CN106679491A - 一种自清洁强化传热换热器 - Google Patents

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朱治国
伏军
吴浩
马传武
黄奇林
何冰
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    • F28G3/00—Rotary appliances

Abstract

本发明公开了一种自清洁强化传热换热器，包括换热管、内插件和以及固定装置，固定装置设于换热管两端的管口处，并且与内插件两端连接，内插件包括一个中心轴，中心轴与换热管同轴，在中心轴缠绕有螺旋的翅片，在翅片的两端通过限位元件与中心轴固定连接，翅片的螺旋边界与换热管内壁留有间隙，中心轴的两端与设于固定装置上的转轴连接。本发明既强化了换热器的换热效率，又能在线清洁换热器表面的污垢，保证了换热器高效安全的运行。

Description

一种自清洁强化传热换热器
技术领域
本发明涉及一种强化传热技术和自清洁技术领域，尤其是一种用于内插件和螺旋凹槽管的自清洁强化传热换热器。
背景技术
换热器是能量交换的主要部件，对于换热器的研究主要侧重于如何提高换热效率、产品强化传热等方面。目前主要利用三种方法来强化传热，分别是增大换热面积、提高对数平均温差和提高传热系数。特别针对普朗特数较低的流体，增加换热器面积强化传热效果是非常好的。
目前，已使用的换热器从截面形状上分有圆管和扁管，从延伸形式上看有光管和螺纹管等，这些结构不同的换热管都有各自优势，但在换热效率和材料的利用上还有待进一步提高。
在壳程介质为液体的工况下，传统弓形折流板换热器的流体流动阻力和振动较大，能量损失严重，因此，壳程强化传热显得尤为重要。近年来，人们采用了各种各样的折流支撑结构来改善壳程流体的强化传热，常用的方式有:异形折流板(花隔板、螺旋折流板、整圆折流板、螺旋叶片折流杆等)及壳程内插物(扭曲带空心环)等。一般认为螺旋折流板壳程扭曲带结构优于其他结构。
在换热器的传热管内壁结垢会导致传热效率下降、流体流速阻力增大，因而增加了能源的消耗，甚至对传热管路腐蚀，造成安全隐患，缩短使用寿命，需要建立一种自清洁的换热器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种自清洁强化传热换热器，该换热器既强化了换热器的换热效率，又能在线清洁换热器表面的污垢，保证了换热器高效安全的运行。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种自清洁强化传热换热器，其特征在于：包括换热管、内插件和以及固定装置，所述的固定装置设于换热管两端的管口处，并且与内插件两端连接，所述的内插件包括一个中心轴，中心轴与换热管同轴，在中心轴缠绕有螺旋的翅片，在翅片的两端通过限位元件与中心轴固定连接，翅片的螺旋边界与换热管内壁留有间隙，中心轴的两端与设于固定装置上的转轴连接。
对上述结构作进一步限定，所述的换热管主体为薄壁圆管，在圆管的侧壁上分布有向内凹的螺旋凹槽，所述的螺旋凹槽的螺线方向与翅片的螺旋方向一致。
对上述结构作进一步限定，所述的固定装置包括螺旋堵头和转轴，所述的螺旋堵头为中空结构，其外表面设有螺旋形折板，折板的边界与换热管的内壁接触，在螺旋堵头的中空部位设有拉杆，拉杆的一端与中心轴连接，拉杆的另一端与设于螺旋堵头一侧的转轴连接，所述的转轴与螺旋堵头的中空部位旋转配合。
对上述结构作进一步限定，所述的固定装置包括端盖和转轴，其中端盖与换热管之间螺纹连接，在端盖的中部设有与换热管轴心重合的孔，该孔与T字形的转轴配合，转轴的一端与中心轴之间通过销钉连接，转轴的另一端限制于端盖的外侧。
对上述结构作进一步限定，所述的转轴为一种轴向约束位置可沿着转轴轴线方向调整的旋转体，其旋转轴线与中心轴重合。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本发明中在换热管内设置螺旋型内插件的方式，在流体的冲击作用下同步旋转，转子部分与流体相互作用产生涡流，加强了流体近壁面和中心区域的混合，增强对流动边界层的剪切作用从而使之变薄，可以实现强化传热，同时有效地减少污垢的沉积；
（2）本发明中的换热管的管壁上具有螺旋型凹槽,近壁流体流动时,将产生附加的螺旋流动,以提高近壁面流体和管壁间的相对速度,减薄边界层厚度,降低热阻,提高传热膜系数；
（3）本发明中换热管两端的固定装置，采用空心结构并设置转轴，转轴与中心轴连接，形成转子部分，可以通过外部动力驱动或者流体驱动的方式，来增强流动效果，提高换热效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中换热管的剖视图；
图3是本发明中固定装置的一种结构示意图；
图4是本发明中固定装置的另一种结构示意图；
其中：1、换热管，2、内插件，3、固定装置，4、转轴，5、挂件，6、中心轴，7、限位元件，8、螺旋堵头，9、拉杆，10、端盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在强化传热换热器方面，影响换热器传热面结垢的因素主要是换热管壁面附近的温度和流速。通过内置内插件扰流强化流体流动，一方面增加流体中的扰动；另一方面减薄热边界层厚度。基于此，设计出一种自清洁强化传热换热器，如附图1所示，具体包括换热管1、内插件2和以及固定装置3，固定装置3设于换热管1两端的管口处，并且与内插件2两端连接，内插件2包括一个中心轴6，中心轴6与换热管1同轴，在中心轴6缠绕有螺旋的翅片，在翅片的两端通过限位元件7与中心轴6固定连接，翅片的螺旋边界与换热管1内壁留有间隙，中心轴6的两端与设于固定装置3上的转轴4连接。
在附图2中，换热管1主体为薄壁圆管，在圆管的侧壁上分布有向内凹的螺旋凹槽，螺旋凹槽的螺线方向与翅片的螺旋方向一致。换热管1中的螺旋凹槽是由光滑管在车床上轧制而成，分为单头和多头，用于强化管内气体或液体的传热强化管内液体的沸腾或管外蒸汽的冷凝。
螺旋凹槽的强化传热机理是:产生的边界层分离流使传热边界破坏。研究表明,采用小导程、浅槽深、大螺旋角的螺旋凹槽效果较好。根据强化传热原理，本发明与管径相同的直管相比，螺旋凹槽较可以有效增大换热面积，能有效提高换热效率。内插件2具有自清洁作用解决了换热器清洁的难题，将螺纹凹槽与内插件组成配套换热器，对于内插件的使用要综合考虑传热和流体流动阻力这两方面的因素，力求在流动阻力最低的情况下最大程度地提高换热器效率，同时减少了换热器内污垢清理的麻烦。
在具体的试验中，螺旋凹槽对液-液、液-气、气-气介质均有强化传热作用,总传热系数可提高20%~40%,可用于各种形式的换热器、废热锅炉等。由于螺旋凹槽的存在，使得管内壁面处的流体产生了二次流和旋转流，有利于减薄边界层，降低壁面热阻，强化传热；在流体湍流核心处没有出现很强二次流和旋转流，从而不会使得阻力增加很大。
在附图3中为固定装置3的一种结构示意图，该固定装置3包括螺旋堵头8和转轴4，螺旋堵头8为中空结构，其外表面设有螺旋形折板，折板的边界与换热管1的内壁接触，在螺旋堵头8的中空部位设有拉杆9，拉杆9的一端与中心轴6连接，拉杆9的另一端与设于螺旋堵头8一侧的转轴4连接，转轴4与螺旋堵头8的中空部位旋转配合。
在附图4中为固定装置3的另一种结构示意图，该固定装置3包括端盖10和转轴4，其中端盖9与换热管1之间螺纹连接，在端盖9的中部设有与换热管1轴心重合的孔，该孔与T字形的转轴4配合，转轴4的一端与中心轴6之间通过销钉连接，转轴4的另一端限制于端盖9的外侧。
在图3和图4中，可以设计转轴4为一种轴向约束位置可沿着转轴4轴线方向调整的旋转体，其旋转轴线与中心轴6重合。
本发明中，换热管两端的固定装置3，采用空心结构并设置转轴4，转轴4与中心轴6连接，形成转子部件。转子部件是换热器的核心部件,在流体的冲击作用下同步旋转，遵循阻力最小原理。转子与流体相互作用，增强对流动边界层的剪切作用从而使之变薄，达到破坏污垢生长的流速条件和强化传热的目的。同时可以通过外部动力驱动或者流体驱动的方式，来增强流动效果，提高换热效率。
本发明换热管1内的螺旋凹槽可有效提高换热面积、减薄边界层厚度, 降低热阻,提高传热膜系数，并在换热管1内布置内插件2加强管内流体的湍流强度，将螺旋槽管与适宜的内插件配套使用，能兼顾两者的优点。另外，通过对该换热器污垢的试验研究，换热器可用于预防或减轻污垢的堆积。试验结果表明，螺纹管的热阻是光管的52%~88%，努塞尔数是光管的1.8倍。当流体流速从0.25m/s增加到0.75m/s，污垢热阻将减小至66.7%.
另外，本发明中换热管内内插件2的主要形式还可以为螺旋弹簧、螺旋纽带和组合转子等，内插件2的形状可以是任意不同的。对于内插件2的形状设定要综合考虑传热和阻力这两方面的因素，力求在阻力最低的情况下最大程度地提高换热器效率。通过在管内插入扭曲带产生涡流，加强了流体近壁面和中心区域的混合，从而达到强化传热的目的，该结构的换热器具有卓越的稳定性、简单的构造及易于装配等特点。它们都能在强化传热的同时，有效地减少污垢的沉积。
本发明中的换热管1可以是螺旋槽管、横纹管、缩放管、内波纹外螺纹、波纹管、旋流管、花瓣形翅片管、锯齿形翅片管、表面多孔管和纵槽管等，或与直管相比能有效增加换热器换热面积的换热管。

Claims (5)

1.一种自清洁强化传热换热器，其特征在于：包括换热管（1）、内插件（2）和以及固定装置（3），所述的固定装置（3）设于换热管（1）两端的管口处，并且与内插件（2）两端连接，所述的内插件（2）包括一个中心轴（6），中心轴（6）与换热管（1）同轴，在中心轴（6）缠绕有螺旋的翅片，在翅片的两端通过限位元件（7）与中心轴（6）固定连接，翅片的螺旋边界与换热管（1）内壁留有间隙，中心轴（6）的两端与设于固定装置（3）上的转轴（4）连接。
2.根据权利要求１所述的一种自清洁强化传热换热器，其特征在于：所述的换热管（1）主体为薄壁圆管，在圆管的侧壁上分布有向内凹的螺旋凹槽，所述的螺旋凹槽的螺线方向与翅片的螺旋方向一致。
3.根据权利要求2所述的一种自清洁强化传热换热器，其特征在于：所述的固定装置（3）包括螺旋堵头（8）和转轴（4），所述的螺旋堵头（8）为中空结构，其外表面设有螺旋形折板，折板的边界与换热管（1）的内壁接触，在螺旋堵头（8）的中空部位设有拉杆（9），拉杆（9）的一端与中心轴（6）连接，拉杆（9）的另一端与设于螺旋堵头（8）一侧的转轴（4）连接，所述的转轴（4）与螺旋堵头（8）的中空部位旋转配合。
4.根据权利要求2所述的一种自清洁强化传热换热器，其特征在于：所述的固定装置（3）包括端盖（10）和转轴（4），其中端盖（9）与换热管（1）之间螺纹连接，在端盖（9）的中部设有与换热管（1）轴心重合的孔，该孔与T字形的转轴（4）配合，转轴（4）的一端与中心轴（6）之间通过销钉连接，转轴（4）的另一端限制于端盖（9）的外侧。
5.根据权利要求3或4所述的一种自清洁强化传热换热器，其特征在于：所述的转轴（4）为一种轴向约束位置可沿着转轴（4）轴线方向调整的旋转体，其旋转轴线与中心轴（6）重合。
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