CN103411474B - 换热管内高扰流球形转子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种换热管内高扰流球形转子，它是由球体、倾斜直叶片和螺旋叶片构成的，倾斜直叶片位于球体的两端，螺旋叶片位于球体的中间部位，球体的中间部位以及螺旋叶片表面设置有透空结构。倾斜直叶片以及球体前部凸起的结合,使得流经转子前端的传热流体沿球体表面冲向管壁附近，增大了流体径向运动以及对边界层的破坏,增强了转子的强化换热以及除垢阻垢性能。倾斜直叶片的倾斜方向与螺旋叶片的旋向相反，强化了流体的切向运动，进一步强化了换热过程。球体后端同样设置倾斜直叶片，进一步加强了对管内流体的扰流作用，并与球体前端的倾斜直叶片以及中间部位的螺旋叶片相配合，使得管内流体形成交替的左右旋向螺旋运动。

Description

换热管内高扰流球形转子

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高扰流球形转子。

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，该转子的主体结构采用球体,并且在球体的前端以及后端表面均设置倾斜直叶片,中间部位表面设置螺旋叶片，该结构转子在明显降低流体流动阻力的同时，进一步增强转子前部以及后部的中心区域的扰流效果以及湍流强度，通过倾斜直叶片以及球体前部的结合,增大了流体径向作用以及对边界层的冲击破坏作用,从而大大增强了转子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：换热管内高扰流球形转子，由球体、倾斜直叶片和螺旋叶片构成的，倾斜直叶片以及螺旋叶片位于球体表面，倾斜直叶片位于球体的两端，螺旋叶片位于球体的中间部位，螺旋叶片外径小于换热管内径，螺旋叶片呈螺旋状，倾斜直叶片以及螺旋叶片表面光滑，倾斜直叶片的倾斜方向与螺旋叶片的旋向相反，球体的中间部位以及螺旋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。螺旋叶片以及球体末端最先与流体接触的棱边分别进行倒斜角或倒圆角。传热流体流过螺旋叶片时，会对转子产生轴向力，从而使得转子转动起来，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。由于倾斜直叶片以及球体前部凸起的结合,使得流经转子前端倾斜直叶片的传热流体沿球体表面冲向管壁附近，从而增大了流体径向运动以及对管壁处边界层的冲击破坏作用,增强了转子的强化换热以及除垢阻垢性能。倾斜直叶片的倾斜方向与螺旋叶片的旋向相反，增强了流体的混流效果，强化了流体的切向运动，增大了流体的湍动程度，从而进一步强化了换热过程。球体的中间部位以及螺旋叶片表面设置有透空结构，有效地减小了流体流动的阻力，并针对性地强化了管壁处流体的扰流效果。球体后端同样设置倾斜直叶片，进一步加强了对管内流体的扰流作用，并与球体前端的倾斜直叶片以及中间部位的螺旋叶片相配合，使得管内流体形成交替的左右旋向螺旋运动，会使流体的切向及径向运动得以加强，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。可以通过改变螺旋叶片的螺旋角、轴向长度、径向高度、透空结构以及球体的尺寸、倾斜直叶片的倾斜角度、轴向长度、径向高度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。

本发明换热管内高扰流球形转子，沿球体圆周方向均匀分布的倾斜直叶片个数为两个、三个或多个，球体前端以及球体后端的倾斜直叶片数目相同或不同。

本发明换热管内高扰流球形转子，沿球体圆周方向均匀分布的螺旋叶片个数为两个、三个或多个。

本发明换热管内高扰流球形转子，球体形状为圆球体或椭球体。

为防止转子在转动过程中沿转轴轴向窜动，设置一定长度的轴套将两个相邻转子分隔开，实现了转子间的轴向定位，轴套的两端采用凹形结构，便于与转子两端的凸形表面配合，从而起到连接和调整使之同轴的作用。

本发明换热管内高扰流球形转子与一定长度的轴套首尾相连整串穿装于连接轴线上，连接轴线是刚性的圆棒或柔性的软绳；或者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。

本发明换热管内高扰流球形转子的球体、倾斜直叶片和螺旋叶片是由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材料制作的。

本发明换热管内高扰流球形转子的球体、倾斜直叶片与螺旋叶片成型为一个整体；或者球体、倾斜直叶片与螺旋叶片分别成型，倾斜直叶片与螺旋叶片采用粘接、焊接、铆接或螺纹连接的方法固定在球体上。

所述转子的螺旋叶片的螺旋角、轴向长度、径向高度、透空结构以及球体的尺寸、倾斜直叶片的倾斜角度、轴向长度、径向高度，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、由于倾斜直叶片以及球体前部凸起的结合,使得流经转子前端倾斜直叶片的传热流体沿球体表面冲向管壁附近，从而增大了流体径向运动以及对管壁处边界层的冲击破坏作用,增强了转子的强化换热以及除垢阻垢性能；2、倾斜直叶片的倾斜方向与螺旋叶片的旋向相反，增强了流体的混流效果，强化了流体的切向运动，增大了流体的湍动程度，从而进一步强化了换热过程；3、球体的中间部位以及螺旋叶片表面设置有透空结构，有效地减小了流体流动的阻力，并针对性地强化了管壁处流体的扰流效果；4、球体后端同样设置倾斜直叶片，进一步加强了对管内流体的扰流作用，并与球体前端的倾斜直叶片以及中间部位的螺旋叶片相配合，使得管内流体形成交替的左右旋向螺旋运动，会使流体的切向及径向运动得以加强，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。

附图说明

图1是本发明换热管内高扰流球形转子的主视图；

图2是图1的左视图；

图3是图1的三维结构示意图；

图4是轴套的三维结构示意图

图5是本发明换热管内高扰流球形转子安装结构示意图；

图中，1—球体，2—倾斜直叶片，3—螺旋叶片，4—轴套，5—换热管，6—转轴，7—限位件，8—挂件

具体实施方式

如图5所示，本发明涉及的一种换热管内高扰流球形转子的一种实施方法，强化传热装置包括转子、轴套4、换热管5、转轴6、限位件7和挂件8，数个转子通过转轴6串联在一起，转子与转子之间采用轴套4进行分隔，限位件7将多个转子分为几组转子串，挂件8固定在换热管5两端，转轴6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倾斜直叶片2和螺旋叶片3固定在球体1表面上组成的，倾斜直叶片2位于球体1的两端，螺旋叶片3位于球体1的中间部位，倾斜直叶片2的倾斜方向与螺旋叶片3的旋向相反，球体1的中间部位以及螺旋叶片3表面设置有透空结构。

如图1至图4所示，图1是本发明换热管内高扰流球形转子的主视图；图2是图1的左视图；图3是图1的三维结构示意图。高扰流球形转子的球体1为圆球体，球体1两端分别设置有四个倾斜直叶片2，球体1的中间部位设置有三个螺旋叶片3，球体1的中间部位以及螺旋叶片3表面设置有透空结构，螺旋叶片3以及球体1末端最先与流体接触的棱边进行倒圆角,；图4是将两个相邻转子分隔开的轴套结构三维示意图，轴套的两端采用凹形结构，便于与转子两端的凸形表面配合，从而起到连接和调整使之同轴的作用。

本发明中，换热管5内的传热流体流过螺旋叶片3时，会对转子产生轴向力，从而使得转子转动起来，螺旋叶片3阻碍传热流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流。由于倾斜直叶片2以及球体1前部凸起的结合,使得流经转子前端倾斜直叶片2的传热流体沿球体1表面冲向管壁附近，从而增大了流体径向运动以及对管壁处边界层的冲击破坏作用,增强了转子的强化换热以及除垢阻垢性能。倾斜直叶片2的倾斜方向与螺旋叶片3的旋向相反，增强了流体的混流效果，强化了流体的切向运动，增大了流体的湍动程度，从而进一步强化了换热过程。球体1的中间部位以及螺旋叶片3表面设置有透空结构，有效地减小了流体流动的阻力，并针对性地强化了管壁处流体的扰流效果。球体1后端同样设置倾斜直叶片2，进一步加强了对管内流体的扰流作用，并与球体1前端的倾斜直叶片2以及中间部位的螺旋叶片3相配合，使得管内流体形成交替的左右旋向螺旋运动，会使流体的切向及径向运动得以加强，进一步实现防垢除垢和强化传热的作用。可以通过改变螺旋叶片3的螺旋角、轴向长度、径向高度、透空结构以及球体1的尺寸、倾斜直叶片2的倾斜角度、轴向长度、径向高度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。

Claims (8)

1.换热管内高扰流球形转子，其特征在于：它是由球体、倾斜直叶片和螺旋叶片构成的，倾斜直叶片以及螺旋叶片位于球体表面，倾斜直叶片位于球体的两端，螺旋叶片位于球体的中间部位，螺旋叶片外径小于换热管内径，螺旋叶片呈螺旋状，倾斜直叶片以及螺旋叶片表面光滑，倾斜直叶片的倾斜方向与螺旋叶片的旋向相反，球体的中间部位以及螺旋叶片表面设置有透空结构，螺旋叶片以及球体末端最先与流体接触的棱边进行倒斜角或倒圆角。

2.根据权利要求1所述的换热管内高扰流球形转子，其特征在于：沿球体圆周方向均匀分布的倾斜直叶片个数为多个，球体前端以及球体后端的倾斜直叶片数目可以相同或不同。

3.根据权利要求1所述的换热管内高扰流球形转子，其特征在于：沿球体圆周方向均匀分布的螺旋叶片个数为多个。

4.根据权利要求1所述的换热管内高扰流球形转子，其特征在于：球体形状为圆球体或椭球体。

5.根据权利要求1所述的换热管内高扰流球形转子，其特征在于：所述转子的球体、倾斜直叶片和螺旋叶片是由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材料制作的。

6.根据权利要求1所述的换热管内高扰流球形转子，其特征在于：一定长度的轴套将两个相邻转子分隔开，轴套的两端采用凹形结构，便于与转子两端的凸形表面配合。

7.根据权利要求1所述的换热管内高扰流球形转子，其特征在于：所述转子与一定长度的轴套首尾相连整串穿装于连接轴线上，连接轴线是刚性的圆棒或是柔性的软绳；或者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所述的换热管内高扰流球形转子，其特征在于：转子的球体、倾斜直叶片与螺旋叶片成型为一个整体；或者球体、倾斜直叶片与螺旋叶片分别成型，倾斜直叶片与螺旋叶片采用粘接、焊接、铆接或螺纹连接的方法固定在球体上。