折流扰流组合式强化传热内插件

摘要

本发明涉及一种换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，由折流环和扰流转子构成，扰流转子由空心轴和螺旋叶片组成，叶片迎水侧与背水侧棱边具有一定倾角；折流环由空心轴和折流环片组成，折流环外径小于与其组合的扰流转子外径，折流环片由两段组成，一段是圆柱环，一段是圆锥环，折流环片表面光滑，圆锥环上有开孔，折流环片的圆锥环锥角倾角与扰流转子叶片棱边倾角相同。换热管内一部分中心湍流流体受到折流环的阻挡，流动方向转变为径向流动，与管壁处层流边界层发生混合；另一部分中心流体穿过折流环片表面开孔，以较高速度冲击扰流转子叶片，使转子绕轴线旋转，扰流转子旋转后反作用于管内流体，增强流体切向流动，进而增强流体的湍动程度。

权利要求

1.折流扰流组合式强化传热内插件，其特征在于：由折流环和扰流转子构成，扰流转子由空心轴和螺旋叶片组成，螺旋叶片外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状，螺旋叶片迎水侧棱边、螺旋叶片背水侧棱边分别与空心轴轴线之间具有一定倾角；折流环由空心轴和折流环片组成，折流环外径小于与其组合的扰流转子外径，折流环片由两段组成，一段是圆柱环，一段是圆锥环，折流环片表面光滑，圆锥环上有开孔，折流环片与空心轴轴线之间的倾角、螺旋叶片迎水侧棱边与空心轴轴线之间的倾角以及螺旋叶片背水侧棱边与空心轴轴线之间的倾角大小及方向相同；折流环与扰流转子同轴组合排列，整体穿装于固定中心轴线上，折流环头部与扰流转子尾部相结合或者折流环尾部与扰流转子头部相结合，两个折流环之间可以间隔一个或多个扰流转子。

2.根据权利要求1所述的折流扰流组合式强化传热内插件，其特征在于：圆锥环上开孔的形状为矩形或环形。

说明书

折流扰流组合式强化传热内插件

技术领域

[0001] 本发明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折流扰流组合式强化传热内插件。

背景技术

[0002] 我国是资源大国，很多资源储量位列世界前列，但同时，我国也是世界上人口最多的国家，很多资源的人均平均占有量低于世界平均水平，因此，我国又是一个资源紧缺的国家。改革开放以来，我国经济飞速发展，经济总量跃居世界前列，同时，我国也成为全球第一能源消耗大国，因此，节能减排对于我国经济可持续发展至关重要。作为一种重要的换热设备，管壳式换热器广泛应用于石油、化工、钢铁、电力等领域，且在工业应用中能源浪费严重，因此，换热器是实现节能减排的关键设备。管壳式换热器换热管内常年积存的大量污垢严重影响了换热器换热性能的提高，而且还会滋生堵塞管道、腐蚀管道等破坏换热器的现象，因此，实现换热管防垢除垢是提高换热器换热性能的关键。长期以来，研究人员致力于换热管内防垢除垢和强化换热方法和装置的研究。螺旋弹簧和螺旋线圈是比较早期的强化换热和防垢除垢装置，相关专利有：201110038943.X，专利名称为“双径弹簧式传热管内插件管口固定装置”，研究发现螺旋弹簧和螺旋线圈具有一定的强化换热和防垢除垢效果。之后出现利用流体推动螺旋纽带旋转实现在线自动除垢的方法，有关螺旋纽带中国专利有：CN200989748Y，专利名称为“自转变流态塑料螺旋纽带”；CN2498574Y，专利名称为“能防止换热管结垢的螺旋纽带装置”；CN2568324Y，专利名称为“螺旋纽带装置”，螺旋纽带具有强化换热和防垢除垢的功效，但同时存在对管壁刮擦较严重，阻力大，使用寿命短等缺点。后来出现了强化换热及防垢除垢转子式结构，相关专利有：ZL200520127121.9，专利名称为“转子式自清洁强化传热装置”；ZL201110050891.8，专利名称为“换热管内径向阶梯型转子”，转子式结构主要由固定架、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；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。在管内流体作用下，转子绕轴转动，转子叶片对管壁进行轻微的刮擦，起到防垢除垢的作用，另外，转子转动，对管内流体进行扰动，增强流体湍流程度，进而起到强化换热的作用。以上强化换热方法及装置对管内流体的作用方式比较单一，强化换热能力有限，本项发明实现了同时对流体进行折流作用和扰流作用，强化管内中心流体和壁面流体的置换。 发明内容

[0003] 本发明的目的是设计一种折流扰流组合式强化传热内插件，该装置由折流环和扰流转子组成，具有强化换热和防垢除垢的作用。

[0004] 本发明采用的技术方案如下：折流扰流组合式强化传热内插件，由折流环和扰流转子构成，扰流转子由空心轴和螺旋叶片组成，螺旋叶片外径小于换热管内径，螺旋叶片表面光滑且绕空心轴呈螺旋状，螺旋叶片迎水侧棱边、螺旋叶片背水侧棱边分别与空心轴轴线之间具有一定倾角；折流环由空心轴和折流环片组成，折流环外径小于与其组合的扰流转子外径，折流环片由两段组成，一段是圆柱环，一段是圆锥环，折流环片表面光滑，圆锥环上有矩形、环形或其它形状开孔，折流环片与空心轴轴线之间的倾角、螺旋叶片迎水侧棱边与空心轴轴线之间的倾角以及螺旋叶片背水侧棱边与空心轴轴线之间的倾角大小及方向相同；折流环与扰流转子同轴组合排列，整体穿装于固定中心轴线上，折流环头部与扰流转子尾部相结合或者折流环尾部与扰流转子头部相结合，两个折流环之间可以间隔一个或多个扰流转子。换热管内传热流体在流动过程中，一部分中心湍流流体受到折流环的阻挡，流动方向转变为径向流动，与管壁处层流边界层发生混合，并对其进行扰动；另一部分中心流体穿过折流环片表面开孔，以较高速度冲击扰流转子叶片，使转子绕轴线旋转，扰流转子旋转后反作用于管内流体，增强流体切向流动，进而增强流体的湍动程度；扰流转子转动过程中，转子叶片棱边对管壁进行轻微刮擦，同时扰动边界层，减薄边界层厚度。 以上特点共同起到强化换热和防垢除垢的作用。

[0005] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，扰流转子沿空心轴圆周方向均匀分布的螺旋形叶片个数为两个、三个或多个；扰流转子可以是螺旋开槽叶片转子、螺旋阶梯转子等不同类型的转子。

[0006] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，折流环外径小于与其组合扰流转子外径，折流环片表面开有矩形、环形或者其它形状的孔，折流环片具有一定倾角。 [0007] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，折流环与扰流转子同轴组合式排列，折流环尾部与扰流转子头部相结合或者折流环头部与扰流转子尾部相结合，整体穿装于两个挂件之间的转轴上，两个折流环之间可以间隔一个或多个扰流转子。 [0008] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，折流环与扰流转子的空心轴两端设置有球窝方式、圆锥方式、卡扣方式或者万向节方式等同轴结构。

[0009] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，所述扰流转子和折流环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。

[0010] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，扰流转子的叶片迎水侧和背水侧棱边的倾角与折流环片圆锥环锥角倾角大小、方向相同。

[0011] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，折流环和扰流转子组合相连整串穿装于连接轴线上，连接轴线可以是刚性的圆棒，也可以是柔性的软绳。 [0012] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，折流环和扰流转子是由高分子材料、高分子基复合材料、金属或者陶瓷材料制作的。

[0013] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，折流环与扰流转子表面光滑，折流环与扰流转子迎水侧棱边进行倒圆角或者倒斜角。

[0014] 本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件，折流环与扰流转子分别加工，然后组合穿装于中心轴线上。

[0015] 所述折折流扰流组合式强化传热内插件中，折流环的外径，折流环片 表面开孔形状、位置和数量，折流环空心轴长度、内径；扰流转子的叶片数量、外径、轴向长度、螺旋升角等参数，扰流转子空心轴轴向长度、内径等参数，可依据换热管内径、管内介质流速等工况条件以及转子自身的强度、耐磨性结合制造加工成本来确定。

[0016] 本发明的有益效果是：1、所发明的折流扰流组合式强化传热内插件，折流环对中心部分流体的阻挡作用，使中心流体向管壁边界层流体流动，与其发生混合并对其进行扰动，能够促进中心流体与边界层流体的置换，减薄边界层厚度，强化换热。2、所发明的折流扰流组合式强化传热内插件，扰流转子旋转过程中，通过增强管内流体的切向运动和湍动程度，提高换热性能。3、所发明折流扰流组合式强化传热内插件，扰流转子在转动过程中，叶片棱边刮擦管壁，能够防垢除垢，且能减薄边界层厚度，强化换热。

附图说明

[0017] 图1是本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件的三维结构示意图； [0018] 图2是本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件中折流环的三维结构示意图；

[0019] 图3是本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件中扰流转子的三维结构示意图；

[0020] 图4是本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件的扰流转子另一种形式-螺旋三叶片转子的三维结构示意图；

[0021] 图5是本发明换热管内折流扰流组合式强化传热内插件的安装结构示意图。 [0022] 图中，1-折流环，2-扰流转子，3-球窝凸台，4-空心轴，5-折流环片，6-开孔，7-球窝凹台，8-通孔，9-螺旋叶片，10-转轴，11-挂件，12-换热管，13-限位件。 具体实施方式

[0023] 如图5所示，本发明涉及的一种换热管内折流扰流组合式强化传热内插 件，强化传热装置包括折流环1、扰流转子2、转轴10、挂件11、换热管12、限位件13，折流环1、扰流转子2即为本发明的折流扰流组合式强化传热内插件，数个折流环1和扰流转子2同轴组合通过转轴10穿装在一起，一定数量的折流环1和扰流转子2组合之间通过限位件13隔开，挂件11固定在换热管12两端，转轴10的两端通过限位件13固定在挂件11上。本发明的换热管内折流扰流组合式转子由折流环1和扰流转子2组成，折流环1的折流环片5上有对称开孔6，折流环1和扰流转子2的空心轴4两端分别开有球窝凸台3和球窝凹台7，折流环1空心轴4上的球窝凸台3和球窝凹台7分别与扰流转子2空心轴4上的球窝凹台7和球窝凸台3配合，数个折流环1和扰流转子2一组穿装于转轴10上，数目可以根据换热管12长度和管内流速等条件确定，不同组之间使用限位件13隔开。折流环1与扰流转子2除采用球窝方式外，还可以采用圆锥方式、卡扣方式以及方向节方式。 [0024] 本发明中，折流环1和扰流转子2内置于换热管12内，换热管12内传热流体在流动过程中，一部分中心湍流流体受到折流环1的阻挡，流动方向转变为径向流动，与管壁处层流边界层发生混合，并对其进行扰动；另一部分中心流体穿过折流环片5表面开孔6，以较高速度冲击扰流转子叶片9，使扰流转子2绕转轴10旋转，扰流转子2旋转后反作用于管内流体，增强流体切向流动，进而增强流体的湍动程度；扰流转子2转动过程中，转子叶片9棱边对管壁进行轻微刮擦，同时扰动边界层，减薄边界层厚度，共同起到强化换热和防垢除垢的作用。