CN103411468A - 换热管内中心弹簧螺旋叶片转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，主要由空心轴、透空叶片和螺旋弹簧构成的，空心轴、透空叶片和螺旋弹簧构成的，透空叶片位于空心轴表面，透空叶片外径小于换热管内径，透空叶片表面光滑，透空叶片绕空心轴呈螺旋状，透空叶片表面设置有透空结构，以减小流体与转子叶片的接触面积，减少流体流经转子时的压力损失。为了在减小管内流体流动阻力的同时，进一步增强透空部分的强化传热及自清洁性能，在叶片中心的透空结构处设置螺旋弹簧。在叶片中心的透空结构处设置螺旋弹簧，螺旋弹簧在伴随转子转动过程中，会使透空结构处流体区域的切向及径向运动得以加强，进一步增强透空区域的扰流效果，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。

Description

换热管内中心弹簧螺旋叶片转子

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中心弹簧螺旋叶片转子。

背景技术

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，但在这些换热管内壁中普遍存在积污结垢的问题，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；产生重大能源浪费，此外，污垢一般具有腐蚀性，会导致管壁腐蚀，从而使得流体泄露造成重大安全隐患，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。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，中国专利申请号为：CN1424554，专利名称为“双扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置”的发明创造，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。综合一下螺旋纽带有以下主要缺点：（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，公开了发明名称为“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，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200910077378.0，发明名称为“一种单元组合式强化传热装置”，该装置是由转子、支撑架、套轴和连接轴线构成，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，转子是由扰流旋叶、合页铰链结构、尾部螺旋驱动桨叶组成，该结构能够显著降低管内流体的流动阻力、减小磨耗，延长转子的使用寿命，但该结构转子由于中心部分为透空结构，因而消弱了中心主流区域内的强化传热和防垢除垢性能。

发明内容

本发明的目的是设计一种新结构的转子，该转子的叶片中心设置了透空结构，并且在叶片中心的透空结构处设置螺旋弹簧，该结构转子在明显降低流体流动阻力的同时，并未减弱转子中心区域的强化传热及自清洁性能，反而能够进一步提高中心区域的强化换热以及除垢阻垢性能。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，由空心轴、透空叶片和螺旋弹簧构成的，透空叶片位于空心轴表面，透空叶片外径小于换热管内径，透空叶片表面光滑，透空叶片绕空心轴呈螺旋状，且透空叶片表面设置有透空结构，以减小流体与转子叶片的接触面积，减少流体流经转子时的压力损失。为了在减小管内流体流动阻力的同时，进一步增强透空部分的强化传热及自清洁性能，在叶片中心的透空结构处设置螺旋弹簧。透空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，通过改变透空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、透空结构的尺寸及数量、透空结构与空心轴的距离、螺旋弹簧的直径以及导程来改变流体对转子的旋转力矩，透空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。传热流体流过透空叶片时，会对转子产生轴向力，透空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。传热流体流经叶片中心的透空结构时，有效地减小了流体流动的阻力，并且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。在叶片中心的透空结构处设置螺旋弹簧，螺旋弹簧在伴随转子转动过程中，会使透空结构处流体区域的切向及径向运动得以加强，进一步增强透空区域的扰流效果，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。可以通过改变透空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、透空结构的尺寸及数量、透空结构与空心轴的距离、螺旋弹簧的直径以及导程来改变流体对转子的旋转力矩，使转子在换热管内旋转流畅。

本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，沿空心轴圆周方向均匀分布的透空叶片个数为两个、三个或多个。

本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，透空叶片中心的透空结构个数为一个、两个或多个。

本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，透空结构处设置的螺旋弹簧个数为一个、两个或多个，螺旋弹簧与空心轴呈一定夹角。

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。

本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，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。

本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片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。

本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子的叶片、弹簧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。

所述转子的透空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、透空结构的尺寸及数量、透空结构与空心轴的距离、螺旋弹簧的直径以及导程，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、所发明的转子叶片中心设置有透空结构，以减小流体与转子叶片的接触面积，减少流体流经转子时的压力损失。2、在叶片中心的透空结构处设置螺旋弹簧，螺旋弹簧在伴随转子转动过程中，会使透空结构处流体区域的切向及径向运动得以加强，进一步增强透空区域的扰流效果，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。3、透空叶片表面透空结构以及螺旋弹簧的存在使得在透空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。

附图说明

图1是本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子——双弹簧双透空螺旋两叶片转子三维结构示意图；

图2是本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子——透空螺旋两叶片转子三维结构示意图；

图3是本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子——螺旋弹簧三维结构示意图；

图4是本发明换热管内中心弹簧螺旋叶片转子安装结构示意图；

图中，1—透空叶片，2—透空结构，3—球窝凸台，4—空心轴，5—螺旋弹簧，6—相通的孔，7—球窝凹台，8—限位件，9—换热管，10—挂件，11—转轴

具体实施方式

如图4所示，本发明涉及的一种换热管内中心弹簧螺旋叶片转子的一种实施方法，强化传热装置包括转子、限位件8、换热管9、挂件10和转轴11，数个转子通过转轴11串联在一起，限位件8将多个转子分为几组转子串，挂件10固定在换热管9两端，转轴11的两端分别固定在挂件10上，本发明的转子是由一定数目的透空叶片1固定在空心轴4表面上组成的，叶片表面设置有透空结构2以及螺旋弹簧5，空心轴4上还开有球窝凸台3、球窝凹台7和与空心轴内孔相通的孔6。两个相邻转子中，一个转子的空心轴4头部的球窝凸台3与另一个转子尾部的球窝凹台7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9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3所示，转子的空心轴4截面形状为空心圆锥形；图1为双弹簧双透空螺旋两叶片转子，转子空心轴4上有两个透空叶片1，两个透空叶片1对称分布，空心轴4上还开有球窝凸台3、球窝凹台7以及均布的与空心轴内孔相通的孔6。透空叶片1表面设置有两个透空结构2以及两个螺旋弹簧5；图2为透空螺旋两叶片转子；图3所示是透空结构处设置的螺旋弹簧。

本发明中，换热管9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，透空叶片1使流体流向发生改变，形成混流，透空叶片1在空心轴4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。传热流体流经叶片中心的透空结构2时，有效地减小了流体流动的阻力，并且增强了传热流体的切向流动，从而进一步达到强化传热且阻止污垢的形成和沉积的目的。在叶片中心的透空结构2处设置螺旋弹簧5，螺旋弹簧5在伴随转子转动过程中，会使透空结构2处流体区域的切向及径向运动得以加强，进一步增强透空区域的扰流效果，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。该种形式转子可以通过改变透空叶片1沿空心轴4轴向的螺旋角、轴向长度、沿空心轴4径向的高度、透空结构2的尺寸及数量、透空结构2与空心轴4的距离、螺旋弹簧5的直径以及导程来改变流体对转子的旋转力矩，使转子在换热管内旋转流畅。转子空心轴4远离进水口端开的与空心轴内孔相通的孔6便于传热流体在空心轴4内部与转轴11之间的污垢排出，防止了污垢的沉积。

Claims (10)

1.换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，主要由空心轴、透空叶片和螺旋弹簧构成的，空心轴、透空叶片和螺旋弹簧构成的，透空叶片位于空心轴表面，透空叶片外径小于换热管内径，透空叶片表面光滑，透空叶片绕空心轴呈螺旋状，其特征在于：透空叶片表面设置有透空结构，叶片中心的透空结构处设置螺旋弹簧；透空叶片最先与流体接触的棱边进行倒斜角或倒圆角，空心轴远离进水口端沿圆周方向均匀地开有与所述空心轴内孔相通的孔。

2.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：沿空心轴圆周方向均匀分布的透空叶片个数为两个、三个或多个。

3.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：所述透空叶片表面的透空结构个数为一个、两个或多个。

4.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：透空结构处设置的螺旋弹簧个数为一个、两个或多个，螺旋弹簧与空心轴呈一定夹角。

5.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：所述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球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式同轴结构，两个相邻的转子的空心轴尾部和另一个空心轴的头部相结合。

6.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：所述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。

7.根据权利要求1 所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：所述中心弹簧螺旋叶片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。

8.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：所述转子的叶片、螺旋弹簧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。

9.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：所述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。

10.根据权利要求1所述的换热管内中心弹簧螺旋叶片转子，其特征在于：转子的透空叶片、螺旋弹簧与空心轴成型为一个整体；或者透空叶片、螺旋弹簧、空心轴分别成型，透空叶片采用粘接、焊接、铆接、螺纹连接的方法固定在空心轴上，螺旋弹簧采用粘接、焊接等方法连接在透空结构上。

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