CN102645120A

CN102645120A - 换热管内低驱动扰流转子

Info

Publication number: CN102645120A
Application number: CN2012101449822A
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 张震; 阎华�; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明涉及一种换热管内低驱动扰流转子，主要由空心轴、驱动叶片和扰流叶片构成，两组驱动叶片位于空心轴的两端，驱动叶片外径小于换热管内径，驱动叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状；扰流叶片位于前后两组驱动叶片之间，扰流叶片边缘距离空心轴中心线最大距离小于换热管内径，扰流叶片表面光滑，扰流叶片横截面为菱形或多边形，扰流叶片横截面路径为直线或螺旋线。本发明的转子的整体表面积减小，扰流叶片在轴向长度上远大于驱动叶片，既节省了材料，节约了成本，对流体造成的阻挡大大减小，因而成为低驱动力扰流转子，扰流叶片转动能够破坏管壁处流体的流动状态，减薄边界层厚度，并对管壁起到轻微刮削作用，从而达到强化传热及防垢除垢的目的。

Description

换热管内低驱动扰流转子

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低能耗高效率的低驱动扰流转子。

背景技术

自从20世纪70年代石油危机爆发以来，以能源为中心的环境、生态和社会经济问题日益加剧。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，管壁会因此遭受严重腐蚀，导致流体泄露产生重大安全隐患。世界各国充分认识到节能的重要意义，能源的合理利用也已成为当今世界各国实现工业良性发展急需解决的问题，为此，各种节能技术如雨后春笋般竞相出现。管内插入物技术是一项较为方便的强化传热技术，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，且该技术有助于清除管内污垢，这是其他强化传热技术所无法比拟的。

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实现在线自动除垢的方法，螺旋纽带中国专利申请号为：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，扭曲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，扭曲带的径向尺寸小于传热管的内径。之后中国专利号为ZL200520127121. 9，公开了专利名称为“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，换热器为顺流或者逆流时，转子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；转子在旋转过程中对传热流体具有扰流作用，但对换热管内壁面附近传热流体边界层的破坏作用不明显。

发明内容

本发明的目的是设计一种新结构的转子，该转子的叶片分为驱动叶片和扰流叶片，该结构转子在保持自清洁和强化传热性能的同时，降低转子的运转速度，减小转子的轴向作用力，减少流体的阻力损失。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：换热管内低驱动扰流转子，由空心轴、驱动叶片和扰流叶片构成，驱动叶片位于空心轴表面，在空心轴轴向上有至少两组驱动叶片，这两组驱动叶片位于空心轴的两端，驱动叶片外径小于换热管内径，驱动叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状，驱动叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角或倒圆角。扰流叶片位于前后两组驱动叶片之间，扰流叶片边缘距离空心轴中心线最大距离小于换热管内径，扰流叶片表面光滑，扰流叶片横截面为菱形、多边形或其他形状，扰流叶片横截面路径为直线、螺旋线或其他曲线。前后驱动叶片之间的空心轴段可以存在或没有。通过改变驱动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来改变流体对转子的旋转力矩，通过改变扰流叶片横截面形状、横截面路径、轴向长度、沿空心轴径向的高度来改变扰流叶片对流体的扰流作用。换热管内传热流体流动时会对低驱动扰流转子产生轴向力，驱动叶片阻碍流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流，驱动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，扰流叶片转动，破坏近壁区域流体的流动状态，从而减薄边界层厚度，并对管壁起到轻微刮削作用，从而实现强化传热且阻止污垢的形成和沉积的目的。

本发明换热管内低驱动扰流转子，每组驱动叶片沿空心轴圆周方向均匀分布，每组驱动叶片的个数为两个、三个或多个。

本发明换热管内低驱动扰流转子，空心轴由两段组成，驱动叶片处有空心轴，既节省了材料，又减少了接触面积，减小了流体阻力。

本发明换热管内低驱动扰流转子，空心轴由三段组成，这三段的内径相同并略大于转轴的外径，这三段的外径为两端大中间小，既满足强度要求，同时可以节省一些材料，流体的流动空间变化，产生涡流。

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。

本发明换热管内低驱动扰流转子，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。

本发明换热管内低驱动扰流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。

本发明换热管内低驱动扰流转子是由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材料制作的。

本发明换热管内低驱动扰流转子，其空心轴远离进水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槽，该槽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伴随着传热流体排出，从而防止了污垢的沉积，同时节省了材料。

所述转子的驱动叶片的径向高度、轴向长度、螺旋升角等参数、扰流叶片的径向高度、轴向长度、截面尺寸等参数以及单个转子空心轴端的长度、形状等参数可依据换热管内径、管内介质流速等工况条件、转子自身的强度、耐磨性以及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、所发明的转子的整体表面积减小，扰流叶片在轴向长度上远大于驱动叶片，既节省了材料，节约了成本，对流体造成的阻挡大大减小，因而成为低驱动力扰流转子；2、转子的驱动叶片在旋转过程中造成传热流体绕中心轴线的圆周运动，形成一定程度的混流，在一定程度上强化换热；3、转子的扰流叶片在旋转过程中对管壁处流体的流动状态造成破坏，减薄了流体边界层的厚度，强化了管内换热，叶片边缘对管壁进行了轻微刮削，起到了防垢除垢的作用。

附图说明

图1是本发明换热管内低驱动扰流转子——两叶式结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

图3是图1的三维结构示意图；

图4是本发明换热管内低驱动扰流转子——三叶式结构示意图；

图5是图4的俯视结构示意图；

图6是图4的三维结构示意图；

图7是本发明换热管内低驱动扰流转子安装结构示意图

图中，1—球窝凸台，2—驱动叶片，3—扰流叶片，4—空心轴，5—相通的孔，6—球窝凹台，7—换热管，8—转轴，9—挂件

具体实施方式

如图7所示，本发明涉及的一种换热管内低驱动扰流转子的一种实施方法，强化传热装置包括转子、挂件9、换热管7和转轴8，数个转子通过转轴8串联在一起，挂件9固定在换热管7两端，转轴8的两端分别固定在挂件9上，本发明的转子是由一定数目的驱动叶片2固定于空心轴4表面，扰流叶片3固定于前后两驱动叶片2之间，空心轴4上还开有球窝凸台1、球窝凹台6、相通的孔5。两个相邻转子中，一个转子的空心轴4头部的球窝凸台1与另一个转子尾部的球窝凹台6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6所示，转子的空心轴4的截面形状为空心圆柱形或圆锥形；图1为两个扰流叶片转子，转子每段空心轴4上有两个驱动叶片2，两段空心轴4之间对称分布着两个扰流叶片3，空心轴4上还开有球窝凸台1、球窝凹台6以及均布的与空心轴内孔相通的孔5；图2是图1的左视结构示意图；图3是图1的三维结构示意图；图4为三个扰流叶片转子，转子每段空心轴4上有三个驱动叶片2，两段空心轴4之间对称分布着三个扰流叶片3；图5是图4的俯视结构示意图；图6是图4的三维结构示意图。

本发明中，换热管7中的传热流体在流动过程中会对转子产生轴向力和转动力矩，驱动叶片2阻碍流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流，流体推动转子转动，传热流体自身的混流也得到了加强，与此同时，扰流叶片3随转子转动，破坏流体流动方向，最主要的是破坏靠近管壁的流体的流动状态，减薄流体边界层厚度，并对管壁起到轻微刮削作用，从而达到强化传热且阻止污垢的形成和沉积的目的。该种形式的转子可以减小驱动叶片2和扰流叶片3的径向高度，同时通过改变驱动叶片2的螺旋角、轴向长度、表面形态来改变传热流体对转子的转动力矩，保证转子的流畅旋转，通过改变扰流叶片3的横截面形状、横截面路径、横截面长度来改变转子对传入流体的扰流状况。此外，通过去除前后驱动叶片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。

Claims

1.换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：主要由空心轴、驱动叶片和扰流叶片构成，驱动叶片位于空心轴表面，在空心轴轴向上有至少两组驱动叶片，这两组驱动叶片位于空心轴的两端，驱动叶片外径小于换热管内径，驱动叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状，驱动叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角或倒圆角；扰流叶片位于前后两组驱动叶片之间，扰流叶片边缘距离空心轴中心线最大距离小于换热管内径，扰流叶片表面光滑，扰流叶片横截面为菱形或多边形，扰流叶片横截面路径为直线或螺旋线。

2.根据权利要求1所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：每组驱动叶片沿空心轴圆周方向均匀分布，每组驱动叶片的个数为两个、三个或多个。

3.根据权利要求1所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：空心轴由两段组成，驱动叶片处有空心轴。

4.根据权利要求1所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：空心轴由三段组成，这三段的内径相同并略大于转轴的外径，这三段的外径为两端大中间小。

5.根据权利要求1所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：其空心轴远离进水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槽。