CN202002544U - 换热管内径向阶梯型转子 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种换热管内径向阶梯型转子，它是由空心轴、阶梯型叶片构成的，阶梯型叶片位于空心轴表面，其特征在于：阶梯型叶片外径小于换热管内径，阶梯型叶片表面光滑，阶梯型叶片绕空心轴呈螺旋状，且阶梯型叶片的迎水面与背水面在沿空心轴径向均设置有阶梯面结构或波浪型结构，阶梯型叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角或倒圆角。本实用新型中，换热管内传热流体流动时会对阶梯型转子产生轴向力，叶片阻碍流体流动从而使流体流向发生改变，形成混流，同时流体推动转子转动，传热流体自身的混流得到加强，部分传热流体沿叶片的阶梯面流动，最终离开阶梯面做离心运动甩向换热管内壁面，对内壁面处的流体边界层产生冲击，进一步强化传热。

Description

换热管内径向阶梯型转子

技术领域

本实用新型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部强化传热和防垢除垢的内插元件，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径向阶梯型转子。

背景技术

在21世纪，节能减排已经成为社会发展过程中人类的共识。换热器作为化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、机械及其他许多工业部门广泛使用的一种通用设备，它的能耗问题尤为引人关注。管壳式换热器作为应用最为广泛的一种换热器，存在着内部容易沉积污垢的缺点，这些污垢使得传热流体在管道中的输送阻力增加，严重时甚至会堵塞管道，由污垢引起的热阻也使得换热器的换热性能下降，此外，换热管中沉积的污垢往往具有腐蚀性，管壁会因此受到腐蚀甚至造成泄漏。因此，解决管壳式换热器的换热管内污垢沉积以及强化传热成为人们研究的热点问题之一。近年来出现了许多阻止污垢沉积的方法和装置，专利申请号为00249059.5的专利“一种装有除垢、防垢装置的传热管”，该专利介绍了在换热管中安装螺旋扭带来实现强化传热的方法，具体方法是在轴杆一段套上活动球并与轴承座连接，轴杆另一端则与螺旋纽带连接，该方法减小了轴杆与轴承座之间的摩擦，使得螺旋纽带的正常旋转得以保证，但是螺旋纽带在管内的位置并没有得到很好的限制，可能会受到流体的作用而摩擦管壁，造成换热管的磨损，且由于螺旋纽带为一个整体，管内传热流体在推动纽带转动时需要较大的驱动力矩，造成换热管两端较大的压力降。中国专利号为ZL200520127121.9的专利“转子式自清洁强化传热装置”中，介绍了一种由固定架、转子、钢丝和支撑管构成的强化传热装置，该装置具有在线自动 防垢除垢和强化传热的功能，传热流体在换热管内顺流或逆流的情况下，均有防垢除垢和强化传热的作用，该专利中所涉及的转子在一定传热流体通过时，转子的旋转速度是由螺棱的螺旋升角决定的，在螺棱导程小时转子的旋转速度越快，同时对传热流体的阻力随之增加，转子旋转过程中对传热流体具有扰动作用，但对换热管内壁面附近传热流体边界层的破坏作用不明显。

实用新型内容

本实用新型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径向阶梯型结构，该结构转子具有提高换热管传热性能的作用，同时还具有防垢除垢的作用。

本实用新型采用的技术方案是：换热管内径向阶梯型转子，由空心轴、阶梯型叶片构成的，阶梯型叶片位于空心轴表面，阶梯型叶片外径小于换热管内径，阶梯型叶片表面光滑，阶梯型叶片绕空心轴呈螺旋状，且阶梯型叶片的迎水面与背水面在沿空心轴径向均设置有阶梯面结构或类似于阶梯型的波浪型结构，阶梯型叶片最先与水流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空心轴内孔相通的孔，通过改变阶梯型叶片沿空心轴轴向的螺旋角、轴向长度以及沿空心轴径向的高度来改变流体对转子的旋转力矩，阶梯型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。传热流体流过阶梯型叶片时，会对转子产生轴向力，阶梯型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，阶梯型叶片在空心轴周围呈螺旋状，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的形成和沉积的目的，同时部分流体在转子转动过程中会沿阶梯型叶片上的阶梯型表面径向流动最终做离心运动甩向换热管管壁，这部分流体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，可以通过改变阶梯型叶片沿空心轴轴向的螺旋角、轴向长度以及沿空心轴径向的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。阶梯型叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角或倒圆角结构使得转子获得一定的旋转扭矩，有利于转子的旋转，该结构与换热管形成的楔形空间也有利于对流体边界层的扰流。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，沿空心轴圆周方向均匀分布的阶梯型叶片个数可以为两个、三个、四个或多个，单个所述转子沿空心轴轴线方向可以分布有一个、两个或多个的阶梯型叶片。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，阶梯型叶片表面的阶梯个数可以为一个、两个或多个。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，阶梯型叶片表面的阶梯型结构的台阶面可以与空心轴径向平面平行也可以与径向平面呈一定角度，阶梯型叶片迎水面或背水面与台阶面的夹角为倾斜角或垂直，倾斜角可提供一些转子转动的扭矩。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，只在阶梯型叶片的迎水面或背水面的一个面上设置有阶梯型结构，另一个面是光滑的曲面。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，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。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，在空心轴上阶梯型叶片占据位置之外的部位开设有通孔，通孔的截面形状为半圆形、椭圆形、矩形或梯形。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，阶梯型叶片的表面开有一定数量的小孔，以减小传热流体流经转子的压力损失。

本实用新型换热管内径向阶梯型转子，阶梯型叶片与空心轴接触部分沿轴向布置，即与空心轴内孔的轴线平行，阶梯型叶片离开空心轴的部分呈带有梯形结构的弧形，该弧形扭转，其切线与转子空心轴内孔的轴线形成一定的夹角，即不与空心轴内孔的轴线平行，水流对阶梯型叶片空间的弧形形成具有使转子旋转的扭矩，阶梯型叶片对水流的阻挡作用造成水流具有一定的混流，热量在流体内具有交换，水流沿阶梯型叶片甩向换热管内壁，具有破坏边界层的作用。

为防止转子在转动过程中沿转轴轴向窜动，所述转子空心轴两端设置了同轴结构，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。

所述转子阶梯型叶片的轴向长度、径向高度、螺旋升角等参数以及阶梯型叶片上阶梯型结构的数目，可依据换热管内径、管内介质流速等工况条件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。

所述转子安装在换热管内，可依据换热管的实际长度，来调整串联在转轴上的转子数目，同时利用固定在换热管两端的挂件对转轴进行轴向固定。

本实用新型的有益效果是：1、所实用新型的转子阶梯型叶片表面具有阶梯型结构，可在不增加阶梯型叶片径向高度的前提下提高对换热管内壁面处传热流体边界层的破坏程度，从而提高传热效率；2、转子的阶梯型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阶梯面甩出的离心运动，从而减少了污垢在转子表面和换热管内壁沉积的可能性；3、阶梯型叶片表面阶梯型结构的存在使得在阶梯型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是本实用新型换热管内径向阶梯型转子-两叶顺序阶梯式三维结构示意图主视图。

图2是本实用新型换热管内径向阶梯型转子-两叶顺序阶梯式三维结构示意图。

图3是本实用新型换热管内径向阶梯型转子-四叶顺序阶梯式三维结构示意图。

图4是本实用新型换热管内径向阶梯型转子-四叶十字交叉阶梯式三维结构示意图。

图5是本实用新型换热管内径向阶梯型转子安装结构示意图。

图中，1-阶梯型叶片，2-空心轴，3-球窝凸台，4-球窝凹台，5-相通的孔，6-挂件，7-换热管，8-转轴，9-同轴结构。

具体实施方式

如图5所示是本实用新型涉及换热管内径向阶梯型转子的一种实施方法，该强化传热装置包括转子、挂件6、换热管7和转轴8，数个转子通过转轴8串联在一起，相邻转子之间通过同轴结构9连接，挂件6固定于换热管7两端，转轴8两端分别与挂件6相连实现两端固定，转子是由一定数目的阶梯型叶片1固定在空心轴2上构成的，空心轴2上还开有球窝凸台3、球窝凹台4和与空心轴内孔相通的孔5。本实例中同轴结构9是由转子空心轴2两端的球窝凸台3和球窝凹台4两部分组成的，两个相邻转子中，一个转子的空心轴2头部的球窝 凸台3与另一个转子尾部的球窝凹台4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7弯曲处的柔性连接结构，同轴结构9除了可以采用球窝方式外，还可以采用圆锥方式、卡扣方式以及万向节方式，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4所示，转子的空心轴2截面形状为圆柱形；如图1和图2为两叶顺序阶梯型转子，转子空心轴2上有两个阶梯型叶片1，两个阶梯型叶片1相对分布，空心轴2上还开有球窝凸台3、球窝凹台4以及均布的与空心轴内孔相通的孔5；图3为四叶顺序阶梯型转子，空心轴2上有4个阶梯型叶片1，其中4个阶梯形叶片1两两一组沿轴向顺序排布，两组阶梯型叶片相对排列；图4是四叶十字交叉阶梯型转子，空心轴2上有4个阶梯型叶片1，这四个阶梯型叶片1互为90°交叉排列。

本实用新型中，换热管7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，阶梯型叶片1使流体流向发生改变，形成混流，阶梯型叶片1在空心轴周围呈螺旋状，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，部分传热流体沿着阶梯型叶片1的阶梯面流动，并最终离开阶梯型叶片1做离心运动甩向换热管7内壁面，对内壁面处传热流体边界层产生冲击，通过破坏边界层来进一步实现强化传热。该种形式转子可以减小阶梯型叶片1的径向高度，同时通过改变阶梯型叶片1的螺旋角、径向宽度和轴向长度来改变传热流体对转子的转动力矩，保证转子的流畅旋转，转子空心轴2远离进水口端开的与空心轴内孔相通的孔5便于传热流体在空心轴2内部与转轴8之间流动，带动空心轴2内部与转轴8之间的污垢排出，防止了污垢的沉积，此外，通过减小阶梯形叶片1的径向高度以及在空心轴2上开设与空心轴内孔相通的孔5可以节省材料和加工成本。

Claims (10)

1.换热管内径向阶梯型转子，由空心轴、阶梯型叶片构成的，阶梯型叶片位于空心轴表面，其特征在于：阶梯型叶片外径小于换热管内径，阶梯型叶片表面光滑，阶梯型叶片绕空心轴呈螺旋状，且阶梯型叶片的迎水面与背水面在沿空心轴径向均设置有阶梯面结构或波浪型结构，阶梯型叶片最先与水流接触的棱边进行倒斜角或倒圆角。

2.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：沿空心轴圆周方向均匀分布的阶梯型叶片个数为两个、三个、四个或多个，沿空心轴轴线方向分布有一个、两个或多个的阶梯型叶片。

3.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：所述阶梯型叶片表面的阶梯个数为一个、两个或多个。

4.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：所述阶梯型叶片表面的阶梯型结构的台阶面与空心轴径向平面平行或与径向平面呈一定角度，阶梯型叶片迎水面或背水面与台阶面的夹角为倾斜角或垂直。

5.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：在阶梯型叶片的迎水面或背水面的一个面上设置有阶梯型结构，另一个面是光滑的曲面。

6.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：所述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截面形状为半圆形、椭圆形、矩形或梯形的孔。

7.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：在所述空心轴上所述阶梯型叶片占据位置之外的部位开设有截面形状为半圆形、椭圆形、矩形或梯形的通孔。

8.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：所述阶梯型叶片的表面开有小孔。

9.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：所述空心轴的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，空心轴两端设置球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式的同轴结构。

10.根据权利要求1所述的换热管内径向阶梯型转子，其特征在于：所述阶梯型叶片与所述空心轴接触部分沿轴向布置，该阶梯型叶片离开空心轴的部分呈带有梯形结构的弧形，该弧形扭转，其切线与转子空心轴内孔的轴线形成夹角。

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