專利名稱：換熱管內開槽螺旋卷邊轉子的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種應用于管殼式換熱器節(jié)能技術的內插件裝置，特別涉及一種具有自清潔與強化換熱功能的低能耗、高效率、使用壽命長的開槽螺旋卷邊轉子。
背景技術：
在我國能源消耗70%為工業(yè)消耗，這些行業(yè)所消耗的能源絕大部分是熱能，基本上要通過熱交換過程來實現。電廠汽輪機的凝汽器、燒堿和純堿生產裝置中的蒸發(fā)器、乙烯裂解爐等典型的換熱設備普遍存在著能耗高，換熱效率低，容易積污結垢，清洗頻繁，清洗廢液排放量大的問題。國家“節(jié)能減排”的方針有力地促進了管殼式換熱器節(jié)能技術的發(fā)展。管殼式換熱器內壁中普遍存在層積污垢，導致流體在管道中輸送阻力增加，嚴重時會堵塞管道，同時傳熱性能大為下降；換熱管內污垢會嚴重降低傳熱效率，引起重大能源浪費，與此同時污垢一般具有腐蝕性，管壁會因此腐蝕，如果流體泄露會造成重大安全隱患，因此傳統(tǒng)的處理辦法就是被迫采取停產清洗，這樣不僅耽擱了工廠的生產進度，同時還需要支付昂貴的清洗費用；為了更好地解決這些問題，人們一直研究采用不停產的在線自動強化傳熱和除垢防垢的各種辦法和裝置。而內插件作為一種典型的管程強化傳熱手段，也受到了人們的關注，中國專利申請?zhí)?01110050891. 8，發(fā)明名稱為“換熱管內徑向階梯型轉子”，該裝置是由轉子、支撐架和連接軸線構成，支撐架固定在傳熱管兩端，連接軸線的兩端分別固定在支撐架上，多個轉子穿裝在連接軸線上，轉子是由空心軸和葉片構成，葉片呈階梯狀，每個葉片與空心軸成同樣的傾斜狀，相鄰葉片首尾相接，流體通過性能好，但該結構對流體阻力偏大，起轉流速過高，轉子軸向力疊加對掛件及軸線的作用力較大，轉軸壽命會降低，以上敘述的轉子葉片的排列是均勻分布在空心軸上的，為了便于轉子的安裝，轉子的外徑表面與換熱管內徑表面有較大的距離，這樣轉子的強化傳熱和防垢除垢能力受到了一定的限制。另外，轉子在轉動過程中會產生晃動，其葉片頂端就會與換熱管內壁產生刮擦，也會降低其使用壽命，因此轉子在換熱管內應該具有較好的對中作用，以降低其與換熱管內壁的刮擦作用，延長其使用壽命。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種新結構的轉子，該轉子的葉片表面設置了導流槽結構，該結構轉子在提高換熱管傳熱性能的同時還具有防垢除垢的作用。并且該轉子葉片的頂端設置有卷邊結構，使得該轉子在管內轉動過程中具有很好的對中性，延長轉子的使用壽命。為實現上述目的采用的技術方案是換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，由空心軸和葉 片構成,空心軸為管狀結構，空心軸內徑大于轉軸外徑,葉片位于空心軸外表面，葉片外徑小于換熱管內徑，葉片表面光滑且繞空心軸呈螺旋狀，轉子葉片分為開槽葉片和卷邊葉片兩種。開槽葉片的迎水面在沿空心軸徑向設置有導流槽結構，開槽葉片徑向厚度由大變小，背水面無導流槽結構，以減少流體流經轉子時的壓力損失。導流槽距葉片根部有一定距離，以保證葉片具有足夠的強度和剛度。開槽葉片最先與流體接觸的棱邊進行倒斜角或倒圓角，空心軸遠離進水端沿圓周方向均勻地開有與所述空心軸內孔相通的孔，通過改變開槽卷邊葉片沿空心軸軸向的螺旋角、軸向長度、徑向高度、卷邊結構的卷曲程度和軸向長度、導流槽與葉片根部的距離以及導流槽沿空心軸軸向的長度來改變流體對轉子的旋轉力矩，開槽葉片和卷邊葉片在空心軸上的組合固定方式要便于轉子在換熱管內的安裝。傳熱流體流過開槽葉片時，會對轉子產生軸向力，開槽葉片阻礙傳熱流體流動從而使流體流向發(fā)生改變，形成混流。開槽葉片在轉動過程中，會使傳熱流體沿導流槽表面產生離心運動并甩向換熱管管壁，不僅增強了傳熱流體的徑向流動，同時對管壁附近傳熱流體的邊界層產生沖擊，從而破壞傳熱流體的邊界層，達到強化傳熱且阻止污垢的形成和沉積的目的。卷邊葉片的頂端設置有卷邊結構，該轉子依靠卷邊葉片的自懸浮機理在流體中旋轉時能夠起到良好的自對中作用，以降低葉片頂端與換熱管內壁的刮擦作用，延長其使用壽命，由于卷邊產生的圓弧，卷邊葉片形成的最大轉動半徑可以與換熱管內徑的半徑很接近，盡管二者間隙很小，但對管壁的刮擦作用不大，防垢和除垢效果更好，同時，卷邊葉片能夠顯著改變流體流動方向，產生渦流，增大流體的湍動程度，進一步實現防垢除垢和強化傳熱的目的。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，沿空心軸圓周方向均勻分布的葉片個數為兩 個、三個或多個。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，開槽葉片迎水面表面的導流槽個數為一個、兩個或多個。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，卷邊結構對稱設置在每個卷邊葉片的頂端，由光滑曲面進行過渡連接。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，葉片橫截面形狀為梯形、正方形或其他形狀。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，卷邊結構設置在轉子每個葉片未開槽部分的頂端，與導流槽位于同一個葉片上或單獨位于一個葉片上。為防止轉子在轉動過程中沿轉軸軸向竄動，所述轉子的空心軸兩端設置有同軸結構，兩個相鄰轉子的同軸結構首尾結合，實現了轉子間的軸向定位。轉子的空心軸同軸結構可以是球窩方式、圓錐方式、卡扣方式或者萬向節(jié)方式。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，其空心軸截面形狀為空心圓錐形、空心圓柱形、空心波節(jié)形或空心多棱形,轉子空心軸遠離進水端開有截面形狀為半圓形、橢圓形、矩形或梯形的與空心軸內孔相通的孔，該孔沿軸向方向的長度大于空心軸進水端處凹臺的長度，該孔可使傳熱流體在空心軸和轉軸之間的空間內流動，并帶動空心軸與轉軸之間的污垢隨著傳熱流體排出，從而防止了污垢的沉積，同時節(jié)省了材料。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，可首尾相連整串穿裝于連接軸線上，連接軸線可以是剛性的圓棒，也可以是柔性的軟繩；也可以通過限位件分成轉子數量相同或不同的若干組，使轉子均勻轉動。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，葉片和空心軸是由高分子材料、高分子基復合材料、金屬或者陶瓷材料制作的。本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，轉子的開槽葉片、卷邊葉片與空心軸成型為一個整體；或者開槽葉片、卷邊葉片與空心軸分別成型，葉片采用粘接、焊接、鉚接、螺紋連接的方法固定在空心軸上所述轉子的葉片的徑向高度、軸向長度、螺旋升角等參數以及開槽葉片和卷邊葉片的軸向長度、導流槽的數目、卷邊結構的卷曲程度，可依據換熱管內徑、管內介質流速等工況條件以及轉子自身的強度、耐磨性結合制造加工成本來確定，相鄰轉子之間可以采取同步旋轉或獨立旋轉結構。本發(fā)明的有益效果是1、所發(fā)明轉子的開槽葉片表面具有導流槽結構，可在不增加開槽型葉片徑向高度的前提下增大流體的徑向速度，提高對換熱管內壁面處傳熱流體邊界層的破壞程度，從而提高傳熱強化的能力；2、轉子的葉片在旋轉過程中除了造成傳熱流體繞中心軸線的圓周運動外，還造成了其沿導流槽表面甩出的離心運動，沖刷了換熱管內壁壁面，從而減少了污垢在轉子表面和換熱管內壁沉積的可能性，增強了轉子的清除污垢的能力；3、開槽葉片表面導流槽結構的存在使得在開槽葉片徑向高度較小的情況下就能提高對傳熱流體邊界層的破壞作用，從而節(jié)省了轉子的制作成本且有利于安裝；4、單個轉子空心軸遠離進水端開有的與空心軸內孔相通的孔可使傳熱流體在空心軸內部及轉軸之間流動，帶動污垢從空心軸內部與轉軸之間的空間排出，防止了污垢的沉積，節(jié)約了轉子材料，節(jié)省了成本。5、卷邊葉片的頂端設置有卷邊結構，其自懸浮機理使得轉子在流體中旋轉時起到良好的自對中作用，以降低葉片頂端與換熱管內壁的刮擦作用，延長其使用壽命，卷邊葉片能夠顯著改變流體流動方向，產生渦流，增大流體的湍動程度。


圖I是本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子——連續(xù)兩葉片轉子三維結構示意圖；圖2是本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子——間斷四葉片轉子三維結構示意圖(四個開槽卷邊葉片)圖3是本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子——間斷四葉片轉子三維結構示意圖(兩個開槽葉片兩個卷邊葉片)圖4是本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子——雙槽與雙卷邊連續(xù)兩葉片轉子三維結構示意圖 圖5是本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子一十字交叉四葉片轉子三維結構示意圖(四個開槽卷邊葉片)圖6是本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子一十字交叉四葉片轉子三維結構示意圖(兩個開槽葉片兩個卷邊葉片)圖7是本發(fā)明換熱管內開槽螺旋卷邊轉子安裝結構示意中，I—球窩凸臺，2—空心軸，3—開槽葉片，4一球窩凹臺，5—相通的孔，6—卷邊葉片，7—換熱管，8—掛件，9一轉軸
具體實施例方式如圖7所示，本發(fā)明涉及的一種換熱管內開槽螺旋卷邊轉子的一種實施方法，強化傳熱裝置包括轉子、換熱管7、掛件8和轉軸9，數個轉子通過轉軸9串聯在一起，掛件8固定在換熱管7兩端，轉軸9的兩端分別固定在掛件8上，本發(fā)明的轉子是由一定數目的開槽葉片3及卷邊葉片6固定在空心軸2表面上組成的，空心軸2上還開有球窩凸臺I、球窩凹 臺4和與空心軸內孔相通的孔5。兩個相鄰轉子中，一個轉子的空心軸2頭部的球窩凸臺I與另一個轉子尾部的球窩凹臺4相結合從而起到連接和調整使之同軸的作用，該結構也是一種能夠適應換熱管7彎曲處的柔性連接結構，該結構除了可以采用球窩方式外，還可以采用圓錐方式、卡扣方式以及方向節(jié)方式，在同軸度要求不高的情況下還可以采用平面結構。
如圖I至圖6所示，轉子的空心軸2截面形狀為空心圓錐形；圖I為連續(xù)兩葉片開槽卷邊轉子，轉子葉片對稱分布，轉子空心軸2上有兩個開槽葉片3和兩個卷邊葉片6，開槽葉片3和卷邊葉片6位于同一葉片上，空心軸2上還開有球窩凸臺I、球窩凹臺4以及均布的與空心軸內孔相通的孔5 ;圖2為間斷四葉片開槽卷邊轉子的一種結構，空心軸2上有四個開槽葉片3和四個卷邊葉片6，開槽葉片3和卷邊葉片6位于同一轉子葉片上，其中四個轉子葉片兩兩一組沿軸向順序對稱排布；圖3所示是間斷四葉片開槽卷邊轉子的另一種結構，開槽葉片3和卷邊葉片6位于不同的轉子葉片上；圖4為葉片上開了兩個槽的雙槽連續(xù)兩葉片轉子；圖5是十字交叉四葉片開槽轉子的一種結構，開槽葉片3和卷邊葉片6位于同一葉片上，前兩個葉片和后兩個葉片互為90°交叉排列；圖6是十字交叉四葉片開槽轉子的另一種結構，開槽葉片3和卷邊葉片6位于不同的轉子葉片上。本發(fā)明中，換熱管7內的傳熱流體在流動過程中會對轉子產生軸向力和轉動力矩，開槽葉片3使流體流向發(fā)生改變，形成混流，開槽葉片3在空心軸2周圍呈螺旋狀，流體推動轉子轉動，傳熱流體自身的混流也得到了加強，從而達到強化傳熱且阻止污垢沉積的目的，與此同時，開槽葉片3在轉動過程中，會使部分傳熱流體沿導流槽表面產生離心運動并甩向換熱管7內壁面，增強了傳熱流體的徑向流動，對管壁附近傳熱流體的邊界層產生沖擊，從而破壞傳熱流體的邊界層，進一步實現防垢除垢和強化傳熱的作用。轉子依靠卷邊葉片6的自懸浮機理使得轉子在流體中旋轉時起到良好的自對中作用，以降低葉片頂端與換熱管內壁的刮擦作用，延長其使用壽命，此外，卷邊葉片6能夠顯著改變流體流動方向，產生渦流，增大流體的湍動程度。該種形式轉子可以通過改變葉片的的徑向高度、軸向長度、螺旋升角等參數以及開槽葉片3和卷邊葉片6的軸向長度、導流槽的數目、卷邊結構的卷曲程度來改變傳熱流體對轉子的轉動力矩，保證轉子的流暢旋轉，轉子空心軸2遠離進水端開的與空心軸內孔相通的孔5便于傳熱流體在空心軸2內部與轉軸9之間的污垢排出，防止了污垢的沉積，此外，通過減小開槽葉片3的徑向高度以及在空心軸2上開設與空心軸內孔相通的孔5可以節(jié)省材料和加工成本。
權利要求
1.換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，由空心軸和葉片構成,空心軸為管狀結構,空心軸內徑大于轉軸外徑，葉片位于空心軸外表面，葉片外徑小于換熱管內徑，葉片表面光滑且繞空心軸呈螺旋狀，其特征在于轉子葉片分為開槽葉片和卷邊葉片兩種，開槽葉片的迎水面在沿空心軸徑向設置有導流槽結構，開槽葉片徑向厚度由大變小，背水面無導流槽結構，導流槽距葉片根部有一定距離，開槽葉片最先與流體接觸的棱邊進行倒斜角或倒圓角，空心軸遠離進水端沿圓周方向均勻地開有與所述空心軸內孔相通的孔，卷邊葉片的頂端設置有卷邊結構，由光滑曲面進行過渡連接，卷邊葉片形成的最大轉動半徑與換熱管內徑的半徑很接近。
2.根據權利要求I所述的換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，其特征在于沿空心軸圓周方向均勻分布的葉片個數為兩個、三個或多個。
3.根據權利要求I所述的換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，其特征在于導流槽個數為一個、兩個或多個。
4.根據權利要求I下所述的換熱管內低驅動擾流轉子，其特征在于葉片橫截面形狀為梯形或矩形。
5.根據權利要求I下所述的換熱管內低驅動擾流轉子，其特征在于卷邊結構設置在轉子每個葉片未開槽部分的頂端，與導流槽位于同一個葉片上或單獨位于一個葉片上。
6.根據權利要求I下所述的換熱管內低驅動擾流轉子，其特征在于空心軸遠離進水端沿圓周方向均勻地開有與所述空心軸內孔相通的截面形狀為半圓形、橢圓形、矩形或梯形的孔。
7.根據權利要求I下所述的換熱管內低驅動擾流轉子，其特征在于轉子的開槽葉片、卷邊葉片與空心軸成型為一個整體；或者開槽葉片、卷邊葉片與空心軸分別成型，葉片采用粘接、焊接、鉚接、螺紋連接的方法固定在空心軸上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種換熱管內開槽螺旋卷邊轉子，由空心軸和葉片構成，空心軸為管狀結構，葉片位于空心軸外表面，葉片表面光滑且繞空心軸呈螺旋狀，轉子葉片分為開槽葉片和卷邊葉片，開槽葉片的迎水面在沿空心軸徑向設置有導流槽結構，開槽葉片徑向厚度由大變小，背水面無導流槽結構，開槽葉片最先與流體接觸的棱邊進行倒斜角或倒圓角，卷邊葉片的頂端設置有卷邊結構，由光滑曲面進行過渡連接。本發(fā)明中開槽葉片在轉動過程中，會使傳熱流體沿導流槽表面產生離心運動并甩向換熱管管壁，卷邊葉片的頂端設置有卷邊結構，轉子依靠卷邊葉片的自懸浮機理在流體中旋轉時能夠起到良好的自對中作用，以降低葉片頂端與換熱管內壁的刮擦作用，并增大流體湍動程度。
文檔編號F28G3/00GK102645122SQ20121015651
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權日2012年5月18日
發(fā)明者丁玉梅, 關昌峰, 張震, 楊衛(wèi)民, 閻華 申請人:北京化工大學