CN103411465A - 换热管内贯穿型凹凸叶片转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热管内贯穿型凹凸叶片转子，它是由空心轴和螺旋叶片构成，螺旋叶片的背水面沿叶片螺旋方向设置有凹槽结构；叶片横截面内有孔，所述的孔沿着叶片螺旋方向延伸，贯穿整个叶片，形成贯穿孔，贯穿孔的壁厚在叶片上形成的凸起即为扰流轴。传热流体沿叶片迎水面不断经过扰流轴的扰动以及叶片背水面凹槽的凹凸起伏作用，增加叶片两侧流体的径向以及切向速度，增强扰流效果。依靠流体流经贯穿孔时流体对贯穿孔的悬浮力作用，使得转子在流体中旋转时起到良好的自对中作用，避免了叶片顶端与管壁的刮擦作用，延长转子的使用寿命；经过贯穿孔的分隔作用，极大地强化了管内各部分流体间的质量以及能量交换，实现防垢除垢和强化传热的作用。

Description

换热管内贯穿型凹凸叶片转子

技术领域

本发明涉及一种应用于管壳式换热器、热交换反应器等设备中换热管内强化传热和防污除污的内插元件，特别涉及一种以换热管内部传热流体为动力，实现自清洁强化传热功能的贯穿型凹凸叶片转子。

背景技术

节能减排是一项全世界都非常重视的关键技术，在石油、化工、火电、核电、冶金、轻工、航空器件和船舶车辆等众多领域都要应用到许多的换热器，其中应用最为广泛的是管壳式换热器，但在这些换热管内壁中普遍存在积污结垢的问题，导致流体在管道中输送阻力增加，严重时会堵塞管道，同时传热性能大为下降；产生重大能源浪费，此外，污垢一般具有腐蚀性，会导致管壁腐蚀，从而使得流体泄露造成重大安全隐患，因此传统的处理办法就是被迫采取停产清洗，这样不仅耽搁了工厂的生产进度，同时还需要支付昂贵的清洗费用；为了更好地解决这些问题，人们一直研究采用不停产的在线自动强化传热和除垢防垢的各种办法和装置。近年来出现了许多防垢除垢方法和装置，其中之一利用流体推动螺旋纽带旋转能实现在线自动除垢的方法，中国专利申请号为：CN1424554，专利名称为“双扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置”的发明创造，该装置用作强化传热及其自动除垢，包括有螺旋纽带、固定架，螺旋纽带设置在螺旋管内，利用通过换热管内流体流动带动螺旋纽带转动。由于螺旋纽带为一条整带，换热管在经过加工安装后不够顺直，螺旋纽带与换热管内壁之间会产生不均匀的缝隙，这样纽带的除垢作用小而不均匀，除垢效果不理想。螺旋纽带法除垢装置中，螺旋纽带均是单端固定的，另一端自由摆动，扭曲带的径向尺寸小于传热管的内径。综合一下螺旋纽带有以下主要缺点：（1）纽带为一整体，对传热管直接刮擦，损伤换热管内壁；（2）流体流动时推动纽带转动需要较大的驱动力矩，消耗更多的流体动能；（3）单端固定用的轴承的使用寿命短；（4）纽带产生的场协同强化传热效果不显著。之后中国专利号为200520127121.9，公开了发明名称为“转子式自清洁强化传热装置”的专利申请，此装置是由固定架、转子、柔性轴和支撑管构成，两固定架分别固定在换热管的两端；转子的外表面有螺旋棱，转子上有中心孔；支撑架设在转子与固定架之间，柔性轴穿过转子的中心孔和支撑管固定在两固定架上。该装置具有在线自动防垢除垢和强化传热的功能，流体在传热管内顺流或者逆流的情况下，均有防垢除垢和强化传热的作用。但缺点是在一定流体通过时，转子的旋转速度是由螺棱的螺旋升角所决定的，在螺棱导程小时转子的旋转速度快，同时对流体的阻力随之增加；为了便于转子的安装，转子的外径表面与换热管内径表面有较大的距离，这样转子的强化传热和防垢除垢能力受到了一定的限制。另外，转子在转动过程中会产生晃动，其叶片顶端就会与换热管内壁产生刮擦，也会降低其使用寿命，因此转子在换热管内应该具有较好的对中作用，以降低其与换热管内壁的刮擦作用，延长其使用寿命。

发明内容

本发明的目的是设计一种新结构的转子，该转子叶片的迎水面设置了扰流轴，背水面设置凹槽，该结构转子在提高换热管传热性能的同时还具有防垢除垢的作用，并且扰流轴处沿轴向设置贯穿孔，从而延长了该转子的使用寿命，并进一步增强管内流体的扰流效果，强化换热过程。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：换热管内贯穿型凹凸叶片转子，由空心轴和螺旋叶片构成。螺旋叶片位于空心轴表面，螺旋叶片外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑，螺旋叶片绕空心轴呈螺旋状，且螺旋叶片的背水面沿叶片螺旋方向设置有凹槽结构；叶片横截面内有孔，所述的孔沿着叶片螺旋方向延伸，贯穿整个叶片，形成贯穿孔，贯穿孔的壁厚在叶片上形成的凸起即为扰流轴；螺旋叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角或倒圆角，空心轴远离进水口端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的孔，通过改变螺旋叶片沿空心轴轴向的螺旋角、轴向长度、沿空心轴径向的高度、叶片上扰流轴的个数、扰流轴与空心轴的夹角、扰流轴沿空心轴轴向的长度、凹槽的个数、凹槽与空心轴的夹角、凹槽沿空心轴轴向的长度、贯穿孔的位置以及尺寸来改变流体对转子的旋转力矩，螺旋叶片在空心轴上的组合固定方式要便于转子在换热管内的安装。传热流体流过螺旋叶片时，会对转子产生轴向力，螺旋叶片阻碍传热流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流，螺旋叶片在流体推动作用下，推动整个转子转动，增强了传热流体的切向流动，从而达到强化传热且阻止污垢的形成和沉积的目的，同时螺旋叶片在转动过程中，会使传热流体沿叶片迎水面不断经过扰流轴的进一步扰动，并且经过叶片背水面凹槽的凹凸起伏作用，增加叶片两侧流体的径向以及切向速度，增强扰流效果。此外，转子在旋转过程中，依靠流体流经贯穿孔时流体对贯穿孔的悬浮力作用，使得转子在转动过程中具有自悬浮功能，能够在流体中旋转时起到良好的自对中作用，从而避免了叶片顶端与换热管内壁的刮擦作用，延长转子的使用寿命，同时，经过贯穿孔的分隔作用，管内流体被转子分割成迎水面流体、背水面流体、贯穿孔流出的流体以及管壁与叶片间隙流体，在经过每一个转子后，四种分隔后的流体重新混合，从而极大地强化了管内各部分流体间的质量以及能量交换，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。可以通过改变螺旋叶片沿空心轴轴向的螺旋角、轴向长度、沿空心轴径向的高度、叶片上扰流轴的个数、扰流轴与空心轴的夹角、扰流轴沿空心轴轴向的长度、凹槽的个数、凹槽与空心轴的夹角、凹槽沿空心轴轴向的长度、贯穿孔的位置以及尺寸来改变流体对转子的旋转力矩，使转子在换热管内旋转流畅。

本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子，沿空心轴圆周方向均匀分布的螺旋叶片个数为两个、三个或多个。

本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子，螺旋叶片迎水面表面的扰流轴个数为一个、两个或多个，并且扰流轴与空心轴平行或成一定夹角，相邻扰流轴间的距离相等或呈一定比例分布。

本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子，螺旋叶片背水面表面的凹槽个数为一个、两个或多个，并且凹槽与空心轴平行或成一定夹角，相邻凹槽间的距离相等或呈一定比例分布。

本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子，贯穿孔的截面形状为圆形或椭圆形，单个扰流轴对应的贯穿孔个数为一个、两个或多个，贯穿孔截面中心与扰流轴截面中心重合或偏移一定距离。

为防止转子在转动过程中沿转轴轴向窜动，所述转子的空心轴两端设置有同轴结构，两个相邻转子的同轴结构首尾结合，实现了转子间的轴向定位。转子的空心轴同轴结构可以是球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式。前后配合的两个转子的扰流轴或凹槽的位置、数目、轴向长度以及与空心轴夹角可以相同或不同。

本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其空心轴截面形状为空心圆锥形、空心圆柱形、空心波节形或空心多棱形，转子空心轴远离进水口端开有截面形状为半圆形、椭圆形、矩形或梯形的与空心轴内孔相通的孔，该孔沿轴向方向的长度大于空心轴进水端处凹台的长度，该孔可使传热流体在空心轴和转轴之间的空间内流动，并带动空心轴与转轴之间的污垢随着传热流体排出，从而防止了污垢的沉积，同时节省了材料。

本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子，可首尾相连整串穿装于连接轴线上，连接轴线可以是刚性的圆棒，也可以是柔性的软绳；也可以通过限位件分成转子数量相同或不同的若干组，使转子均匀转动。

本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子的叶片和空心轴是由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材料制作的。

所述转子的螺旋叶片沿空心轴轴向的螺旋角、轴向长度、沿空心轴径向的高度、叶片上扰流轴的个数、扰流轴与空心轴的夹角、扰流轴沿空心轴轴向的长度、凹槽的个数、凹槽与空心轴的夹角、凹槽沿空心轴轴向的长度、贯穿孔的位置以及尺寸，可依据换热管内径、管内介质流速等工况条件以及转子自身的强度、耐磨性结合制造加工成本来确定，相邻转子之间可以采取同步旋转或独立旋转结构。

本发明的有益效果是：1、所发明的转子叶片迎水面具有扰流轴结构，可有效地增大迎水面流体的切向速度和径向速度，增强混流效果，从而提高传热强化的能力；2、所发明的转子叶片背水面具有凹槽结构，经过叶片背水面凹槽的凹凸起伏作用，增加叶片背水面流体的径向以及切向速度，进一步增强扰流效果，提高传热强化的能力；3、所发明的转子叶片设置有贯穿孔结构，转子在旋转过程中，依靠流体流经贯穿孔时流体对贯穿孔的悬浮力作用，使得转子在转动过程中具有自悬浮功能，能够在流体中旋转时起到良好的自对中作用，从而避免了叶片顶端与换热管内壁的刮擦作用，延长转子的使用寿命；4、单个转子空心轴远离进水口端开有的与空心轴内孔相通的孔可使传热流体在空心轴内部及转轴之间流动，带动污垢从空心轴内部与转轴之间的空间排出，防止了污垢的沉积，节约了转子材料，节省了成本；5、经过贯穿孔的分隔作用，管内流体被转子分割成迎水面流体、背水面流体、贯穿孔流出的流体以及管壁与叶片间隙流体，在经过每一个转子后，四种分隔后的流体重新混合，从而极大地强化了管内各部分流体间的质量以及能量交换，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用；6、所发明的转子叶片设置有贯穿孔结构，节约了转子材料，节省了成本。

附图说明

图1是本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的三维结构示意图；

图4是本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子安装结构示意图；

图中，1-螺旋叶片，2-扰流轴，3-贯穿孔，4-空心轴，5-球窝凸台，6-凹槽，7-球窝凹台，8-相通的孔，9-换热管，10-挂件，11-限位件，12-转轴

具体实施方式

如图5所示，本发明涉及的一种换热管内贯穿型凹凸叶片转子的一种实施方法，强化传热装置包括转子、换热管9、挂件10、限位件11和转轴12，数个转子通过转轴12串联在一起，限位件11将多个转子分为几组转子串，挂件10固定在换热管9两端，转轴12的两端分别固定在挂件10上，本发明的转子是由一定数目的螺旋叶片1固定在空心轴4表面上组成的，螺旋叶片1的背水面沿叶片螺旋方向设置有凹槽6；叶片横截面内有孔，所述的孔沿着叶片螺旋方向延伸，贯穿整个叶片，形成贯穿孔3，贯穿孔的壁厚在叶片上形成的凸起即为扰流轴2，空心轴4上还开有球窝凸台5、球窝凹台7和与空心轴4内孔相通的孔8。两个相邻转子中，一个转子的空心轴4头部的球窝凸台5与另一个转子尾部的球窝凹台7相结合从而起到连接和调整使之同轴的作用，该结构也是一种能够适应换热管9弯曲处的柔性连接结构，该结构除了可以采用球窝方式外，还可以采用圆锥方式、卡扣方式以及方向节方式，在同轴度要求不高的情况下还可以采用平面结构。

如图1至图3所示，图1是本发明换热管内贯穿型凹凸叶片转子的主视图；图2是图1的俯视图；图3是图1的三维结构示意图，贯穿型凹凸叶片转子的迎水面设置有一个扰流轴，背水面设置有三个凹槽，并且两个相邻凹槽的间距不同，叶片设置有一个贯穿孔，贯穿孔截面形状为椭圆形，贯穿孔截面中心与扰流轴中心偏移一定距离。

本发明中，换热管9内的传热流体流过螺旋叶片1时，会对转子产生轴向力，螺旋叶片1阻碍传热流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流，螺旋叶片1在流体推动作用下，推动整个转子转动，增强了传热流体的切向流动，从而达到强化传热且阻止污垢的形成和沉积的目的，同时螺旋叶片1在转动过程中，会使传热流体沿螺旋叶片1迎水面不断经过扰流轴2的进一步扰动，并且经过螺旋叶片1背水面凹槽6的凹凸起伏作用，增加叶片两侧流体的径向以及切向速度，增强扰流效果。此外，转子在旋转过程中，依靠流体流经贯穿孔3时流体对贯穿孔3的悬浮力作用，使得转子在转动过程中具有自悬浮功能，能够在流体中旋转时起到良好的自对中作用，从而避免了螺旋叶片1顶端与换热管9内壁的刮擦作用，延长转子的使用寿命，同时，经过贯穿孔3的分隔作用，管内流体被转子分割成迎水面流体、背水面流体、贯穿孔3流出的流体以及管壁与叶片间隙流体，在经过每一个转子后，四种分隔后的流体重新混合，从而极大地强化了管内各部分流体间的质量以及能量交换，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。可以通过改变螺旋叶片1沿空心轴4轴向的螺旋角、轴向长度、沿空心轴4径向的高度、叶片上扰流轴2的个数、扰流轴2与空心轴4的夹角、扰流轴2沿空心轴4轴向的长度、凹槽6的个数、凹槽6与空心轴4的夹角、凹槽6沿空心轴4轴向的长度、贯穿孔3的位置以及尺寸来改变流体对转子的旋转力矩，使转子在换热管9内旋转流畅。

Claims (10)

1.换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：主要是由空心轴和螺旋叶片构成，螺旋叶片位于空心轴表面，螺旋叶片外径小于换热管内径，叶片绕空心轴呈螺旋状，且螺旋叶片的背水面沿叶片螺旋方向设置有凹槽结构；叶片横截面内有孔，所述的孔沿着叶片螺旋方向延伸，贯穿整个叶片，形成贯穿孔，贯穿孔的壁厚在叶片上形成的凸起即为扰流轴；螺旋叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角或倒圆角，空心轴远离进水口端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的孔。

2.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：沿空心轴圆周方向均匀分布的螺旋叶片个数为两个、三个或多个。

3.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：螺旋叶片迎水面表面的扰流轴个数为一个、两个或多个，并且扰流轴与空心轴平行或成一定夹角，相邻扰流轴间的距离相等或呈一定比例分布。

4.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：螺旋叶片背水面表面的凹槽个数为一个、两个或多个，并且凹槽与空心轴平行或成一定夹角，相邻凹槽间的距离相等或呈一定比例分布。

5.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：贯穿孔的截面形状为圆形或椭圆形，单个扰流轴对应的贯穿孔个数为一个、两个或多个，贯穿孔截面中心与扰流轴截面中心重合或偏移一定距离。

6.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：所述转子的空心轴两端设置有同轴结构，数个穿装在两个挂件之间转轴上的转子，其转子的空心轴两端设置有球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式同轴结构，前后配合的两个转子的扰流轴或凹槽的位置、数目、轴向长度以及与空心轴夹角可以相同或不同。

7.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：所述转子的空心轴截面形状为空心圆锥形、空心圆柱形、空心波节形或空心多棱形。

8.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：所述空心轴远离进水端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的截面形状为半圆形、椭圆形、矩形或梯形的孔。

9.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：本所述贯穿型凹凸叶片转子可首尾相连整串穿装于连接轴线上，连接轴线可以是刚性的圆棒，也可以是柔性的软绳；也可以通过限位件分成转子数量相同或不同的若干组。

10.根据权利要求1下所述的换热管内贯穿型凹凸叶片转子，其特征在于：所述转子的叶片和空心轴是由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材料制作的。

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