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      一種碳化硅陶瓷換熱器的制造方法

      文檔序號:4549975閱讀:266來源:國知局
      一種碳化硅陶瓷換熱器的制造方法
      【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳化硅陶瓷換熱器,包括碳化硅陶瓷上堵盤、碳化硅陶瓷下堵盤、碳化硅陶瓷換熱管束、上歸集口、下歸集口和外殼,所述碳化硅陶瓷換熱管束設(shè)置于外殼內(nèi),碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤上設(shè)置有階梯孔,所述的階梯孔碳化硅陶瓷換熱管束一側(cè)的孔徑大于另一側(cè)的孔徑,碳化硅陶瓷換熱管束的兩端通過階梯孔分別與碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤相連接。本發(fā)明通過設(shè)計階梯孔,改變了現(xiàn)有碳化硅陶瓷換熱管束與碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤之間的連接關(guān)系,解決了因碳化硅陶瓷換熱管束、碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤與外殼因冷熱不均導(dǎo)致的膨脹程度不同引起的密封失效問題。
      【專利說明】一種碳化娃陶瓷換熱器
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]本發(fā)明涉及一種碳化硅陶瓷換熱器,屬于無機非金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
      【背景技術(shù)】
      [0002]換熱器是將熱流體的(部分)熱量傳遞給冷流體的設(shè)備,在冶金、石油、化工、電力、食品、制藥等領(lǐng)域的具有廣泛的應(yīng)用。
      [0003]酸洗是軋鋼生產(chǎn)過程中的一道重要工藝,酸的溫度對酸洗效果有顯著影響。以鹽酸酸洗為例,相同濃度的鹽酸,溫度從18°C提高到60°C時,酸洗速度可提高將近10倍。因此高效、節(jié)能、安全的鹽酸加熱工藝和設(shè)備對于軋鋼生產(chǎn)具有重要意義。通過換熱器利用高溫水蒸氣加熱鹽酸是有效的途徑,目前常用的主要是石墨換熱器。
      [0004]中國專利文獻CN101526317A (申請?zhí)?00910135702.X)公開了一種塊孔式石墨換熱器,通過在石墨塊上加工縱橫垂直又互不貫通的通道實現(xiàn)換熱,但是其加工復(fù)雜,且縱橫通道間壁一旦破損就會造成換熱流體混串使設(shè)備失效,無法檢修再利用;
      [0005]中國專利文獻CN102840775A (申請?zhí)?01210210819.1)公布了一種均勻排布的石墨管管式石墨換熱器,但是眾所周知,雖然石墨理論熱導(dǎo)率很高,但一般塊狀石墨熱導(dǎo)率只有5-20W/(m.K),低的熱導(dǎo)率限制了換熱效率,而且石墨強度低,在使用過程中易受損破壞,服役可靠性差。
      [0006]碳化硅陶瓷具 有熱導(dǎo)率高、耐高溫、硬度大、耐氧化、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗熱震性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點,使其成為制備高效節(jié)能換熱器的理想材料。對于腐蝕性工況,碳化硅陶瓷材料本身具有優(yōu)異的耐腐蝕性,因此制備腐蝕性工況下使用的碳化硅陶瓷換熱器的關(guān)鍵是解決密封問題。碳化硅陶瓷的高硬度使得對其進行機加工的成本極高,因此通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)密封就成了制備高性能、安全可靠的碳化硅陶瓷換熱器的關(guān)鍵。
      [0007]中國專利文獻CN2901221A (申請?zhí)?00620068354.0)公開了一種用碳化硅陶瓷管制備的管殼式耐腐蝕性換熱器,通過借助沉孔、〇型密封圈、螺栓實現(xiàn)碳化硅硅陶瓷的密封,這種結(jié)構(gòu)在常溫下或者內(nèi)、外為同種材質(zhì)的情況下可以實現(xiàn)良好密封。但是換熱器多是在較高溫度下工作,而且制備碳化硅陶瓷殼體難度大、成本高,顯然是不可行的。碳化硅陶瓷熱膨脹系數(shù)小,在較高溫度下碳化硅管束與外殼之間由于熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的伸縮差異容易導(dǎo)致連接管板隨管殼伸長而導(dǎo)致密封失效,以不銹鋼SUS304為例,從20°C到200°C,熱膨脹系數(shù)約為16.8X10_6/°C,而同溫度下碳化硅陶瓷管的熱膨脹系數(shù)只有
      4.2X 10_6/°C,以2m長的換熱器為例,從20°C到200°C,不銹鋼外殼與碳化硅陶瓷管伸長量相差約2.26_,這樣大伸縮差必然會導(dǎo)致密封失效。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0008]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題,本發(fā)明提供一種碳化硅陶瓷換熱器,該碳化硅陶瓷換熱器充分發(fā)揮了碳化硅陶瓷材料的優(yōu)點,具有換熱效率高,耐腐蝕,使用壽命長等顯著優(yōu)勢。
      [0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
      [0010]一種碳化硅陶瓷換熱器,包括碳化硅陶瓷上堵盤、碳化硅陶瓷下堵盤、碳化硅陶瓷換熱管束、上歸集口、下歸集口和外殼,所述碳化硅陶瓷換熱管束設(shè)置于外殼內(nèi),碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤上設(shè)置有階梯孔,所述的階梯孔碳化硅陶瓷換熱管束一側(cè)的孔徑大于另一側(cè)的孔徑,碳化硅陶瓷換熱管束的兩端通過階梯孔分別與碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤相連接,碳化硅陶瓷上堵盤與上歸集口相連接,碳化硅陶瓷下堵盤與下歸集口相連接,下歸集口與下壓緊部件相連接,下壓緊部件與外殼固定連接,上歸集口與上壓緊部件相連接,上壓緊部件通過彈簧與外殼彈性連接,所述外殼側(cè)壁上設(shè)置有流體進口和流體出口。
      [0011]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的,所述的階梯孔為貫通于碳化硅陶瓷上堵盤或碳化硅陶瓷下堵盤的兩級階梯孔,一級階梯孔孔徑與碳化硅陶瓷換熱管束的外徑相同,二級階梯孔孔徑與碳化硅陶瓷換熱管束的內(nèi)徑相同。
      [0012]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的,所述的上歸集口的材料為碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯;進一步優(yōu)選,所述的上歸集口的材料為碳化硅陶瓷。
      [0013]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的,所述的下歸集口的材料為碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯;進一步優(yōu)選,所述的下歸集口的材料為碳化硅陶瓷。
      [0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的,所述的碳化硅陶瓷換熱管束與碳化硅陶瓷上堵盤、碳化硅陶瓷下堵盤之間的連接處設(shè)置有密封件??梢赃x擇密封墊、密封環(huán)、密封套、密封膠、生料帶等常用密封工藝或其組合進行強化密封。
      [0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的,所述的外殼還設(shè)置有溫度監(jiān)測口、壓力監(jiān)測口、排液口和/或排氣口。
      [0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的,所述的流體出口與殼體外側(cè)壁之間設(shè)置有防沖擋板。所述防沖板用于將流入的流體均勻分散,避免高速流體直接沖擊內(nèi)部碳化硅陶瓷換熱管束導(dǎo)致不均勻受熱。
      [0017]有益效果
      [0018]1、本發(fā)明通過設(shè)計階梯孔,改變了現(xiàn)有碳化硅陶瓷換熱管束與碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤之間的連接關(guān)系,并通過彈簧壓緊碳化硅陶瓷換熱管束與碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤,解決了因碳化硅陶瓷換熱管束、碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤與外殼因冷熱不均導(dǎo)致的膨脹程度不同引起的密封失效問題。
      [0019]2、本發(fā)明換熱管束、堵盤和歸集口均采用碳化硅陶瓷制備,同種材料熱膨脹系數(shù)一致,解決了熱膨脹系數(shù)不同引起的密封失效問題。
      [0020]3、本發(fā)明充分利用了碳化硅陶瓷熱導(dǎo)率高、耐高溫、抗熱震性好、耐腐蝕、使用壽命長的優(yōu)點,所得換熱器的換熱效率高,設(shè)備停機維修、更換的次數(shù)和費用低,因而節(jié)能效
      果顯著。
      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0021]圖1為本發(fā)明碳化硅陶瓷復(fù)合材料內(nèi)加熱器保護管示意圖;
      [0022]圖2為階梯孔局部放大結(jié)構(gòu)示意圖;[0023]其中:1、外殼,2、壓緊法蘭,3、上壓緊部件,4、彈簧,5、上歸集口,6、壓緊螺栓,7、碳化硅陶瓷上堵盤,8、流體出口,9、防沖擋板,10、階梯孔,11、碳化硅陶瓷換熱管束,12、流體進口,13、碳化硅陶瓷下堵盤,14、下歸集口,15、下壓緊部件;16、一級階梯孔,17、二級階梯孔,18、密封件。
      【具體實施方式】
      [0024]下面結(jié)合說明書附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明,但本發(fā)明所保護范圍不限于此。
      [0025]實施例1
      [0026]如圖1-2所示的碳化硅陶瓷換熱器,包括碳化硅陶瓷上堵盤7、碳化硅陶瓷下堵盤13、碳化硅陶瓷換熱管束11、上歸集口 5、下歸集口 14和不銹鋼外殼1,所述碳化硅陶瓷換熱管束11設(shè)置于外殼I內(nèi),碳化硅陶瓷上堵盤7和碳化硅陶瓷下堵盤13上設(shè)置有階梯孔10,所述的階梯孔10碳化硅陶瓷換熱管束11 一側(cè)的孔徑大于另一側(cè)的孔徑,碳化硅陶瓷換熱管束11的兩端通過階梯孔10分別與碳化硅陶瓷上堵盤7和碳化硅陶瓷下堵盤13相連接,碳化硅陶瓷上堵盤7與上歸集口 5相連接,碳化硅陶瓷下堵盤13與下歸集口 14相連接,下歸集口 14與下壓緊部件15相連接,下壓緊部件15與外殼I固定連接,上歸集口 5與上壓緊部件3相連接,上壓緊部件3與外殼I彈性連接,外殼I與壓緊法蘭2通過壓緊螺栓6固定連接,壓緊法蘭2與上壓緊部件3之間設(shè)置有彈簧4,所述外殼I側(cè)壁上設(shè)置有流體進口12和流體出口 8。
      [0027]所述的階梯孔10為貫通于碳化硅陶瓷上堵盤7或碳化硅陶瓷下堵盤13的兩級階梯孔,一級階梯孔16孔徑與碳化硅陶瓷換熱管束11的外徑相同,二級階梯孔17孔徑與碳化硅陶瓷換熱管束11的內(nèi)徑相同。
      [0028]所述的上歸集口 5的材料為碳化硅陶瓷,下歸集口 14的材料為碳化硅陶瓷。
      [0029]所述的碳化硅陶瓷換熱管束11端面與碳化硅陶瓷上堵盤7、碳化硅陶瓷下堵盤13之間的階梯孔臺階面連接處設(shè)置有密封件18,該密封件18為由氟橡膠制備的密封墊。
      [0030]所述的流體出口 8與殼體I外側(cè)壁之間設(shè)置有防沖擋板9。
      [0031]常溫氣密性檢測:經(jīng)氣密性驗證,在碳化硅陶瓷換熱管束內(nèi)充入0.6MPa的氣壓,保壓12h,氣壓表指針示數(shù)基本不變,氣密性良好。
      [0032]150°C實際工作條件下氣密性檢測:用150°C的過熱水蒸汽從流體入口 12中經(jīng)防沖板9的作用下在殼程內(nèi)均勻下行從流體出口 8流出換熱器,從下歸集口 14中通入冷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%鹽酸,鹽酸在酸泵的壓力下上行,經(jīng)上歸集口 5流出,使用6個月未出現(xiàn)泄漏問題。
      [0033]應(yīng)用原理舉例說明:從流體入口 12中通入過熱水蒸氣,過熱水蒸氣在防沖板9的作用下在殼程內(nèi)均勻下行經(jīng)流體出口 8流出換熱器,從下歸集口 14中通入冷的濃鹽酸,鹽酸在酸泵的壓力下上行,經(jīng)上歸集口 5流出,在此過程中,過熱水蒸氣的熱量經(jīng)換熱管束5傳遞給冷鹽酸,實現(xiàn)鹽酸的加熱。
      [0034]實施例2
      [0035]一種碳化硅陶瓷換熱器,包括碳化硅陶瓷上堵盤7、碳化硅陶瓷下堵盤13、碳化硅陶瓷換熱管束11、上歸集口 5、下歸集口 14和外殼1,所述碳化硅陶瓷換熱管束11設(shè)置于外殼I內(nèi),碳化硅陶瓷上堵盤7和碳化硅陶瓷下堵盤13上設(shè)置有階梯孔10,所述的階梯孔10碳化硅陶瓷換熱管束11 一側(cè)的孔徑大于另一側(cè)的孔徑,碳化硅陶瓷換熱管束11的兩端通過階梯孔10分別與碳化硅陶瓷上堵盤7和碳化硅陶瓷下堵盤13相連接,碳化硅陶瓷上堵盤7與上歸集口 5相連接,碳化硅陶瓷下堵盤13與下歸集口 14相連接,下歸集口 14與下壓緊部件15相連接,下壓緊部件15與外殼I固定連接,上歸集口 5與上壓緊部件3相連接,上壓緊部件3與外殼I彈性連接,外殼I與壓緊法蘭2通過壓緊螺栓6固定連接,緊法蘭2與上壓緊部件3之間設(shè)置有彈簧4,所述外殼I側(cè)壁上設(shè)置有流體進口 12和流體出口8。
      [0036]所述的階梯孔10為貫通于碳化硅陶瓷上堵盤7或碳化硅陶瓷下堵盤13的縱截面為等腰梯形的階梯孔10。
      [0037]所述的上歸集口 5的材料為碳化硅陶瓷,下歸集口 14的材料為碳化硅陶瓷。
      [0038]所述的碳化硅陶瓷換熱管束11與碳化硅陶瓷上堵盤7、碳化硅陶瓷下堵盤13之間的連接處設(shè)置有密封件18,該密封件18為由氟橡膠制備的密封圈。
      [0039]常溫氣密性檢測:經(jīng)氣密性驗證,在碳化硅陶瓷換熱管束內(nèi)充入0.6MPa的氣壓,保壓12h,氣壓表指針示數(shù)基本不變,氣密性良好。
      [0040]150°C實際工作條件下氣密性檢測:用150°C的過熱水蒸汽從流體入口 12中經(jīng)防沖板9的作用下在殼程內(nèi)均勻下行從流體出口 8流出換熱器,從下歸集口 14中通入冷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%鹽酸,鹽酸在酸泵的壓力下上行,經(jīng)上歸集口 5流出,使用6個月沒有出現(xiàn)泄漏問題。
      [0041]對比例I
      [0042]本對比例除將彈簧密封系統(tǒng)去掉彈簧改成普通螺栓密封外,其他如實施例1所述。
      [0043]常溫氣密性檢測:經(jīng)氣密性驗證,在碳化硅陶瓷換熱管束內(nèi)充入0.6MPa的氣壓,保壓12h,氣壓表指針示數(shù)基本不變,氣密性良好。
      [0044]150°C實際工作條件下氣密性檢測:用150°C的過熱水蒸汽從流體入口 12中經(jīng)防沖板9的作用下在殼程內(nèi)均勻下行從流體出口 8流出換熱器,從下歸集口 14中通入冷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%鹽酸,鹽酸在酸泵的壓力下上行,經(jīng)上歸集口 5流出。蒸汽通入3分鐘后,監(jiān)測到鹽酸濃度發(fā)生變化,通入10分鐘后,發(fā)現(xiàn)鹽酸濃度降低至28%,推測蒸汽泄漏導(dǎo)致酸液與蒸汽混串,停止設(shè)備檢視,不銹鋼外殼內(nèi)壁已有鹽酸腐蝕痕跡。
      [0045]分析原因為:由于金屬外殼熱膨脹系數(shù)大于碳化硅陶瓷,金屬外殼受熱膨脹牽動上歸集口 5、上堵盤7、下歸集口 14和下堵盤13沿軸向伸長,換熱管與臺階孔之間出現(xiàn)縫隙,引起蒸汽泄漏。
      [0046]對比例2
      [0047]本對比例除所用上歸集口 5、下歸集口 14、上堵盤7和下堵盤13為聚四氟乙烯加工而成外,其他如實施例1所述。
      [0048]常溫氣密性檢測:經(jīng)氣密性驗證,在碳化硅陶瓷換熱管束內(nèi)沖入0.6MPa的氣壓,保壓12h,氣壓表指針示數(shù)基本不變,氣密性良好。
      [0049]150°C實際工作條件下氣密性檢測:用150°C的過熱水蒸汽從流體入口 12中經(jīng)防沖板9的作用下在殼程內(nèi)均勻下行從流體出口 8流出換熱器,從下歸集口 14中通入冷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%鹽酸,鹽酸在酸泵的壓力下上行,經(jīng)上歸集口 5流出。蒸汽通入5分鐘后,監(jiān)測到鹽酸濃度發(fā)生變化,通入15分鐘后,發(fā)現(xiàn)鹽酸濃度降低至28%,推測蒸汽泄漏導(dǎo)致酸液與蒸汽混串,停止設(shè)備檢視,不銹鋼外殼內(nèi)壁未出現(xiàn)明顯的鹽酸腐蝕痕跡。
      [0050]分析原因為:由于聚四氟乙烯熱膨脹系數(shù)(在25?250°C范圍內(nèi),熱膨脹系數(shù)約為6?13X 10-5/°C )遠大于碳化硅陶瓷,導(dǎo)致上堵盤7和下堵盤13上臺階孔變大引起蒸汽泄漏。
      [0051]需要說明的是,以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個具體實施例,顯然本發(fā)明不僅僅限于以上實施例,還可以有其他變形。本領(lǐng)域的技術(shù)人員從本發(fā)明公開內(nèi)容直接導(dǎo)出或間接引申的所有變形,均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護范圍。
      【權(quán)利要求】
      1.一種碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,包括碳化硅陶瓷上堵盤、碳化硅陶瓷下堵盤、碳化硅陶瓷換熱管束、上歸集口、下歸集口和外殼,所述碳化硅陶瓷換熱管束設(shè)置于外殼內(nèi),碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤上設(shè)置有階梯孔,所述的階梯孔碳化硅陶瓷換熱管束一側(cè)的孔徑大于另一側(cè)的孔徑,碳化硅陶瓷換熱管束的兩端通過階梯孔分別與碳化硅陶瓷上堵盤和碳化硅陶瓷下堵盤相連接,碳化硅陶瓷上堵盤與上歸集口相連接,碳化硅陶瓷下堵盤與下歸集口相連接,下歸集口與下壓緊部件相連接,下壓緊部件與外殼固定連接,上歸集口與上壓緊部件相連接,上壓緊部件通過彈簧與外殼彈性連接,所述外殼側(cè)壁上設(shè)置有流體進口和流體出口。
      2.如權(quán)利要求1所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的階梯孔為貫通于碳化硅陶瓷上堵盤或碳化硅陶瓷下堵盤的兩級階梯孔,一級階梯孔孔徑與碳化硅陶瓷換熱管束的外徑相同,二級階梯孔孔徑與碳化硅陶瓷換熱管束的內(nèi)徑相同。
      3.如權(quán)利要求1所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的上歸集口的材料為碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯。
      4.如權(quán)利要求3所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的上歸集口的材料為碳化硅陶瓷。
      5.如權(quán)利要求1所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的下歸集口的材料為碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯;
      6.如權(quán)利要求5所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的下歸集口的材料為碳化硅陶瓷。
      7.如權(quán)利要求1所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的碳化硅陶瓷換熱管束與碳化硅陶瓷上堵盤、碳化硅陶瓷下堵盤之間的連接處設(shè)置有密封件。
      8.如權(quán)利要求1所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的外殼還設(shè)置有溫度監(jiān)測口、壓力監(jiān)測口、排液口和/或排氣口。
      9.如權(quán)利要求1所述的碳化硅陶瓷換熱器,其特征在于,所述的流體出口與殼體外側(cè)壁之間設(shè)置有防沖擋板。
      【文檔編號】F28F9/04GK103712492SQ201410025698
      【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
      【發(fā)明者】張玉軍, 李兆敏, 李其松, 孫海濱, 宋建鋒 申請人:山東寶納新材料有限公司
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