CN104764355A - 换热管内锯齿形螺旋叶片转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热管内锯齿形螺旋叶片转子，由空心轴和顶部为交替向前和向后弯曲的锯齿形螺旋叶片构成，且锯齿均匀分布，螺旋叶片位于空心轴表面，其外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑，绕空心轴呈螺旋状；空心轴为一带中心孔的圆柱体，连接轴能够顺利穿过空心轴的中心孔，空心轴一端为带有凸台的头部，空心轴另一端为尾部，其为与凸台同心的凹槽，尺寸能与凸台配合。当传热流体流经转子，带动螺旋叶片转子旋转，形成三维螺旋型流动状态，不仅加剧了流体湍流强度及边界层的扰动，还可阻止污垢沉积。换热管内流体中心温度高于近壁面温度，转子由导热材料制作，具有导热作用，将换热管的心部热量带到管壁，有利于传热，提高强化换热的能力。

Description

换热管内锯齿形螺旋叶片转子

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垢除垢的内插元件，特别涉及一种利用换热管内部传热流体作动力，实现自清洁强化传热功能的低能耗高效率的锯齿螺旋叶片转子。

背景技术

针对愈来愈严重的能源消耗问题，节能降耗显得尤为重要。管壳式换热器作为换热设备的一种基本形式，广泛应用于化工、电力、炼油、动力、冶金、制冷、食品等国民经济的各个领域。该类换热器在使用过程中常常发生结垢现象。污垢的热阻很大，大大降低了换热器的传热效率；此外，结垢将引起流道变窄，流动阻力加大，导致动力消耗增加，甚至能使设备局部过热，引起爆管等事故，严重影响了设备的安全运行。针对管壳式换热器在运行过程中存在的问题，迫切需要开发既能除垢又能强化传热的技术，以满足建立节约型社会的需要。扭带是目前应用最为广泛的管内插入物，公开号CN1424554公开了一个名称为“双扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置”的发明创造，该发明用来强化传热和自动除垢，除螺旋纽带、固定架外，该装置还增设了螺旋管，将螺旋纽带置于螺旋管中，由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，有利于提高强化换热效果，但产生的整体场协同强化传热效果不显著。此外，因螺旋纽带为一体式传动件，纽带的不顺直将影响其转动，与换热管内壁之间会产生不均匀的缝隙，导致出现除垢作用小而不均匀，纽带磨损，旋度降低以及刮擦换热管管壁等问题。200910077378.0公开了名称为“一种单元组合式强化传热装置”的专利申请，该装置包括转子、支撑架、套轴和连接轴线，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，连接轴线上装有数个套轴，一个套轴与一个或多个转子相配。扰流旋叶、圆筒、尾部螺旋驱动桨叶是转子的基本构成部分，该强化传热装置可以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，但该结构转子的强化传热和防垢除垢能力都受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的是设计一种新结构的转子，该转子的叶片顶部设计成均匀分布的锯齿形状，并交替向前和向后弯曲。该结构转子不仅能产生显著的整体场协同强化传热效果，还能达到预防结垢，清洗换热管壁污垢的效果。

本发明为解决上述问题采用的技术方案是：换热管内锯齿形螺旋叶片转子，由空心轴和顶部为交替向前和向后弯曲的锯齿形螺旋叶片构成，且锯齿均匀分布，螺旋叶片位于空心轴表面，其外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑，绕空心轴呈螺旋状；空心轴为一带中心孔的圆柱体，连接轴能够顺利穿过空心轴的中心孔，空心轴一端为带有凸台的头部，空心轴另一端为尾部，其为与凸台同心的凹槽，尺寸能与凸台配合。当传热流体流经转子，带动螺旋叶片转子旋转，形成三维螺旋型流动状态，不仅加剧了流体的湍流强度及边界层的扰动，还可以及时阻止污垢的沉积，从而达到了强化传热以及自清洁的双重效果。伴随着转子的旋转，叶片顶部锯齿会使叶片与叶片之间流体区域的径向运动得以加强，增加流体扰动，流体能更有效地沿叶片顶端向四周扩散，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，产生显著的场协同强化传热效果。螺旋叶片受到流体介质的驱动时，其会改变流体的流动方式，因流动受到横向压力作用产生的二次流，提高了流体的湍流度和换热效率，增加了自清洁能力。此外，流体在运动过程中绕自身轴线产生的涡流减薄边界层，进一步实现了强化传热和防垢除垢的作用。

本发明可以采用导热材料制作或在转子表面镀一层导热材料，换热管内流体运动过程中，中心流体的温度高于近壁面流体。中心流体通过导热材料的导热作用，将热量传给近壁面流体，完成热量交换，加强了强化换热的效果。

本发明换热管内锯齿形螺旋叶片转子，可首尾相连整串穿装于连接轴线上，连接轴线为刚性的圆轴；也可以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。

本发明换热管内锯齿形螺旋叶片转子，螺旋叶片和空心圆柱是由高分子材料、陶瓷材料、金属、复合材料或导热材料(如石墨稀)制作的。

所本发明的有益效果是：1、相比于其他转子，本发明所涉及的转子在螺旋叶片上部开锯齿，锯齿会使叶片与叶片之间流体区域的径向运动得以加强，增加流体扰动，流体能更有效的沿叶片顶端向四周扩散，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，产生的场协同强化传热效果明显。2、在伴随转子转动过程中，锯齿对螺旋叶片顶部区域的扰流效果更加明显，破坏污垢生成的条件，产生的高速流对管壁冲刷作用显著，实现防垢除垢的作用。3、流体在流过螺旋叶片锯齿的运动过程中绕自身轴线产生的涡流，和因流动受到横向压力作用产生的二次流，减薄边界层进一步实现了强化传热和防垢除垢的作用。4、换热管内流体中心温度高于近壁面温度，转子可由导热材料制作，具有导热作用，将换热管的中心热量带到管壁，有利于传热，提高强化换热的能力。

附图说明

图1是本发明换热管内锯齿形螺旋叶片转子主视结构示意图。

图2是本发明换热管内锯齿形螺旋叶片转子左视结构示意图。

图3是本发明换热管内锯齿形螺旋叶片转子局部示意图。

图4是本发明换热管内穿矩齿螺旋叶片转子安装结构示意图。

图中，1—螺旋叶片，2—锯齿，3—凸台，4—空心轴，5—限位件，6—换热管，7—挂件，8—转轴。

具体实施方式

本发明涉及的换热管内锯齿形螺旋叶片转子的一种实施方法，如图4所示，强化传热装置包括转子、限位件5、换热管6、挂件7和转轴8，转轴8将若干转子串联在一起，多个转子可由限位件5分为几组转子串，挂件7固定在换热管6两端，转轴8的两端分别固定在挂件7上，本发明的转子由两个螺旋叶片1固定在空心轴4表面上组成的，螺旋叶片1顶部设置有锯齿2。两个相邻转子中，一个转子的空心轴4头部的凸台3与另一个转子空心轴4尾部相结合从而起到连接和调整使之同轴的作用。

本发明换热管内锯齿形螺旋叶片转子，如图1至图3所示，转子的空心轴4截面形状为空心圆锥形；图1为矩齿螺旋两叶片转子主视图，转子空心轴4上有两个螺旋叶片1，两个螺旋叶片1对称分布。螺旋叶片1顶部设置有均匀分布的锯齿2。图2为矩齿螺旋两叶片转子左视图，螺旋叶片1表面设置的均匀分布的锯齿交替向左右弯曲；图3所示是矩齿两螺旋叶片转子局部示意图，螺旋叶片1表面设置有若干个的均匀分布的锯齿交替向前和向后弯曲。

本发明换热管内锯齿形螺旋叶片转子中，换热管6内的传热流体在流动过程中对转子产生轴向力和转动力矩，螺旋叶片1使流体流向发生改变，形成扰流，螺旋叶片1在空心轴4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。传热流体流经螺旋叶片1顶部锯齿2会使叶片与叶片之间流体区域的径向运动得以加强，增加流体扰动，流体能更有效的沿叶片顶端向四周扩散，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，产生显著的场协同强化传热效果。并且达到阻止污垢的形成和沉积的目的。

Claims (2)

1.换热管内锯齿形螺旋叶片转子，其特征在于：由空心轴和顶部为交替向前和向后弯曲的锯齿形螺旋叶片构成，且锯齿均匀分布，螺旋叶片位于空心轴表面，其外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑，绕空心轴呈螺旋状；空心轴为一带中心孔的圆柱体，连接轴能够顺利穿过空心轴的中心孔，空心轴一端为带有凸台的头部，空心轴另一端为尾部，尾部为与凸台同心的凹槽，尾部尺寸能与凸台配合。

2.根据权利要求1所述的换热管内锯齿形螺旋叶片转子，其特征在于：空心轴和螺旋叶片采用导热材料制作或在转子表面镀一层导热材料。