专利名称：喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器的制作方法
技术领域：
本实用新型专利涉及喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器。这种喷气自转脉冲螺旋自动清洗式结构的低流速高效换热器可以广泛地应用于诸如冷冻机组的立式水冷器、管内水冷却的其它立式管壳式换热器。
背景技术：
传统结构的立式管壳式换热器，有相当多设备的管内流速在0.2m/s以下，不仅对流传热系数很低，而且容易结垢，运行效率很低。尤其是冷却水在管内自上而下流动的敞开式设备，加上各管的冷却水量分布又很不均匀，运行效率更是非常低。
这种低流速管壳式换热器容易生长污垢，又受低流速的限制无法采用比较有效的自动清洗防垢技术。例如，塑包螺旋线技术要求流速0.4m/s以上(传热管内污垢在线自动清洗的流体动力塑包螺旋线，2005.2.23.，ZH2004200351029)，斜齿扭带技术要求流速0.35m/s以上(一种管内自转式清洗及传热强化的齿形扭带，2004.3.31.，CN1485596A)，泡罩板式循环流态化技术要求流速0.2m/s以上(一种双罩内循环流态化立式传热设备，2005.119.，ZH2003201142083)。因此，低流速传热管内的污垢只能进行周期性地停车清洗。由于污垢不能及时清除，运行效率低，并且由于传热管内污垢是传热强化的控制因素，因此在低流速在线自动清洗问题没有获得解决前，一般换热器都不考虑采用传热管内插物实现对流传热强化。况且停车清洗大多数采用机械清洗方法，传热强化的传热管内插物会使机械清洗带来诸多不便、甚至有相当大的困难。
发明内容
本实用新型专利旨在解决低流速立式管壳式换热器传热管内污垢的在线自动清洗问题，又同时解决传热管内的低流速对流传热强化问题，提出一种喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，借助传热管内内插的螺旋元件使生产期间的对流传热实现高效强化；需要清洗管内污垢时，借助喷气管自转产生的旋转脉冲气流带动立式传热管内的内插螺旋元件的上下往复运动，实现管内水垢的在线快速清洗。因此，既能够使运行效率有成倍的提高，又保持本体基本结构不变，制造费用增加不多，清洗操作简便、费用低廉。
本实用新型专利的技术方案是喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，由传热管、管口罩、塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋、壳体、底室、隔板、喷气管、转速调节阻力板等构成。每根传热管内放置一根适当长度的塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋，传热管上下两端均装有管口罩。塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋的外径均显著地小于传热管和管口罩的内径，能够往复运动自如；同时又必须显著地大于管口罩的网孔尺寸或筋板之间的通道宽度，不会跑出传热管的管口罩外，使塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋始终保持在各传热管内。塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋的沉降速度都必须大于换热器正常运行时管内液体向上的流速。进口底室内设置有喷气管，借助喷气管的喷气反作用力自转。喷气管每自转一周就给所有传热管提供一个脉冲清洗气流，使塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋上下往复运动清洗一次。喷气管上安装有转速调节阻力板，转速调节阻力板与水平截面之间的角度可以改变，以此改变喷气管的旋转阻力，达到调节气流脉冲清洗周期的目的。
生产运行时，管内液体自下而上缓慢流动，其流速显著地低于塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋的沉降速度，因此塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋能够始终停留在下端的管口罩内。由于管内液体受到塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋的导流作用而呈螺旋线流动，在向前螺旋线流动的过程中又不断的受到塑料斜齿螺旋扭带的斜齿或钢丝螺旋的钢丝的周期性的扰流，使对流传热过程得以高效强化。塑料斜齿螺旋扭带和钢丝螺旋可以使传热管内侧的对流传热系数αi分别提高100％、25％以上。
运行一段时间以后需要清洗管内污垢时，打开进气阀，喷气管喷气，借助喷气的反推力作用自动旋转。喷出的气体上浮到被隔板分割的气室里，经由该气室上方的传热管与液体混合向上流动，这些传热管内的气泡体积逐渐地增多。在同一时间里，与没有受到喷气管喷气的其它大多数传热管之间构成具有很大静压差的连通器。在此大静压差的作用下，这些受喷气管喷气的气室上方的传热管内的气—液混合物产生向上的快速流，其速度远大于塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋在管内液体里的沉降速度，带动塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋快速旋转、并且一起以较快的速度向上运动。在气—液混合物的两相流流动过程中，气泡对于冷却水的搅动剧烈，因此塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋向上运动是有波动、有旋转的复杂运动，与传热管内壁频繁地碰撞摩擦，能快速、均匀地将管内壁的污垢清洗除去。塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋运动到传热管的上端被管口罩档住，清洗气体浮升到在出口室的液面，经过排空阀排到换热器外。喷气管旋转离开该气室后，这些传热管内不再有气体供给，又恢复为原先的液体低流速向上流动，塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋在重力作用下沉降，下沉直到传热管下端的管口罩。因此，喷气管每旋转一周，换热器所有传热管内的塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋都上下往复运动一次，对传热管内壁的污垢清洗一次。随着喷气管的继续旋转，如此重复，能够很快地将传热管内的水垢清洗得干干净净。然后停止供气，回复到正常运行状态。喷气管上安装的转速调节阻力板与水平截面之间的倾斜角度可以经过手孔调节改变，以此显著地增大或减低喷气管的旋转阻力，达到调节喷气管的自转周期和气流清洗脉冲周期的目的。对于一般污垢可以采用塑料斜齿螺旋扭带；若污垢很硬、很难清洗或传热管内是高温液体，则可以采用钢丝螺旋。
因此，喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，不仅可以实现低流速传热管内对流传热的高效强化，又能够实现传热管内污垢的在线快速清洗，及时除去管内壁污垢，保障设备长期的高效运行。并且清洗操作简便，只需要低压气体源克服的壳程液体静压，清洗时间短，清洗气体的消耗量少，清洗费用低廉。
图1喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器的结构原理图图2塑料斜齿螺旋扭带示意图图3A-A剖面图的隔板结构图中的1.排气阀 2出口室 3管口罩 4.传热管 5钢丝螺旋 6.塑料斜齿螺旋扭带 7隔板 8底室 9喷气管 10进气管 11供气压力表 12进气阀 13转速调节阻力板 14手孔 15壳体 16斜齿 17气室 18中心区具体实施方式
以下结合附图1、附图2、附图3，说明本实用新型专利的具体实施方案喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，在每根传热管4内放置钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6。钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6在管内液体的沉降速度须显著地高于传热管4内液体向上的流速。钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6的最大外径d均须小于传热管4的内径D，比值(d/D)在0.95以下。传热管4的上下两端均装有管口罩3。底室8的中心安装有喷气管9。喷气管9上安装有转速调节阻力板13，转速调节阻力板13与水平截面之间的角度可以改变，以此改变喷气管的旋转阻力，达到调节气流脉冲清洗周期的目的。
生产运行时，液体自下而上以缓慢的速度通过传热管4，显著地低于钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6的自由沉降速度，因此钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6都停留在传热管4下端的管口罩3里面。钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6作为管内对流传热的强化元件。由于管内液体受到钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6的导流作用而呈螺旋线流动，螺旋线液流在向前流动的过程中又不断的受到钢丝螺旋5的钢丝或塑料斜齿螺旋扭带6的斜齿周期性的阻挡扰流，因此对流传热过程得到十分有效的强化。试验表明塑料斜齿螺旋扭带6和钢丝螺旋的钢丝5可以使传热管4内侧的对流传热系数αi分别提高100％、25％以上。
当传热管4内的污垢需要清洗时，打开进气阀12，调节到供气压力表11稍为超过的喷气管9的喷气孔处的静液压以后，喷气管9正常喷气，借助喷气的反作用推力使喷气管9自动旋转。喷出的气体上浮进入到由隔板7分割的气室17，经该气室17上方的传热管4与液体混合向上流动，这些传热管4内的气泡体积总量逐渐地增多。在同一时间里，与没有受到喷气管9喷气的其它大多数传热管4之间构成具有很大静压差的连通器。在此大静压差的作用下，这些受喷气管9喷气的气室17上方的传热管4内的气-液混合物产生向上的快速流，其速度远大于塑料斜齿螺旋扭带6或钢丝螺旋5在传热管4内液体里的沉降速度，带动塑料斜齿螺旋扭带6或钢丝螺旋5快速旋转、并且一起以较快的速度向上运动。在气-液混合物的两相流流动过程中，气泡对于冷却水的搅动剧烈，因此塑料斜齿螺旋扭带6或钢丝螺旋5向上运动是既有波动、又有旋转的复杂运动，与传热管4内壁频繁地碰撞摩擦，所以能快速、均匀地将传热管4内壁的污垢清洗除去。塑料斜齿螺旋扭带6或钢丝螺旋5运动到传热管4的上端被管口罩3档住，清洗气体浮升到出口室的液面，经过排气阀1排到换热器外。喷气管9旋转离开该气室17后，这些传热管4内不再有气体供给，又恢复为原先的液体低流速向上流动，塑料斜齿螺旋扭带6或钢丝螺旋5在重力作用下沉降速，下沉直到传热管4下端的管口罩3。因此，喷气管9每旋转一周，换热器所有传热管4内的塑料斜齿螺旋扭带6或钢丝螺旋5都上下往复运动一次，对传热管4内壁的污垢清洗一次。随着喷气管9的继续旋转，不断往复运动清洗，一般上下往复40次左右就可以将传热管4内的水垢清洗干净，结束清洗，停止供气，回复到正常运行状态。
当传热管内的污垢为硬垢、或高温介质时，传热管4内设置钢丝螺旋5。当传热管内的污垢为软垢、并且液体温度不高时，传热管4内设置塑料斜齿螺旋扭带6。钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6的长度都比传热管4小某一适当值h1。h1值在100mm以上，由钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6对下游的传热强化影响的有效距离大小决定。这样既可以使整根传热管4长度方向的对流传热全部都高效强化，又使钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6在脉冲清洗时有必要的往复运动行程H。若往复行程H太小，则清洗速度低。
管口罩3的结构无论是筋板型结构还是网孔型，均为园管形，并且内径都大于钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6的外径，以便钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6既可以沉降到管口罩3之底，也可以上升运动到管口罩3之顶，使管口罩3的高度h2全部成为往复运动清洗行程H的一部分，以此提高清洗效率。管口罩3的网孔尺寸或筋板之间的通道宽度都显著地大于钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6的外径，以防钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带跑出管口罩3外。
底室8的上部被隔板7分割形成的气室17，沿周向均布，气室17的个数为2-12个，并且中心区18必须与其中的一个气室17相互连通成为同一个气室。换热器的传热管4的管数愈多，气室17的个数也就需要设计得愈多，有利于减少同时供气清洗的管数-供气速度要求，以便选用较小的鼓风机或压缩机。喷气管9上的喷气孔在径向的开孔位置的半径R必须大于中心区18半径r，以便喷气管9旋转喷气的过程中使中心区18内的传热管4也能同样实现脉冲清洗。
喷气管9的旋转周期必须大于钢丝螺旋5或塑料斜齿螺旋扭带6的上升时间与气室17的个数的乘积。喷气管9上安装的转速调节阻力板13。若喷气管9的旋转速度过快或太慢，可以经过手孔14改变转速调节阻力板13与水平截面之间的倾斜角度，以此显著地增大或减低喷气管的旋转阻力，达到调节喷气管的自转周期和气流清洗脉冲周期的目的。
权利要求1.一种喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，由传热管(4)、管口罩(3)、塑料斜齿螺旋扭带(6)或钢丝螺旋(5)、壳体(15)、底室(8)、隔板(7)、喷气管(9)、转速调节阻力板(13)等构成，其特征在于每根传热管(4)的上下两端均装有管口罩(3)，传热管(4)内放置一根塑料斜齿螺旋扭带(6)或钢丝螺旋(5)，塑料斜齿螺旋扭带(6)或钢丝螺旋(5)的直径均显著地小于传热管(4)的内径，又显著地大于传热管(4)和管口罩(3)的内径，并且比管口罩(3)的网孔尺寸或筋板之间的通道宽度大得多；底室(8)内设置有可以旋转的喷气管(9)，喷气管(9)上安装的转速调节阻力板(13)与水平截面之间的倾斜角可以调节。
2.根据权利要求1所述的喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，其特征在于塑料斜齿螺旋扭带(6)或钢丝螺旋(5)的长度比传热管(4)短100mmm以上。
3.根据权利要求1所述的喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，其特征在于隔板(7)分割形成的气室(17)沿周向均布，数量为212个，换热器的传热管(4)根数愈多，气室(17)的个数也就愈多，并且中心区(18)必须与其中一个气室(17)相互连通成为同一个气室(17)。
4.根据权利要求1所述的喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，其特征在于喷气管(9)上的喷气孔在径向的开孔位置的半径R必须大于中心区(18)的半径r。
专利摘要喷气自转脉冲螺旋自动清洗式低流速高效换热器，由传热管、管口罩、塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋、壳体、底室、隔板、旋转喷气管、转速调节板等构成。每根传热管内放置塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋，两端都装有管口罩。运行时塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋使管内的对流传热得以高效强化。进口底室内设置靠喷气反作用力自转的喷气管，喷气管每旋转一周，对所有的传热管提供一个脉冲气流。清洗时，脉冲气流与液体的混合物带动传热管内的塑料斜齿螺旋扭带或钢丝螺旋剧烈地上下往复运动，实现在线、快速清洗。这种换热器结构简单，操作简便，清洗费用低廉，始终保持高效运行，比传统结构的低流速换热器的管内侧对流传热系数αi提高一倍以上。
文档编号F28G3/10GK2786539SQ20052005070
公开日2006年6月7日 申请日期2005年5月13日 优先权日2005年5月13日
发明者俞天兰, 俞秀民, 彭德其, 刘桂英, 蒋少青, 吴金香, 周永剑, 陈乾坤, 吴昌活, 高颍, 左杨, 屈波, 游秋文 申请人:株洲工学院帅科机械清洗研究所