springs
3.2 泵的停止时间对防除垢的影响
设定泵的运行时间为10 s，考察泵的停止时间对除垢效果的影响，管内插入的弹簧长度为4375px，实验结果如图4所示。停止时间q2为5 s时冷却水吸热量减少百分率低于停止时间为8 s和10 s条件下的冷却水吸热量减少百分率，该结果也可以用3.1节的原因来解释，即相当于在一个循环周期内运行时间长，热流体侧平均传热系数大，因此冷却水吸热量减少百分率较低。图5可以看出，停止时间为5 s时所得的污垢盐重也低于停止时间为8 s和10 s时的盐重。流体在流动传热时可以靠弹簧扰流和刮擦壁面作用而减少污垢的生成，停止时间越长，管内的静止热流体进行换热冷却析出的晶体由于不能及时被流体冲刷带走，会越积越多，而后者占据主导地位。实验结果也表明停止时间为5 s时的除垢效果比8 s和10 s时的都要好，而对本实验装置弹簧从顶端落下所需要的时间刚好是5 s。可以认为虽然停泵时间是5 s，但是在这5 s时间内，弹簧从试验管顶部落下过程中不断扰动流体，一方面起到除垢的作用，另一方面也起到强化传热的作用。超过此一时间，流体处于真正静止，对除垢和传热都不利。因此对于不同的换热管和弹簧，进行脉冲实验时，停止时间最好为该弹簧从换热管顶端落回底端所需要的时间。
3.3 弹簧长度对防除垢的影响
设定泵的运行时间为10 s，泵的停止时间为5 s，换热管长度为200 cm，管内插入的弹簧长度分别为175、190、198 cm。实验结果如图6和图7所示，从图6可以看出，随着弹簧长度的增加，冷却水吸热量减少百分率降低，因此随着弹簧长度的增加除垢效果增强。图7表明，随着弹簧长度的增加污垢盐重减小，除垢效果明显增强。当没有任何防垢除垢措施，即试验管内没有弹簧，在同条件下脉冲流动传热时结垢量为29.2 g，而当弹簧的长度为198 cm时，试验相同的时间后，管内壁上污垢盐的质量为2.06 g，污垢量减少了92.9%。试验结果说明：1) 弹簧本身可以增加湍流，破坏层流和传热边界层，起到防垢除垢的作用和强化传热的作用；2) 由于弹簧的柔性结构，弹簧在流体的带动下会不断冲击、刮擦壁面，使壁面新形成的污垢快速脱落，也起到减少污垢生成的作用；3) 长度较长的弹簧，扰流作用区域较长，靠弹簧扰流阻止生成或脱除的污垢增多。因此，综合考虑弹簧防垢除垢几方面的作用原因，表明传热管内置弹簧具有较好的防垢除垢效果，而且弹簧越长，除垢效果越好。
图7 盐重对弹簧长度曲线(操作时间t = 240 min)
Fig.7 Weight of salts for length of spring (Operating time t = 240 min)
图8 盐重对操作时间曲线
Fig.8 Weight of salts vs operating time
3.4 实验时间对污垢盐重的影响
脉冲实验表明，插入长度为198 cm的弹簧可以使污垢盐重减小到2.06 g，防除垢效果非常明显。由于实验操作时间只有4 h，对换热器更长运行时间后的结垢情况的判定不具有说服力，因此分别做了运行8 h和12 h的实验进行对照，如图8所示。实验结果表明：随着操作时间的增加，污垢盐重增加较少，说明该方法可以起到长期防垢除垢的效果。在实际工业上可以采用并联2台或2台以上的换热器，达到连续操作的目的。
4 结 论
(1) 在试验装置上，对长度为200 cm的试验管，内置弹簧长度175~198 cm、泵运行时间5~10 s、泵停止时间5 s时，具有显著的防垢除垢效果，在试验装置运行4 h，除垢率高达92.9％。
(2) 在试验条件下装置运行4~12 h内，污垢增长量较少，污垢由2.06 g增长到2.3 g，说明此法防垢除垢稳定，效果显著。
符号说明：
