CN102645122A - 换热管内开槽螺旋卷边转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热管内开槽螺旋卷边转子，由空心轴和叶片构成，空心轴为管状结构，叶片位于空心轴外表面，叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状，转子叶片分为开槽叶片和卷边叶片，开槽叶片的迎水面在沿空心轴径向设置有导流槽结构，开槽叶片径向厚度由大变小，背水面无导流槽结构，开槽叶片最先与流体接触的棱边进行倒斜角或倒圆角，卷边叶片的顶端设置有卷边结构，由光滑曲面进行过渡连接。本发明中开槽叶片在转动过程中，会使传热流体沿导流槽表面产生离心运动并甩向换热管管壁，卷边叶片的顶端设置有卷边结构，转子依靠卷边叶片的自悬浮机理在流体中旋转时能够起到良好的自对中作用，以降低叶片顶端与换热管内壁的刮擦作用，并增大流体湍动程度。

Description

换热管内开槽螺旋卷边转子

技术领域

本发明涉及一种应用于管壳式换热器节能技术的内插件装置，特别涉及一种具有自清洁与强化换热功能的低能耗、高效率、使用寿命长的开槽螺旋卷边转子。

背景技术

在我国能源消耗70%为工业消耗，这些行业所消耗的能源绝大部分是热能，基本上要通过热交换过程来实现。电厂汽轮机的凝汽器、烧碱和纯碱生产装置中的蒸发器、乙烯裂解炉等典型的换热设备普遍存在着能耗高，换热效率低，容易积污结垢，清洗频繁，清洗废液排放量大的问题。国家“节能减排”的方针有力地促进了管壳式换热器节能技术的发展。管壳式换热器内壁中普遍存在层积污垢，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,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，如果流体泄露会造成重大安全隐患，因此传统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。而内插件作为一种典型的管程强化传热手段，也受到了人们的关注，中国专利申请号201110050891. 8，发明名称为“换热管内径向阶梯型转子”，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，叶片呈阶梯状，每个叶片与空心轴成同样的倾斜状，相邻叶片首尾相接，流体通过性能好，但该结构对流体阻力偏大，起转流速过高，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。另外，转子在转动过程中会产生晃动，其叶片顶端就会与换热管内壁产生刮擦，也会降低其使用寿命，因此转子在换热管内应该具有较好的对中作用，以降低其与换热管内壁的刮擦作用，延长其使用寿命。

发明内容

本发明的目的是设计一种新结构的转子，该转子的叶片表面设置了导流槽结构，该结构转子在提高换热管传热性能的同时还具有防垢除垢的作用。并且该转子叶片的顶端设置有卷边结构，使得该转子在管内转动过程中具有很好的对中性，延长转子的使用寿命。

为实现上述目的采用的技术方案是：换热管内开槽螺旋卷边转子，由空心轴和叶片构成，空心轴为管状结构，空心轴内径大于转轴外径，叶片位于空心轴外表面，叶片外径小于换热管内径，叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状，转子叶片分为开槽叶片和卷边叶片两种。开槽叶片的迎水面在沿空心轴径向设置有导流槽结构，开槽叶片径向厚度由大变小，背水面无导流槽结构，以减少流体流经转子时的压力损失。导流槽距叶片根部有一定距离，以保证叶片具有足够的强度和刚度。开槽叶片最先与流体接触的棱边进行倒斜角或倒圆角，空心轴远离进水端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的孔，通过改变开槽卷边叶片沿空心轴轴向的螺旋角、轴向长度、径向高度、卷边结构的卷曲程度和轴向长度、导流槽与叶片根部的距离以及导流槽沿空心轴轴向的长度来改变流体对转子的旋转力矩，开槽叶片和卷边叶片在空心轴上的组合固定方式要便于转子在换热管内的安装。传热流体流过开槽叶片时，会对转子产生轴向力，开槽叶片阻碍传热流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流。开槽叶片在转动过程中，会使传热流体沿导流槽表面产生离心运动并甩向换热管管壁，不仅增强了传热流体的径向流动，同时对管壁附近传热流体的边界层产生冲击，从而破坏传热流体的边界层，达到强化传热且阻止污垢的形成和沉积的目的。卷边叶片的顶端设置有卷边结构，该转子依靠卷边叶片的自悬浮机理在流体中旋转时能够起到良好的自对中作用，以降低叶片顶端与换热管内壁的刮擦作用，延长其使用寿命，由于卷边产生的圆弧，卷边叶片形成的最大转动半径可以与换热管内径的半径很接近，尽管二者间隙很小，但对管壁的刮擦作用不大，防垢和除垢效果更好，同时，卷边叶片能够显著改变流体流动方向，产生涡流，增大流体的湍动程度，进一步实现防垢除垢和强化传热的目的。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，沿空心轴圆周方向均匀分布的叶片个数为两个、三个或多个。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，开槽叶片迎水面表面的导流槽个数为一个、两个或多个。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，卷边结构对称设置在每个卷边叶片的顶端，由光滑曲面进行过渡连接。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，叶片横截面形状为梯形、正方形或其他形状。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，卷边结构设置在转子每个叶片未开槽部分的顶端，与导流槽位于同一个叶片上或单独位于一个叶片上。

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。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，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，转子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孔，该孔沿轴向方向的长度大于空心轴进水端处凹台的长度，该孔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。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，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。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，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的。

本发明换热管内开槽螺旋卷边转子，转子的开槽叶片、卷边叶片与空心轴成型为一个整体；或者开槽叶片、卷边叶片与空心轴分别成型，叶片采用粘接、焊接、铆接、螺纹连接的方法固定在空心轴上

所述转子的叶片的径向高度、轴向长度、螺旋升角等参数以及开槽叶片和卷边叶片的轴向长度、导流槽的数目、卷边结构的卷曲程度，可依据换热管内径、管内介质流速等工况条件以及转子自身的强度、耐磨性结合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、所发明转子的开槽叶片表面具有导流槽结构，可在不增加开槽型叶片径向高度的前提下增大流体的径向速度，提高对换热管内壁面处传热流体边界层的破坏程度，从而提高传热强化的能力；2、转子的叶片在旋转过程中除了造成传热流体绕中心轴线的圆周运动外，还造成了其沿导流槽表面甩出的离心运动，冲刷了换热管内壁壁面，从而减少了污垢在转子表面和换热管内壁沉积的可能性，增强了转子的清除污垢的能力；3、开槽叶片表面导流槽结构的存在使得在开槽叶片径向高度较小的情况下就能提高对传热流体边界层的破坏作用，从而节省了转子的制作成本且有利于安装；4、单个转子空心轴远离进水端开有的与空心轴内孔相通的孔可使传热流体在空心轴内部及转轴之间流动，带动污垢从空心轴内部与转轴之间的空间排出，防止了污垢的沉积，节约了转子材料，节省了成本。5、卷边叶片的顶端设置有卷边结构，其自悬浮机理使得转子在流体中旋转时起到良好的自对中作用，以降低叶片顶端与换热管内壁的刮擦作用，延长其使用寿命，卷边叶片能够显著改变流体流动方向，产生涡流，增大流体的湍动程度。

附图说明

图1是本发明换热管内开槽螺旋卷边转子——连续两叶片转子三维结构示意图；

图2是本发明换热管内开槽螺旋卷边转子——间断四叶片转子三维结构示意图（四个开槽卷边叶片）

图3是本发明换热管内开槽螺旋卷边转子——间断四叶片转子三维结构示意图（两个开槽叶片两个卷边叶片）

图4是本发明换热管内开槽螺旋卷边转子——双槽与双卷边连续两叶片转子三维结构示意图

图5是本发明换热管内开槽螺旋卷边转子——十字交叉四叶片转子三维结构示意图（四个开槽卷边叶片）

图6是本发明换热管内开槽螺旋卷边转子——十字交叉四叶片转子三维结构示意图（两个开槽叶片两个卷边叶片）

图7是本发明换热管内开槽螺旋卷边转子安装结构示意图

图中，1—球窝凸台，2—空心轴，3—开槽叶片，4—球窝凹台，5—相通的孔，6—卷边叶片，7—换热管，8—挂件，9—转轴

具体实施方式

如图7所示，本发明涉及的一种换热管内开槽螺旋卷边转子的一种实施方法，强化传热装置包括转子、换热管7、挂件8和转轴9，数个转子通过转轴9串联在一起，挂件8固定在换热管7两端，转轴9的两端分别固定在挂件8上，本发明的转子是由一定数目的开槽叶片3及卷边叶片6固定在空心轴2表面上组成的，空心轴2上还开有球窝凸台1、球窝凹台4和与空心轴内孔相通的孔5。两个相邻转子中，一个转子的空心轴2头部的球窝凸台1与另一个转子尾部的球窝凹台4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7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2截面形状为空心圆锥形；图1为连续两叶片开槽卷边转子，转子叶片对称分布，转子空心轴2上有两个开槽叶片3和两个卷边叶片6，开槽叶片3和卷边叶片6位于同一叶片上，空心轴2上还开有球窝凸台1、球窝凹台4以及均布的与空心轴内孔相通的孔5；图2为间断四叶片开槽卷边转子的一种结构，空心轴2上有四个开槽叶片3和四个卷边叶片6，开槽叶片3和卷边叶片6位于同一转子叶片上，其中四个转子叶片两两一组沿轴向顺序对称排布；图3所示是间断四叶片开槽卷边转子的另一种结构，开槽叶片3和卷边叶片6位于不同的转子叶片上；图4为叶片上开了两个槽的双槽连续两叶片转子；图5是十字交叉四叶片开槽转子的一种结构，开槽叶片3和卷边叶片6位于同一叶片上，前两个叶片和后两个叶片互为90°交叉排列；图6是十字交叉四叶片开槽转子的另一种结构，开槽叶片3和卷边叶片6位于不同的转子叶片上。

本发明中，换热管7内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，开槽叶片3使流体流向发生改变，形成混流，开槽叶片3在空心轴2周围呈螺旋状，流体推动转子转动，传热流体自身的混流也得到了加强，从而达到强化传热且阻止污垢沉积的目的，与此同时，开槽叶片3在转动过程中，会使部分传热流体沿导流槽表面产生离心运动并甩向换热管7内壁面，增强了传热流体的径向流动，对管壁附近传热流体的边界层产生冲击，从而破坏传热流体的边界层，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。转子依靠卷边叶片6的自悬浮机理使得转子在流体中旋转时起到良好的自对中作用，以降低叶片顶端与换热管内壁的刮擦作用，延长其使用寿命，此外，卷边叶片6能够显著改变流体流动方向，产生涡流，增大流体的湍动程度。该种形式转子可以通过改变叶片的的径向高度、轴向长度、螺旋升角等参数以及开槽叶片3和卷边叶片6的轴向长度、导流槽的数目、卷边结构的卷曲程度来改变传热流体对转子的转动力矩，保证转子的流畅旋转，转子空心轴2远离进水端开的与空心轴内孔相通的孔5便于传热流体在空心轴2内部与转轴9之间的污垢排出，防止了污垢的沉积，此外，通过减小开槽叶片3的径向高度以及在空心轴2上开设与空心轴内孔相通的孔5可以节省材料和加工成本。

Claims (7)

1.换热管内开槽螺旋卷边转子，由空心轴和叶片构成，空心轴为管状结构，空心轴内径大于转轴外径，叶片位于空心轴外表面，叶片外径小于换热管内径，叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状，其特征在于：转子叶片分为开槽叶片和卷边叶片两种，开槽叶片的迎水面在沿空心轴径向设置有导流槽结构，开槽叶片径向厚度由大变小，背水面无导流槽结构，导流槽距叶片根部有一定距离，开槽叶片最先与流体接触的棱边进行倒斜角或倒圆角，空心轴远离进水端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的孔，卷边叶片的顶端设置有卷边结构，由光滑曲面进行过渡连接，卷边叶片形成的最大转动半径与换热管内径的半径很接近。

2.根据权利要求1所述的换热管内开槽螺旋卷边转子，其特征在于：沿空心轴圆周方向均匀分布的叶片个数为两个、三个或多个。

3.根据权利要求1所述的换热管内开槽螺旋卷边转子，其特征在于：导流槽个数为一个、两个或多个。

4.根据权利要求1下所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：叶片横截面形状为梯形或矩形。

5.根据权利要求1下所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：卷边结构设置在转子每个叶片未开槽部分的顶端，与导流槽位于同一个叶片上或单独位于一个叶片上。

6.根据权利要求1下所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：空心轴远离进水端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的截面形状为半圆形、椭圆形、矩形或梯形的孔。

7.根据权利要求1下所述的换热管内低驱动扰流转子，其特征在于：转子的开槽叶片、卷边叶片与空心轴成型为一个整体；或者开槽叶片、卷边叶片与空心轴分别成型，叶片采用粘接、焊接、铆接、螺纹连接的方法固定在空心轴上。

Images