專利名稱：換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種應用于管殼式換熱器、熱交換反應器等設(shè)備中換熱管內(nèi)部強化傳熱和防垢除垢的內(nèi)插元件，特別涉及一種以換熱管內(nèi)部傳熱流體為動力，實現(xiàn)自清潔強化傳熱功能的徑向階梯型轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
在21世紀，節(jié)能減排已經(jīng)成為社會發(fā)展過程中人類的共識。換熱器作為化工、煉油、動力、食品、輕工、原子能、制藥、機械及其他許多工業(yè)部門廣泛使用的一種通用設(shè)備，它的能耗問題尤為引人關(guān)注。管殼式換熱器作為應用最為廣泛的一種換熱器，存在著內(nèi)部容易沉積污垢的缺點，這些污垢使得傳熱流體在管道中的輸送阻力增加，嚴重時甚至會堵塞管道，由污垢引起的熱阻也使得換熱器的換熱性能下降，此外，換熱管中沉積的污垢往往具有腐蝕性，管壁會因此受到腐蝕甚至造成泄漏。因此，解決管殼式換熱器的換熱管內(nèi)污垢沉積以及強化傳熱成為人們研究的熱點問題之一。近年來出現(xiàn)了許多阻止污垢沉積的方法和裝置，專利申請?zhí)枮?0249059. 5的專利“一種裝有除垢、防垢裝置的傳熱管”，該專利介紹了在換熱管中安裝螺旋扭帶來實現(xiàn)強化傳熱的方法，具體方法是在軸桿一段套上活動球并與軸承座連接，軸桿另一端則與螺旋紐帶連接，該方法減小了軸桿與軸承座之間的摩擦， 使得螺旋紐帶的正常旋轉(zhuǎn)得以保證，但是螺旋紐帶在管內(nèi)的位置并沒有得到很好的限制， 可能會受到流體的作用而摩擦管壁，造成換熱管的磨損，且由于螺旋紐帶為一個整體，管內(nèi)傳熱流體在推動紐帶轉(zhuǎn)動時需要較大的驅(qū)動力矩，造成換熱管兩端較大的壓力降。中國專利號為ZL200520127121.9的專利“轉(zhuǎn)子式自清潔強化傳熱裝置”中，介紹了一種由固定架、 轉(zhuǎn)子、鋼絲和支撐管構(gòu)成的強化傳熱裝置，該裝置具有在線自動防垢除垢和強化傳熱的功能，傳熱流體在換熱管內(nèi)順流或逆流的情況下，均有防垢除垢和強化傳熱的作用，該專利中所涉及的轉(zhuǎn)子在一定傳熱流體通過時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是由螺棱的螺旋升角決定的，在螺棱導程小時轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度越快，同時對傳熱流體的阻力隨之增加，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中對傳熱流體具有擾動作用，但對換熱管內(nèi)壁面附近傳熱流體邊界層的破壞作用不明顯。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是設(shè)計一種新結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子的葉片表面設(shè)置了徑向階梯型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子具有提高換熱管傳熱性能的作用，同時還具有防垢除垢的作用。本實用新型采用的技術(shù)方案是換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，由空心軸、階梯型葉片構(gòu)成的，階梯型葉片位于空心軸表面，階梯型葉片外徑小于換熱管內(nèi)徑，階梯型葉片表面光滑，階梯型葉片繞空心軸呈螺旋狀，且階梯型葉片的迎水面與背水面在沿空心軸徑向均設(shè)置有階梯面結(jié)構(gòu)或類似于階梯型的波浪型結(jié)構(gòu)，階梯型葉片最先與水流接觸的棱邊進行倒斜角或倒圓角，空心軸遠離進水口端沿圓周方向均勻地開有與空心軸內(nèi)孔相通的孔，通過改變階梯型葉片沿空心軸軸向的螺旋角、軸向長度以及沿空心軸徑向的高度來改變流體對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力矩，階梯型葉片在空心軸上的組合固定方式要便于轉(zhuǎn)子在換熱管內(nèi)的安裝。傳熱流體流過階梯型葉片時，會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力，階梯型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，階梯型葉片在空心軸周圍呈螺旋狀，流體推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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的形成和沉積的目的，同時部分流體在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中會沿階梯型葉片上的階梯型表面徑向流動最終做離心運動甩向換熱管管壁，這部分流體對管壁附近傳熱流體的層流邊界層產(chǎn)生沖擊，從而破壞傳熱流體的層流邊界層，進一步實現(xiàn)防垢除垢和強化傳熱的作用，可以通過改變階梯型葉片沿空心軸軸向的螺旋角、軸向長度以及沿空心軸徑向的高度來改變流體對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力矩， 使轉(zhuǎn)子在換熱管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流暢。階梯型葉片最先與水流接觸的棱邊進行倒斜角或倒圓角結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)子獲得一定的旋轉(zhuǎn)扭矩，有利于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，該結(jié)構(gòu)與換熱管形成的楔形空間也有利于對流體邊界層的擾流。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，沿空心軸圓周方向均勻分布的階梯型葉片個數(shù)可以為兩個、三個、四個或多個，單個所述轉(zhuǎn)子沿空心軸軸線方向可以分布有一個、兩個或多個的階梯型葉片。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，階梯型葉片表面的階梯個數(shù)可以為一個、 兩個或多個。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，階梯型葉片表面的階梯型結(jié)構(gòu)的臺階面可以與空心軸徑向平面平行也可以與徑向平面呈一定角度，階梯型葉片迎水面或背水面與臺階面的夾角為傾斜角或垂直，傾斜角可提供一些轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的扭矩。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，只在階梯型葉片的迎水面或背水面的一個面上設(shè)置有階梯型結(jié)構(gòu)，另一個面是光滑的曲面。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子空心軸遠離進水口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(nèi)孔相通的孔，該孔可使傳熱流體在空心軸和轉(zhuǎn)軸之間的空間內(nèi)流動，并帶動空心軸與轉(zhuǎn)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。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，在空心軸上階梯型葉片占據(jù)位置之外的部位開設(shè)有通孔，通孔的截面形狀為半圓形、橢圓形、矩形或梯形。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，階梯型葉片的表面開有一定數(shù)量的小孔， 以減小傳熱流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子的壓力損失。本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，階梯型葉片與空心軸接觸部分沿軸向布置，即與空心軸內(nèi)孔的軸線平行，階梯型葉片離開空心軸的部分呈帶有梯形結(jié)構(gòu)的弧形，該弧形扭轉(zhuǎn)，其切線與轉(zhuǎn)子空心軸內(nèi)孔的軸線形成一定的夾角，即不與空心軸內(nèi)孔的軸線平行，水流對階梯型葉片空間的弧形形成具有使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的扭矩，階梯型葉片對水流的阻擋作用造成水流具有一定的混流，熱量在流體內(nèi)具有交換，水流沿階梯型葉片甩向換熱管內(nèi)壁，具有破壞邊界層的作用。為防止轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中沿轉(zhuǎn)軸軸向竄動，所述轉(zhuǎn)子空心軸兩端設(shè)置了同軸結(jié)構(gòu)，兩個相鄰轉(zhuǎn)子的同軸結(jié)構(gòu)首尾結(jié)合，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子間的軸向定位。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。所述轉(zhuǎn)子階梯型葉片的軸向長度、徑向高度、螺旋升角等參數(shù)以及階梯型葉片上
4階梯型結(jié)構(gòu)的數(shù)目，可依據(jù)換熱管內(nèi)徑、管內(nèi)介質(zhì)流速等工況條件結(jié)合制造加工成本來確定，相鄰轉(zhuǎn)子之間可以采取同步旋轉(zhuǎn)或獨立旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。所述轉(zhuǎn)子安裝在換熱管內(nèi)，可依據(jù)換熱管的實際長度，來調(diào)整串聯(lián)在轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子數(shù)目，同時利用固定在換熱管兩端的掛件對轉(zhuǎn)軸進行軸向固定。本實用新型的有益效果是1、所實用新型的轉(zhuǎn)子階梯型葉片表面具有階梯型結(jié)構(gòu)，可在不增加階梯型葉片徑向高度的前提下提高對換熱管內(nèi)壁面處傳熱流體邊界層的破壞程度，從而提高傳熱效率；2、轉(zhuǎn)子的階梯型葉片在旋轉(zhuǎn)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階梯面甩出的離心運動，從而減少了污垢在轉(zhuǎn)子表面和換熱管內(nèi)壁沉積的可能性；3、階梯型葉片表面階梯型結(jié)構(gòu)的存在使得在階梯型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(zhuǎn)子的制作成本且有利于安裝；4、單個轉(zhuǎn)子空心軸遠離進水口端開有的與空心軸內(nèi)孔相通的孔可使傳熱流體在空心軸內(nèi)部及轉(zhuǎn)軸之間流動，帶動污垢從空心軸內(nèi)部與轉(zhuǎn)軸之間的空間排出，防止了污垢的沉積，節(jié)約了轉(zhuǎn)子材料，節(jié)省了成本。

圖1是本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子-兩葉順序階梯式三維結(jié)構(gòu)示意圖主視圖。圖2是本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子-兩葉順序階梯式三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子-四葉順序階梯式三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子-四葉十字交叉階梯式三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本實用新型換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子安裝結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-階梯型葉片，2-空心軸，3-球窩凸臺，4-球窩凹臺，5-相通的孔，6_掛件， 7_換熱管，8-轉(zhuǎn)軸，9-同軸結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
如圖5所示是本實用新型涉及換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子的一種實施方法，該強化傳熱裝置包括轉(zhuǎn)子、掛件6、換熱管7和轉(zhuǎn)軸8，數(shù)個轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸8串聯(lián)在一起，相鄰轉(zhuǎn)子之間通過同軸結(jié)構(gòu)9連接，掛件6固定于換熱管7兩端，轉(zhuǎn)軸8兩端分別與掛件6相連實現(xiàn)兩端固定，轉(zhuǎn)子是由一定數(shù)目的階梯型葉片1固定在空心軸2上構(gòu)成的，空心軸2上還開有球窩凸臺3、球窩凹臺4和與空心軸內(nèi)孔相通的孔5。本實例中同軸結(jié)構(gòu)9是由轉(zhuǎn)子空心軸 2兩端的球窩凸臺3和球窩凹臺4兩部分組成的，兩個相鄰轉(zhuǎn)子中，一個轉(zhuǎn)子的空心軸2頭部的球窩凸臺3與另一個轉(zhuǎn)子尾部的球窩凹臺4相結(jié)合從而起到連接和調(diào)整使之同軸的作用，該結(jié)構(gòu)也是一種能夠適應換熱管7彎曲處的柔性連接結(jié)構(gòu)，同軸結(jié)構(gòu)9除了可以采用球窩方式外，還可以采用圓錐方式、卡扣方式以及萬向節(jié)方式，在同軸度要求不高的情況下還可以采用平面結(jié)構(gòu)。如圖1至圖4所示，轉(zhuǎn)子的空心軸2截面形狀為圓柱形；如圖1和圖2為兩葉順序階梯型轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子空心軸2上有兩個階梯型葉片1，兩個階梯型葉片1相對分布，空心軸2 上還開有球窩凸臺3、球窩凹臺4以及均布的與空心軸內(nèi)孔相通的孔5 ；圖3為四葉順序階梯型轉(zhuǎn)子，空心軸2上有4個階梯型葉片1，其中4個階梯形葉片1兩兩一組沿軸向順序排布，兩組階梯型葉片相對排列；圖4是四葉十字交叉階梯型轉(zhuǎn)子，空心軸2上有4個階梯型葉片1，這四個階梯型葉片1互為90°交叉排列。 本實用新型中，換熱管7內(nèi)的傳熱流體在流動過程中會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力和轉(zhuǎn)動力矩，階梯型葉片1使流體流向發(fā)生改變，形成混流，階梯型葉片1在空心軸周圍呈螺旋狀， 流體推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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，部分傳熱流體沿著階梯型葉片1的階梯面流動，并最終離開階梯型葉片1做離心運動甩向換熱管7內(nèi)壁面，對內(nèi)壁面處傳熱流體邊界層產(chǎn)生沖擊，通過破壞邊界層來進一步實現(xiàn)強化傳熱。該種形式轉(zhuǎn)子可以減小階梯型葉片1的徑向高度，同時通過改變階梯型葉片1的螺旋角、徑向?qū)挾群洼S向長度來改變傳熱流體對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動力矩，保證轉(zhuǎn)子的流暢旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子空心軸2遠離進水口端開的與空心軸內(nèi)孔相通的孔5便于傳熱流體在空心軸2內(nèi)部與轉(zhuǎn)軸8之間流動，帶動空心軸2內(nèi)部與轉(zhuǎn)軸8之間的污垢排出，防止了污垢的沉積，此外，通過減小階梯形葉片1的徑向高度以及在空心軸2上開設(shè)與空心軸內(nèi)孔相通的孔5可以節(jié)省材料和加工成本。
權(quán)利要求1.換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，由空心軸、階梯型葉片構(gòu)成的，階梯型葉片位于空心軸表面，其特征在于階梯型葉片外徑小于換熱管內(nèi)徑，階梯型葉片表面光滑，階梯型葉片繞空心軸呈螺旋狀，且階梯型葉片的迎水面與背水面在沿空心軸徑向均設(shè)置有階梯面結(jié)構(gòu)或波浪型結(jié)構(gòu)，階梯型葉片最先與水流接觸的棱邊進行倒斜角或倒圓角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于沿空心軸圓周方向均勻分布的階梯型葉片個數(shù)為兩個、三個、四個或多個，沿空心軸軸線方向分布有一個、兩個或多個的階梯型葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于所述階梯型葉片表面的階梯個數(shù)為一個、兩個或多個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于所述階梯型葉片表面的階梯型結(jié)構(gòu)的臺階面與空心軸徑向平面平行或與徑向平面呈一定角度，階梯型葉片迎水面或背水面與臺階面的夾角為傾斜角或垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于在階梯型葉片的迎水面或背水面的一個面上設(shè)置有階梯型結(jié)構(gòu)，另一個面是光滑的曲面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于所述空心軸遠離進水口端沿圓周方向均勻地開有與所述空心軸內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于在所述空心軸上所述階梯型葉片占據(jù)位置之外的部位開設(shè)有截面形狀為半圓形、橢圓形、矩形或梯形的通孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于所述階梯型葉片的表面開有小孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于所述空心軸的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，空心軸兩端設(shè)置球窩方式、圓錐方式、卡扣方式或者萬向節(jié)方式的同軸結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，其特征在于所述階梯型葉片與所述空心軸接觸部分沿軸向布置，該階梯型葉片離開空心軸的部分呈帶有梯形結(jié)構(gòu)的弧形，該弧形扭轉(zhuǎn)，其切線與轉(zhuǎn)子空心軸內(nèi)孔的軸線形成夾角。
專利摘要本實用新型涉及一種換熱管內(nèi)徑向階梯型轉(zhuǎn)子，它是由空心軸、階梯型葉片構(gòu)成的，階梯型葉片位于空心軸表面，其特征在于階梯型葉片外徑小于換熱管內(nèi)徑，階梯型葉片表面光滑，階梯型葉片繞空心軸呈螺旋狀，且階梯型葉片的迎水面與背水面在沿空心軸徑向均設(shè)置有階梯面結(jié)構(gòu)或波浪型結(jié)構(gòu)，階梯型葉片最先與水流接觸的棱邊進行倒斜角或倒圓角。本實用新型中，換熱管內(nèi)傳熱流體流動時會對階梯型轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向力，葉片阻礙流體流動從而使流體流向發(fā)生改變，形成混流，同時流體推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，傳熱流體自身的混流得到加強，部分傳熱流體沿葉片的階梯面流動，最終離開階梯面做離心運動甩向換熱管內(nèi)壁面，對內(nèi)壁面處的流體邊界層產(chǎn)生沖擊，進一步強化傳熱。
文檔編號F28G3/10GK202002544SQ20112005373
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者劉澤, 彭威, 楊衛(wèi)民, 趙本華, 閻華 申請人:北京華夏英藍科技發(fā)展有限公司