CN1727833A - 旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术 - Google Patents
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Abstract
旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，在传热管内安装的旋流口齿直带是由有旋流口的直带和动力齿构成，直带上也可以有副齿。在动力齿和副齿的阻挡导向下，管内液体一部分作轴向流动，另一部分通过旋流口作螺旋线流动。流体对动力齿和副齿的作用力使旋流口齿直带启动容易，自转力矩大，自转速度加快，流体阻力降低，传热强化幅度高，制造费用低，可以在较低流速的列管式传热设备中广泛地应用于管内污垢的自动清洗和传热强化。
Description
技术领域
本发明涉及的旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，主要针对列管式换热器的管内污垢自动除垢防垢和传热强化的。它适用于传热管内运行流速较低、需要传热强化或自动清洗管内壁污垢的各种列管式传热设备，如换热器、冷凝器、蒸发器等。
背景技术
传热设备中壳管式结构的换热器数量最多。壳管式换热器中又以管内流速(0.5m/s-0.9m/s)较低的占其绝大多数。这些设备的共同特点是管内容易结垢，并且对流传热系数较低，因此需要自动清洗除垢防垢和传热强化。最近的一些文献，例如：支校衡等，能源系统低流速传热设备的齿形扭带自动清洗新技术.煤矿机械，2003，(4)：85-；刘桂英、俞天兰，等，低流速传热管内的自动清洗及其传热强化技术.中国井矿盐，2003，(3)：38-40；YuTianlan，et.al.，The Self-cleaning and Heat Transfer Enhancement Technology ofthe Twisted Strip with Oblique Teeth Used in Condensing Tubes of RefrigeratingUnits，ICCR(International Conference on Cryogenics&Refrigeration，April22-25，2003，Hangzhou，P.R.C，P553-556；等等，介绍了一种结构新颍的螺旋斜齿扭带，可以成倍地增大了光滑螺旋扭带的自转力矩，又能够大幅度地提高了传热强化的幅度，能够在较低流速下广泛使用。但是，由于结构太复杂，其中的斜齿若采用粘接或焊接的工艺安装到光滑的螺旋扭带上，则制造费用昂贵，失去其工程价值；高效率、廉价的直接制造技术难关又尚未破解，无法在工业生产中推广应用。
发明内容
本发明旨在解决螺旋斜齿扭带制造技术的困难，提出旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，既能够保持螺旋斜齿扭带的根本优势，比光滑的螺旋扭带的自转力矩成倍增大，又能够使管内的对流传热系数大幅度提高，又便于注塑齿形，高效率地大量生产，并且制造费用低廉，以便在管内流速较低(0.5m/s-0.9m/s)的壳管式传热设备中大量应用。
本发明的技术方案为：旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，它由传热管、旋流口齿直带、转轴等组成。旋流口齿直带由有旋流口的直带和动力齿构成，也可以是由有旋流口的直带和动力齿以及副齿构成。有旋流口的直带的宽度B略小于传热管的内径D。动力齿和副齿沿轴向均布排列在有旋流口的直带的两面。动力齿、副齿与直带中心线的夹角均为α，也可以前者较小。动力齿与副齿在宽度方向的排布都不是以中心线为对称，而是动力齿在偏向于上游方向的一侧，副齿在其下游的一侧，但是也可以不排布副齿。旋流口都是在动力齿的下游方向的一侧，并且在靠近动力齿的延长线的上游一方。旋流口与动力齿可以一一对应设置，也可以间隔设置，但都是沿长度方向等间距排列。直带正面与背面的动力齿、副齿在轴向可以交错排布，也可以不交错排布。动力齿与副齿的齿顶线为弧线，其高度都是近中心线处较高、近侧边缘处较低。旋流口齿直带的长度与传热管大体相同，可以是由若干段连接而成的，也可以是一条整体结构。旋流口齿直带的头部与转轴连接，转轴的另一端轴向固定在传热管流体入口端的管口的旋流轴承座上。有旋流口的直带和动力齿及其副齿均采用工程塑料制造，以免长期运行过程中传热管壁受到磨损。
本发明的旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，由于在有旋流口的直带上设置了动力齿，运行时轴向流速u的液体从传热管的入口端流入后，受到动力齿与副齿的阻挡和导向，一部分流体以速度u1轴向流动，另一部分流体则经旋流口流向背面形成速度u2的螺旋线流动，旋流口面积愈大，螺旋线流动的流体的比例也愈大。被阻挡导流的液体对动力齿和副齿的作用力都是齿面的法向，其中轴线方向的分力就成为管口轴承的载荷，而在横截面上的分力F1与F2则对直带的中心线形成一个自转动力矩M，所产生的自转动力矩M比光滑的螺旋扭带大得多，其值可以达到一倍以上。由于直带上的旋流口和旋流轴承的共同作用，使一部分流体能够螺旋流动，从而较好地解决了直带自转的启动困难问题。由于旋流口结构，自转速度显著加快，流体阻力明显下降；并且旋流口面积愈大，自转速度愈快，流体阻力下降的幅度也愈大。因此，这种旋流口齿直带能够在0.50m/s～0.90m/s的较低流速的传热管内自转，并且可靠地实行自动清洗。
由于传热管内的流体在动力齿和副齿处受到强烈的阻挡和节流，在其下游产生大量的涡流；又由于轴向流动部分的流体和螺旋线流动部分的流体不断相互搅动，都使传热管内的涡流度增大，因而管内的对流传热过程得到很有效的强化，可以使管内传热系数αi得到大幅度地提高。
附图说明
图1是本发明的旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术的结构原理图。
图2是本发明的传热管内旋流口齿直带自转动力矩形成原理示意图。
图3是有副齿的旋流口齿直带结构示意图
图4是无副齿的旋流口齿直带结构示意图
具体实施方式
下面结合附图1、图2、图3和图4对本发明作进一步详细的描述。
图中的1.传热管 2.旋流口齿直带 3.转轴 4.旋流轴承 5.滑动轴承 6.直带
7.旋流口 8.动力齿 9.副齿
旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，由传热管1、旋流口齿直带2、转轴3组成。旋流口齿直带2是由有旋流口7的直带6和动力齿8构成，也可以是由有旋流口7的直带6和动力齿8以及副齿9构成。直带6的宽度B略小于传热管1的内径D，宽度比值B/D在0.70～0.95范围。动力齿8和副齿9均沿轴向均布排列在直带6的正面背面，齿距T在(1.50～5.00)D的范围，相对齿距的比值(T/D)的大小由传热管1内的流速决定，流速愈高，相对齿距的比值t/D的比值也愈大。动力齿8与直带6的中心线呈夹角α，夹角α在25°到45°范围。副齿9与动力齿8相互平行，也可以副齿9的夹角α比动力齿8的夹角α更大。动力齿8与副齿9在直带6的宽度方向的排布不是以中心线为对称，而是动力齿8排布在偏向于上游方向的一侧，副齿9排布在偏向于下游方向的一侧。动力齿8与副齿9在直带的横截面上的投影宽度都在(0.45～0.60)B的范围。旋流口7都是在动力齿的下游方向的一侧，并且在紧靠动力齿8的延长线的上游一方。旋流口7与动力齿8可以一一对应设置，也可以间隔设置，在直带6上都是沿长度方向等间距排列。动力齿8及其副齿9在直带6的正面背面可以交错排布，也可以不交错排布。动力齿8和副齿9的齿顶线为弧线，高度都是近直带6的中心线处较高、近直带6的侧边缘处较低。旋流口齿直带2的长度与传热管1大体相同。一根传热管1内安装的旋流口齿直带2可以是由若干段连接而成的，也可以是一条整体结构。旋流口齿直带2的头部与转轴3连接，转轴3的另一端轴向固定在传热管1流体入口端的管口的旋流轴承座4上。有旋流口7的直带6和动力齿8及其副齿9均采用工程塑料制造，以免长期运行过程中传热管壁受到磨损。
运行时，轴向流速u的液体受到动力齿8、副齿9的阻挡和导向，其中一部分液体以流速u1作轴向流动，另一部分流体经螺旋流缺口7流向背面，形成流速u2的螺旋线流动。被阻挡导向的液体对正面和背面的动力齿8、副齿9的作用力方向都是齿面的法向，其轴线方向的分力成为旋流轴承座4的轴向载荷，而在横截面上的分力F1与F2则对直带6的中心线形成一个自转动力矩M(参见附图2)，所产生的自转力矩M比相同长度的光滑扭带的自转力矩大得多，可以达到一倍、甚至更多。旋流口7的面积愈大，旋流口齿直带2的自转启动性能愈好，自转速度愈大，流体阻力下降的幅度也愈大。因此，这种旋流口齿直带2能够在0.50m/s～0.90m/s的较低流速的传热管1内可靠地自转，实行管壁污垢的自动清洗。
由于传热管1内的流体在动力齿8和副齿9处受到强烈的阻挡和节流，在其下游产生大量的涡流；又由于轴向流动部分的流体和螺旋线流动部分的流体不断相互搅动，使传热管内处处充满涡流。所以，旋流口齿直带2能够使传热管1内的对流传热过程得到很有效的强化，可以使管内传热系数αi得到大幅度地提高，其值可以达到一倍，以至更大。
因此，旋流口齿直带2能够同时实现较低流速下的传热管6内污垢的在线、自动、连续清洗和对流传热的高效强化。例如，旋流口齿直带2在Φ38×3×1500的不锈钢钢管内试验时，当冷却水流速还只有0.30m/s时就开始自转清洗，并且使传热管6的传热系数αi提高150％左右。
Claims (5)
1.旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，由传热管(1)、旋流口齿直带(2)、转轴(3)等组成，其特征在于：传热管(1)内安装的旋流口齿直带(2)是由有旋流口(7)的直带(6)和动力齿(8)构成，也可以是由有旋流口(7)的直带(6)和动力齿(8)以及副齿(9)构成；动力齿(8)沿轴向均布排列在直带(6)的正面背面，与直带(6)中心线的夹角为α在20°～45°范围；动力齿(8)在直带(6)的宽度方向的排布不是以中心线为对称，而是在偏向于上游方向的一侧，直带(6)的正面与背面的动力齿(8)在轴向可以交错排布，也可以不交错排布；旋流口(7)排布在动力齿(8)的下游方向的一侧，并且在动力齿(8)的延长线的上游一方，旋流口(7)与动力齿(8)可以一一对应设置，也可以间隔设置。
2.根据权利要求1所述旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，其特征在于：所述的旋流口齿直带(2)上设计有副齿(9)，排布在动力齿(8)的下游直带(6)中心线的另一侧，其间距L在(0.35～0.70)T的范围。
3.根据权利要求1所述旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，其特征在于：所述的旋流口直齿带(2)的头部与转轴(3)连接，转轴(3)的另一端轴向固定在传热管(1)流体入口端的旋流轴承座(4)上。
4.根据权利要求1所述旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，其特征在于：所述的旋流口齿直带(2)的长度与传热管(1)大体相同，可以是由若干段连接而成的，也可以是一条整体结构。
5.根据权利要求1所述旋流口齿直带管内自动清洗及其传热强化技术，其特征在于：所述的动力齿(8)与副齿(9)的齿顶线为弧线，高度都是近中心线处较高、近侧边缘处较低。
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