传热管内自清洁强化传热的低流阻转子

摘要

本发明涉及的传热管内自清洁强化传热的低流阻转子，它包括转子、支撑架和连接轴线，所述支撑架固定在传热管的两端，连接轴线的两端分别固定在支撑架上，所述数个转子穿装在两个支撑架间的连接轴线上，所述转子由空心轴和鳍片构成，所述空心轴上设置有一个以上的鳍片，每个鳍片与空心轴中心线成倾斜状，鳍片工作表面呈涡旋状或平面状，或者其两者的组合，鳍片均匀固定在空心轴外表面上；本技术方案中，管内流体通过鳍片驱动转子以合适的速度旋转从而对污垢沉积具有抑制和清扫作用，鳍片同时对管内流体具有扰动作用，强化对流传热；转子在传热管内所占据的空间小、传热管轴向的流通面积大、阻塞率低，流动阻力小，显著提高转子的使用寿命。

说明书

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传热管内防污除垢和强化传热的内插元件，特别是涉及一种利用传热管内流体作为动力的传热管内自清洁强化传热的低流阻转子。

背景技术

在火电、核电、石油、化工、冶金、食品、轻工、船舶动力和航空航天等领域都要应用到大量的换热器，其中管壳式换热器的应用占绝大多数，但是管壳式换热器在传热管道内壁积污结垢的问题普遍存在，使传热性能降低变差，同时流体输送阻力增大，甚至造成管道堵塞；管壁污垢不仅会带来腐蚀泄露的安全隐患、而且因传热效率大幅度降低而造成严重的能源浪费，因此通常需要定时的采取停产清洗的被动措施；为此，多年来人们一直在研究发明不停机的在线式自动防污除垢和强化传热的办法和装置。在众多的防污除垢方法中，螺旋纽带法是一种利用流体动能实现在线自动除垢的方法，中国专利申请号为ZL95236063.2，公开了发明名称为“传热管内除垢防垢的清洗装置”的发明创造，该发明创造的技术方案由传热管内装设有与传热管大体相等长的扭曲带构成，扭曲带的径向尺寸小于传热管的内径，在传热管进液口端装有轴向固定架，其中部有进流孔，轴向固定架的头部有一个轴孔，轴孔内装有销轴，销轴的尾部与扭曲带连接；中国专利申请公开号CN 1424554，发明名称为“双扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置”公开了一种强化换热及自动除垢装置，该装置除了设有螺旋纽带、固定架外，螺旋纽带设置在螺旋管内，靠通过螺旋管内的流体流动带动螺旋纽带转动。虽然介质在螺旋管内呈螺旋状流动，有利于提高换热效果，但是螺旋纽带旋转与螺旋管内壁之间的缝隙不均匀，螺旋纽带对螺旋管内壁垢层的清扫作用小而且不均匀，不利于除垢。以上两种螺旋纽带法的除垢装置的扭曲带或称为螺旋纽带在传热管内均为一端与固定架连接，另一端是不固定的，扭曲带的径向尺寸小于传热管的内径。螺旋纽带的主要缺点是：1)工作过程中需要较大的驱动力矩；2)纽带对传热管内壁存在直接刮磨；3)端部转动轴承的使用寿命短。4)除自动除垢作用外，场协同强化传热效果不显著；中国专利号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，该装置由固定架、转子、柔性轴和支撑管构成，两固定架分别固定在传热管的两端；转子的外表有螺棱，转子上有中心孔；支撑管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。这种装置具有自动在线预防结垢、清洗和强化传热的功能，流体在传热管内顺流或逆流的情况下，均有阻垢和强化传热的作用。但是，由于其结构为连续的螺棱设计方案，冷却介质在传热管内流动时，在流量一定的工作状态下，转子的旋转速度是由螺棱的螺旋升角所决定的，螺旋升角越小，即螺棱导程越短，则转子旋转速度越快，但同时其流动阻力也随之增加。当转子旋转速度较高，例如在200转/分以上时，传热管内流体则在螺棱的扰动下造成紊流，强化传热效果显著，但是，流动阻力增加问题也十分突出，经过水流量试验表明，在长度为8米、直径为23毫米的传热管中，采用导程为100毫米的三棱转子的传热管与光管对比，由于通流面积减小在相同功率的泵送条件下，流量减少50％以上。虽然通过在螺棱上开孔的办法可使流阻增大的问题得到一定程度的缓解，但是给成型加工带来模具结构复杂化、制造成本增加、使用寿命减短等一系列问题。

发明内容

本发明的目的是设计一种新结构的转子，在保持自清洁强化传热性能的同时，能够大幅度降低管内介质的流动阻力，并提高转子工作转速的可控性。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：一种传热管内自清洁强化传热的低流阻转子，它包括转子、支撑架和连接轴线，所述支撑架固定在传热管的两端，连接轴线的两端分别固定在支撑架上，所述数个转子穿装在两个支撑架间的连接轴线上，所述转子由空心轴和鳍片构成，所述空心轴上设置有一个以上的鳍片，每个鳍片与空心轴中心线成倾斜状，鳍片工作表面呈涡旋状或平面状，或者其两者的组合，鳍片均匀固定在空心轴外表面上。

每个相邻鳍片以空心轴为中心旋转一周所扫过的空间前后相连。

所述转子的空心轴截面形状为空心圆柱型、空心圆锥型、空心多棱型或空心波节型，所述固定在空心轴表面的鳍片，其表面可以设置有透空。

所述转子的空心轴两端设置有同轴结构，数个穿装在两个支撑架间连接轴线上的转子，其转子的空心轴两端设置有同轴结构，两个相邻转子的空心轴头部和另一个空心轴的尾部相结合。

所述转子的空心轴同轴结构是圆锥方式，还可以是球窝方式，万向节方式或者卡扣方式。

所述转子的空心轴和鳍片是由陶瓷、金属或者是由高分子材料或者高分子基复合材料制作。

本发明涉及的传热管内自清洁强化传热的低流阻转子，其单个转子的长度、旋转外圆直径和鳍片所倾斜的角度等参数，可根据传热管内径、管内介质流速等工作条件和制造成本等情况来确定，相邻转子之间既可以采取同步旋转的连接方式，也可以采用各自独立旋转的结构。

本发明的有益效果是：

1、管内流体通过鳍片驱动转子以合适的速度绕中心轴旋转从而对污垢沉积具有抑制和清扫作用，同时，管内流动介质在转子鳍片的导流和扰动作用下形成有利于强化传热的流动状态；2、转子在传热管内所占据的空间小、传热管轴向的流通面积大、阻塞率低，流动阻力小；3、在相同的工作转速下，转子间的轴向推力减小，转子间摩擦作用减轻，从而减少了工作过程中流动介质的动能损耗，并且可以显著提高转子的使用寿命；本发明经过实验证明，由于对转子结构的创新设计，大幅度减少了转子本身的原材料消耗；在保持优异的自清洁功能的基础上，场协同作用强化传热效果更好，与现有技术相比，由于阻塞度减少60％以上，流动阻力也得以大幅度降低，并且在降低制造成本的同时还大幅度提高了使用性能。

本发明在传热管内安装时，根据传热管长度，用连接轴线将若干个单元转子串联在一起，贯穿到传热管内，利用设置在传热管端部的支撑架固定在传热管的两端，在流体作用下通过鳍片，使转子产生旋转，从而对传热管内壁粘附物进行清扫；对管内介质流场进行扰动，形成有利于强化传热的紊流。鳍片的结构可以灵活多变，根据实际应用需要，还可以在鳍片上设置透空，从而进一步降低转动阻力和流体流动阻力。

附图说明

图1为本发明的涡旋式转子结构示意图。

图2为图1的右视结构示意图。

图3为本发明的组合式转子结构示意图。

图4为图3的右视结构示意图。

图5为本发明带有透空式转子结构示意图。

图6为图5的右视结构示意图。

图7为图1涡旋式转子的立体结构示意图。

图8为本发明整体剖视结构示意图。

图中，1锥形凹台、2涡旋式鳍片、3空心轴、4锥形凸台、5组合式鳍片、6透空式鳍片、7透空、8支撑架、9同轴结构、10传热管、11连接轴线。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

如图8所示，本发明涉及的传热管内自清洁强化传热的低流阻转子的一种实施例，它包括转子、支撑架8和连接轴线11，所述支撑架8固定在传热管10的两端，连接轴线11的两端分别固定在支撑架8上，所述数个转子穿装在两个支撑架8间的连接轴线11上，所述转子由空心轴3和工作表面呈涡旋状的涡旋式鳍片2构成，所述空心轴3上设置有一个以上的涡旋式鳍片2，每个涡旋式鳍片2与空心轴3中心线成倾斜状，每个涡旋式鳍片2均匀固定在以空心轴3的外表面上。

每个相邻鳍片2以空心轴3为中心旋转一周所扫过的空间前后相连。

如图1至图8所示，所述转子的空心轴3截面形状为空心圆柱型；如图3和图4所示，所述固定在空心轴3表面的是由涡旋状和平面状组合而成的组合式鳍片5；如图5和图6所示，所述固定在空心轴3表面的是透空式鳍片6，其表面设置有透空7。

所述转子的空心轴3两端设置有同轴结构9，本实施例中的同轴结构9是在每个空心轴3的头部和尾部分别设置锥形凸台4和锥形凹台1，数个穿装在两个支撑架8之间连接轴线11上的转子，其转子的空心轴3两端设置的锥形凸台4和锥形凹台1，两个相邻转子空心轴3头部和另一个空心轴3尾部的锥形凸台4和锥形凹台1相结合；同轴结构9的目的是使相邻转子在工作时保持同轴，同时具有适应传热管10弯曲的柔性连接结构，除圆锥结构外，还有球窝结构，万向节结构、卡扣结构等，对于转子运行同轴性不高的场合也可以是简单的平面结构。

本发明中转子的外径略小于传热管10的内径，转子的中心孔内径略大于连接轴线11的外径，所述每个转子上相邻的鳍片沿轴线旋转一周所扫掠的区域应当前后相连或者有部分重叠，以保证对传热管10内表面具有充分的清扫能力；管内流体通过鳍片驱动转子以合适的速度旋转从而对污垢沉积具有抑制和清扫作用，鳍片同时对管内流体具有扰动作用，强化对流传热；转子在传热管内所占据的空间小、传热管10轴向的流通面积大、阻塞率低，流动阻力小，在相同的工作转速下，转子间的轴向推力减小，转子间摩擦作用减轻，从而减少了工作过程中的流动介质的动能损耗，并且显著提高转子的使用寿命。