[发明专利]换热管内锯齿形螺旋叶片转子

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。