CN103225980A - 换热管内多轴低转速螺旋转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热管内多轴低转速螺旋转子，主要由空心轴、扰流轴和螺旋叶片构成，螺旋叶片位于空心轴表面，螺旋叶片外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑，螺旋叶片绕空心轴呈螺旋状，且螺旋叶片的迎水面在沿空心轴轴向设置有扰流轴结构，可有效地增大流体的切向速度和径向速度，扰流轴的截面为部分圆形或部分椭圆形，扰流轴轴向长度等于或小于螺旋叶片轴向长度，扰流轴与空心轴平行或成一定夹角，螺旋叶片的背水面无扰流轴结构，以减少流体流经转子时的压力损失。本发明中螺旋叶片的顶端卷边弯曲方向与螺旋叶片旋向相反，可在不增大叶片径向高度的前提下增大流体的径向速度，减小转子的轴向作用力，增强转子对流体的径向扰动, 自对中作用好。

Description

换热管内多轴低转速螺旋转子

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，特别涉及一种具有强化换热与自清洁功能的低能耗、高效率、使用寿命长的多轴低转速螺旋转子。

背景技术

在我国，能源消耗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”的方针政策有力地促进了强化换热技术的发展。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，其中之一利用流体推动螺旋纽带旋转能实现强化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”的发明创造，该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”；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，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；为解决此问题，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多个扰流轴，并且该转子叶片的顶端卷边弯曲方向与叶片旋向相反，以降低转子运转速度，减小转子的轴向作用力，增强转子对流体的径向扰动。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：换热管内多轴低转速螺旋转子，由空心轴、扰流轴和螺旋叶片构成。叶片位于空心轴表面，叶片外径小于换热管内径，叶片表面光滑，叶片绕空心轴呈螺旋状，且叶片的迎水面在沿空心轴轴向设置有扰流轴结构，背水面无扰流轴结构，以减少流体流经转子时的压力损失。叶片上部设置有与叶片旋向相反的卷边弯曲结构，该结构转子并非只在叶片最顶端设置卷边，而是从距叶片根部一定距离直至叶片最顶端均设置与叶片旋向相反的卷边弯曲结构。螺旋叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角，空心轴远离进水口端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的孔，通过改变多轴螺旋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、卷边部分与叶片根部的距离、卷边部分的弯曲程度、叶片上扰流轴的个数、扰流轴与空心轴的夹角以及扰流轴沿空心轴轴向的长度来改变流体对转子的旋转力矩，多轴螺旋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。传热流体流过多轴螺旋叶片时，会对转子产生轴向力，多轴螺旋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，螺旋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，从而达到强化传热且阻止污垢的形成和沉积的目的，同时多轴螺旋叶片在转动过程中，会使传热流体沿叶片表面不断经过扰流轴的进一步扰动，增加流体的径向以及切向速度，增强混流效果。此外，转子叶片上部设置的与叶片旋向相反的卷边弯曲结构，其自悬浮机理能够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，同时，流体在流经扰流轴后经沿叶片卷边弯曲方向冲击换热管管壁，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层流边界层产生冲击，从而破坏传热流体的层流边界层，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。

本发明换热管内多轴低转速螺旋转子，沿空心轴圆周方向均匀分布的多轴螺旋叶片个数为两个、三个或多个。

本发明换热管内多轴低转速螺旋转子，多轴螺旋叶片迎水面表面的扰流轴个数为一个、两个或多个，扰流轴的截面为部分圆形或部分椭圆形，扰流轴轴向长度等于或小于螺旋叶片轴向长度，扰流轴与空心轴平行或成一定夹角。

本发明换热管内多轴低转速螺旋转子，卷边弯曲结构设置在每个叶片的上部，由光滑曲面进行过渡连接，并弯曲方向与叶片螺旋方向相反。

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。前后配合的两个转子的扰流轴位置、数目、轴向长度以及与空心轴夹角可以相同或不同。

本发明换热管内多轴低转速螺旋转子，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口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。

本发明换热管内多轴低转速螺旋转子，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。

本发明换热管内多轴低转速螺旋转子的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。

所述转子的多轴螺旋叶片的径向高度、轴向长度、螺旋升角等参数、卷边部分与叶片根部的距离、卷边部分的弯曲程度、叶片上扰流轴的个数、扰流轴的直径、扰流轴轴向长度以及扰流轴与空心轴夹角，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、所发明的转子叶片表面具有扰流轴结构，可有效地增大流体的切向速度和径向速度，增强混流效果，从而提高传热强化的能力；2、所发明的转子叶片上部设置有卷边弯曲结构，并且弯曲方向与叶片螺旋方向相反，可在不增大叶片径向高度的前提下增大流体的径向速度，使得转子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，还造成了其沿卷边弯曲结构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、叶片表面卷边弯曲结构的存在使得在螺旋叶片径向高度较小的情况下就能提高对传热流体边界层特别是层流底层的破坏作用，增强对流换热过程，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口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、叶片的上部设置有卷边结构，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，以降低叶片边缘与换热管内壁的刮擦作用，延长其使用寿命。

附图说明

图1是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子——连续两叶片转子的三维结构示意图。

图2是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子——间断四叶片转子结构一的三维结构示意图。

图3是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子——间断四叶片转子结构二的三维结构示意图。

图4是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子——间断四叶片转子结构三的三维结构示意图。

图5是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子——十字交叉四叶片转子结构一的三维结构示意图。

图6是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子——十字交叉四叶片转子结构二的三维结构示意图。

图7是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子——十字交叉四叶片转子结构三的三维结构示意图。

图8是本发明换热管内多轴低转速螺旋转子的安装结构示意图。

图中，1-球窝凸台，2-扰流轴，3-空心轴，4-多轴螺旋叶片，5-相通的孔，6-球窝凹台，7-转轴，8-换热管，9-挂件

具体实施方式

如图8所示，本发明涉及的一种换热管内多轴低转速螺旋转子的一种实施方法，强化传热装置包括转子、转轴7、换热管8以及挂件9，数个转子通过转轴7串联在一起，挂件9固定在换热管8两端，转轴7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多轴螺旋叶片4固定在空心轴3表面上组成的，空心轴3上还开有球窝凸台1、球窝凹台6和与空心轴3内孔相通的孔5。两个相邻转子中，一个转子的空心轴3头部的球窝凸台1与另一个转子的空心轴3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8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。多轴螺旋叶片4表面上设置有一定数目的扰流轴2，两个相邻转子的扰流轴2数目、位置、轴向长度以及与空心轴夹角等可以相同或不同。在多轴螺旋叶片4表面的顶部设置有卷边弯曲结构，两个相邻转子可以同时均设置卷边弯曲结构，也可以一个设置有卷边弯曲结构，另一个未设置。

如图1至图7所示，转子的空心轴3截面形状为空心圆锥形；图1为连续两叶片转子，转子空心轴3上有两个多轴螺旋叶片4，两个多轴螺旋叶片4对称分布，多轴螺旋叶片4表面分别设置有两个扰流轴2，多轴螺旋叶片4顶端设置与叶片螺旋方向相反的卷边螺旋结构。空心轴3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为前后两组叶片结构相同的间断四叶片转子，空心轴3上有四个多轴螺旋叶片4，其中四个多轴螺旋叶片4两两一组沿轴向顺序排布，两组多轴螺旋叶片4对称排列且分别设置有一个扰流轴2及卷边弯曲结构；图3所示是前后两组叶片表面扰流轴2数目不同的间断四叶片转子；图4是前后两组叶片表面扰流轴2位置不同的间断四叶片转子，每个多轴螺旋叶片4表面设置有1个扰流轴2；图5所示是前后两组叶片结构相同的十字交叉四叶片转子，空心轴3上有四个多轴螺旋叶片4，这四个多轴螺旋叶片4互为90°交叉排列。图6为前后两组叶片表面扰流轴2位置不同的十字交叉四叶片转子；图7所示为前后两组叶片结构不同的十字交叉四叶片转子，前一组多轴螺旋叶片4表面设置有两个扰流轴2而顶端未设置卷边弯曲结构，后一组多轴螺旋叶片4表面顶端设置有卷边弯曲结构而未设置扰流轴2。

本发明中，换热管8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，多轴螺旋叶片4使流体流向发生改变，形成混流，多轴螺旋叶片4在空心轴3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，多轴螺旋叶片4在转动过程中，会使传热流体沿叶片表面不断经过扰流轴2的进一步扰动，增加流体的径向以及切向速度，增强混流效果。此外，转子叶片上部设置的与叶片旋向相反的卷边弯曲结构，其自悬浮机理能够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，同时，流体在流经扰流轴2后经沿叶片卷边弯曲方向冲击换热管管壁，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层流边界层产生冲击，从而破坏传热流体的层流边界层，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。

Claims (6)

1.换热管内多轴低转速螺旋转子，其特征在于：主要由空心轴、扰流轴和螺旋叶片构成，螺旋叶片位于空心轴表面，螺旋叶片外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑，螺旋叶片绕空心轴呈螺旋状，且螺旋叶片的迎水面在沿空心轴轴向设置有扰流轴结构，扰流轴的截面为部分圆形或部分椭圆形，扰流轴轴向长度等于或小于螺旋叶片轴向长度，扰流轴与空心轴平行或成一定夹角，螺旋叶片的背水面无扰流轴结构。

2.根据权利要求1所述的换热管内多轴低转速螺旋转子，其特征在于：螺旋叶片迎水面上设置的扰流轴个数为一个、两个或两个以上。

3.根据权利要求1所述的换热管内多轴低转速螺旋转子，其特征在于：螺旋叶片上部设置有与叶片旋向相反的卷边弯曲结构。

4.根据权利要求1所述的换热管内多轴低转速螺旋转子，其特征在于：从距叶片根部一定距离直至叶片最顶端均设置与叶片旋向相反的卷边弯曲结构。

5.根据权利要求1所述的换热管内多轴低转速螺旋转子，其特征在于：扰流轴、螺旋叶片与空心轴成型为一个整体；或者扰流轴、螺旋叶片、空心轴分别成型，采用粘接方式将扰流轴固定在螺旋叶片上，再将螺旋叶片固定在空心轴上。

6.根据权利要求1所述的换热管内多轴低转速螺旋转子，其特征在于：空心轴远离进水口端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的孔。

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