换热管内强化换热梭形转子的制作方法
【技术领域】
[0001]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垢除垢的内插元件，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梭形转子。
【背景技术】
[0002]能源作为我国国民经济发展的重要命脉，其同时存在供应紧张和利用效率低的问题，因此，节能减排对于我国经济可持续发展至关重要。管壳式换热器广泛应用在火电、核电、石油、化工、冶金、食品、轻工、船舶动力和航空航天等领域，但是管壳式换热器普遍存在传热管道内壁积污结垢的问题，导致管内换热效率大幅度降低，使传热性能降低，同时流体输送阻力增大，甚至管内严重堵塞无法使用。传统的处理方法是停产清洗，不仅耽搁了工厂的生产进度，还需要支付昂贵的清洗费用。因此，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办法和装置，其最大优点是不仅适用于新型换热器的制造，也适合于旧换热器的改造，且加工制造方便。
[0003]近年来出现了许多强化换热及防垢除垢的方法和装置，中国专利申请号为ZL95236063.2公开了发明名称为“传热管内除垢防垢的清洗装置”的发明创造，中国专利申请号为CN1424554公开了发明名称为“扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置”的发明创造，这些装置主要包括有螺旋纽带、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。这些装置对强化换热及防垢除垢起到一定的作用，但同时也存在以下不足:(I)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。中国专利号为ZL200520127121.9，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。在管内流体作用下，转子绕柔性轴转动，转子叶片对管壁产生轻微的刮擦，起到防垢除垢的作用，另外，转子转动对管内流体进行扰动，增强流体湍流程度，进而起到强化换热的作用。以上所述转子对流体的扰动程度有限，转子的旋转速度是由螺棱的螺旋升角决定的，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。为解决此问题，中国专利申请号200910077378.0，发明名称为“一种单元组合式强化传热装置”，该装置由转子、支撑架、套轴和连接轴线构成，支撑架固定在传热管两端，连接轴线的两端分别固定在支撑架上，多个转子穿装在连接轴线上，转子由扰流旋叶、合页铰链结构、尾部螺旋驱动桨叶组成，该结构能够显著降低管内流体的流动阻力、减小磨耗，延长转子的使用寿命，但该结构转子不能更好的抑制结垢，传热效率以及在线清洗效果未达到最佳。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是设计一种新结构的转子，该转子从换热管轴向方向看为梭形结构，其叶片呈现螺旋渐变状，整体表面积较小，能够大幅度降低管内介质的流动阻力，节省制作成本且便于安装，具有自动在线防垢除垢和强化传热双重功能。
[0005]为达到上述目的，本发明提出的技术方案是:换热管内强化换热梭形转子，其特征在于:主要部件包括空心轴和螺旋叶片；该转子从换热管轴向看为梭形结构，所述的空心轴由两段组成，空心轴上设置有两个或多个的螺旋叶片，螺旋叶片沿空心轴的周向等分排列；螺旋叶片表面光滑，螺旋叶片与空心轴外表面相交，螺旋叶片外径略小于换热管内径；螺旋叶片的厚度保持一定，宽度呈渐变形状，在靠近空心轴时宽度最大，然后逐渐减少；本发明的转子在换热管内所占据的空间小，流动阻力小，结构简单，换热管内流体垂直于螺旋叶片径向的作用力使转子绕空心轴旋转，增强了流体的湍流强度，破坏了近壁区域流体的流动状态，减薄了边界层厚度，并对管壁起到轻微刮削作用，达到强化传热和防垢除垢的目的。
[0006]本发明所述的换热管内强化换热梭形转子，其特征在于，所述的螺旋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而成。
[0007]本发明所述的换热管内强化换热梭形转子，其特征在于，空心轴两端有同轴结构，每个转子的空心轴的头部和前一个转子的空心轴的尾部对中并配合，同轴结构可以是窝球、万向节或卡扣。
[0008]本发明所述的换热管内强化换热梭形转子，其特征在于，螺旋叶片在轴向截面上投影是椭圆弧或圆弧曲线，螺旋叶片根部与空心轴外表面相交。
[0009]本发明所述的换热管内强化换热梭形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。
[0010]本发明的有益效果是:1、所发明的转子整体表面积较小，在换热管内所占据的空间小，节省制作成本且有利于安装，流动阻力小，更有利于防污除垢与强化传热；2、转子在换热管内流体作用下转动，流体形成三维螺旋型流动状态，增强了流体的湍流程度，更有利于强化传热；3、转子的螺旋叶片在旋转过程中对换热管内壁起到轻微刮削作用，减薄了流体边界层的厚度，对管壁处流体的流动状态造成破坏，对换热管内壁污垢进行清除，同时减少了污垢在换热管内壁的沉积，有利于延长整个装置的使用周期，减少清洗频率。
[0011]本发明涉及的换热管内强化换热梭形转子，其单个转子的长度、旋转外圆直径和螺旋叶片所倾斜的角度等参数，可根据传热管内径、管内介质流速等工作条件和制造成本等情况来确定，相邻转子之间既可以采取同步旋转的连接方式，也可以采用各自独立旋转的结构。
【附图说明】
[0012]图1为本发明换热管内强化换热梭形转子结构示意图。
[0013]图2为图1俯视图。
[0014]图3为本发明换热管内强化换热梭形转子结构三维示意图。
[0015]图4为本发明换热管内强化换热梭形转子安装结构示意图。
[0016]图中，1-空心轴、2-螺旋叶片、3-换热管、4-支撑架、5-连接轴线、6-凸台、7-凹槽、8-限位件。
【具体实施方式】
[0017]本发明涉及的换热管内强化换热梭形转子的一种实施方法，如图4所示，强化传热装置包括梭形转子、限位件8、换热管3、支撑架4和连接轴线5，连接轴线5将若干转子串联在一起，多个转子可由限位件8分为几组转子串，支撑架4固定在换热管3两端，连接轴线5的两端分别固定在支撑架4上，本发明的转子由若干螺旋叶片2固定在空心轴I表面上组成的。两个相邻转子中，一个转子的空心轴I头部的凸台6与另一个转子空心轴I尾部的凹槽7相结合，从而起到连接和调整使之同轴的作用，同轴结构可以是球窝、万向节和卡扣等结构，对于转子运行同轴性不高的场合也可以是简单的平面结构。
[0018]本发明换热管内强化换热梭形转子，如图1至图3所示，转子的空心轴I截面形状为空心圆柱形；图1为本发明换热管内强化换热梭形转子结构示意图，空心轴I上有两个螺旋叶片2，两个螺旋叶片2在空心轴I表面周向等分排列分布；图2为本发明换热管内强化换热梭形转子结构俯视图，螺旋叶片2的宽度在靠近空心轴I时最大，然后逐渐减小；图3为本发明换热管内强化换热梭形转子三维示意图。
[0019]本发明中，换热管3内的流体在流动过程中对转子产生轴向力和转动力矩，从而推动转子转动，流体形成三维螺旋型流动状态，加剧了流体的湍流强度，破坏靠近管壁的流体的流动状态，减薄了边界层厚度，并对管壁起到了轻微刮削作用，由此达到强化传热和防垢除垢的目的。此外，通过去除螺旋叶片2之间的空心轴段或者减小此空心轴端的直径可以节省材料和加工成本。
【主权项】
1.换热管内强化换热梭形转子，其特征在于:主要部件包括空心轴和螺旋叶片；该转子从换热管轴向看为梭形结构，所述的空心轴由两段组成，空心轴上设置有两个或多个的螺旋叶片，螺旋叶片沿空心轴的周向等分排列；螺旋叶片表面光滑，螺旋叶片与空心轴外表面相交，螺旋叶片外径略小于换热管内径；螺旋叶片的厚度保持一定，宽度呈渐变形状，在靠近空心轴时宽度最大，然后逐渐减少。2.根据权利要求1所述的换热管内强化换热梭形转子，其特征在于，所述的螺旋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而成。3.根据权利要求1所述的换热管内强化换热梭形转子，其特征在于，空心轴两端有同轴结构，每个转子的空心轴的头部和前一个转子的空心轴的尾部对中并配合，同轴结构可以是窝球、万向节或卡扣。4.根据权利要求1所述的换热管内强化换热梭形转子，其特征在于，螺旋叶片在换热管轴向截面上投影是椭圆弧或圆弧曲线，螺旋叶片根部与空心轴外表面相交。
【专利摘要】本发明涉及换热管内强化换热梭形转子，主要部件包括空心轴和螺旋叶片；该转子从换热管轴向看为梭形结构，所述的空心轴由两段组成，空心轴上设置有两个或多个的螺旋叶片，螺旋叶片沿空心轴的周向等分排列；螺旋叶片表面光滑，螺旋叶片与空心轴外表面相交，螺旋叶片外径略小于换热管内径；螺旋叶片的厚度保持一定，宽度呈渐变形状，在靠近空心轴时宽度最大，然后逐渐减少；本发明的转子在换热管内所占据的空间小，流动阻力小，结构简单，换热管内流体垂直于螺旋叶片径向的作用力使转子绕空心轴旋转，增强了流体的湍流强度，破坏了近壁区域流体的流动状态，减薄了边界层厚度，并对管壁起到轻微刮削作用，达到强化传热和防垢除垢的目的。
【IPC分类】F28F19/00, F28F13/12, F28G3/00
【公开号】CN105135933
【申请号】CN201510656181
【发明人】王定标, 张灿灿, 韩勇, 向飒, 张欢, 许阳阳, 廉鼎元, 夏文娟, 王雪东, 王光辉
【申请人】郑州大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年10月12日