本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化傳熱技術(shù)和自清潔技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于內(nèi)插件和螺旋凹槽管的自清潔強(qiáng)化傳熱換熱器。

背景技術(shù)：

換熱器是能量交換的主要部件，對(duì)于換熱器的研究主要側(cè)重于如何提高換熱效率、產(chǎn)品強(qiáng)化傳熱等方面。目前主要利用三種方法來(lái)強(qiáng)化傳熱，分別是增大換熱面積、提高對(duì)數(shù)平均溫差和提高傳熱系數(shù)。特別針對(duì)普朗特?cái)?shù)較低的流體，增加換熱器面積強(qiáng)化傳熱效果是非常好的。

目前，已使用的換熱器從截面形狀上分有圓管和扁管，從延伸形式上看有光管和螺紋管等，這些結(jié)構(gòu)不同的換熱管都有各自優(yōu)勢(shì)，但在換熱效率和材料的利用上還有待進(jìn)一步提高。

在殼程介質(zhì)為液體的工況下，傳統(tǒng)弓形折流板換熱器的流體流動(dòng)阻力和振動(dòng)較大，能量損失嚴(yán)重，因此，殼程強(qiáng)化傳熱顯得尤為重要。近年來(lái)，人們采用了各種各樣的折流支撐結(jié)構(gòu)來(lái)改善殼程流體的強(qiáng)化傳熱，常用的方式有:異形折流板(花隔板、螺旋折流板、整圓折流板、螺旋葉片折流桿等)及殼程內(nèi)插物(扭曲帶空心環(huán))等。一般認(rèn)為螺旋折流板殼程扭曲帶結(jié)構(gòu)優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)。

在換熱器的傳熱管內(nèi)壁結(jié)垢會(huì)導(dǎo)致傳熱效率下降、流體流速阻力增大，因而增加了能源的消耗，甚至對(duì)傳熱管路腐蝕，造成安全隱患，縮短使用壽命，需要建立一種自清潔的換熱器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種自清潔強(qiáng)化傳熱換熱器，該換熱器既強(qiáng)化了換熱器的換熱效率，又能在線清潔換熱器表面的污垢，保證了換熱器高效安全的運(yùn)行。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種自清潔強(qiáng)化傳熱換熱器，其特征在于：包括換熱管、內(nèi)插件和以及固定裝置，所述的固定裝置設(shè)于換熱管兩端的管口處，并且與內(nèi)插件兩端連接，所述的內(nèi)插件包括一個(gè)中心軸，中心軸與換熱管同軸，在中心軸纏繞有螺旋的翅片，在翅片的兩端通過(guò)限位元件與中心軸固定連接，翅片的螺旋邊界與換熱管內(nèi)壁留有間隙，中心軸的兩端與設(shè)于固定裝置上的轉(zhuǎn)軸連接。

對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限定，所述的換熱管主體為薄壁圓管，在圓管的側(cè)壁上分布有向內(nèi)凹的螺旋凹槽，所述的螺旋凹槽的螺線方向與翅片的螺旋方向一致。

對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限定，所述的固定裝置包括螺旋堵頭和轉(zhuǎn)軸，所述的螺旋堵頭為中空結(jié)構(gòu)，其外表面設(shè)有螺旋形折板，折板的邊界與換熱管的內(nèi)壁接觸，在螺旋堵頭的中空部位設(shè)有拉桿，拉桿的一端與中心軸連接，拉桿的另一端與設(shè)于螺旋堵頭一側(cè)的轉(zhuǎn)軸連接，所述的轉(zhuǎn)軸與螺旋堵頭的中空部位旋轉(zhuǎn)配合。

對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限定，所述的固定裝置包括端蓋和轉(zhuǎn)軸，其中端蓋與換熱管之間螺紋連接，在端蓋的中部設(shè)有與換熱管軸心重合的孔，該孔與T字形的轉(zhuǎn)軸配合，轉(zhuǎn)軸的一端與中心軸之間通過(guò)銷釘連接，轉(zhuǎn)軸的另一端限制于端蓋的外側(cè)。

對(duì)上述結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步限定，所述的轉(zhuǎn)軸為一種軸向約束位置可沿著轉(zhuǎn)軸軸線方向調(diào)整的旋轉(zhuǎn)體，其旋轉(zhuǎn)軸線與中心軸重合。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

（1）本發(fā)明中在換熱管內(nèi)設(shè)置螺旋型內(nèi)插件的方式，在流體的沖擊作用下同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子部分與流體相互作用產(chǎn)生渦流，加強(qiáng)了流體近壁面和中心區(qū)域的混合，增強(qiáng)對(duì)流動(dòng)邊界層的剪切作用從而使之變薄，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱，同時(shí)有效地減少污垢的沉積；

（2）本發(fā)明中的換熱管的管壁上具有螺旋型凹槽,近壁流體流動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生附加的螺旋流動(dòng),以提高近壁面流體和管壁間的相對(duì)速度,減薄邊界層厚度,降低熱阻,提高傳熱膜系數(shù)；

（3）本發(fā)明中換熱管兩端的固定裝置，采用空心結(jié)構(gòu)并設(shè)置轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與中心軸連接，形成轉(zhuǎn)子部分，可以通過(guò)外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)或者流體驅(qū)動(dòng)的方式，來(lái)增強(qiáng)流動(dòng)效果，提高換熱效率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中換熱管的剖視圖；

圖3是本發(fā)明中固定裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明中固定裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1、換熱管，2、內(nèi)插件，3、固定裝置，4、轉(zhuǎn)軸，5、掛件，6、中心軸，7、限位元件，8、螺旋堵頭，9、拉桿，10、端蓋。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

在強(qiáng)化傳熱換熱器方面，影響換熱器傳熱面結(jié)垢的因素主要是換熱管壁面附近的溫度和流速。通過(guò)內(nèi)置內(nèi)插件擾流強(qiáng)化流體流動(dòng)，一方面增加流體中的擾動(dòng)；另一方面減薄熱邊界層厚度?；诖?，設(shè)計(jì)出一種自清潔強(qiáng)化傳熱換熱器，如附圖1所示，具體包括換熱管1、內(nèi)插件2和以及固定裝置3，固定裝置3設(shè)于換熱管1兩端的管口處，并且與內(nèi)插件2兩端連接，內(nèi)插件2包括一個(gè)中心軸6，中心軸6與換熱管1同軸，在中心軸6纏繞有螺旋的翅片，在翅片的兩端通過(guò)限位元件7與中心軸6固定連接，翅片的螺旋邊界與換熱管1內(nèi)壁留有間隙，中心軸6的兩端與設(shè)于固定裝置3上的轉(zhuǎn)軸4連接。

在附圖2中，換熱管1主體為薄壁圓管，在圓管的側(cè)壁上分布有向內(nèi)凹的螺旋凹槽，螺旋凹槽的螺線方向與翅片的螺旋方向一致。換熱管1中的螺旋凹槽是由光滑管在車床上軋制而成，分為單頭和多頭，用于強(qiáng)化管內(nèi)氣體或液體的傳熱強(qiáng)化管內(nèi)液體的沸騰或管外蒸汽的冷凝。

螺旋凹槽的強(qiáng)化傳熱機(jī)理是:產(chǎn)生的邊界層分離流使傳熱邊界破壞。研究表明,采用小導(dǎo)程、淺槽深、大螺旋角的螺旋凹槽效果較好。根據(jù)強(qiáng)化傳熱原理，本發(fā)明與管徑相同的直管相比，螺旋凹槽較可以有效增大換熱面積，能有效提高換熱效率。內(nèi)插件2具有自清潔作用解決了換熱器清潔的難題，將螺紋凹槽與內(nèi)插件組成配套換熱器，對(duì)于內(nèi)插件的使用要綜合考慮傳熱和流體流動(dòng)阻力這兩方面的因素，力求在流動(dòng)阻力最低的情況下最大程度地提高換熱器效率，同時(shí)減少了換熱器內(nèi)污垢清理的麻煩。

在具體的試驗(yàn)中，螺旋凹槽對(duì)液-液、液-氣、氣-氣介質(zhì)均有強(qiáng)化傳熱作用,總傳熱系數(shù)可提高20%~40%,可用于各種形式的換熱器、廢熱鍋爐等。由于螺旋凹槽的存在，使得管內(nèi)壁面處的流體產(chǎn)生了二次流和旋轉(zhuǎn)流，有利于減薄邊界層，降低壁面熱阻，強(qiáng)化傳熱；在流體湍流核心處沒(méi)有出現(xiàn)很強(qiáng)二次流和旋轉(zhuǎn)流，從而不會(huì)使得阻力增加很大。

在附圖3中為固定裝置3的一種結(jié)構(gòu)示意圖，該固定裝置3包括螺旋堵頭8和轉(zhuǎn)軸4，螺旋堵頭8為中空結(jié)構(gòu)，其外表面設(shè)有螺旋形折板，折板的邊界與換熱管1的內(nèi)壁接觸，在螺旋堵頭8的中空部位設(shè)有拉桿9，拉桿9的一端與中心軸6連接，拉桿9的另一端與設(shè)于螺旋堵頭8一側(cè)的轉(zhuǎn)軸4連接，轉(zhuǎn)軸4與螺旋堵頭8的中空部位旋轉(zhuǎn)配合。

在附圖4中為固定裝置3的另一種結(jié)構(gòu)示意圖，該固定裝置3包括端蓋10和轉(zhuǎn)軸4，其中端蓋9與換熱管1之間螺紋連接，在端蓋9的中部設(shè)有與換熱管1軸心重合的孔，該孔與T字形的轉(zhuǎn)軸4配合，轉(zhuǎn)軸4的一端與中心軸6之間通過(guò)銷釘連接，轉(zhuǎn)軸4的另一端限制于端蓋9的外側(cè)。

在圖3和圖4中，可以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸4為一種軸向約束位置可沿著轉(zhuǎn)軸4軸線方向調(diào)整的旋轉(zhuǎn)體，其旋轉(zhuǎn)軸線與中心軸6重合。

本發(fā)明中，換熱管兩端的固定裝置3，采用空心結(jié)構(gòu)并設(shè)置轉(zhuǎn)軸4，轉(zhuǎn)軸4與中心軸6連接，形成轉(zhuǎn)子部件。轉(zhuǎn)子部件是換熱器的核心部件,在流體的沖擊作用下同步旋轉(zhuǎn)，遵循阻力最小原理。轉(zhuǎn)子與流體相互作用，增強(qiáng)對(duì)流動(dòng)邊界層的剪切作用從而使之變薄，達(dá)到破壞污垢生長(zhǎng)的流速條件和強(qiáng)化傳熱的目的。同時(shí)可以通過(guò)外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)或者流體驅(qū)動(dòng)的方式，來(lái)增強(qiáng)流動(dòng)效果，提高換熱效率。

本發(fā)明換熱管1內(nèi)的螺旋凹槽可有效提高換熱面積、減薄邊界層厚度, 降低熱阻, 提高傳熱膜系數(shù)，并在換熱管1內(nèi)布置內(nèi)插件2加強(qiáng)管內(nèi)流體的湍流強(qiáng)度，將螺旋槽管與適宜的內(nèi)插件配套使用，能兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)。另外，通過(guò)對(duì)該換熱器污垢的試驗(yàn)研究，換熱器可用于預(yù)防或減輕污垢的堆積。試驗(yàn)結(jié)果表明，螺紋管的熱阻是光管的52%~88%，努塞爾數(shù)是光管的1.8倍。當(dāng)流體流速?gòu)?.25m/s增加到0.75m/s，污垢熱阻將減小至66.7%.

另外，本發(fā)明中換熱管內(nèi)內(nèi)插件2的主要形式還可以為螺旋彈簧、螺旋紐帶和組合轉(zhuǎn)子等，內(nèi)插件2的形狀可以是任意不同的。對(duì)于內(nèi)插件2的形狀設(shè)定要綜合考慮傳熱和阻力這兩方面的因素，力求在阻力最低的情況下最大程度地提高換熱器效率。通過(guò)在管內(nèi)插入扭曲帶產(chǎn)生渦流，加強(qiáng)了流體近壁面和中心區(qū)域的混合，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，該結(jié)構(gòu)的換熱器具有卓越的穩(wěn)定性、簡(jiǎn)單的構(gòu)造及易于裝配等特點(diǎn)。它們都能在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，有效地減少污垢的沉積。

本發(fā)明中的換熱管1可以是螺旋槽管、橫紋管、縮放管、內(nèi)波紋外螺紋、波紋管、旋流管、花瓣形翅片管、鋸齒形翅片管、表面多孔管和縱槽管等，或與直管相比能有效增加換熱器換熱面積的換熱管。