专利名称：一种换热管在线清洗除垢元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种清洗除垢元件，特别是关于一种利用流体运动作动力对换热管进行清洗的换热管在线清洗除垢元件。
背景技术：
管壳式换热器在电力、化工和石油等工业领域被大量而广泛的应用，换热器在运行中绝大部分都有积污和结垢的现象，特别是采用循环水冷却的冷凝器、水冷器等。换热器的积污和结垢导致设备传热系数降低，能耗增大，甚至出现堵管而导致设备无法正常运行；结垢还会形成垢下腐蚀，缩短设备的使用寿命。目前，管壳式换热器换热管内的清洗和除垢方式有在线方式和非在线方式，在线清洗除垢由于不影响生产的正常进行而具有独特的优势。目前换热器管内在线除垢主要有螺旋纽带/片类除垢、往复螺旋弹簧除垢和胶球清洗除垢等方式，但这些除垢方式都存在一定的不足而影响其使用。螺旋纽带/片类除垢和往复螺旋弹簧除垢方式，需要在换热管内挂插除垢物件而影响流道，流动阻力较大，同时使流体中的夹带物易于堵塞换热管。在线胶球清洗技术在电厂凝汽器中应用较为普遍，但目前使用的胶球为多微孔柔软的弹性体结构，在使用过程中胶球的湿态直径和比重难以准确受控，也易于被污泥、污垢和微生物等所附着，造成清洗除垢效果不够理想、收球率低、易于堵管等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种清洗除垢效果好、流动阻力小，不易出现堵管现象的换热管在线清洗除垢元件。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于它包括一球状元件，所述球状元件具有若干与中心旋转轴线成螺旋或倾斜的流道，所述流道是由螺旋或倾斜的凸起将所述球状元件的球形空间分隔而成；所述球状元件的外径因浸没而产生的改变不大于2％，球状元件的密度因浸没而产生的变化不大于5％，球状元件的密度与输送的流体密度误差不大于10％。
所述球状元件的最大外轮廓呈球形、椭球形、近似球形和近似椭球形中的一种。
所述螺旋或倾斜的凸起为螺旋状或倾斜状叶片、螺旋状或倾斜状肋片、螺旋状排列的毛刷中的至少一种或一种以上的结合。
所述凸起的螺旋角或倾斜角为10°～80°，所述流道为左旋或左倾和右旋或右倾中的一种。
所述球状元件内设置有调节球状元件密度的调节腔体，所述调节腔体内设置有用于调节球状元件密度的介质。
所述最大外轮廓为非光滑表面，所述非光滑表面为微细条状、网状、突起、凹陷中的一种。
所述球状元件的材料为非泡沫高分子材料和非泡沫高分子复合材料中的一种。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、由于该清洗除垢元件的最大外轮廓呈球形或椭球形以及近似球形或椭球形，具有与某旋转轴线螺旋或倾斜的流道，流体在其螺旋或倾斜的流道中通过时，使在待清洗除垢的换热管内处于自由状态的球状元件产生快速旋转，因而具有清洗除垢效果好、流动阻力小、不易于堵塞换热管的特点。2、由于该清洗除垢元件的制作材料为非泡沫高分子材料(如塑料、橡胶等)及其复合材料，浸没时结构尺寸稳定，密度可控和稳定，相对于多微孔柔软清洗胶球而言，具有不易于堵塞换热管，不易被磨损、损坏和跑漏球，也不易于被污泥、污垢和微生物等所附着，因而具有更长的寿命。3、由于该清洗除垢元件采用高分子聚合材料制成，具有自润滑，耐腐，耐磨，抗老化特性，在运行时可避免与金属的硬摩擦，保护了金属表面的氧化膜，有效地延长了换热管的使用寿命。
图1是本发明的实施例一结构组装示意2是本发明的工作原理示意3是本发明的多个螺旋叶片外轮廓为椭球形结构示意4是本发明的旋转轴为空心不等径回转壳体结构示意5是本发明的旋转轴为空心圆柱和空心球组成的回转壳体结构示意6是本发明的螺旋叶片顶部设置毛刷的结构示意7是本发明的螺旋叶片侧面设置毛刷的结构示意8是本发明的中空圆柱体外周向布置螺旋毛刷排的结构示意9是本发明的实施例二结构示意10是本发明的实施例三结构示意11是本发明的实施例四结构示意图(一)图12是本发明的实施例四结构示意图(二)图13是本发明的实施例四结构示意图(三)
图14是本发明的实施例五结构示意15是本发明的实施例六结构示意16是本发明的环形球壳外测为直肋片的结构示意17是本发明的环形球壳外测为菱形凸起的结构示意18是本发明的环形球壳外测为倾斜排列毛刷的结构示意19是本发明的实施例七结构示意20是实施例的七剖视示意21是本发明的中空球体内部为圆型腔体的结构示意22是本发明的中空球体内部为圆型腔体的剖视示意图具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细的描述。
实施例1如图1所示，本发明包括一中空圆柱状密度调节腔体1，调节腔体1的一端封闭，另一端密封连接一端盖2，端盖2与调节腔体1的连接可采用过盈配合，也可以采用粘接，还可以是倒钩连接等方式连接。在调节腔体1的腔体内设置有调节介质3，在调节腔体1外周向以调节腔体1的轴线为旋转轴线均匀布置有四个螺旋叶片4，螺旋叶片4的螺旋角为β，四个螺旋叶片4和调节腔体1的最大外轮廓共同形成一近似球形的球形元件，各螺旋叶片4之间的空间形成四个螺旋状流道5。
本实施例中，螺旋叶片4与调节腔体1的制作材料采用非泡沫型高分子材料之一——聚氯乙烯材料，其还可以采用其它非泡沫型高分子材料或者非泡沫型高分子复合材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等塑料类非泡沫型高分子材料或者塑料类非泡沫型高分子复合材料，如顺丁橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等橡胶类非泡沫型高分子材料或者橡胶类非泡沫型高分子复合材料。本发明采用上述材料是为了保证球状元件的外径因浸没而产生的改变(即浸没流体浸入球状元件而使被浸入球状元件的外径发生的改变)不大于2％，球状元件的密度因浸没而产生的变化(即浸没流体浸入球状元件而使被浸入球状元件的密度发生的改变)不大于5％，而且其浸没外径的改变和密度的变化的一致性也明显优于目前使用的多微孔柔软弹性胶球。
本实施例的调节腔体1的内径为6mm，长度为16mm，壁厚为2mm，螺旋叶片4的厚度为0.5～1.5mm。本实施例的球状元件的密度为1.02±0.02g/cm3，可以用于电厂的凝汽器换热管的在线清洗除垢。本实施例所采用的材料使得本发明浸没时几乎不膨胀和变形，因浸没而产生的球状元件外径的改变不大于2％，因此球形元件可以采用比较准确和稳定的尺寸。本实施例的球形外轮廓的直径为Φ23.2±0.05mm，可用于公称内径为Φ23.4mm以上的换热管(如图2所示)的清洗除垢。对于不同管径的待清洗换热管，可根据使用材料的软硬不同选择合适的间隙或过盈量，选择适当直径的本发明。
本实施例中，调节腔体1内的调节介质可以是空气、泡沫、水或金属等，用以调节本发明球状元件的密度，使其湿态密度与输送流体的密度相近。一般应使本发明的球状元件的密度与待清洗的换热管内流体的密度误差控制在不超过10％。本实施例的螺旋叶片4的螺旋角β为45°，一般螺旋角β的范围为10°～80°；本实施例的螺旋叶片4为右旋，也可为左旋。本实施例的螺旋叶片4为周向均匀布置，也可为周向非均匀布置。当螺旋叶片4为周向非均匀布置时，本实施例在工作状态下依然存在一个旋转轴线，即作向前和旋转运动并具有最小流动阻力的方向，但可能与连接螺旋叶片4的调节腔体1的轴线不重合。
如图2所示，本发明的一种清洗除垢元件用于换热管6清洗除垢的原理如下球状元件工作时位于被清洗除垢的换热管6中，流体从换热管6的一端进入(如图2中箭头7所示)，从换热管6的另一端流出，球状元件在换热管6内流体的作用下随流体流动的方向运动。由于换热管6内壁附近的流体粘性阻力和接触磨擦等原因，球状元件向前运动的速度小于换热管内流体的平均流动速度，因而换热管6内的流体必将在球状元件的螺旋状流道5内流过(如图2中箭头8所示)，并推动球状元件1在随流体流动的方向向前运动(如图2中箭头9所示)的同时产生快速旋转(如图2中箭头10所示)，而刮擦换热管壁面，从而实现对换热管6进行在线清洗除垢的目的。
通过以上清洗除垢的原理描述可以看出，由于绕球状元件1的中心轴线均匀设置的螺旋叶片4，即球状元件1在换热管中，在流体的推动下绕该旋转轴线旋转。当球状元件1的旋转轴线与换热管6的轴线重合或偏离较小时，流体在球状元件1的螺旋状流道5内流过的流动阻力最小，因此，处于工作状态的本发明在换热管6内总是寻求和保持该最小流动阻力的运动方向，作沿换热管6轴线的向前和旋转运动。为了使得球状元件在换热管内更好地按设定的方向运动，还可以在球状元件表面安设控制方向的尾绳类。由于球状元件1在换热管6内的受力不可能完全对称，球状元件1在换热管6内除向前运动和旋转外，还存在随机的摆动和微小的径向运动。同时，由于球状元件1在换热管6内对流体的扰动也使得换热管的换热效果得到了强化。
在本实施例的基础上，本发明还可以采取其它结构设计，比如如图3所示，螺旋叶片4为六个，螺旋角β为60°，螺旋叶片4与调节腔体1的最大外轮廓为椭球形。如图4所示，调节腔体1为一空心不等径回转壳体11；调节腔体1还可以是一段空心圆柱12与一空心球13共同组成的回转壳体(如图5所示)。如图6所示，螺旋叶片4上可以设置有顶部毛刷14，或在螺旋叶片4的侧面设置毛刷15(如图7所示)，或将螺旋叶片设置成毛刷排16(如图8所示)，以进一步提高清洗除垢效果。上述毛刷14、15、16可以是与螺旋叶片4一次成型加工制作的，也可采用粘接的方法等连接在一起。本实施例的最大外轮廓为光滑表面，也可为非光滑表面，如微细条状(如图14、图19、图21所示)、网状、突起(如图17所示)、凹陷等结构表面，以进一步提高清洗除垢效果。本实施例为螺旋叶片4和螺旋流道5，也可为倾斜叶片/肋片和倾斜流道(如图19、图21所示)。
本发明球状元件在换热设备中的输送和收集方式，可采用目前广泛使用和比较成熟的胶球清洗的输送和收集方式。即装球室内的球状元件由泵输送至换热器管程入口，在换热器管程流体进出口压力差的作用下随流体并旋转通过换热管，对换热管内壁进行刮擦，从而达到清洗除垢作用；然后球状清洗除垢元件随管程工质进入收球元件，由泵抽出重新回到装球室。如此循环往复对换热器管内实现连续在线清洗除垢。
实施例2如图9所示，本实施例与实施例1的不同之处是旋转轴为一实心圆柱体17，即实心圆柱体17的轴线为球状清洗除垢元件的旋转轴线，在实心圆柱体17的周向均匀布置四个螺旋叶片18，螺旋叶片18的螺旋角β为60°，四个螺旋叶片与实心圆柱体17的最大外轮廓为球形球状元件；在四个螺旋叶片之间形成了四个螺旋空间即螺旋流体通道，流体在该螺旋流道中流过时，将使本发明球状元件产生快速旋转。本实施例的主体材料为非泡沫型橡胶——顺丁橡胶+丁苯橡胶。为了改善或改变橡胶制品的性能(如强度、密度、耐磨特性和抗老化特性等)还需要添加一些改性材料如碳黑等，添加数量比例要根据性能的需要确定。本实施例的球状元件的密度由主体材料和改性材料的密度和比例等决定，其密度为1.00±0.04g/cm3，可以用于电厂的凝汽器换热管的在线清洗除垢，也不排除其它换热器的清洗除垢。
实施例3如图10所示，本发明由四个螺旋叶片19连接而成，其连接方式为一次成型或粘接的，螺旋叶片的螺旋角β为45°，四个螺旋叶片19组成的最大外轮廓为球形球状元件，四个螺旋叶片19在周向均匀布置，本实施例中球状元件旋转轴线为四个螺旋叶片的对称中心线，在四个螺旋叶片19之间形成了四个螺旋空间即螺旋流体通道，流体在该螺旋流道中流过时将使球形清洗除垢元件产生快速旋转。本实施例未设置密度调节腔体，其密度由材料的密度决定，可选择合适的材料保证其密度与输送流体的密度比较接近。
实施例4如图11所示，本实施例与上述实施例的不同之处是球状元件的旋转轴向的两端为两个实心短柱体20，四个螺旋叶片21在两个实心短柱体20周向均匀布置，其四个螺旋叶片21在两个实心短柱体20之间相互连接，实心短柱体20起到连接和加强螺旋叶片21的作用，螺旋叶片21的螺旋角β为45°，四个螺旋叶片21与两个实心短柱体20的最大外轮廓为球形的球状元件，在四个螺旋叶片21之间形成了四个螺旋空间即螺旋流体通道，流体在该螺旋流道中流过时将使球形清洗除垢元件产生快速旋转。本实施例的球状元件的旋转轴线为四个螺旋叶片的对称中心线。本实施例的有益效果与前述的区别是采用不同结构加强其连接强度。
本实施例的旋转轴向两端是两个实心短柱体20，还可以是旋转轴向的中间为一个实心小柱体22(如图12所示)或旋转轴向的中间为一实心小球体23(如图13所示)。
实施例5如图14所示，本实施例包括一中空圆柱体24，中空圆柱体24的轴线即为球状元件的旋转轴线，在中空圆柱体24的外侧周向均匀设置有八个螺旋叶片25，外螺旋叶片25的螺旋角β为30°，在中空圆柱体24的内侧周向均匀设置有四个内螺旋叶片或肋片26，内螺旋叶片或肋片26的螺旋角β为15°，外螺旋叶片25与中空圆柱体24的最大外轮廓为球形的球状元件，在八个外螺旋叶片25之间形成了八个螺旋空间即螺旋流体通道，在四个内螺旋叶片26之间形成了四个内螺旋空间即螺旋流体通道，流体在该螺旋流道中流过时，将使球状元件产生快速旋转。
实施例6如图15所示，本实施例包括一实心圆柱体27，实心圆柱体27的轴线即为球状元件的旋转轴线，在实心圆柱体27的周向均匀设置有四个螺旋叶片28，螺旋叶片28的螺旋角β为45°，在螺旋叶片28的边缘连接有环形球壳29，在环形球壳29的外侧设置有倾斜肋片30，倾斜肋片的倾斜角为30°。螺旋叶片28与实心圆柱体27为一次成型连接，倾斜肋片30与环形球壳29为一次成型连接，螺旋叶片28和环形球壳29的连接方法为粘接或胀紧。本实施例实心圆柱体27和螺旋叶片28为塑料制品，四个内螺旋叶片28将球形空间分隔为四个内螺旋流道，环形球壳29和倾斜肋片30为橡胶制品，在环形球壳29外的倾斜肋片30的主要作用是增强清洗效果。在本实施例中，流体在内螺旋槽道中流过时，将使球状元件产生快速旋转。本实施例为不同材料制作，也可为同种材料制作。
本实施例中，环形球壳29的外侧还可以设置为直肋片31(如图16所示)、菱形凸起32或其它结构的凸起(如图17所示)、或倾斜排列的毛刷33(如图18所示)等。在环形球壳29的外侧设置的倾斜肋片、直肋片、菱形凸起、倾斜排列的毛刷是与环形球壳29一次加工成型的，还可以是粘接的方式固定连接。
实施例7如图19、图20所示，本实施例包括一中空球体34，中空球体34内部为一端封闭的圆柱型腔体，圆柱型腔体的轴线即为该球状元件的旋转轴线，其腔体另一端设置有端盖35，在中空球体34外开有四个倾斜槽36，形成四个不等厚螺旋肋片37，在中空球体34外壳表面设置有微槽纹38，倾斜槽36的倾斜角β为45°，在四个不等厚螺旋肋片37之间形成了四个螺旋空间即螺旋流体通道，流体在倾斜槽道中流过时，将使球状元件产生快速旋转，本实施例球体是一次成型制作的。
本实施例的中空球体内部还可以是圆型腔体39，圆型腔体内可以填充多孔材料等填充材料(如图21、图22所示)。
本发明的制作材料为非泡沫高分子材料(如塑料、橡胶等)及其复合材料，浸没时结构尺寸稳定，浸没变形不大于2％，而且其浸没外径的改变的一致性也明显优于目前使用的多微孔柔软弹性胶球，因而可以采用更为准确和稳定尺寸的球形元件，而不会像目前使用的多微孔柔软弹性胶球那样因浸没膨胀不均或过胀而出现堵管现象，或者因浸没膨胀不足而出现清洗除垢效果较差的现象。即使在管壁存在污垢突起，该旋转清洗除垢球在刮擦管壁的污垢突起的同时，使较高的污垢突起在该旋转清洗除垢球的螺旋/倾斜流道间通过而不会产生堵管现象，而经旋转清洗除垢球多次的刮擦，将使换热管内较高突起的污垢被逐渐清除。
本发明的制作材料为非泡沫高分子材料(如塑料、橡胶等)及其复合材料，浸没时密度稳定，浸没密度变化不大于5％，而且其浸没密度的变化的一致性也明显优于目前使用的多微孔柔软弹性胶球；同时，该清洗除垢元件可根据使用需要设置密度调节腔体体，使其湿态表观密度与输送流体的密度非常相近，且球状元件的密度稳定，一般球状元件的密度与输送流体密度接近且相差不大于10％，因而不会像海绵状胶球因密度差较大的原因而出现大量滞留在管程内的流动死区和涡流区。
以上尽管公开了若干实施例，清洗除垢元件的结构及材料还是可以变化的，本发明不应受到上述各实施例的限制，凡根据本发明原理进行的等效变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于它包括一球状元件，所述球状元件具有若干与中心旋转轴线成螺旋或倾斜的流道，所述流道是由螺旋或倾斜的凸起将所述球状元件的球形空间分隔而成；所述球状元件的外径因浸没而产生的改变不大于2％，球状元件的密度因浸没而产生的变化不大于5％，球状元件的密度与输送的流体密度误差不大于10％。
2.如权利要求1所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述球状元件的最大外轮廓呈球形、椭球形、近似球形和近似椭球形中的一种。
3.如权利要求1所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述螺旋或倾斜的凸起为螺旋状或倾斜状叶片、螺旋状或倾斜状肋片、螺旋状排列的毛刷中的至少一种或一种以上的结合。
4.如权利要求2所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述螺旋或倾斜的凸起为螺旋状或倾斜状叶片、螺旋状或倾斜状肋片、螺旋状排列的毛刷中的至少一种或一种以上的结合。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述凸起的螺旋角或倾斜角为10°～80°，所述流道为左旋或左倾和右旋或右倾中的一种。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述球状元件内设置有调节球状元件密度的调节腔体，所述调节腔体内设置有用于调节球状元件密度的介质。
7.如权利要求5所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述球状元件内设置有调节球状元件密度的调节腔体，所述调节腔体内设置有用于调节球状元件密度的介质。
8.如权利要求1所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述最大外轮廓为非光滑表面，所述非光滑表面为微细条状、网状、突起、凹陷中的一种
9.如权利要求2所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述最大外轮廓为非光滑表面，所述非光滑表面为微细条状、网状、突起、凹陷中的一种。
10.如权利要求1～9所述的一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于所述球状元件的材料为非泡沫高分子材料和非泡沫高分子复合材料中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种换热管在线清洗除垢元件，其特征在于它包括一球状元件，所述球状元件具有若干与中心旋转轴线成螺旋或倾斜的流道，所述流道是由螺旋或倾斜的凸起将所述球状元件的球形空间分隔而成；所述球状元件的外径因浸没而产生的改变不大于2％，球状元件的密度因浸没而产生的变化不大于5％，球状元件的密度与输送的流体密度误差不大于10％。本发明的清洗除垢元件的最大外轮廓呈球形或椭球形以及近似球形或椭球形，具有与某旋转轴线螺旋或倾斜的流道，流体在其螺旋或倾斜的流道中通过时，使在待清洗除垢的换热管内处于自由状态的球状元件产生快速旋转，因而具有清洗除垢效果好、流动阻力小、不易于堵塞换热管的特点。
文档编号F28G1/00GK101033929SQ200710098489
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月18日 优先权日2007年4月18日
发明者孟继安 申请人:清华大学