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%。

2、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△tm，换热器传热的强化可以通过增大热平均温差△tm、传热面积A和总传热系数K来实现。而运行的机组中，温差△tm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）

3、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。