CN102116594B - 换热管内径向非对称叶片组合式转子 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种换热管内径向非对称叶片组合式转子，它由空心轴、主叶片和辅叶片构成，主叶片和辅叶片固定于空心轴外表面上，空心轴轴心到转子的主叶片的外缘的尺寸与换热管内半径相等，空心轴轴心到转子的辅叶片的外缘距离小于空心轴轴心到转子的主叶片的外缘距离，转子与挂件、转轴安装于换热管内，挂件固定在换热管的两端，转轴的两端分别通过挂件进行轴向固定，转子通过其空心轴装穿在转轴上。本发明中，换热管内流体通过推动主叶片和辅叶片，主叶片主要起到破坏换热管内壁的层流层的作用，强化传热和防垢除垢，辅叶片主要是扰动换热管内中心流体的作用，辅叶片径向尺寸减小，有利于流体的流动，有利于转子的安装，节省材料和安装成本。
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换热管内强化传热和防垢除垢的内插元件，特别涉及一种利用换热管内传热流体作为动力的自清洁强化传热的转子。
背景技术
21世纪当代社会中，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，但在这些换热管中内壁普遍存在层积污垢，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；换热管内污垢会严重降低传热效率而引起重大能源浪费，与此同时污垢一般具有腐蚀性，管壁会因此腐蚀，如果泄露流体会造成重大的安全隐患，因此在传统上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，螺旋纽带中国专利号为：ZL95236063.2，专利名称为“传热管内除垢防垢的清洗装置”，该专利的技术方案由换热管内装有与换热管大体相等长度的纽带构成，纽带的径向尺寸小于换热管的内径，在换热管进液口处设置有轴向固定架，其中间部位有进液孔，轴向固定架的头部有一个轴孔，其内装有销轴，销轴尾部并与纽带相连接；专利名称为“双扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置”，中国专利申请公开号为CN1424554，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，纽带的径向尺寸小于传热管的内径。综合分析，螺旋纽带有以下主要不足：(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ZL200520127121.9，公开了名称为“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。但是其在一定流体通过时，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过快，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200620172805.5，专利名称为“传热管内自清洁强化传热的低流阻转子”，该装置是由转子、支撑架和连接轴线构成，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，转子是由空心轴和叶片构成，每个叶片与空心轴成同样的倾斜状，相邻叶片首尾相接，该结构对流体阻力减小，流体通过性能好，但其转动速度较高，转子轴向力叠加对挂件及轴线的作用力较大，转轴寿命会降低，以上叙述的转子叶片的排列是均匀分布在空心轴上的，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。
发明内容
本发明的目的是设计一种新结构的转子，采用了径向非对称叶片组合式转子，在保证转子方便安装到换热管内的同时大大提高转子的强化传热和防垢除垢性能。
本发明为解决上述问题采用的技术方案是：换热管内径向非对称叶片组合式转子，转子是由空心轴、主叶片和辅叶片构成的，主叶片和辅叶片固定于空心轴外表面上，空心轴轴心到转子的主叶片的外缘的尺寸与换热管内半径相等，空心轴轴心到转子的辅叶片的外缘距离小于空心轴轴心到转子的主叶片的外缘距离，主叶片能更好地破坏换热管内层流边界层，起到加强防垢除垢和强化传热的效果，同时可以改变辅叶片的螺旋角、径向宽度和轴向长度来改变流体对转子的旋转动力矩，保证转子顺畅地旋转。转子与挂件、转轴安装于换热管内，挂件固定在换热管的两端，转轴的两端分别通过挂件进行轴向固定，转子通过其空心轴装穿在转轴上，转子的辅叶片用于提供转子旋转的主要扭转动力，转子的主叶片的旋转使边界层减薄，增强传热效果。由于辅叶片的旋转半径小，尽管主叶片外径表面尽量与换热管内径表面接近，主叶片和辅叶片在空心轴上的组合方式满足转子方便安装到换热管内，转子穿装入换热管仍较容易。
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，主叶片和/或辅叶片上可以设置透空结构，例如主叶片上设置有长方形的透空结构，而辅叶片上没有设置透空结构，或者主叶片和辅叶片都设置透空结构，只是主叶片的透空结构的尺寸大于辅叶片的透空结构的尺寸，这样可以减小甚至可以消除转子的动不平衡特性，以及减小叶片对流体的流动阻力，节约能源，同时还可以节省材料。
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同轴结构，两个相邻的转子其中一个的空心轴尾部和另一个空心轴的头部相结合。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。
转子的主叶片、辅叶片和/或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。
转子的主叶片、辅叶片与空心轴可以成型为一个整体；或者主叶片、辅叶片、空心轴分别成型，主叶片、辅叶片采用粘接、焊接、铆接、螺纹连接的方法固定在空心轴上。
本发明涉及的换热管内径向非对称叶片组合式转子，主叶片和辅叶片的轴向长度、螺旋升角和旋转外圆直径等参数，可以根据换热管内径、管内的介质流速和稳定等工作条件以及制造加工成本等来确定，相邻转子之间可以采取同步旋转或者是独立旋转结构。
本发明的有益效果是：1、所发明的转子空心轴上设置有径向非对称的叶片，可以通过调节主叶片和辅叶片的组合方式，保证转子的外径小，有利于安装；2、转子上的主叶片旋转外径接近换热管内径，可以有效地加强转子防垢除垢和强化传热的效果；3、转子上的辅叶片起到扰动换热管内中心流体的作用，同时可以改变辅叶片的螺旋角、径向宽度和轴向长度来改变流体对转子的旋转动力矩，在主叶片径向尺寸与换热管内径相差较小时，还能保证转子顺畅地旋转；4、辅叶片的径向尺寸减小，加大了流体的流通性能，节约了转子材料，节省成本。
本发明转子安装在换热管内，根据具体的换热管长度，用转轴将数个转子串联在一起，穿在换热管内，同时利用固定在换热管端部的挂件在换热管两端对转轴进行轴向固定，当流体流过叶片时，对转子有垂直于径向的切向力，使转子绕转轴旋转，转子就会对换热管内壁起到防垢除垢的效果；转子空心轴上设置有主叶片和辅叶片，主叶片旋转半径较大，对换热管内管壁层流层的扰动作用更大，强化传热的效果更为明显，同时辅叶片旋转半径小，便于转子的安装，也可以为主叶片的旋转提供动力。还可以根据实际需要，在叶片上设置透空结构，减小转子的动不平衡，节省转子的材料和加工成本，进一步降低流体流动的阻力。
附图说明
图1是本发明换热管内径向非对称叶片组合式转子——两叶式结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明换热管内径向非对称叶片组合式转子——三叶式转子(主叶片-辅叶片-主叶片)三维结构示意图。
图4是本发明换热管内径向非对称叶片组合式转子——三叶式转子(主叶片-辅叶片-辅叶片)三维结构示意图。
图5是本发明换热管内径向非对称叶片组合式转子——四叶式转子三维结构示意图。
图6是本发明换热管内径向非对称叶片组合式转子两叶式透空结构转子示意图。
图7是本发明换热管内径向非对称叶片组合式转子安装结构示意图。
图中，1-主叶片、2-辅叶片、3-空心轴、4-球窝凸台、5-球窝凹台、6-透空、7-同轴结构、8-换热管、9-挂件、10-转轴。
具体实施方式
本发明一种换热管内径向非对称叶片组合式转子安装使用的一个实施例子如图7所示，强化传热装置包括转子、换热管8、挂件9和转轴10，数个转子穿装在两个挂件9间的转轴10上，挂件9固定在换热管8两端，转轴10的两端分别固定在挂件9上，转子是由径向尺寸不同的主叶片1和辅叶片2组合固定在空心轴3表面上的。
本实施例中转子的空心轴3截面形状为空心圆柱形，如图1至图6所示；转子的空心轴3上有一个主叶片1和辅叶片2的两叶式转子，如图1和图2所示；空心轴上主叶片1和辅叶片2的数量不等的组合式三叶转子，如图3和图4所示；图5所示是一种四叶式转子结构示意图；图6所示是叶片上设置有透空结构的两叶式转子三维结构示意图。转子的空心轴3两端设置有同轴结构7，本实例中同轴结构7是在每个空心轴3的头部和尾部分别设置有球窝凸台4和球窝凹台5，数个转子穿装在两个挂件9之间的转轴10上，其转子的空心轴3两端设置有球窝凸台4和球窝凹台5，两个相邻转子空心轴3头部球窝凸台4和另一个球窝凹台5相结合；同轴结构7的目的是使相邻转子在工作时保持同轴，同时具有适应换热管8弯曲的柔性连接结构，除了球窝结构外，还可以圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式，同轴度要求不高时可以直接采用平面结构。
本发明中，换热管8内流体通过推动主叶片1和辅叶片2，主叶片1主要起到破坏换热管8内壁的层流层的作用，强化传热和防垢除垢，辅叶片2主要是扰动换热管内中心流体的作用，主叶片1和辅叶片2组合固定在转子空心轴上，同时可以通过改变辅叶片的螺旋角、径向尺寸和轴向长度来改变流体对转子的旋转动力矩，保证转子顺畅地旋转，辅叶片径向尺寸减小，有利于流体的流动，有利于转子的安装，节省材料和安装成本。
Claims (5)
1.换热管内径向非对称叶片组合式转子，其特征在于：它由空心轴、主叶片和辅叶片构成，主叶片和辅叶片固定于空心轴外表面上，空心轴轴心到转子的主叶片的外缘的尺寸与换热管内半径相等，空心轴轴心到转子的辅叶片的外缘距离小于空心轴轴心到转子的主叶片的外缘距离，转子与挂件、转轴安装于换热管内，挂件固定在换热管的两端，转轴的两端分别通过挂件进行轴向固定，转子通过其空心轴装穿在转轴上。
2.根据权利要求1所述的换热管内径向非对称叶片组合式转子，其特征在于：主叶片和/或辅叶片上设置透空结构。
3.根据权利要求1所述的换热管内径向非对称叶片组合式转子，其特征在于：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同轴结构，两个相邻的转子其中一个的空心轴尾部和另一个的空心轴的头部相结合。
4.根据权利要求1所述的换热管内径向非对称叶片组合式转子，其特征在于：转子的主叶片、辅叶片和/或空心轴是由高分子材料、金属或者陶瓷材料制作的。
5.根据权利要求1所述的换热管内径向非对称叶片组合式转子，其特征在于：转子的主叶片、辅叶片与空心轴成型为一个整体；或者主叶片、辅叶片、空心轴分别成型，主叶片、辅叶片采用粘接、焊接、铆接、螺纹连接的方法固定在空心轴上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121212 |