[发明专利]一种流体动力弹性变形蓄能式自转钢丝螺旋

说明书

技术领域

本发明专利涉及的是一种流体动力弹性变形蓄能式自转钢丝螺旋。它适用于各种列管式结构的传热设备，如蒸发器、膜式蒸发器、再沸器、冷凝器、降膜式冷却器等列管式换热器管内的除垢防垢和传热强化。

背景技术

中国专利ZL91213000.8和文献(自动旋转螺旋线传热技术的试验研究，化工装备技术，1997，N5，P4-8)报道了一种传热管内钢丝螺旋线除垢防垢及其传热强化技术。钢丝螺旋线在管内传热液体流动能的带动下自转，刮扫管内壁的污垢，有在线、自动、连续清洗防垢的功能；由于钢丝螺旋线的导流作用使管内液体作螺旋线流动，还有钢丝螺旋线对管内边界层的扰动作用，使管内的对流传热也得到强化。该技术的原理和功能确实比较理想，结构简单，成本低廉，但无法解决自转钢丝螺旋线与传热管壁之间的磨损问题。中国专利ZL2004200351029(传热管内在线自动清洗的流体动力塑包螺旋线，2005.02.23.授权)的塑包螺旋线也还存在较多的新问题：塑包层太薄，塑包层的磨损寿命太短，长期运行仍然存在与换热管内壁相互磨损的问题；若塑包层加厚，塑包钢丝的直径又太大，只能适用于换热管直径大的设备，并且流体阻力又太大，还要受塑料温度的限制，又需要高流速驱动，制造成本成倍提高，只有很少数换热管设备适用。

发明内容

本发明专利的目的是同时解决现有自转清洗钢丝螺旋线与换热管壁之间的相互磨损问题、和自转塑包钢丝存在的基本问题，提出一种流体动力弹性变形蓄能式自转钢丝螺旋，通过弹性变形机构使钢丝螺旋转变为间歇性自转的办法，大幅度降低钢丝螺旋的自转清洗速度和自转的时间比例来解决钢丝螺旋与换热管壁之间相互磨损问题，因而无需钢丝螺旋的塑料包层，自然也无塑包钢丝螺旋的弊病，并且在传热强化功能与流体阻力之间的性价比方面，比现有自转清洗钢丝螺旋线和塑包钢丝螺旋都有成倍的提升，制造成本依然低廉，适用范围十分广泛。

本发明专利的目标是通过以下技术方案来实现的：

一种流体动力弹性变形蓄能式自转钢丝螺旋，主要由钢丝螺旋、螺旋钩头、弹性挡杆、管口轴承架、换热管组成。每根换热管内安装一条钢丝螺旋。钢丝螺旋轴向固定在换热管入口端的管口轴承架上，周向可以旋转。管口轴承架的磨损头的高度h为5～15mm。钢丝螺旋的钢丝直径在1～3mm范围内，钢丝螺旋的外径为换热管内径的0.70～0.90倍，钢丝螺旋的螺距为换热管内径的0.60～1.60倍。螺旋钩头由螺旋钩头滑动臂和螺旋钩头曲臂构成，前者的作用是与管口轴承架磨损头组成钢丝螺旋轴向固定的滑动摩擦副；后者的作用是与弹性挡杆组成一个弹性弯曲变形机构，使钢丝螺旋的连续自转转换为间歇性旋转。螺旋钩头曲臂的曲臂倾斜角β在15°～75°范围内，换热管内流速愈高，倾斜角β取值愈小。弹性挡杆的形状是弯折形的、或圆弧曲线形的、或直线形的；制造弹性挡杆的钢丝直径在1～3mm范围内；弹性挡杆的弹性挡臂长度L的范围为15～80mm。弹性挡杆固定在管口轴承架上。每个管口轴承架上固定的弹性挡杆数为1或2，流速高者取其二，一般流速取其一。螺旋钩头的另一种结构方案，是将螺旋钩头与钢丝螺旋分为两个独立的零件，便于螺旋钩头标准化生产提高质量、降低制造成本，并且对安装也很方便(只需将螺旋钩头的挂钩与钢丝螺旋的弯钩挂钩一起就可以)。

设备运行时，钢丝螺旋将换热管内的液流导流为螺旋流，换热管内液体对钢丝螺旋的反作用，使钢丝螺旋获得旋转动力矩，实现对换热管内壁污垢的自转清洗。但是，螺旋钩头曲臂的旋转必然会受到弹性挡杆的阻挡；受到阻挡后，两者同时开始犹如弹性梁那样的弹性弯曲变形，并且逐渐增大，增大到一定程度后，钩头曲臂滑过弹性挡杆继续自转。钢丝螺旋如此停停转转，由原来的连续自转转换成为间歇性地自转。

由于钢丝螺旋停转时的对流传热强化幅度比连续自转时高近一倍。因此，钢丝螺旋停转的时间所占的比例愈大，愈有利于传热强化。并且钢丝螺旋停转所占的时间比例愈大，自转速度也愈低，管内壁的磨损、钢丝螺旋自身的磨损及其管口轴承架的磨损都愈轻微，可以通过优化设计控制磨损达到使用寿命足够长。而且停转期间钢丝螺丝的轴向拉伸弹性变形逐步增大到最大，整根钢丝螺旋的弹性变形能的蓄能量也达到最大；管内液体给钢丝螺旋的自转动力矩也同时增大到最大。因而，当钢丝螺旋再次开始自转时，最大的弹性变形能自转动力矩和最大的管内液体动力自转动力矩相叠加，产生比钢丝螺旋连续自转力矩大倍数的启动力矩，很有利于钢丝螺旋防止旋转清洗过程中被卡咬，提高钢丝螺旋自转清洗的可靠性。