CN101813437B - 一种单元组合式强化传热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种单元组合式强化传热装置涉及一种利用传热管内流体作为动力的单元式强化传热装置领域，它包括转子、支撑架、套轴和连接轴线，支撑架固定在传热管的两端，连接轴线的两端分别固定在支撑架上，套轴中心为通孔，数个套轴穿装于连接轴线上，转子穿装于套轴上，一个或多个转子与一个套轴配套。转子由扰流旋叶、合页铰链结构、尾部螺旋驱动桨叶组成。本技术方案中管内流体通过尾部螺旋驱动桨叶驱动转子以合适的速度旋转从而对污垢沉积具有抑制和清扫作用，扰流旋叶平直部分与尾部螺旋驱动桨叶长度的比例可以灵活多变，根据实际应用需要，还可以在边缘薄片上设置突起，进一步扰动流体流动从而增进传热与自清洁的效果。
Description
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传热管内防污垢和强化传热的内插元件，特别是涉及一种利用传热管内流体作为动力的单元式强化传热装置领域。
背景技术
在石油化工、电力、冶金、造纸、食品等诸多领域都要应用到大量的管壳式换热器，如冷凝器、蒸发器等。这些换热器在生产过程中，由于管壁附近的区域的滞留边界层较厚，影响换热效率，加之在换热面表面普遍存在的污垢，使得传热效率大幅降低，能耗显著增高。为此，通常需要采取停产清洗的被动措施，大大降低了生产效率。ZL95236063公开了实用新型名称为“转子式自清洁强化传热装置”的专利申请，该装置由固定架、转子、柔性轴和支撑管构成，两固定架分别固定在传热管的两端；转子的外表有螺棱，转子上有中心孔；支撑管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。这种装置具有自动在线预防结垢、清洗和转子扰流强化传热的功能。流体在传热管内顺流或逆流的情况下，均有阻垢和强化传热的作用。但是，由于其结构为连续的螺棱设计方案，工作介质在传热管内流动时，在流量一定的工作状态下，转子的旋转速度是由螺棱的螺旋升角所决定的，螺旋升角越小，即螺棱导程越短，则转子旋转速度越快，但同时其流动阻力也随之增加。当转子旋转速度较高，例如在200转/分以上时，传热管内流体则在螺棱的扰动下造成紊流，强化传热效果显著，但是，流动阻力增加问题也十分突出，经过水流量试验表明，在长度为8米、直径为23毫米的传热管中，采用导程为100毫米的三棱转子的传热管与光管对比，由于通流面积减小在相同功率的泵送条件下，流量减少30％以上。虽然通过在螺棱上开孔的办法可使流阻增大的问题得到一定程度的缓解，但是给成型加工带来模具结构复杂化、制造成本增加、使用寿命减短等一系列问题。
发明内容
本发明的目的是设计一种单元组合式强化传热装置，在保持自清洁强化传热性能的同时，能够显著地降低管内介质的流动阻力、减小磨耗，延长转子的使用寿命，并提高转子工作转速的可控性。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种单元组合式强化传热装置包括转子、支撑架、套轴和连接轴线，支撑架固定在传热管的两端，连接轴线的两端分别固定在支撑架上，套轴中心为通孔，数个套轴穿装于连接轴线上，所述转子穿装于套轴上，一个或多个转子与一个套轴配套。
转子由扰流旋叶、合页铰链结构、尾部螺旋驱动桨叶组成，扰流旋叶为单棱、两棱或多棱，尾部螺旋驱动桨叶有平滑过渡的斜面，扰流旋叶的头部(迎流面)边缘为圆弧结构或倒角或流线形结构。
转子扰流旋叶可以是平直薄片、或者是波纹状扰流结构，也可以是中空线框结构，或弹簧状螺旋线。
转子的扰流旋叶或尾部螺旋驱动桨叶可以设置突起、凹槽或者通孔镂空。
套轴端部设置有同轴结构，套轴之间头尾相接，转子穿装其上，套轴的同轴结构是圆锥方式，还可以是球窝方式、万向节方式或者卡扣方式，头尾连接处还可设置止转结构。
转子与套轴大头端面结合端面设有液膜自润滑结构。
所述转子与套轴组合可以首尾相连整串式穿装于连接轴线上，也可以通过限位件分成转子数量相同或不同的若干组，使转子旋转速度均匀。转子与套轴组合穿装于连接轴线上，连接轴线可以是刚性的圆棒，也可以是柔性的软绳。
所述转子是由陶瓷、金属或者是由高分子材料或者复合材料制作。
本发明涉及的传热管内自清洁强化传热的转子套轴组合，其单个零部件的长度、旋转外圆直径和尾部螺旋驱动桨叶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。
本发明的有益效果是：1、管内流体通过转子的尾部螺旋驱动桨叶驱动转子以合适的速度绕连接轴线发生与套轴相对旋转运动，从而对污垢沉积具有抑制和清扫作用，同时，管内流动介质在转子扰流旋叶的导流和扰动作用下形成有利于强化传热的流动状态；2、扰流旋叶的平直部分对流体的流通没有阻力，转子在传热管内所占据的空间小、传热管轴向的流通面积大、阻塞率低，流动阻力小，不与连接轴线直接接触从而磨损小；3、相邻的转子通过套轴配合，减小了转子之间的摩擦作用，而转子和套轴的配合则有滑动轴承结构，在摩擦面上的液膜自润滑结构形成液膜，减小摩擦，也减少了工作过程中流动介质的动能损耗，并且可以显著提高转子的使用寿命。4、在轴向力较小的情况，可以减少甚至取消限位件，进一步减小磨耗，在降低制造成本的同时还大幅度提高了使用性能。
本发明一种单元组合式强化传热装置，根据传热管长度，用连接轴线或连接结构将若干个套轴串联在一起，转子一一对应地穿装于套轴之上贯穿到传热管内，利用设置在传热管端部的支撑架固定在传热管的两端，在流体作用下通过转子尾部螺旋驱动桨叶，使转子产生旋转，从而对传热管内壁粘附物进行清扫；对管内介质流场进行扰动，形成有利于强化传热的紊流。扰流旋叶平直部分与尾部螺旋驱动桨叶长度的比例可以灵活多变，根据实际应用需要，还可以在边缘薄片上设置突起，进一步扰动流体流动从而增进传热与自清洁的效果。
附图说明
图1为本发明一种单元组合式强化传热装置结构示意图；
图2为转子和套轴装配图；
图3为本发明一种单元组合式强化传热装置的转子的立体结构图。
图4为图3所示转子的主视图。
图5为图3所示转子的右视图。
图6为图3所示转子的俯视图。
图7为套轴的结构示意图。
图8为转子扰流旋叶设置突起的示意图。
图9为转子扰流旋叶设置通孔的示意图。
图10为设置止转结构的套轴；
图11为图10所示轴套的左视图。
图中，1合页铰链结构、2扰流旋叶、3尾部螺旋驱动桨叶、4液膜自润滑结构、5凹台、6套轴、7突起、8支撑架、9传热管、10连接轴线、11转子。
具体实施方式
如图1～图3所示，本发明涉及的一种单元组合式强化传热装置的一种实施例，它包括转子11、套轴6、支撑架8和连接轴线10，支撑架8固定在传热管9的两端，连接轴线10的两端分别固定在支撑架8上，若干个套轴6穿装在两个支撑架8间的连接轴线10上，所述转子11一一对应地穿装与套轴6之上贯穿到传热管9内，所述转子11由合页铰链结构1、扰流旋叶2、尾部螺旋驱动桨叶3组成，所述合页铰链结构1中间部分镂空，尾部有平滑过渡的斜面，合页铰链结构1周边为扰流旋叶2，扰流旋叶2前端倒角，后端过渡为尾部螺旋驱动桨叶3，见图4～图6所示。所述扰流旋叶2表面上可设置突起7，见图8～图9所示。
套轴6的两端设置有同轴结构，本实施例中的同轴结构，是在每个套轴6的头部设置锥形凹台5，见图7所示。数个穿装在两个支撑架8之间连接轴线10上的套轴6，其尾部与头部的凹台5相结合；同轴结构的目的是使相邻转子11在工作时保持同轴，同时具有适应传热管9弯曲的柔性连接结构，除圆锥结构外，还有球窝结构，万向节结构、卡扣结构等，对于转子11运行同轴性不高的场合也可以是简单的平面结构，头尾连接处还可设置止转结构，见图10～图11。转子11与套轴6大头端面结合端面设有液膜自润滑结构4，见图2～图5及图7～图8所示。
本发明中转子11的外径略小于传热管9的内径，转子11的中心孔内径略大于连接轴线10的外径，管内流体通过尾部螺旋驱动桨叶3驱动转子11以合适的速度旋转从而对污垢沉积具有抑制和清扫作用，扰流旋叶2同时对传热管9内流体具有扰动作用，强化对流传热；转子11在传热管9内所占据的空间小，传热管9轴向的流通面积大、阻塞率低，流动阻力小，在相同的工作转速下，转子11间的轴向推力减小，转子11间摩擦作用减轻，从而减少了工作过程中的流动介质的动能损耗，并且显著提高转子11的使用寿命。
Claims (7)
1.一种单元组合式强化传热装置，其特征在于：它包括转子、套轴、支撑架和连接轴线，支撑架固定在传热管的两端，连接轴线的两端分别固定在支撑架上，套轴中心为通孔，数个套轴穿装于连接轴线上，转子穿装于套轴上，一个或多个转子与一个套轴配套，转子由扰流旋叶、合页铰链结构、尾部螺旋驱动桨叶组成，扰流旋叶为单棱、两棱或多棱，尾部螺旋驱动桨叶有平滑过渡的斜面，扰流旋叶的头部边缘为流线形结构。
2.根据权利要求1所述的一种单元组合式强化传热装置，其特征在于：转子扰流旋叶是平直薄片、或者是波纹状扰流结构，或是中空线框结构，或弹簧状螺旋线。
3.根据权利要求1所述的一种单元组合式强化传热装置，其特征在于：转子的扰流旋叶或尾部螺旋驱动桨叶设置突起、凹槽或者通孔镂空。
4.根据权利要求1所述的一种单元组合式强化传热装置，其特征在于：套轴端部设置有同轴结构，套轴之间头尾相接，转子穿装其上，套轴的同轴结构是圆锥方式、球窝方式、万向节方式或者卡扣方式，头尾连接处设置止转结构。
5.根据权利要求1所述的一种单元组合式强化传热装置，其特征在于：所述转子与套轴组合为首尾相连整串式穿装于连接轴线上，或通过限位件分成转子数量相同或不同的若干组。
6.根据权利要求1所述的一种单元组合式强化传热装置，其特征在于：所述转子与套轴组合穿装于连接轴线上，连接轴线是刚性的圆棒，或是柔性的软绳。
7.根据权利要求1所述的一种单元组合式强化传热装置，其特征在于：
所述转子是由陶瓷、金属或者是由高分子材料或者复合材料制作。
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