专利名称：换热管内叶片旋向交叉组合式转子的制作方法
技术领域：
本实用新型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 传热和防污除污的内插元件，特别涉及一种利用换热管内传热流体作为动力的自清洁强化 传热的低能耗高效率转子。
背景技术：
节能减排是一项全世界都非常重视的关键技术，在石油、化工、火电、核电、冶金、 轻工、航空器件和船舶车辆等众多领域都要应用到许多的换热器，其中应用最为广泛的是 管壳式换热器，但在这些换热管中内壁普遍存在层积污垢，导致流体在管道中输送阻力增 加，严重时会堵塞管道，同时传热性能大为下降；换热管内污垢会严重降低传热效率而引起 重大能源浪费，与此同时污垢一般具有腐蚀性，管壁会因此腐蚀，泄露流体造成重大安全隐 患，因此在传统上的处理办法就是被迫采取停产清洗，这样不仅耽搁了工厂的生产进度，同 时还需要支付昂贵的清洗费用；为了更好地解决这些问题，人们一直研究采用不停产的在 线自动强化传热和除垢防垢的各种办法和装置。近年来出现了许多防垢除垢方法和装置， 其中之一利用流体推动螺旋纽带旋转能实现在线自动除垢的方法，螺旋纽带中国专利号 为ZL95236063. 2，名称为“传热管内除垢防垢的清洗装置”的实用新型创造，该实用新型创 造的技术方案由换热管内装有与换热管大体相等长度的纽带构成，扭曲带的径向尺寸小于 换热管的内径，在换热管进液口处设置有轴向固定架，其中间部位有进液孔，轴向固定架的 头部有一个轴孔，其内装有销轴，销轴尾部与纽带相连接；实用新型名称为“双扰流螺旋式 强化换热及自动除垢装置”，中国专利申请公开号为CN1424554，该装置用作强化传热及其 自动除垢，包括有螺旋纽带、固定架，螺旋纽带设置在螺旋管内，利用通过换热管内流体流 动带动螺旋纽带转动。由于螺旋纽带为一条整带，换热管在经过加工安装后不够顺直，螺旋 纽带与换热管内壁之间会产生不均勻的缝隙，这样纽带的除垢作用小而不均勻，除垢效果 不理想。螺旋纽带法除垢装置中，螺旋纽带均是单端固定的，另一端自由摆动，扭曲带的径 向尺寸小于传热管的内径。综合评价螺旋纽带其有以下主要不足(1)纽带为一整体，对传 热管直接刮擦，损伤换热管内壁；(2)流体流动时推动纽带转动需要较大的驱动力矩，消耗 更多的流体动能；(3)单端固定用的轴承的使用寿命短；(4)纽带产生的场协同强化传热效 果不显著。之后中国专利号为ZL200520127121.9，公开了实用新型名称为“转子式自清洁 强化传热装置”的专利，此装置是由固定架、转子、柔性轴和支撑管构成，两固定架分别固定 在换热管的两端；转子的外表有螺旋棱，转子上有中心孔；支撑架设在转子与固定架之间， 柔性轴穿过转子的中心孔和支撑管固定在两固定架上。该装置具有在线自动防垢除垢和强 化传热的功能，流体在传热管内顺流或者逆流的情况下，均有防垢除垢和强化传热的作用。 但是缺点是在一定流体通过时，转子的旋转速度是由螺棱的螺旋升角所决定的，在螺棱导 程越小时转子的旋转速度越快，同时对流体的阻力随之增加；为解决此问题，中国专利申请 号200620172805. 5，实用新型名称为“传热管内自清洁强化传热的低流阻转子”，该装置是 由转子、支撑架和连接轴线构成，支撑架固定在传热管两端，连接轴线的两端分别固定在支
3撑架上，多个转子穿装在连接轴线上，转子是由空心轴和叶片构成，每个叶片与空心轴成同 样的倾斜状，相邻叶片首尾相接，该结构对流体阻力减小，流体通过性能好，但其转动速度 较高，转子轴向力叠加对挂件及轴线的作用力较大，转轴寿命会降低。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种新结构的转子，在保持自清洁强化传热性能的同 时，降低转子运转速度，减少转子的轴向作用力，提高了转子扰流程度。本实用新型为解决上述问题采用的技术方案是换热管内叶片旋向交叉组合式 转子，由空心轴和叶片构成的，空心轴上设置有分段叶片，每个叶片是绕空心轴成螺旋结构 的，叶片包括有主叶片和辅叶片，不同旋向主叶片和辅叶片在长度和螺旋升角变化时会产 生不同组合排列方式而固定在空心轴表面上，流体作用在主叶片上产生推动转子转动的扭 转力矩大于作用在辅叶片产生的扭矩。转子、挂件和转轴安装在换热管内，挂件固定在换热 管内的两端，转轴的两端分别通过挂件进行轴向固定。主叶片和辅叶片组合排列在空心轴表面上，流体通过主叶片和辅叶片时，主叶片 和辅叶片的旋向、螺旋升角或长度不一样，使得流体湍流程度加强，起到增强传热和防污除 污效果。每个相邻叶片以空心轴旋转一周所扫过的空间前后不是相连的，即相邻叶片在空 心轴向上相隔有一定的距离，叶片不需要紧密排列，依靠湍流的扰流作用实现对管壁的全 面清洗，叶片的体积减小，节省转子的原料成本。转子主叶片和辅叶片的螺旋升角和轴向长度相同时，主叶片数量大于辅叶片的数 量；或主叶片和辅叶片的螺旋升角和轴向长度同时不完全一样时，主叶片和辅叶片的数量 设置要保证流体作用于主叶片上产生的推动转子转动的扭矩大于辅叶片上产生的扭矩。转子的空心轴两端设置有同轴结构，数个穿装在两个挂件之间转轴上的转子，其 转子的空心轴两端设置有同轴结构，两个相邻的转子其中一个转子的空心轴尾部和另一个 转子的空心轴的头部相配合。同轴结构可以保证转子在换热管内的居中转动，减少对换热 管管壁的磨损。转子的空心轴截面形状为空心圆锥形、空心圆柱形、空心波节形或空心多棱形，固 定在空心轴表面的叶片表面可以设置透空，进一步减小叶片的体积。转子的叶片和空心轴可以是由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材 料制作的。转子的空心轴结构可以是球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式。本实用新型涉及的换热管内叶片旋向交叉组合式转子，其同旋向的叶片的轴向长 度、螺旋升角和旋转外圆直径等参数，可以根据换热管内径、管内的介质流速和温度等工作 条件以及制造加工成本等来确定，相邻转子之间可以采取同步旋转或者是独立旋转结构。本实用新型的有益效果是1、换热管内流体通过推动叶片以较低的速度绕转轴旋 转，对污垢具有抑制和清除效果，同时采用了主叶片和辅叶片交叉排列组合固定在空心轴 上，在低转速下形成较强的湍流增大强化传热和防垢除垢作用；2、转子在主叶片和辅叶片 交叉排列下，运转速度低，对转轴的摩擦作用小，延长了转轴的寿命；3、转子叶片轴向之间 有一定的间隔，叶片体积进一步缩小，所占据换热管内的空间小，有利于流体的流动，流体动能损耗减小；4、转子叶片体积小，节约能源，同时节省了转子材料和制造成本。本实用新 型转子本身的原材料消耗减小；在低速条件下，有优异的防垢除垢能力，场协同作用强化传 热效果好，流体动能消耗减小，节约了能源。本实用新型转子安装在换热管内，根据具体的换热管长度，用转轴将数个转子串 联在一起，穿在换热管内，然后利用挂件对转轴的两端进行轴向固定，当流体流过叶片时， 对转子有垂直于径向的切向力，大于零的合力驱动转子使转子绕转轴旋转，就会对换热管 内壁污垢进行清除；同时叶片是主叶片和辅叶片交叉组合，流体产生更为强烈的有利于强 化传热的湍流。还可以根据实际需要，在叶片上设置透空进一步降低流体流动阻力和节省 能耗。
图1是本实用新型换热管内叶片旋向交叉组合式转子——三叶式转子立体结构示 意图。图2是本实用新型换热管内叶片旋向交叉组合式转子-三叶式转子结构示意图。图3是图2的俯视结构示意图。图4是本实用新型换热管内叶片旋向交叉组合式转子三叶式转子(右旋叶片 2_右旋叶片2-左旋叶片3排列)结构示意图。图5是本实用新型换热管内叶片旋向交叉组合式转子三叶式转子(左旋叶片 3_右旋叶片2-右旋叶片2排列)结构示意图。图6是本实用新型换热管内叶片旋向交叉组合式转子两叶式转子结构图。图7是本实用新型换热管内叶片旋向交叉组合式转子四叶式转子结构图。图8是本实用新型换热管内叶片旋向交叉组合式转子——三叶式带有透空式结构 的转子示意图。图9是转子安装结构示意图。图中，1-空心轴、2-主叶片、3-辅叶片、4-挂件、5-转轴、6_换热管、7_球窝凸台、 8-透空、9-球窝凹台、10-同轴结构。
具体实施方式
如图9所示，本实用新型涉及的一种换热管内叶片旋向交叉组合式转子的一种实 施例子，强化传热装置包括转子、转轴5、挂件4和换热管6，数个转子穿装在两个挂件4间 的转轴5上，挂件4固定在换热管6两端，转轴5的两端分别固定在挂件4上，本实用新型 的转子是由不同旋向的数个主叶片2和数个辅叶片3交叉组合固定在空心轴1表面上组成 的。主叶片2与辅叶片3的数量可以相同也可以不同，考虑成型转子方便，最好采用最少数 量的主叶片2与辅叶片3组合。例如采用两个主叶片2与一个辅叶片3，同时还要考虑转子 转动的平衡，例如螺旋为三头的转子，叶片数至少为三或三的倍数。在做转动实验室，转子 转动灵活，不存在偏斜情况。每个相邻叶片以空心轴1为中心旋转一周所扫过的空间可以前后不相连，保持一 定的距离。如图1至图8所示，转子的空心轴1截面形状为空心圆柱形；如图1至图5所示，转子结构是三叶式转子，空心轴表面上的主叶片2和辅叶片3的组合排列方式发生变化而 形成不同结构的转子；图6是两叶式结构转子，主叶片2和辅叶片3的螺旋升角和长度都不 一样；图7是四叶式结构转子；图8是带有适量透空结构8的三叶式转子。转子的空心轴1两端设置有同轴结构10，本实施例中的同轴结构10是在每个空心 轴1的头部和尾部分别设置球窝凸台7和球窝凹台9，数个穿装在两个挂件4之间的转轴5 的转子，其转子的空心轴1两端设置的球窝凸台7和球窝凹台9，两个相邻转子空心轴1头 部球窝凸台7和另一个空心轴1尾部的球窝凹台9相结合；同轴结构10的目的是使相邻转 子在工作时保持同轴，同时具有适应换热管6弯曲的柔性连接结构，除了球窝结构外，还可 以圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式，同轴度要求不高时可以直接采用平面结构。本实用新型中，主叶片2的螺旋角与辅叶片3的螺旋角旋向相同，只是角度不同； 或者主叶片2的螺旋角与辅叶片3的螺旋角旋向相反，例如主叶片2的螺旋角为右旋，而辅 叶片3的螺旋角为左旋；特例情况是，主叶片2的螺旋角为左旋或右旋，辅叶片3为沿轴向 的平片。根据成型难易或转子转速要求确定主叶片2的螺旋角与辅叶片3的螺旋角。换热管6内流体通过推动主叶片2和辅叶片3，不同旋向叶片产生的扭转力矩和轴 向作用力会抵消一部分，转子会以较低的速度绕转轴旋转，对污垢具有抑制和清除效果，同 时采用了不同旋向主叶片2和辅叶片3交叉组合排列固定在空心轴1上，在低转速下形成 较强的湍流，增大强化传热和防垢除垢作用；转子运转速度低，对转轴5的摩擦作用小，延 长了转轴的寿命；转子主叶片2和辅叶片3之间有一定的间隔，叶片体积进一步缩小，所占 换热管内的空间小，有利于流体的流动，流体动能损耗减小；同时节约能源，节省了转子材 料和制造成本。
权利要求换热管内叶片旋向交叉组合式转子，由空心轴和叶片构成，空心轴上设置有分段叶片，每个叶片是绕空心轴成螺旋结构的，其特征在于叶片包括有主叶片和辅叶片，不同旋向主叶片和辅叶片在长度和螺旋升角变化时会产生不同组合排列方式而固定在空心轴表面上，流体作用在主叶片上产生推动转子转动的扭转力矩大于作用在辅叶片产生的扭矩。
2.根据权利要求1所述的换热管内叶片旋向交叉组合式转子，其特征在于每个相邻 叶片以空心轴为中心旋转一周所扫过的空间前后之间有一段空白区域，相邻叶片在空心轴 向上是相隔开的。
3.根据权利要求1所述的换热管内叶片旋向交叉组合式转子，其特征在于转子主叶 片和辅叶片的螺旋升角和轴向长度相同时，主叶片数量大于辅叶片的数量；或主叶片和辅 叶片的螺旋升角和轴向长度同时不完全一样时，主叶片和辅叶片的数量设置要保证流体作 用于主叶片上产生的推动转子转动的扭矩大于辅叶片上产生的扭矩。
4.根据权利要求1所述的换热管内叶片旋向交叉组合式转子，其特征在于转子的空 心轴两端设置有同轴结构，数个穿装在两个挂件之间转轴上的转子，其转子的空心轴两端 设置有同轴结构，两个相邻的转子其中一个的空心轴尾部和另一个空心轴的头部相配合。
专利摘要本实用新型提供了换热管内叶片旋向交叉组合式转子，它是由空心轴和叶片构成的，空心轴上设置不同组合的主叶片和辅叶片，每个叶片是绕空心轴成螺旋结构的，不同旋向的主叶片和辅叶片固定在空心轴上；本实用新型中，换热管内流体通过叶片时会根据主叶片和辅叶片旋向不同而产生不同方向的垂直于叶片径向方向的切向力，大于零的合力驱动转子以较低的转速转动，从而对管内流体中污垢具有清洗和抑制作用，同时流体在不同旋向叶片上形成了较强的湍流，具有强化传热的效果；在换热管内转子所占据的空间较小、轴向的流通面积大，流体流通性能好；转子运转速率降低，对转轴的摩擦力大为减小，延长了转轴寿命，同时减小了流体动能损失，节约能源。
文档编号F28F13/12GK201583184SQ20092029315
公开日2010年9月15日 申请日期2009年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者丁玉梅, 何雪涛, 关昌峰, 戴长军, 杨卫民, 童义, 范永钊, 赵本华, 阎华 , 韩崇刚 申请人:北京化工大学