專利名稱：換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于管殼式換熱器、熱交換反應(yīng)器等設(shè)備中換熱管內(nèi)強(qiáng)化傳熱 和防污除污的內(nèi)插元件，特別涉及一種利用換熱管內(nèi)傳熱流體作為動力的自清潔強(qiáng)化傳熱 的低能耗高效率轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
節(jié)能減排是一項全世界都非常重視的關(guān)鍵技術(shù)，在石油、化工、火電、核電、冶金、 輕工、航空器件和船舶車輛等眾多領(lǐng)域都要應(yīng)用到許多的換熱器，其中應(yīng)用最為廣泛的是 管殼式換熱器，但在這些換熱管中內(nèi)壁普遍存在層積污垢，導(dǎo)致流體在管道中輸送阻力增 加，嚴(yán)重時會堵塞管道，同時傳熱性能大為下降；換熱管內(nèi)污垢會嚴(yán)重降低傳熱效率而引起 重大能源浪費(fèi)，與此同時污垢一般具有腐蝕性，管壁會因此腐蝕，泄露流體造成重大安全隱 患，因此在傳統(tǒng)上的處理辦法就是被迫采取停產(chǎn)清洗，這樣不僅耽擱了工廠的生產(chǎn)進(jìn)度，同 時還需要支付昂貴的清洗費(fèi)用；為了更好地解決這些問題，人們一直研究采用不停產(chǎn)的在 線自動強(qiáng)化傳熱和除垢防垢的各種辦法和裝置。近年來出現(xiàn)了許多防垢除垢方法和裝置， 其中之一利用流體推動螺旋紐帶旋轉(zhuǎn)能實現(xiàn)在線自動除垢的方法，螺旋紐帶中國專利號 為ZL95236063. 2，名稱為“傳熱管內(nèi)除垢防垢的清洗裝置”的發(fā)明創(chuàng)造，該發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù) 方案由換熱管內(nèi)裝有與換熱管大體相等長度的紐帶構(gòu)成，扭曲帶的徑向尺寸小于換熱管的 內(nèi)徑，在換熱管進(jìn)液口處設(shè)置有軸向固定架，其中間部位有進(jìn)液孔，軸向固定架的頭部有一 個軸孔，其內(nèi)裝有銷軸，銷軸尾部與紐帶相連接；發(fā)明名稱為“雙擾流螺旋式強(qiáng)化換熱及自 動除垢裝置”，中國專利申請公開號為CN14M554，該裝置用作強(qiáng)化傳熱及其自動除垢，包括 有螺旋紐帶、固定架，螺旋紐帶設(shè)置在螺旋管內(nèi)，利用通過換熱管內(nèi)流體流動帶動螺旋紐帶 轉(zhuǎn)動。由于螺旋紐帶為一條整帶，換熱管在經(jīng)過加工安裝后不夠順直，螺旋紐帶與換熱管內(nèi) 壁之間會產(chǎn)生不均勻的縫隙，這樣紐帶的除垢作用小而不均勻，除垢效果不理想。螺旋紐帶 法除垢裝置中，螺旋紐帶均是單端固定的，另一端自由擺動，扭曲帶的徑向尺寸小于傳熱管 的內(nèi)徑。綜合評價螺旋紐帶其有以下主要不足(1)紐帶為一整體，對傳熱管直接刮擦，損 傷換熱管內(nèi)壁；( 流體流動時推動紐帶轉(zhuǎn)動需要較大的驅(qū)動力矩，消耗更多的流體動能；單端固定用的軸承的使用壽命短；(4)紐帶產(chǎn)生的場協(xié)同強(qiáng)化傳熱效果不顯著。之后中 國專利號為ZL200520127121. 9，公開了發(fā)明名稱為“轉(zhuǎn)子式自清潔強(qiáng)化傳熱裝置”的專利， 此裝置是由固定架、轉(zhuǎn)子、柔性軸和支撐管構(gòu)成，兩固定架分別固定在換熱管的兩端；轉(zhuǎn)子 的外表有螺旋棱，轉(zhuǎn)子上有中心孔；支撐架設(shè)在轉(zhuǎn)子與固定架之間，柔性軸穿過轉(zhuǎn)子的中心 孔和支撐管固定在兩固定架上。該裝置具有在線自動防垢除垢和強(qiáng)化傳熱的功能，流體在 傳熱管內(nèi)順流或者逆流的情況下，均有防垢除垢和強(qiáng)化傳熱的作用。但是缺點(diǎn)是在一定流 體通過時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是由螺棱的螺旋升角所決定的，在螺棱導(dǎo)程越小時轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 速度越快，同時對流體的阻力隨之增加；為解決此問題，中國專利申請?zhí)?0062017^05.5， 發(fā)明名稱為“傳熱管內(nèi)自清潔強(qiáng)化傳熱的低流阻轉(zhuǎn)子”，該裝置是由轉(zhuǎn)子、支撐架和連接軸 線構(gòu)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(zhuǎn)子穿裝在連接軸線上，轉(zhuǎn)子是由空心軸和葉片構(gòu)成，每個葉片與空心軸成同樣的傾斜狀，相鄰葉片首 尾相接，該結(jié)構(gòu)對流體阻力減小，流體通過性能好，但其轉(zhuǎn)動速度較高，轉(zhuǎn)子軸向力疊加對 掛件及軸線的作用力較大，轉(zhuǎn)軸壽命會降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種新結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，在保持自清潔強(qiáng)化傳熱性能的同時，降 低轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)速度，減少轉(zhuǎn)子的軸向作用力，提高了轉(zhuǎn)子擾流程度。本發(fā)明為解決上述問題采用的技術(shù)方案是換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子， 由空心軸和葉片構(gòu)成的，空心軸上設(shè)置有分段葉片，每個葉片是繞空心軸成螺旋結(jié)構(gòu)的，葉 片包括有主葉片和輔葉片，不同旋向主葉片和輔葉片在長度和螺旋升角變化時會產(chǎn)生不同 組合排列方式而固定在空心軸表面上，流體作用在主葉片上產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的扭轉(zhuǎn)力矩 大于作用在輔葉片產(chǎn)生的扭矩。轉(zhuǎn)子、掛件和轉(zhuǎn)軸安裝在換熱管內(nèi)，掛件固定在換熱管內(nèi)的 兩端，轉(zhuǎn)軸的兩端分別通過掛件進(jìn)行軸向固定。主葉片和輔葉片組合排列在空心軸表面上，流體通過主葉片和輔葉片時，主葉片 和輔葉片的旋向、螺旋升角或長度不一樣，使得流體湍流程度加強(qiáng)，起到增強(qiáng)傳熱和防污除 污效果。每個相鄰葉片以空心軸旋轉(zhuǎn)一周所掃過的空間前后不是相連的，即相鄰葉片在空 心軸向上相隔有一定的距離，葉片不需要緊密排列，依靠湍流的擾流作用實現(xiàn)對管壁的全 面清洗，葉片的體積減小，節(jié)省轉(zhuǎn)子的原料成本。轉(zhuǎn)子主葉片和輔葉片的螺旋升角和軸向長度相同時，主葉片數(shù)量大于輔葉片的數(shù) 量；或主葉片和輔葉片的螺旋升角和軸向長度同時不完全一樣時，主葉片和輔葉片的數(shù)量 設(shè)置要保證流體作用于主葉片上產(chǎn)生的推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的扭矩大于輔葉片上產(chǎn)生的扭矩。轉(zhuǎn)子的空心軸兩端設(shè)置有同軸結(jié)構(gòu)，數(shù)個穿裝在兩個掛件之間轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子，其 轉(zhuǎn)子的空心軸兩端設(shè)置有同軸結(jié)構(gòu)，兩個相鄰的轉(zhuǎn)子其中一個轉(zhuǎn)子的空心軸尾部和另一個 轉(zhuǎn)子的空心軸的頭部相配合。同軸結(jié)構(gòu)可以保證轉(zhuǎn)子在換熱管內(nèi)的居中轉(zhuǎn)動，減少對換熱 管管壁的磨損。轉(zhuǎn)子的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，固 定在空心軸表面的葉片表面可以設(shè)置透空，進(jìn)一步減小葉片的體積。轉(zhuǎn)子的葉片和空心軸可以是由高分子材料、高分子基復(fù)合材料、金屬或者陶瓷材 料制作的。轉(zhuǎn)子的空心軸結(jié)構(gòu)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)明涉及的換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，其同旋向的葉片的軸向長度、 螺旋升角和旋轉(zhuǎn)外圓直徑等參數(shù)，可以根據(jù)換熱管內(nèi)徑、管內(nèi)的介質(zhì)流速和溫度等工作條 件以及制造加工成本等來確定，相鄰轉(zhuǎn)子之間可以采取同步旋轉(zhuǎn)或者是獨(dú)立旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果是1、換熱管內(nèi)流體通過推動葉片以較低的速度繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)， 對污垢具有抑制和清除效果，同時采用了主葉片和輔葉片交叉排列組合固定在空心軸上， 在低轉(zhuǎn)速下形成較強(qiáng)的湍流增大強(qiáng)化傳熱和防垢除垢作用；2、轉(zhuǎn)子在主葉片和輔葉片交叉 排列下，運(yùn)轉(zhuǎn)速度低，對轉(zhuǎn)軸的摩擦作用小，延長了轉(zhuǎn)軸的壽命；3、轉(zhuǎn)子葉片軸向之間有一 定的間隔，葉片體積進(jìn)一步縮小，所占據(jù)換熱管內(nèi)的空間小，有利于流體的流動，流體動能損耗減?。?、轉(zhuǎn)子葉片體積小，節(jié)約能源，同時節(jié)省了轉(zhuǎn)子材料和制造成本。本發(fā)明轉(zhuǎn)子本 身的原材料消耗減?。辉诘退贄l件下，有優(yōu)異的防垢除垢能力，場協(xié)同作用強(qiáng)化傳熱效果 好，流體動能消耗減小，節(jié)約了能源。本發(fā)明轉(zhuǎn)子安裝在換熱管內(nèi)，根據(jù)具體的換熱管長度，用轉(zhuǎn)軸將數(shù)個轉(zhuǎn)子串聯(lián)在 一起，穿在換熱管內(nèi)，然后利用掛件對轉(zhuǎn)軸的兩端進(jìn)行軸向固定，當(dāng)流體流過葉片時，對轉(zhuǎn) 子有垂直于徑向的切向力，大于零的合力驅(qū)動轉(zhuǎn)子使轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，就會對換熱管內(nèi)壁 污垢進(jìn)行清除；同時葉片是主葉片和輔葉片交叉組合，流體產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的有利于強(qiáng)化傳 熱的湍流。還可以根據(jù)實際需要，在葉片上設(shè)置透空進(jìn)一步降低流體流動阻力和節(jié)省能耗。


圖1是本發(fā)明換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子——三葉式轉(zhuǎn)子立體結(jié)構(gòu)示意 圖。圖2是本發(fā)明換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子-三葉式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子三葉式轉(zhuǎn)子(右旋葉片2-右旋 葉片2-左旋葉片3排列)結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子三葉式轉(zhuǎn)子(左旋葉片3-右旋 葉片2-右旋葉片2排列)結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子兩葉式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。圖7是本發(fā)明換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子四葉式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖。圖8是本發(fā)明換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子——三葉式帶有透空式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn) 子示意圖。圖9是轉(zhuǎn)子安裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-空心軸、2-主葉片、3-輔葉片、4-掛件、5-轉(zhuǎn)軸、6_換熱管、7_球窩凸臺、 8-透空、9-球窩凹臺、10-同軸結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式如圖9所示，本發(fā)明涉及的一種換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子的一種實施例 子，強(qiáng)化傳熱裝置包括轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸5、掛件4和換熱管6，數(shù)個轉(zhuǎn)子穿裝在兩個掛件4間的轉(zhuǎn) 軸5上，掛件4固定在換熱管6兩端，轉(zhuǎn)軸5的兩端分別固定在掛件4上，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子是 由不同旋向的數(shù)個主葉片2和數(shù)個輔葉片3交叉組合固定在空心軸1表面上組成的。主葉 片2與輔葉片3的數(shù)量可以相同也可以不同，考慮成型轉(zhuǎn)子方便，最好采用最少數(shù)量的主葉 片2與輔葉片3組合。例如采用兩個主葉片2與一個輔葉片3，同時還要考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的平 衡，例如螺旋為三頭的轉(zhuǎn)子，葉片數(shù)至少為三或三的倍數(shù)。在做轉(zhuǎn)動實驗室，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活， 不存在偏斜情況。每個相鄰葉片以空心軸1為中心旋轉(zhuǎn)一周所掃過的空間可以前后不相連，保持一 定的距離。如圖1至圖8所示，轉(zhuǎn)子的空心軸1截面形狀為空心圓柱形；如圖1至圖5所示， 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是三葉式轉(zhuǎn)子，空心軸表面上的主葉片2和輔葉片3的組合排列方式發(fā)生變化而形成不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子；圖6是兩葉式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，主葉片2和輔葉片3的螺旋升角和長度都不 一樣；圖7是四葉式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子；圖8是帶有適量透空結(jié)構(gòu)8的三葉式轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的空心軸1兩端設(shè)置有同軸結(jié)構(gòu)10，本實施例中的同軸結(jié)構(gòu)10是在每個空心 軸1的頭部和尾部分別設(shè)置球窩凸臺7和球窩凹臺9，數(shù)個穿裝在兩個掛件4之間的轉(zhuǎn)軸5 的轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子的空心軸1兩端設(shè)置的球窩凸臺7和球窩凹臺9，兩個相鄰轉(zhuǎn)子空心軸1頭 部球窩凸臺7和另一個空心軸1尾部的球窩凹臺9相結(jié)合；同軸結(jié)構(gòu)10的目的是使相鄰轉(zhuǎn) 子在工作時保持同軸，同時具有適應(yīng)換熱管6彎曲的柔性連接結(jié)構(gòu)，除了球窩結(jié)構(gòu)外，還可 以圓錐方式、卡扣方式或者萬向節(jié)方式，同軸度要求不高時可以直接采用平面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中，主葉片2的螺旋角與輔葉片3的螺旋角旋向相同，只是角度不同；或者 主葉片2的螺旋角與輔葉片3的螺旋角旋向相反，例如主葉片2的螺旋角為右旋，而輔葉片 3的螺旋角為左旋；特例情況是，主葉片2的螺旋角為左旋或右旋，輔葉片3為沿軸向的平 片。根據(jù)成型難易或轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要求確定主葉片2的螺旋角與輔葉片3的螺旋角。換熱管6內(nèi)流體通過推動主葉片2和輔葉片3，不同旋向葉片產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩和軸 向作用力會抵消一部分，轉(zhuǎn)子會以較低的速度繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，對污垢具有抑制和清除效果，同 時采用了不同旋向主葉片2和輔葉片3交叉組合排列固定在空心軸1上，在低轉(zhuǎn)速下形成 較強(qiáng)的湍流，增大強(qiáng)化傳熱和防垢除垢作用；轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)速度低，對轉(zhuǎn)軸5的摩擦作用小，延 長了轉(zhuǎn)軸的壽命；轉(zhuǎn)子主葉片2和輔葉片3之間有一定的間隔，葉片體積進(jìn)一步縮小，所占 換熱管內(nèi)的空間小，有利于流體的流動，流體動能損耗減??；同時節(jié)約能源，節(jié)省了轉(zhuǎn)子材 料和制造成本。
權(quán)利要求
1.換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，由空心軸和葉片構(gòu)成，空心軸上設(shè)置有分段葉 片，每個葉片是繞空心軸成螺旋結(jié)構(gòu)的，其特征在于葉片包括有主葉片和輔葉片，不同旋 向主葉片和輔葉片在長度和螺旋升角變化時會產(chǎn)生不同組合排列方式而固定在空心軸表 面上，流體作用在主葉片上產(chǎn)生推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的扭轉(zhuǎn)力矩大于作用在輔葉片產(chǎn)生的扭矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，其特征在于每個相鄰 葉片以空心軸為中心旋轉(zhuǎn)一周所掃過的空間前后之間有一段空白區(qū)域，相鄰葉片在空心軸 向上是相隔開的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，其特征在于轉(zhuǎn)子主葉 片和輔葉片的螺旋升角和軸向長度相同時，主葉片數(shù)量大于輔葉片的數(shù)量；或主葉片和輔 葉片的螺旋升角和軸向長度同時不完全一樣時，主葉片和輔葉片的數(shù)量設(shè)置要保證流體作 用于主葉片上產(chǎn)生的推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的扭矩大于輔葉片上產(chǎn)生的扭矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，其特征在于轉(zhuǎn)子的空 心軸兩端設(shè)置有同軸結(jié)構(gòu)，數(shù)個穿裝在兩個掛件之間轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子的空心軸兩端 設(shè)置有同軸結(jié)構(gòu)，兩個相鄰的轉(zhuǎn)子其中一個的空心軸尾部和另一個空心軸的頭部相配合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，其特征在于轉(zhuǎn)子的空 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，固定在空心軸表面的 葉片表面可以設(shè)置透空。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，其特征在于轉(zhuǎn)子的葉 片和空心軸是由高分子材料、高分子基復(fù)合材料、金屬或者陶瓷材料制作的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，其特征在于所述轉(zhuǎn)子 的空心軸同軸結(jié)構(gòu)可以是球窩方式、圓錐方式、卡扣方式或者萬向節(jié)方式。
全文摘要
本發(fā)明提供了換熱管內(nèi)葉片旋向交叉組合式轉(zhuǎn)子，它是由空心軸和葉片構(gòu)成的，空心軸上設(shè)置不同組合的主葉片和輔葉片，每個葉片是繞空心軸成螺旋結(jié)構(gòu)的，不同旋向的主葉片和輔葉片固定在空心軸上；本發(fā)明中，換熱管內(nèi)流體通過葉片時會根據(jù)主葉片和輔葉片旋向不同而產(chǎn)生不同方向的垂直于葉片徑向方向的切向力，大于零的合力驅(qū)動轉(zhuǎn)子以較低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，從而對管內(nèi)流體中污垢具有清洗和抑制作用，同時流體在不同旋向葉片上形成了較強(qiáng)的湍流，具有強(qiáng)化傳熱的效果；在換熱管內(nèi)轉(zhuǎn)子所占據(jù)的空間較小、軸向的流通面積大，流體流通性能好；轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)速率降低，對轉(zhuǎn)軸的摩擦力大為減小，延長了轉(zhuǎn)軸壽命，同時減小了流體動能損失，節(jié)約能源。
文檔編號F28F13/12GK102102960SQ20091024255
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者丁玉梅, 何雪濤, 關(guān)昌峰, 戴長軍, 楊衛(wèi)民, 童義, 范永釗, 趙本華, 閻華 , 韓崇剛 申請人:北京化工大學(xué)