在线自激式自稳定管式换热器清垢及强化换热机构的制作方法

本实用新型涉及清垢及强化换热的管式换热器部件，尤其涉及一种在线自激式，且能自稳定的管式换热器清垢及强化换热机构。

背景技术：

表面式换热器作为一种通用设备，在电力、化工、制药、印染、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业领域具有广泛的应用，在生产中占有重要地位。尤其在火力发电和化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、凝汽器、蒸发器和再沸器、管式空预器等，应用甚为广泛。

目前的表面式管式换热器在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。管式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束，管束两端固定于管板上。作为应用最广泛的换热器，管式换热器因其特殊的管状构造，容易出现积灰(如锅炉的管式空预器)、结垢(如火力发电厂的凝汽器)，难以彻底清洗，将会大大影响机组的安全稳定运行，且会引起热阻增加，传热效果下降，影响换热效果，导致发电煤耗的增加。虽然，目前进行了诸多优化与改进，但效果不十分理想，仍然是目前急需解决的关键问题。因此，对进行表面式换热器内部结构及流场特性进行改进，增加其在线自清洗能力并提高其换热系数，研究在线自激式自稳定管式换热器清垢及强化换热装置，在工业生产方面有着十分重要的意义，节能减排效果显著。

关于表面式管式换热器的研究非常多，强化换热的措施、技术的应用也较多。如热管技术、管内外加装肋片技术、强化加装扰流等；在清灰除垢及强化换热方面，如凝汽器加装胶球清洗系统，循环水添加化学药剂，设置专用的清灰吹扫装置及系统，强化扰流等。如：王金旺提出了一种管式换热器表面积灰的清除装置[申请号：201210208832.3]；陈玉等提出一种处理烟气换热器GGH积灰结垢的方法，采用在线压缩空气吹灰、在线高压水冲洗、停机前低压水冲洗及停机后化学清洁剂高压冲洗步骤，解决GGH受热面因积灰、酸凝结、液滴粘附等原因造成的严重积灰结垢问题[申请号：201510193749.7]；李建平提出了一种双扰流螺旋式强化换热及自动除垢装置；曾荣良设计了一种管式反应器螺旋强化扰流装置[申请号：201410672210.5、申请号：201410819336.0]。其在管式换热器管道内部加入一螺旋纽带，螺旋纽带可以起到一定的除垢和强化换热效果。缺陷在于，螺旋纽带过长导致其缺乏稳定性，容易碰壁磨损断裂；丁永生提出了一种列管式换热器在线防垢及强化换热装置[申请号：201010126905.5]。其呈拉紧状态的不锈钢绳索两端安装有固定架分别固定在换热管两端，不锈钢绳索上等间距固定有限位套，位于每个限位套前端部位的不锈钢绳索上依次按顺序安装正、反旋向的叶轮，对提高除污及传热效果起到了一定作用，其缺陷在于，管道内部的积灰并没有得到处理，仍然存在影响等。

上述这些技术与措施对表面式管式换热器的清灰除垢，强化换热起到了巨大作用，但仍然存在如下问题：①基本为离线清灰与除垢。如凝汽器的胶球清洗系统，管式空预器的蒸汽或空气吹扫系统等；②扰流措施较弱，换热系数仍有提高的空间。如凝汽器的水侧换热、管式空预器的烟气侧换热；③部分技术虽然管内存在扰流设计措施，但其自平衡能力差，容易发生扰流装置与管壁发生碰撞摩擦，或发生断裂，或换热管束发生损坏，运行可靠性差。

对表面式管式换热器目前研究现状的了解，不难发现，管式换热器在自清洗和强化换热领域仍有较大的提升空间，特别是自平衡能力强，能防止扰流装置与管壁发生碰撞摩擦，或发生断裂的技术与方法急需突破，目前缺乏的正是一种在线能自稳定自清洗管式换热器强化换热装置。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的自平衡能力差，容易发生扰流装置与管壁发生碰撞摩擦，或发生断裂，或换热管发生损坏，运行可靠性差等问题，本实用新型提供了一种在线自激式自稳定管式换热器清垢及强化换热机构，该机构能够在线清洗且保证其稳定性，以加入带自平衡孔的螺旋叶片为核心的强化换热机构，实现表面式换热器的在线自激式，且能自稳定管式换热器清垢及强化换热。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下技术方案：

在线自激式自稳定管式换热器清垢及强化换热机构，包括球形连接腔顶盖、底部有圆孔的球形连接腔底盖、换热管、头部为实心球的圆柱连接杆、轴承套和螺旋叶片；

所述球形连接腔顶盖与球形连接腔底盖连接且呈球形腔体，所述轴承套的一端从球形连接腔底盖底部的圆孔插入球形腔体内,且与圆孔为过盈配合，另一端伸出球形腔体且设置在球形连接腔底盖的下方，在球形连接腔底盖的外壁上且位于轴承套的外侧均布设置多个弧形导流叶片，所述弧形导流叶片的一端固定在球形连接腔底盖的外壁上，弧形导流叶片的另一端内嵌于换热管的内壁上；所述圆柱连接杆上的实心球位于球形腔体内并与球形腔体间隙配合，且圆柱连接杆上的实心球的中心与球形腔体的中心重合，所述圆柱连接杆穿过轴承套和球形连接腔底盖的底部，圆柱连接杆通过轴承与轴承套转动配合；所述螺旋叶片位于换热管内，螺旋叶片的一端与圆柱连接杆远离实心球的一端连接；所述螺旋叶片的旋转中心线、圆柱连接杆的轴线、换热管的轴线和轴承套的轴线位于同一轴线上，且均穿过圆柱连接杆的实心球的球心；

所述螺旋叶片的外径与换热管的内径比为0.6～0.8，所述螺旋叶片的螺距与换热管的管长之比为0.05～0.15，所述螺旋叶片上至少设置3个平衡孔；平衡孔设置于螺旋叶片距其末端三分之一的长度范围内，平衡孔的孔径与换热管的内径之比为1:10～1:5，距螺旋叶片末端的第一个平衡孔的中心与螺旋叶片的末端距离和螺旋叶片的外径之比为0.5～1，且平衡孔呈等距布置。

作为本实用新型的一种优选方案，平衡孔的个数等于螺旋叶片距其末端三分之一的长度与螺旋叶片的外径之比值，该比值取整数。

作为本实用新型的另一种优选方案，所述球形连接腔顶盖的底部设置内螺纹，所述球形连接腔底盖的顶部设置外螺纹，所述球形连接腔顶盖与底部有圆孔的球形连接腔底盖通过螺纹连接。

作为本实用新型的又一种优选方案，所述圆柱连接杆远离实心球的一端设有供螺旋叶片插入的条形槽，所述螺旋叶片的一端插入条形槽并通过2个圆头螺栓与螺母固定。

本实用新型的技术效果是：流体在弧形导流叶片的导流下，并基于合理的螺旋叶片的外径与换热管的内径比，以及螺旋叶片的螺距与换热管的管长比，平衡孔的合理布置，在增加最小的流动阻力情况下实现螺旋叶片自稳定运行，防止螺旋叶片触碰管道内壁，同时，在换热管内流体紊流度得到进一步加强，实现管道内表面在线自动除垢、进一步增加热交换效率，实现长期稳定运行。管内部加入适当长度的螺旋叶片，通过循环水或烟气流自身的流动，自激带动螺旋叶片转动，进一步使得管内循环水或烟气达到高紊流状态，是能够加强换热的，同时，其对管壁的不断扰流冲扫，可以减少水垢、灰的沉积析出，加快垢、灰的剥蚀。

应用本机构于火电机组凝汽器，端差可降低为1～3℃。如降低3℃时，1台300MW(亚临界)、600MW(超临界)、1000MW(超超临界)机组全年可节煤量(4000吨/年、6000吨/年、9000吨/年)，目前全国总的火电装机容量约为525GW，均可采用本机构，全年可节省标煤约470万吨，减排CO₂约1250万吨，且可有效降低维护费免人工及化学清洗；应用于火电机组管式烟气换热器，可提高热力发电厂热效率约1％，降低煤耗约3g/kWh。目前全国总的火电装机容量为525GW，均可采用本机构，按降低3g/kWh，机组年4000小时计算，全年可节省标煤约680万吨，减排CO₂约1800万吨，节能减排效果显著；此外，本机构还可广泛应用于化工、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业领域加热器、冷却器、凝汽器、蒸发器和再沸器等，对于节能减排具有十分重要的意义。

附图说明

图1为在线自激式自稳定管式换热器清垢及强化换热机构的结构示意图；

图2为球形连接腔顶盖的结构示意图；

图3为球形连接腔底盖的结构示意图；

图4为换热管的结构示意图；

图5为圆柱连接杆的结构示意图；

图6为螺旋叶片的结构示意图。

图中：1—球形连接腔顶盖；2—球形连接腔底盖；3—换热管；4—圆柱连接杆；5—弧形导流叶片；6—轴承套；7—轴承；8—圆头螺栓与螺母；9—螺旋叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。

如图1所示，在线自激式自稳定管式换热器清垢及强化换热机构，包括球形连接腔顶盖1、底部有圆孔的球形连接腔底盖2、换热管3、头部为实心球的圆柱连接杆4、轴承套6和螺旋叶片9。

球形连接腔顶盖1与球形连接腔底盖2连接且呈球形腔体。在本实施例中，球形连接腔顶盖1的底部设置内螺纹，如图2所示，球形连接腔底盖2的顶部设置外螺纹，如图3所示，球形连接腔顶盖1与球形连接腔底盖2通过螺纹连接，即将球形连接腔顶盖1旋紧在球形连接腔底盖2的顶部。球形连接腔底盖2底部有圆孔。

轴承套6的一端从球形连接腔底盖底部的圆孔插入球形腔体内并与圆孔过盈配合，轴承套6另一端伸出球形腔体且位于球形连接腔底盖2的下方，如图3所示，在球形连接腔底盖2的外壁上且位于轴承套6的外侧均布设置多个弧形导流叶片5(在本实施例中，设有4个弧形导流叶片5)，弧形导流叶片5的一端通过焊接的方式固定在球形连接腔底盖2的外壁上，弧形导流叶片5的另一端内嵌于换热管3的内壁上，换热管3的结构如图4所示。

圆柱连接杆的结构如图5所示，圆柱连接杆4上的实心球位于球形腔体内并与球形腔体间隙配合，且圆柱连接杆4上的实心球的中心与球形腔体的中心重合，圆柱连接杆4穿过轴承套6和球形连接腔底盖2的底部，圆柱连接杆4通过轴承7与轴承套6转动配合(本实施例中，轴承7采用滚动轴承)。螺旋叶片9位于换热管3内，螺旋叶片9的一端与圆柱连接杆4远离实心球的一端连接，螺旋叶片9的结构如图6所示。在本实施例中，圆柱连接杆4远离实心球的一端设有供螺旋叶片9插入的条形槽，如图5所示，螺旋叶片9的一端插入条形槽并通过2个圆头螺栓与螺母8固定。螺旋叶片9的旋转中心线、圆柱连接杆4的轴线、换热管3的轴线和轴承套6的轴线位于同一轴线上，且均穿过圆柱连接杆4的实心球的球心。螺旋叶片9、圆柱连接杆4、弧形导流叶片5和螺旋叶片9均使用耐高温、耐腐蚀、耐磨损、防老化的高分子材料制成。

有一定流速或压力的流体通过弧形导流叶片5进入换热管3内，冲击螺旋叶片9，而实现自激旋转，带动流体旋转流动。球形腔体可减少流体进入换热管3时产生的阻力，弧形导流叶片5可使得流体预先导流而进入换热管3，可进一步提高旋流叶片的紊流作用，强化流体紊流强度，提高清垢能力和换热效果。

为实现在线自激式自稳定管式换热器清垢及强化换热，克服现有技术中自平衡能力差，容易发生扰流装置与管壁发生碰撞摩擦，或发生断裂，或换热管发生损坏，运行可靠性差等问题，在制作带自平衡孔的螺旋叶片时应保持如下技术特征：螺旋叶片9的外径与换热管3的内径比为0.6～0.8，螺旋叶片9的螺距与换热管3的管长之比为0.05～0.15，螺旋叶片9上至少设置3个平衡孔，平衡孔的个数等于螺旋叶片9距其末端三分之一的长度与螺旋叶片9的外径之比值，该比值采用四舍五入取整数。平衡孔设置于螺旋叶片9距其末端三分之一的长度范围内，平衡孔的孔径与换热管3的内径之比为1:10～1:5，距螺旋叶片9末端的第一个平衡孔的中心与螺旋叶片9的末端距离和螺旋叶片9的外径之比为0.5～1，且平衡孔呈等距布置。依靠通过换热管3内的流体流动带动螺旋叶片9的转动，使得管内不存在积垢，同时，由于合理的螺旋叶片9的外径与换热管3的内径比，以及螺旋叶片9的螺距与换热管3的管长比，平衡孔的合理布置，在增加最小的流动阻力情况下，实现螺旋叶片9自稳定运行，防止螺旋叶片9触碰管道内壁，并且，螺旋叶片9在换热器管内流体紊流度得到进一步加强，实现内管道表面在线自动除垢、进一步增加热交换效率，实现长期稳定的运行。该机构可广泛应用于电力、化工、制药、印染等表面式换热过程，节能减排效果显著。

下表为在本实用新型主要组合特征参数下在某额定负荷为330MW机组在260MW负荷时凝汽器内换热管实施效果。

表中：N为平衡孔数目(个数)，d为平衡孔孔径(mm)，D为换热管(mm)，δ为螺旋叶片的外径(mm)，t为螺旋叶片的螺距(mm)，L为换热管的长度(mm)，t₁为第一个平衡孔中心与螺旋叶片末端的距离(mm)。

在保证参数N≥3，d:D＝1:10～1:5，δ:D＝0.6～0.8，t:L＝0.05～0.15，t₁:δ＝0.5～1下，能使螺旋叶片自稳定运行，防止螺旋叶片触碰管道内壁磨损及断裂，且能使流体在管内呈高紊流旋流流动，管壁的不断扰流冲扫，可以减少垢、灰的沉积析出，加快垢、灰的剥蚀，同时提高换热性能，可长时间实现管道内表面在线自动除垢，实现长期稳定的运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。