一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构的制作方法

1.本发明的一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，涉及各种列管式结构的蒸发器、冷凝器、换热器的换热管内的软硬污垢的自动清洗防垢和换热管内侧的对流传热强化，适用于各种列管式结构的蒸发器、冷凝器、换热器的换热管内的转型升级和增产、节能、节水的技改。


背景技术：

2.列管式换热器是量多面广的通用设备，换热管内普遍存在的污垢问题深刻地影响着工业运行的效率、停车清洗的运维成本、能耗(水耗)的高低。
3.虽然胶球清洗技术已经在发电厂冷凝器中成功应用半个多世纪了，但是仍然存在有周期性清洗操作、胶球回收损失、无对流传热强化功能、硬垢清洗效果不佳等诸多问题，尤其是胶球清洗装置费用问题，无法推广应用于大量的中小型换热器和结垢速率较快的浓缩工段。
4.我国发明的换热管内自转塑料纽带清洗技术(列管式水冷设备塑料扭带自动清洗防垢技术，湘潭大学自然科学学报俞秀民，俞天兰，叶施仁，等，1998，(3):120－123)，在冷凝器水垢自动清洗中得到较多应用。但是，存在着硬垢清洗能力不足的根本问题，在水质不太好、冷凝器管外温度较高的水冷设备中，换热器自动清洗效果不能满足生产要求，面对浓缩结晶的蒸发器、冷却/加热的变温过饱和结晶的换热器更是无奈。
5.最近几年我国发明的往复钢丝螺旋(例如，zl201110038777.3，一种管内自动清洗防垢降膜式蒸发装置)，使换热管内硬垢自动清洗技术问题取得突破性的重大进展。但是，存在换热管上游段的钢丝螺旋振动清洗比较弱、需要特种波流发生机或机构、结构复杂制造成本高、对管箱圆筒高度要求大等问题，很大程度上影响了该技术的大规模推广应用。


技术实现要素：

6.本发明专利提出的一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，在自动清洗钢丝螺旋与弯钩轴之间采用转跳耦合连接板结构，轨道端面轴承机架的头部有轨道端面轴承、尾部设计有环形波齿，可以破解“换热管上游段的钢丝螺旋振动清洗比较弱、需要特种波流发生机或机构、结构复杂制造成本高、对管箱圆筒高度要求大等问题”，使换热管内硬垢自动清洗防垢能力强化、结构大大简化、制造成本降低、入口端管箱圆筒高度无特殊要求，更适用于各种列管式结构的蒸发器、冷凝器、换热器的换热管内的转型升级和增产节能技改。
7.本发明专利的技术方案为：一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，主要部件有换热管、自动清洗钢丝螺旋、转跳耦合连接板、弯钩轴、轨道端面轴承机架。
8.这种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构的组装顺序，是换热管内的自动清洗钢丝螺旋的上游端与转跳耦合连接板一侧连接，弯钩轴与转跳耦合连接板另一侧连接，再穿越轨道端面轴承后，弯制好钩头，挂压在机架的轨道端面轴承上，最后把轨道端面
轴承机架的固定根管插装在换热管的液体入口端。
9.自动清洗钢丝螺旋有三大重要功能：一是从换热管内液流获得自转动力矩的功能，二是对换热管内壁污垢实行自动清洗的功能，三是使换热管内侧液流对流传热强化的功能。第一功能为第二功能提供动力保障，因此是首要功能。所以，自动清洗钢丝螺旋结构设计的首要原则是自转动力矩最大化。理论研究和反复的试验研究得到一致的结果是螺旋角以45
°
为最佳。自动清洗钢丝螺旋的外径d1，与换热管之间的直径间隙大小，从自动清洗强度要求自动清洗钢丝螺旋半径方向振动对换热管内壁污垢的碰撞敲击的强度最大化，也就是振动碰撞动量最大化。试验研究结果表明，对于常用换热管与自动清洗钢丝螺旋之间的直径间隙以2～6mm为佳，原则是换热管内径愈大，间隙的设计取值也愈大。兼顾使用寿命，螺旋钢丝直径选取1.2～1.8mm。
10.轨道端面轴承机架有轨道端面轴承、进液窗框架、定位法兰盘、固定根管、防松退翅圈、环形波齿带、调节缝隙构成。轨道端面轴承机架采用耐磨耐热的工程塑料制造。
11.轨道端面轴承机架依靠固定根管把自动清洗机构牢牢地安装固定在换热管入口端的管口。固定根管与换热管为过盈配合组装，过盈量0.15mm左右，固定根管的长度l2为20～50mm。防松退翅圈的作用是，利用安装时翅圈的方向性变形防止运行过程中发生松退。调节缝隙的作用之一是方便固定根管的过盈装配，作用之二对壁厚稍有变化的换热管增大通用性。定位法兰盘的功能，一是轴向定位，二是方便拆卸。进液窗框架要求有足够的刚度来固定支撑轨道端面轴承；进液窗尺寸须有足够大的面积，保证此处的入口流速不高于换热管内的流速，减低入口阻力。进液窗的面积要求不小于换热管内通流面积的1.2倍。进液窗的长度l1为20～60mm，方便安装。
12.轨道端面轴承的第一功能是自转运动与往复运动的转换。自动清洗钢丝螺旋从换热管内液流获得自转动力矩，连续自转运动时，弯钩轴的钩头沿着端面轴承的轨道滑动，连续不断地爬坡上升和落坡下降，使自动清洗钢丝螺旋自身随之发生往复运动，其往复行程大小由轨道端面轴承的轨道端面的高差h1决定。往复行程h1的大小完全取决于自动清洗钢丝螺旋从换热管内液流获得自转动力矩的大小。轨道端面轴承的中径d3取值，以保障轨道端面爬坡上升段的坡斜角α显著地小于摩擦角为原则。轨道端面轴承的磨损余量h2按1～3年的寿命设计。
13.轨道端面轴承的第二功能是减速慢转防磨损。利用自动清洗钢丝螺旋自转时，钩头轴在轨道端面爬坡上升段的坡斜角α大小，简便地控制自动清洗钢丝螺旋的自转速度不超过每分钟120转的慢转，可靠地避免换热管内壁与自动清洗钢丝螺旋之间发生磨损的可能性。也要注意，自转速度不是愈慢愈好，太慢自转容易发生意外性的卡停事故。
14.环形波齿带设计在轨道端面轴承机架尾部。环形波齿带的波齿的形状尺寸与转跳耦合连接板的波齿相同，波齿高δh为0.5～2mm，波齿宽λ为3～6mm。其功能是在弯钩轴拖动下转跳耦合连接板轴向往复运动时，环形波齿带与转跳耦合连接板的波齿相互耦合滑移，引发半径方向的强烈跳动，带动自动清洗钢丝螺旋径向振动强度显著增大、振动频率增高的除垢清洗的有效强化，换热管上游段的自动清洗钢丝螺旋径向振动强化尤其显著。
15.转跳耦合连接板除了作为弯钩轴与自动清洗钢丝螺旋之间的防磨损连接外，更重要的功能是强化振动除垢清洗。在往复运动的弯钩轴拖动转跳耦合连接板发生同步的往复运动时，转跳耦合连接板的两侧波齿与轨道端面轴承机架尾部的环形波齿带产生耦合滑移
性的径向跳动，连带自动清洗钢丝螺旋引发强烈的径向振动除垢清洗。这种径向跳动幅值近似2δh，跳动的频率是每分钟自转数n的h1/λ倍。转跳耦合连接板的波齿高δh为0.5～2mm，波齿宽λ为3～6mm，δh/λ的比值必须显著地小于转跳耦合连接板的波齿相对于环形波齿带的耦合滑移的摩擦角。转跳耦合连接板的长度要求略大于h1。转跳耦合连接板的宽度b1比环形齿内径小0.2～1mm，转跳耦合连接板的厚度2～4mm。
16.蒸发器/换热器生产运行时，自动清洗钢丝螺旋在换热管内液流的冲动下，不仅会发生每分钟数百次的径向随机振动，碰撞换热管内壁的污垢实现清洗；而且获得比较大的自转动力矩可以连续自转，带动转跳耦合连接板和弯钩轴一起旋转；钩头沿着轨道端面轴承轨道滑移过程中，拖动转跳耦合连接板
‑‑
自动清洗钢丝螺旋往复运动，并且经过转跳耦合连接板的波齿的耦合滑移作用，强化自动清洗钢丝螺旋的经向振动清洗除垢作用。
附图说明
17.图1是本发明的一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构的总图。
18.图2是轨道端面轴承机架图。
19.图3是轨道端面的高度沿360
°
圆周展开图。
20.图4是转跳耦合连接板零件图。
具体实施方式
21.下面结合附图1、图2、图3、图4，对本发明作进一步详细的描述。
22.图中的：1钩头 2液流线 3进液窗 4轨道端面轴承机架 5弯钩轴 6转跳耦合连接板 7换热管 8自动清洗钢丝螺旋 9轨道端面轴承 10喇叭孔 11进液窗框架 12定位法兰盘 13固定根管 14防松退翅圈 15调节缝隙 16环形波齿带 17波齿
23.一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，主要部件有换热管7、自动清洗钢丝螺旋8、转跳耦合连接板6、弯钩轴5、轨道端面轴承机架4。
24.一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构的组装顺序，是换热管7内的自动清洗钢丝螺旋8的上游端与转跳耦合连接板6一侧连接、弯钩轴5与转跳耦合连接板(6)另一侧连接，穿越轨道端面轴承4后弯制钩头1，挂压在机架4的轨道端面轴承9上，最后把轨道端面轴承机架4的固定根管13插装在换热管7的液体入口端。
25.自动清洗钢丝螺旋8的三项重要功能。一是从换热管7内液流获得自转动力矩的功能，二是对换热管7内壁污垢实行自动清洗的功能，三是使换热管7内侧液流对流传热强化的功能。第一功能为第二功能提供动力保障，因此是首要功能。所以，自动清洗钢丝螺旋8结构设计的首要原则是自转动力矩最大化。理论研究和反复的试验研究得到一致的结果是螺旋角以45
°
左右为佳。自动清洗钢丝螺旋8的外径d1，与换热管7之间的直径间隙大小的设计原则，是力求自动清洗强度要求自动清洗钢丝螺旋8在半径方向振动对换热管7内壁污垢的碰撞敲击的强度最大化，也就是撞击动量最大化。试验研究结果表明，对于常用换热管7与自动清洗钢丝螺旋8之间的直径间隙以2～6mm为佳，原则是换热管7内径愈大，间隙的设计取值也愈大。兼顾使用寿命，螺旋钢丝直径选取1.2～1.8mm。
26.轨道端面轴承机架4有轨道端面轴承9、进液窗框架11、定位法兰盘12、固定根管13、防松退翅圈14、环形波齿带16、调节缝隙15构成。轨道端面轴承机架采用耐磨耐热的工
程塑料制造。
27.轨道端面轴承机架4依靠固定根管13把自动清洗机构牢牢地安装固定在换热管7入口端的管口。固定根管13与换热管7为过盈配合组装，过盈量0.15mm左右，固定根管13的长度l2为20～50mm。防松退翅圈14的作用是，利用安装时翅圈的方向性变形防止运行过程中发生松退。调节缝隙15的作用之一是方便固定根管13的过盈装配，作用之二是对壁厚稍有变化的换热管7增大通用性。定位法兰盘12的功能，一是轴向定位，二是方便拆卸。进液窗框架11要求有足够的刚度来固定轨道端面轴承9；进液窗3尺寸须有足够大的面积，保证此处的入口流速不高于换热管7内的流速，减低入口阻力。进液窗3的面积设计要求不小于换热管7内通流面积的1.2倍。进液窗3的长度l1为20～60mm，方便安装。
28.轨道端面轴承9的第一功能是自转运动与往复运动的转换。自动清洗钢丝螺旋8从换热管7内液流获得自转动力矩，连续自转运动时，弯钩轴5的钩头1沿着轨道端面轴承9的轨道滑动，连续不断地爬坡上升和落坡下降，使自动清洗钢丝螺旋8自身随之发生往复运动，其往复行程大小由轨道端面轴承9的轨道端面的高差h1决定。往复行程h1的大小完全取决于自动清洗钢丝螺旋8从换热管7内液流获得自转动力矩的大小。轨道端面轴承9的中径d3取值，以保障轨道端面爬坡上升段的坡斜角α显著地小于摩擦角为原则。轨道端面轴承9的磨损余量h2，按1～3年的寿命设计。
29.轨道端面轴承9的第二功能是爬坡减速慢转防磨损。利用自动清洗钢丝螺旋8自转时，钩头1在轨道端面爬坡上升段的坡斜角α大小，简便地使自动清洗钢丝螺旋8的自转速度减低，可靠地控制在不超过每分钟120转的慢转，来避免换热管7内壁与自动清洗钢丝螺旋8之间发生快速旋转磨损的可能性。也要注意，自转速度不是愈慢愈好，太慢自转容易发生意外性的卡停事故。
30.环形波齿带16设计在轨道端面轴承机架4尾部。环形波齿带16的波齿17的形状尺寸与转跳耦合连接板6的波齿17相同，波齿7高δh为0.5～2mm，波齿7宽λ为3～6mm。其功能是在弯钩轴5拖动下转跳耦合连接板6轴向往复运动时，环形波齿带16与转跳耦合连接板6的波齿17相互耦合滑移，引发半径方向的强烈跳动，带动自动清洗钢丝螺旋8径向振动强度显著增大、振动频率增高的除垢清洗的有效强化，换热管7上游段的自动清洗钢丝螺旋8的效果尤其显著。
31.转跳耦合连接板6除了作为弯钩轴5与自动清洗钢丝螺旋8之间的防磨损连接外，更重要的功能是强化振动除垢清洗。在往复运动的弯钩轴5拖动转跳耦合连接板6也发生同步的往复运动时，转跳耦合连接板6的两侧的波齿17与轨道端面轴承机架4尾部的环形波齿带16产生耦合滑移性的径向跳动，连带自动清洗钢丝螺旋8引发强烈的径向振动除垢清洗。这种径向跳动幅值近似2δh，跳动的频率是每分钟自转数n的2h1/λ倍。
32.转跳耦合连接板6的波齿17高δh为0.5～2mm，波齿17宽λ为3～6mm，波齿17高与波齿17宽的比值，必须经过验证性的核算，确保波齿17侧面与与轨道端面轴承机架4尾部的环形波齿带16的齿侧面相对滑移斜角显著地小于两者滑动材料间的摩擦角。
33.转跳耦合连接板6的长度要求略大于h1。转跳耦合连接板6的宽度b1比环形齿内径小0.2～1mm，转跳耦合连接板6的厚度2～4mm。
34.蒸发器/换热器生产运行时，自动清洗钢丝螺旋8在换热管7内液流的冲动下，不仅会发生每分钟数百次的径向随机振动，碰撞换热管7内壁的污垢实现清洗；而且获得比较大
的自转动力矩可以连续自转后，带动转跳耦合连接板6和弯钩轴5一起旋转；通过钩头1沿着轨道端面轴承9圆周滑移时，拖动转跳耦合连接板6
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自动清洗钢丝螺旋8往复运动，经过转跳耦合连接板6的波齿17的耦合滑移作用，显著地增强了自动清洗钢丝螺旋8的径向振动清洗除垢作用。

技术特征：
1.一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，主要部件包括换热管(7)、自动清洗钢丝螺旋(8)、转跳耦合连接板(6)、弯钩轴(5)、轨道端面轴承机架(4)，其特征在于：这种自动清洗机构的组装顺序，是换热管(7)内的自动清洗钢丝螺旋(8)的上游端与转跳耦合连接板(6)一侧连接、弯钩轴(5)与转跳耦合连接板(6)另一侧连接，再穿越轨道端面轴承(4)后，弯制钩头(1)，挂压在机架(4)的轨道端面轴承(9)上，最后把轨道端面轴承机架(4)的固定根管(13)插装在换热管(7)的入口端：自动清洗钢丝螺旋(8)自转时，钩头(1)沿着轨道端面轴承(9)的轨道滑移，使自动清洗钢丝螺旋(8)连续不断地往复运动，拖动转跳耦合连接板(6)产生同样的往复运动，耦合连接板(6)两侧的波齿(17)与轨道端面轴承机架(4)的环形波齿带(16)相互耦合滑移，引发半径方向的强烈跳动，带动自动清洗钢丝螺旋(8)径向振动强度显著增大、振动频率增高的除垢清洗的有效强化。2.根据权利要求1的一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，其特征在于：转跳耦合连接板(6)的波齿(17)高δh为0.5～2mm，波齿(17)宽λ为3～6mm，δh/λ的比值必须显著地小于转跳耦合连接板(6)的波齿(17)相对于环形波齿带(16)的耦合滑移的摩擦角。3.根据权利要求1的一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，其特征在于：轨道端面轴承机架(4)的尾部有环形波齿带(16)，环形波齿带(16)的波齿形状尺寸与转跳耦合连接板(6)的波齿(17)相同。4.根据权利要求1的一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，其特征在于：轨道端面轴承(9)的轨道端面的高差h1决定自动清洗钢丝螺旋(8)的往复行程大小，h1的设计取值完全取决于自动清洗钢丝螺旋(8)从换热管(7)内液流获得自转动力矩的大小；轨道端面轴承(9)的中径d3大小，以保障轨道端面爬坡上升段的坡斜角α显著地小于摩擦角为原则；轨道端面轴承(9)的磨损余量h2按1～3年的寿命设计；轨道端面轴承(9)的第二个重要功能，是利用钩头(1)在轨道端面爬坡上升段的坡斜角α大小，简便地控制自动清洗钢丝螺旋(8)的自转速度不超过每分钟120转的慢转，可靠地避免换热管(7)内壁与自动清洗钢丝螺旋(8)之间发生磨损的可能性。5.根据权利要求1的一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，其特征在于：自动清洗钢丝螺旋(8)的螺旋角按自转动力矩最大化原则取45
°
左右；自动清洗钢丝螺旋(8)的外径d1，从自动清洗强度要求自动清洗钢丝螺旋(8)在半径方向振动对换热管(7)内壁污垢的碰撞动量最大化原则设计，通常d1与换热管(7)直径间隙取2～6mm。

技术总结
一种换热管内的转跳振动往复螺旋自动清洗机构，结构特点是自动清洗钢丝螺旋与弯钩轴之间采用转跳耦合连接板结构，轨道端面轴承机架的头部有轨道端面轴承、尾部设计有环形波齿。显著的技术特点是，在生产运行时，自动清洗钢丝螺旋不仅连续不断的自转，而且轨道端面轴承使自动清洗钢丝螺旋产生往复运动；又通过转跳耦合连接板的两侧波齿与轨道端面轴承机架尾部环形波齿的耦合滑移，引发自动清洗钢丝螺旋产生较高频率的半径方向的强烈跳动，对换热管内壁的污垢实施均匀有效的自动清洗防垢。并且，利用轨道端面轴承的上坡段，非常可靠地控制自动清洗钢丝螺旋稳定地慢转，彻底避免发生快转磨损问题。快转磨损问题。快转磨损问题。


技术研发人员：俞天翔 俞天兰 彭德其 彭雪松 张治坤
受保护的技术使用者：俞天翔
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2023/7/13