本發明涉及一種應用于管殼式換熱器、熱交換反應器等設備中換熱管內強化傳熱和防污除污的內插元件，特別涉及一種以換熱管內部傳熱流體為動力，實現自清潔強化傳熱功能的低能耗高效率的磁性仿生(鯊魚鰓)葉片轉子。

背景技術：

節能減排是一項全世界都非常重視的關鍵技術，在石油、化工、火電、核電、冶金、輕工、航空器件和船舶車輛等眾多領域都要應用到許多的換熱器，其中應用最為廣泛的是管殼式換熱器，但在這些換熱管內壁中普遍存在積污結垢的問題，導致流體在管道中輸送阻力增加，嚴重時會堵塞管道，同時傳熱性能大為下降；產生重大能源浪費，此外，污垢一般具有腐蝕性，會導致管壁腐蝕，從而使得流體泄露造成重大安全隱患，因此傳統的處理辦法就是被迫采取停產清洗，這樣不僅耽擱了工廠的生產進度，同時還需要支付昂貴的清洗費用；為了更好地解決這些問題，人們一直研究采用不停產的在線自動強化傳熱和除垢防垢的各種辦法和裝置。近年來出現了許多防垢除垢方法和裝置，其中之一利用流體推動螺旋紐帶旋轉能實現在線自動除垢的方法，中國專利申請號為：CN1424554，專利名稱為“雙擾流螺旋式強化換熱及自動除垢裝置”的發明創造，該裝置用作強化傳熱及其自動除垢，包括有螺旋紐帶、固定架，螺旋紐帶設置在螺旋管內，利用通過換熱管內流體流動帶動螺旋紐帶轉動。由于螺旋紐帶為一條整帶，換熱管在經過加工安裝后不夠順直，螺旋紐帶與換熱管內壁之間會產生不均勻的縫隙，這樣紐帶的除垢作用小而不均勻，除垢效果不理想。螺旋紐帶法除垢裝置中，螺旋紐帶均是單端固定的，另一端自由擺動，扭曲帶的徑向尺寸小于傳熱管的內徑。綜合一下螺旋紐帶有以下主要缺點：(1)紐帶為一整體，對傳熱管直接刮擦，損傷換熱管內壁；(2)流體流動時推動紐帶轉動需要較大的驅動力矩，消耗更多的流體動能；(3)單端固定用的軸承的使用壽命短；(4)紐帶產生的場協同強化傳熱效果不顯著。之后中國專利號為ZL200520127121.9，公開了發明名稱為“轉子式自清潔強化傳熱裝置”的專利申請，此裝置是由固定架、轉子、柔性軸和支撐管構成，兩固定架分別固定在換熱管的兩端；轉子的外表面有螺旋棱，轉子上有中心孔；支撐架設在轉子與固定架之間，柔性軸穿過轉子的中心孔和支撐管固定在兩固定架上。該裝置具有在線自動防垢除垢和強化傳熱的功能，流體在傳熱管內順流或者逆流的情況下，均有防垢除垢和強化傳熱的作用。但缺點是在一定流體通過時，轉子的旋轉速度是由螺棱的螺旋升角所決定的，在螺棱導程小時轉子的旋轉速度快，同時對流體的阻力隨之增加；為解決此問題，中國專利申請號200910077378.0，發明名稱為“一種單元組合式強化傳熱裝置”，該裝置是由轉子、支撐架、套軸和連接軸線構成，支撐架固定在傳熱管兩端，連接軸線的兩端分別固定在支撐架上，多個轉子穿裝在連接軸線上，轉子是由擾流旋葉、合頁鉸鏈結構、尾部螺旋驅動槳葉組成，該結構能夠顯著降低管內流體的流動阻力、減小磨耗，延長轉子的使用壽命，但該結構轉子的強化傳熱和防垢除垢能力受到了一定的限制。

技術實現要素：

本發明的目的是設計一種新結構的轉子，該轉子的葉片表面設置了矩形開孔結構，并且在矩形開孔處設置有與葉片整體方向相反的螺旋小葉片結構，如同鯊魚鰓，同時在轉子空心軸兩端附加有磁鐵，該結構轉子在明顯減小相鄰轉子間摩擦阻力與降低流體阻力的同時，并未減弱轉子的強化傳熱以及自清潔性能，反而能夠進一步提高轉子的強化換熱以及除垢性。

本發明為解決上述問題采用的技術方案是：換熱管內磁性仿生轉子，由磁鐵、空心軸、實心葉片和仿生葉片構成的，磁鐵位于空心軸兩端，磁鐵外徑大于空心軸外徑，磁鐵磁力較大，前轉子頭部磁鐵與后轉子尾部磁鐵為同極，即各處的磁鐵為同極性，利用同極相斥減少前后兩轉子之間的摩擦。仿生葉片和實心葉片相互間隔位于空心軸表面，仿生葉片和實心葉片外徑小于換熱管內徑，仿生葉片和實心葉片繞空心軸呈螺旋狀，實心葉片表面光滑，而仿生葉片表面設置有開孔結構，類似于仿鯊魚鰓，不僅可以減小與流體的接觸面積，并起導流與擾流作用，可以減少流體流經轉子時的壓力損失。為了在減小管內流體流動阻力的同時，進一步增強轉子的強化傳熱及自清潔性能，將仿生葉片進行開孔處理，開孔形狀為矩形，并在開孔處設置與葉片旋轉方向相反的螺旋小葉片，開孔葉片最先與流體接觸的棱邊進行倒圓角或倒斜角，開孔處反向小葉片進行倒圓角與倒斜角。空心軸遠離進水端沿圓周方向均勻開有與所述相同的孔并設有反向小葉片，通過改變開孔葉片沿空心軸軸向的螺旋角、軸向長度、沿空心軸徑向高度、通孔的大小、通孔數量、反向螺旋小葉片的螺旋角、軸向長度、葉片數量來改變流體對轉子的旋轉力矩，開孔葉片在空心軸上的組合固定方式要便于轉子在換熱管內的安裝。傳熱流體流經開孔葉片時，會對轉子產生軸向力，開孔葉片阻礙傳熱流體從而使流體流向發生改變，形成混流。轉子兩端磁鐵為光滑磁鐵，轉子在旋轉工作中相鄰磁鐵作用形成磁場，后轉子頭部磁鐵與前轉子尾部磁鐵為同極，利用同極相斥減少前后兩轉子之間的摩擦，通過葉片與磁鐵雙重強化從而達到強化傳熱且阻止污垢形成和沉積的目的。開孔處反向螺旋小葉片在伴隨轉子轉動過程中，會使葉片與葉片之間流體區域的徑向運動得以加強，進一步增強開孔區域的擾流效果，同時對管壁附近傳熱流體的層流邊界層產生沖擊，從而破環傳熱流體的層流邊界層，進一步實現防垢除污和強化傳熱的作用。

本發明換熱管內磁性仿生葉片轉子，沿空心軸圓周方向均勻分布的開孔葉片個數為一個、兩個或多個，實心葉片數為一個、兩個或多個。

本發明換熱管內磁性仿生葉片轉子，一個轉子磁鐵個數為兩個，前端一個，后端一個。

本發明換熱管內磁性仿生葉片轉子，于開孔處的反向螺旋小葉片個數為一個、兩個或多個，反向螺旋小葉片與空心軸呈垂直，因而擾流作用更強烈，由于反向螺旋小葉片沿徑向具有一定的長度，同時反向螺旋小葉片與仿生葉片一起在換熱管內旋轉，使得流體流動速度變化更多，擾流作用更好。

為防止轉子在轉動過程中軸向間的相互摩擦，所述轉子的空心軸兩端設置有磁鐵，兩個相鄰磁鐵為同極磁鐵，同極磁鐵相互排斥，實現了減小相鄰轉子間的摩擦，

本發明換熱管內磁性仿生葉片轉子可整串穿裝于連接軸線上，連接軸線可以是剛性的圓棒，也可以是柔性的軟繩；也可以通過限位件分成轉子數量相同或不同的若干組，使轉子均勻轉動。

本發明換熱管內磁性仿生葉片轉子的葉片、反向螺旋小葉片和空心軸是由高分子材料、高分子基復合材料、金屬或者陶瓷材料制作的。

所述轉子的開孔葉片沿空心軸軸向的螺旋角、軸向長度、沿空心軸徑向的高度、開孔的大小、開孔數量、開孔與空心軸的距離、反向螺旋小葉片沿空心軸軸向的螺旋角、軸向長度、沿空心軸徑向的高度，磁鐵大小，磁力強弱，可依據換熱管內徑、管內介質流速等工況條件以及轉子自身的強度、耐磨性結合制造加工成本來確定，相鄰轉子之間采取獨立旋轉結構。

本發明的有益效果是：1、所發明的轉子葉片表面設置有開孔結構，以減小流體與轉子葉片的接觸面積，減少流體流經轉子時的壓力損失。2、開孔處設有反向螺旋小葉片，反向螺旋小葉片在伴隨轉子轉動過程中，會使葉片與葉片之間流體區域的徑向運動得以加強，進一步增強開孔區域的擾流效果，同時對管壁附近傳熱流體的層流邊界層產生沖擊，從而破壞傳熱流體的層流邊界層，實現防垢除垢和強化傳熱的作用。3、開孔葉片表面開孔結構以及反向螺旋小葉片的存在使得在開孔葉片徑向高度較小的情況下就能提高對傳熱流體邊界層的破壞作用，從而節省了轉子的制作成本且有利于安裝；4、同極磁鐵設置于相鄰葉片兩端，同極相斥的原理能夠減小相鄰轉子間的軸向摩擦，減少了對轉子的磨損，進一步提升了單個轉子的運轉效率，從而提升了整個裝置的強化換熱能力。5、磁鐵之間形成了相互作用的磁力場，處于磁力場的作用下粘連在管壁的污垢會被擾動，被擾動的污垢更容易被流動的液體帶走，從而進一步提升了轉子排污除垢能力。

附圖說明

圖1是本發明換熱管內磁性仿生葉片轉子三維結構示意圖；

圖2是本發明換熱管內磁性仿生葉片轉子安裝結構示意圖；

圖中，1—仿生葉片，2—矩形開孔，3—磁鐵，4—空心軸，5—反向螺旋小葉片，6—限位件，7—換熱管，8—轉軸

具體實施方式

如圖2所示，本發明涉及的一種換熱管內磁性仿生葉片轉子的一種實施方法，強化傳熱裝置包括轉子、限位件6、換熱管7、轉軸8，數個轉子通過轉軸8串聯在一起，限位件6將多個轉子分為幾組轉子串，固定在換熱管7兩端，轉軸8的兩端分別固定在換熱管7上，本發明的轉子是由一定數目的仿生葉片1固定在空心軸4表面上組成的，仿生葉片表面設置有矩形開孔2以及開孔上的反向螺旋小葉片5。兩個相鄰轉子中，一個轉子的空心軸4頭部的磁鐵3與另一個轉子尾部的磁鐵3相結合從而起到同極磁鐵排斥的作用。

如圖1所示，本發明一種換熱管內磁性仿生葉片轉子的空心軸3截面形狀為空心圓柱形；轉子空心軸3上有兩個仿生葉片1和兩個實心葉片，兩個仿生葉片1對稱分布，空心軸3上還設有磁鐵4。仿生葉片1表面設置有多組矩形開孔2以及反向螺旋小葉片5，反向螺旋小葉片5與空心軸3垂直。

本發明中，換熱管7內的傳熱流體在流動過程中會對轉子產生軸向力和轉動力矩，仿生葉片1使流體流向發生改變，形成混流，仿生葉片1在空心軸4周圍呈螺旋狀，流體推動轉子轉動，傳熱流體自身的混流也得到了加強，從而達到強化傳熱且阻止污垢沉積的目的。傳熱流體流經仿生葉片1表面的矩形開孔2時，減小了流體流動的阻力，并且增強了傳熱流體的切向流動，從而進一步達到強化傳熱且阻止污垢的形成和沉積的目的。仿生葉片1的表面矩形開孔2設有反向螺旋小葉片5，反向螺旋小葉片5在伴隨轉子轉動過程中，會使葉片與葉片之間流體區域的徑向運動得以加強，進一步增強矩形開孔2區域的擾流效果，同時對管壁附近傳熱流體的層流邊界層產生沖擊，從而破壞傳熱流體的層流邊界層，進一步實現防垢除垢和強化傳熱的作用。該種形式轉子可以通過改變仿生葉片1沿空心軸4軸向的螺旋角、軸向長度、沿空心軸4徑向的高度、仿生葉片1的面積、仿生葉片1數量、仿生葉片1與空心軸4的距離、反向螺旋小葉片5的螺旋角、軸向長度、沿空心軸4徑向的高度來改變流體對轉子的旋轉力矩，使轉子在換熱管內旋轉流暢，轉子空心軸4兩端磁鐵3使得相鄰兩轉子因同極磁鐵相斥而減小摩擦阻力，提高轉子轉動效率。