CN103217055B

CN103217055B - 换热管内异旋向组合式转子

Info

Publication number: CN103217055B
Application number: CN201310158851.4A
Authority: CN
Inventors: 阎华�; 王峰; 张震; 关昌峰; 蒋晨; 丁玉梅; 杨卫民
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2033-05-02
Also published as: CN103217055A

Abstract

本发明涉及一种换热管内异旋向组合式转子，它由剪切转子和扰流转子构成，其中剪切转子由剪切转子空心轴和剪切叶片组成，扰流叶片是由扰流叶片空心轴和扰流叶片组成。本发明中，换热管内传热流体流动时对异旋向组合式转子产生轴向力，转子转动，转子反作用于流体使其形成混流；剪切转子和扰流转子旋向相反，旋转方向相反，剪切转子旋转，破坏流体边界层，减薄边界层厚度，对换热管内壁产生轻微的刮擦作用，实现防垢除垢；扰流转子扰动中心流体，增强中心流体的切向流动；剪切转子和扰流转子旋转方向相反，边界层流体和中心流体受到方向相反的转子反作用力，剪切流动和径向流动增强，达到强化换热的效果。

Description

换热管内异旋向组合式转子

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异旋向组合式转子。

背景技术

能源作为我国国民经济发展的重要命脉，其供应紧张和利用效率低同时存在，据调查，我国已成为全球第一能源消耗大国，因此，节能减排对于我国经济可持续发展至关重要。作为一种重要的换热设备，管壳式换热器广泛应用于石油、化工、钢铁、电力等领域，但换热管内壁中普遍存在层积污垢，这些污垢严重降低了换热器的换热能力，而且还会滋生堵塞管道、腐蚀管道等破坏换热器的现象，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，换热器强化换热及清洁技术的开发和推广是非常重要的。近年来出现了许多强化换热及防垢除垢的方法和装置，比较早期的有螺旋线圈和螺旋弹簧，研究发现它们对强化换热和防垢除垢具有一定的作用，之后出现利用流体推动螺旋纽带旋转实现在线自动除垢的方法，有关螺旋纽带的中国专利有：ZL95236063.2，专利名称为“传热管内除垢防垢的清洗装置”；CN1424554，专利名称为“扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置”，这些装置主要包括螺旋纽带和固定架，螺旋纽带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：（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。后来出现了强化换热及防垢除垢转子式结构，相关专利有：ZL200520127121.9，专利名称为“转子式自清洁强化传热装置”；ZL201110050891.8，专利名称为“换热管内径向阶梯型转子”，该装置主要由固定架、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；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。以上所述转子均为单旋向单一转子，转动方向单一，对流体的扰动程度有限，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，该转子由剪切转子和扰流转子组合而成，且剪切转子与扰流转子旋向相反，该结构转子在提高换热管换热性能的同时也具有防垢除垢的作用。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：换热管内异旋向组合式转子，由剪切转子和扰流转子组成，剪切转子和扰流转子旋向相反，剪切转子由剪切转子空心轴和剪切叶片组成，剪切叶片位于剪切转子空心轴的表面, 剪切叶片只有一部分与剪切转子空心轴表面接触，剪切叶片长度大于剪切转子空心轴长度，剪切叶片外径小于换热管内径，剪切叶片表面光滑，剪切叶片绕剪切转子空心轴呈螺旋状，剪切叶片迎水侧棱边进行倒斜角或倒圆角。扰流转子是由扰流转子空心轴和扰流叶片组成，扰流叶片位于扰流转子空心轴表面，扰流叶片半径小于剪切叶片剪切部分距离轴心线的最小距离，扰流叶片表面光滑，扰流叶片绕扰流转子空心轴呈螺旋状，旋向与剪切叶片相反，扰流叶片迎水侧棱边进行倒斜角或倒圆角。剪切转子空心轴和扰流转子空心轴两端设置有同轴结构，扰流转子空心轴头部的扰流转子球窝凸台与剪切转子空心轴尾部的剪切转子球窝凹台相结合，剪切转子空心轴头部的剪切转子球窝凸台与扰流转子空心轴尾部的扰流转子球窝凹台相结合，穿装于中心轴线上。为便于转子之间互不干扰转动，扰流转子在轴线方向上被剪切转子完全包围。换热管内传热流体流动时会对异旋向组合式转子产生轴向力，叶片阻碍流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流，在流体推动作用下，整个转子转动，由于剪切转子和扰流转子具有相反旋向，因此剪切转子和扰流转子的旋转方向相反，剪切转子旋转，起到一定扰流作用，主要是破坏流体边界层，减薄边界层厚度，同时对换热管内壁有轻微的刮擦作用，以实现防垢除垢的目的；扰流转子主要对中心流体进行扰动，增强中心流体的切向流动和湍动程度；由于剪切转子和扰流转子的旋向不同，旋转方向相反，边界层流体和中心流体受到方向相反的转子反作用力，加强边界层流体和中心流体的剪切流动，同时，促进边界层流体与中心流体的径向流动，达到强化换热效果。通过改变剪切叶片沿剪切转子空心轴的导程、轴向长度、外径大小以及扰流叶片沿扰流转子空心轴的螺旋角、轴向长度、外径大小来改变流体对转子的旋转力矩，并使转子在换热管内旋转顺畅。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切转子沿剪切转子空心轴圆周方向均匀分布的剪切叶片个数为两个、三个或多个，扰流转子沿扰流转子空心轴圆周方向均匀分布的扰流叶片个数为两个、三个或多个。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切转子的剪切叶片和扰流转子的扰流叶片旋向相反。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切转子的剪切叶片末端采用悬空设置，即剪切叶片末端不与剪切转子空心轴径向相接，方便现场穿装，同时减小流体阻力。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其扰流转子是螺旋开槽叶片转子、螺旋阶梯转子等不同类型的转子。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切转子空心轴和扰流转子空心轴两端设置有同轴结构，扰流转子空心轴的头部与剪切转子空心轴的尾部相结合，剪切转子空心轴的头部与扰流转子空心轴的尾部相结合。数个穿装在两个挂件之间转轴上的剪切转子和扰流转子，其转子的空心轴的同轴结构有球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切转子与扰流转子组合相连整串穿装于转轴上，转轴可以是刚性的圆棒，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。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切转子空心轴和扰流转子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。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切叶片、扰流叶片、剪切转子空心轴和扰流转子空心轴由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材料制作。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切叶片和剪切转子空心轴、扰流叶片和扰流转子空心轴成型为一个整体；或者剪切叶片和剪切转子空心轴、扰流叶片和扰流转子空心轴分别成型，叶片采用粘接、焊接、铆接、螺纹连接的方法固定在剪切转子空心轴和扰流转子空心轴上。

本发明换热管内异旋向组合式转子，其剪切转子和扰流转子的迎水侧棱边上设置倒角或倒圆结构，背水面是光滑的曲面。

所述异旋向组合式转子的剪切叶片和扰流叶片的数目、径向高度、轴向长度、螺旋升角等参数以及剪切转子空心轴和扰流转子空心轴的内径、外径、轴向长度等参数，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。

本发明的有益效果是：1、所发明的异旋向组合式转子的剪切转子的剪切叶片对边界层流体具有一定的扰流作用，主要是破坏流体边界层，减薄边界层厚度，减小热阻，剪切叶片对管壁具有轻微的刮擦作用，可以防垢除垢2、所发明的异旋向组合式转子的扰流转子对中心流体具有扰流作用，增加中心流体的切向运动和湍流程度。3、所发明的异旋向组合式转子的剪切转子和扰流转子具有不同的旋向，在流体作用下，旋转方向相反，边界层流体和中心流体受到两转子相反方向的作用力，加强边界层流体和中心流体的剪切流动，同时，促进边界层流体与中心流体的径向流动，达到强化传热的效果

附图说明

图1是本发明换热管内异旋向组合式转子中剪切转子与扰流转子（螺旋两叶片转子）连接配合的结构示意图；

图2是本发明换热管内异旋向组合式转子中的剪切转子的结构示意图；

图3是本发明换热管内异旋向组合式转子中的扰流转子（螺旋两叶片转子）的结构示意图；

图4是本发明换热管内异旋向组合式转子中的剪切转子与扰流转子（低流阻转子）的结构示意图；

图5是本发明换热管内异旋向组合式转子的安装结构示意图。

图中，1-剪切转子，2-扰流转子，3-剪切转子球窝凸台，4-剪切转子空心轴，5-剪切转子通孔，6-剪切转子球窝凹台，7-剪切叶片，8-扰流转子球窝凸台，9-扰流转子空心轴，10-扰流叶片，11-扰流转子通孔，12-扰流转子球窝凹台，13-转轴，14-限位件，15-挂件，16-换热管。

具体实施方式

如图4所示，本发明涉及的一种换热管内异旋向组合式转子的一种实施方法，强化传热装置包括异旋向组合式转子、转轴13、限位件14、挂件15和换热管16，数个转子通过转轴13串联在一起，挂件15固定在换热管16两端，转轴13的两端分别用限位件14固定在挂件15上，本发明的转子是剪切转子1和扰流转子2组成，剪切转子1由剪切叶片7和剪切转子空心轴4组成，扰流转子2有扰流叶片10和扰流转子空心轴9组成，剪切转子1的剪切转子空心轴4上开有剪切转子球窝凸台3和剪切转子球窝凹台6，扰流转子2的扰流转子空心轴9上开有扰流转子球窝凸台8和扰流转子球窝凹台12，剪切转子空心轴4上的剪切转子球窝凹台6与扰流转子空心轴9上的扰流转子球窝凸台8配合，从而起到连接和调整使之同轴的作用，数个异旋向组合式转子一组穿装于转轴13上，数目可以根据换热管16长度、管内流速等条件确定，不同组之间使用限位件14隔开。剪切转子1与扰流转子2之间的配合采用球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者方向节方式。

本发明中，换热管16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，叶片阻碍流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流，在流体推动作用下，整个转子转动，由于异旋向组合式转子的剪切转子1和扰流转子2具有相反的旋向，因此剪切转子1和扰流转子2的旋转方向相反，剪切转子1旋转，起到一定扰流作用，主要是破坏流体边界层，减薄边界层厚度，对换热管内壁有轻微的刮擦作用，以实现防垢除垢的目的；扰流转子2主要对中心流体进行扰动，增强中心流体的切向流动和湍动程度，由于剪切转子1和扰流转子2的旋向不同，旋转方向相反，边界层流体和中心流体受到两转子相反的作用力，在一定程度上加强了边界层流体和中心流体的剪切流动，促进边界层流体和中心流体的径向流动，达到强化换热的效果。

Claims

1.换热管内异旋向组合式转子，其特征在于：主要由剪切转子和扰流转子构成，剪切转子由剪切转子空心轴和剪切叶片组成，剪切叶片位于剪切转子空心轴的表面,剪切叶片只有一部分与剪切转子空心轴表面接触，剪切叶片长度大于剪切转子空心轴长度，剪切叶片外径小于换热管内径，剪切叶片表面光滑，剪切叶片绕剪切转子空心轴呈螺旋状，剪切叶片迎水侧棱边进行倒斜角或倒圆角；扰流转子是由扰流转子空心轴和扰流叶片组成，扰流叶片位于扰流转子空心轴表面，扰流叶片半径小于剪切叶片剪切部分距离轴心线的最小距离，扰流叶片表面光滑，扰流叶片绕扰流转子空心轴呈螺旋状，扰流叶片旋向与剪切叶片旋向相反，扰流叶片迎水侧棱边进行倒斜角或倒圆角；剪切转子空心轴和扰流转子空心轴两端设置有同轴结构，扰流转子空心轴头部的扰流转子球窝凸台与剪切转子空心轴尾部的剪切转子球窝凹台相结合，剪切转子空心轴头部的剪切转子球窝凸台与扰流转子空心轴尾部的扰流转子球窝凹台相结合，穿装于中心轴线上；扰流转子在轴线方向上被剪切转子完全包围。

2.根据权利要求1所述的换热管内异旋向组合式转子，其特征在于：剪切转子沿剪切转子空心轴圆周方向均匀分布的螺旋型叶片个数为两个或两个以上，扰流转子沿扰流转子空心轴圆周方向均匀分布的螺旋型叶片个数为两个或两个以上。

3.根据权利要求1所述的换热管内异旋向组合式转子，其特征在于：剪切转子的剪切叶片末端采用悬空设置，剪切叶片末端不与剪切转子空心轴径向相接。