CN100516762C - 热交换管、热交换器和涂层材料在热交换管上的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换管(1、23)，其包括一个处于外表面(3)上供给蒸汽介质的外侧(4)和一个处于内表面(5)上供给冷却剂的内侧(6)。为了避免在热交换管(1、23)中形成妨碍热传导的膜，按所建议的设计方案规定，外表面(3)设有减少蒸汽在该外表面(3)上粘附的第一层(7)，和/或内表面设有减少冷却剂在该内表面(5)上粘附的设计为杀生物层的第二层(9)。本发明还涉及一种热交换器(17)和一种应用。

Description

热交换管、热交换器和涂层材料在热交换管上的应用
技术领域
本发明涉及一种热交换管，其包括一个处于外表面上供给蒸汽介质的外侧和一个处于内表面上供给冷却剂的内侧。本发明还涉及一种热交换器，其包括一个冷却剂导引装置和一个蒸汽介质导引装置，其中，冷却剂导引装置有多根用于在热交换管内侧导引冷却剂的热交换管，以及蒸汽导引装置设计用于向热交换管外侧供给蒸汽介质。本发明还涉及一种涂层材料在热交换管上的应用。
背景技术
上述类型的热交换器通常用于将包含在流动的蒸汽介质内的热量传递给流动的冷却剂。以此方式冷却蒸汽介质，与此同时加热冷却剂。必要时将热交换器设计为使蒸汽介质一直冷却到导致蒸汽介质凝结，在这种情况下热交换器也称为冷凝器，尤其称为凝汽器。所述类型的热交换器，尤其冷凝器，通常安装在电站设备内。在那里，流动的蒸汽介质通常用作推动透平的工质，以及为了推动透平将其动能输送给透平转子，转子又用于驱动发电机。
然后，在透平出口侧的蒸汽介质通常处于膨胀状态，亦即它的压力在1bar的范围内以及几乎不过热。这种在透平出口侧的蒸汽介质通常被输入热交换器，尤其上述类型的冷凝器中。其目的往往是使蒸汽介质凝结，必要时还在将热其含量输送给冷却剂后进一步加以利用。
在上述类型的热交换器内，蒸汽介质导引装置的边界通常由壁构成，壁由许多冷却剂导引装置的热交换管组成。另一些设计方案采用在蒸汽介质导引装置内横向布置的冷却剂导引装置，所以在蒸汽导引装置内导引的蒸汽介质，必须在冷却剂导引装置的许多热交换管上流过。在这里，这种热交换器尤其凝汽器改建的容积，应根据设计情况保持得尽可能小，并优化为使这种热交换器的效率尽可能高。因此对于热交换器而言其目的是，使热交换管中的热传导变得尽可能有效，将包含在蒸汽介质内的热能尽可能完全输送给冷却剂，以及不发生其他方面的损失或不希望遗留在蒸汽介质内。例如，由于在热交换管外侧形成隔热的凝结膜造成对热传导的一种阻碍。在热交换管外表面上此类隔热的凝结膜越致密，对热传导的阻碍越严重。在这里，这种凝结膜的类型决定性地取决于凝结的蒸汽介质的液滴形成或滴落特性。
对热传导的另一种影响由在热交换管内侧上冷却剂方面的结痂造成。随时间的推移通过在冷却剂内所含的无机和有机成分沉积和聚集在热交换管内表面上便产生这种结痂。各种清洗措施虽然可以大大延缓这种影响，但很昂贵而且不能防止这种过程。
值得追求一种提供更好的热传导的热交换管和涉及此热交换管的应用。还值得追求一种有更高效率的热交换器，不会不必要地由于热交换管中较差的热传导而影响效率。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是，提供一种热交换管、一种热交换器和一种涂层材料在热交换管上的应用，其中与普通的设计方案相比，改善了从蒸汽介质向冷却剂的热传导。
有关热交换管的技术问题通过这样一种热交换管来解决，其包括一个处于外表面上供给蒸汽介质的外侧和一个处于内表面上供给冷却剂的内侧，其中，外表面设有减少蒸汽介质在该外表面上粘附的第一层，和/或内表面设有减少冷却剂在该内表面上粘附的第二层，在这里，第二层设计为一种减少在内表面上结痂的层，  以及第二层设计为杀生物剂层(Biozidschicht)，其中，在所述热交换管具有两面涂层的情况下所述第一层设计为与第二层不同，其中，所述第一层的涂层材料是一种以聚四氟乙烯为基的材料，按照本发明，所述第二层涂层材料是一种以有机硅酸盐网状组织为基的材料。
本发明考虑问题的出发点是，对于蒸汽介质在热交换管外表面上液滴形成或滴落特性而言，管材料的表面应力有特别重要的意义。此外，本发明考虑问题的出发点还在于，在热交换管内表面上的结痂极大程度上取决于表面粘附特性。与迄今常用的或规定定期清洗表面或在蒸汽/冷却剂内存在添加剂的那些措施不同，本发明认为，鉴于上面已阐明的要求，可以一方面改善热交换管外表面表面应力的形成，另一方面改善热交换管内表面粘附特性，为此可以在外表面设有减少蒸汽介质在该外表面上粘附的第一层，和/或在内表面设有减少冷却剂在该内表面上粘附的第二层。由此缩减迄今常用的在热交换管内侧昂贵的清洗措施和涉及在冷却剂内加入添加剂的措施。在热交换管的外侧迄今并不常用有缺点的清洗方法。然而这些在有一些限制的条件下提供的措施目前仍是优选的，因为迄今不可能提供使用上述类型的热交换管和尤其将它们装备在热交换器内。一个主要原因尤其在于，这些管子在其制成后只能非常麻烦地涂层。此外，在管子制成后实际上已不再能够实施内部涂层，因为管子的长度通常为10m或更长。在用于电站的上述类型热交换器中往往铺设数百公里长的热交换管。对于核电站而言，热交换器可能具有铺设1000km以上的热交换管。
上文中所述的层，除基本表面，亦即热交换管外表面和/或内表面的涂层外，还指热交换管表面的一种提供所需功能的表面处理。例如，热交换管的表面可采取恰当的措施磨光或抛光。但在上述发明的意义内业已证实采取涂层措施是特别有效的，这些措施在下面说明。
相宜地将一个层设计为涂层。特别有利的是，第一层和/或第二层由一些子层构成。在这里，子层可例如用作粘结剂层，以便尽可能好地粘住用于减少形式上为蒸汽/冷却剂的流体粘附的层。此外，可以采取一系列涉及对表面和/或减少粘附的层的磨光或封闭的涂层措施。
业已证实特别恰当的是，在热交换管具有两面涂层的情况下，亦即外表面一个涂层和内表面一个涂层的情况下，将第一层设计为与第二层不同。为此有利的是，第一层设计为一种减小外表面上管材表面应力的层。同时有利的书，第二层设计为一种减少在管材内表面上结痂的层，亦即设计用于降低热交换管内表面的粘附特性。在该扩展设计中认为，对在蒸汽侧的第一层，由于其在热交换管的外侧供给蒸汽介质，所以提出了与在冷却剂侧的第二层不同的要求，在热交换管内侧上的第二层供给冷却剂。因此，第一和第二层可以针对它们的要求以不同的方式优化。
有利地，第一层因而设计为减小外表面上表面应力的层。它有利地减少在蒸汽介质凝结时蒸汽介质的液滴形成和降低滴落特性。
此外已证实一种防污层是有利的。这种层将结痂和有机物质的苔层生长减少到一种可忽略的程度。同样可以在内表面上涂覆一种有毒效的层。这种层尤其可以设计为铜层。
本发明有关热交换器的技术问题通过一种热交换器来解决，其包括冷却剂导引装置和蒸汽介质导引装置，其中，所述冷却剂导引装置有多根热交换管，热交换管的内侧导引冷却剂，以及，所述蒸汽介质导引装置设计用于向所述热交换管的外侧供给蒸汽介质，其特征在于，热交换管按照上述本发明的热交换管来设计。
业已证实非常恰当的是，热交换管设计为纵缝焊接的热交换管。这意味着，在这种热交换管中，一条焊缝沿热交换管的纵向长度延伸以及在管子已装入的状态它处于管横截面的上侧。
也就是说，业已证明热交换管的一种按所建议的方案设计的层，尤其涂层，有利地已经敷设在通常用它们来制造热交换管的宽带或窄带上。宽带或窄带是具有热交换管壁厚的带状金属板，接着将带状金属板成形为沿纵缝开槽的开槽圆管。
此开槽管然后沿纵缝焊接制成热交换管。因为带有按本发明的设计方案设置的层，尤其涂层，有可能会对焊接过程或焊缝质量带来影响，所以可在焊接工序前在焊缝区域局部重新去除所述的层。通过在焊缝区域内去除所述的层，对于该层在上面所阐述的效果只造成小部分影响，所以按本发明的方案始终仍能达到上述期望效果的约90％至95％。
有利地，所述的层直接在焊接工序前和还在金属带成形为开槽管的造型过程中在开槽/焊缝的区域内去除。
相宜地，在涂层过程中，焊缝的局部区域通过焊缝区域就地局部的遮蔽而避免被涂层。作为替代或补充方式，也可以打磨焊缝区域，从而通过这种磨削过程重新除去已经存在的层，尤其涂层。
通过接着装入热交换管，此时沿管子纵向长度的焊缝设在管子管横截面的上侧，亦即处于时钟12点的位置，由此达到使在这种情况下没有施加涂层的焊缝结痂的可能性，比热交换管中与焊缝对置的那一侧及其余区域低。因此，通过采取了这种有利的措施，使得将开槽管制成热交换管的焊接过程，一方面不受按所建议的方案设计的层的影响，而另一方面仍能有利地在95％以上的区域内获得上述所期望的绝大部分效果。
对于涉及热交换管应用方面的技术问题，按照本发明通过一种减少流体在表面上粘附的层状材料的应用得以解决，此层状材料应用于热交换管供给蒸汽介质的外侧上的外表面和应用于热交换管供给冷却剂的内侧上的内表面，其中，所述外表面设有减少蒸汽介质在该外表面上粘附的第一层，和/或所述内表面设有减少冷却剂在该内表面上粘附的第二层，其中，所述第一层的涂层材料是一种以聚四氟乙烯为基的材料，其特征在于，所述第二层的涂层材料是一种以有机硅酸盐网状组织为基的材料。
尤其是，外表面设有减少蒸汽介质在该外表面上粘附的第一层，和/或，内表面设有减少冷却剂在该内表面上粘附的第二层。
业已证实特别有利的是，使用一种以聚四氟乙烯(PTFE)为基的材料作为层状材料。为此可以有利地使用一种含有形式上为特氟隆的PTFE的材料。
此外还证实，一种以碳系为基的材料作为层状材料是有利的。尤其证实特别有利的是一种按类似钻石系(Diamond-like-System(DLC-System))构成的材料。
此外还证实，一种以有机硅酸盐网状组织为基的材料用作层状材料是特别有利的。这些有机硅酸盐网状组织可以有利地形成由毫微粒子组成的外表面，该外表面决定性地降低表面、尤其热交换管内表面的抗粘附特性。还完全类似地证实，在热交换管内表面上有一个DLC-System表面是特别有利的。
以聚四氟乙烯为基的层状材料可以特别有利地应用在热交换管的外表面上。
所有提及的层状材料，均可以按本发明的认识以令人意外的方式，实现在按照上面已阐明的设计方案的热交换管上应用，而按迄今常用的措施，上述类型的层根本不容在热交换管上实现并因而不可能被本领域技术人员所考虑。
附图说明
下面借助附图说明本发明的实施方式。它不应理解为权威性的实施方式，确切地说，有助于说明的附图是以示意性和/或略有失真的形式表示的。为了补充可由附图直接认识到的理论，可参阅有关的现有技术。附图具体表示：
图1表示按照一种特别优选的实施方式处于已装入状态下的热交换管的横截面图；以及
图2示意性地表示按照一种特别优选的实施方式包括冷却剂导引装置和蒸汽介质导引装置的热交换器。
具体实施方式
图1表示热交换管1，它处于已装入在图2中示意性表示出的热交换器中的状态。按在这里所表示的处于装入状态的热交换管1特别优选的实施形式，设有减少流体在热交换管1表面3、5上粘附的层7、9。热交换管1在其供给蒸汽介质25的外侧4有一个在蒸汽侧的外表面3，以及在其供给冷却剂27的内侧6有一个在冷却剂侧的内表面5。外表面3设有一个减少蒸汽介质在外表面3上粘附的第一层7。内表面5设有一个减少冷却剂在内表面5上粘附的第二层9。
在蒸汽侧的第一层7在这里由一种层状材料制成，它是一种以PTFE(聚四氟乙烯)为基的材料。在这里优选一种由特氟隆和其他成分组成的混合物。在冷却剂侧的第二层9在这里是一种以有机硅酸盐网状组织为基的材料。这种材料在这里为了形成毫微粒子按一种所谓的溶胶-凝胶过程制造，并因而有一种在纳米范围内的结构化表面。业已证明，在内表面5上的此类具有一个第二层9的涂层，特别有利于预防冷却剂在热交换管1内表面5上的粘附特性，并因而特别有利于阻止有机和无机物质在此内表面5上沉积和聚集。在热交换管1的外表面3上，以聚四氟乙烯为基的第一层7有特别小的表面应力，并因而减少在表面上的液滴形成和将液滴减少到这样的程度，即，使滴落特性改变为根本不可能能在热交换管1的外表面3上形成凝结膜。
在本实施方式中示出的热交换管1有利地用窄带制成，它已经在其对应于内表面5的表面上设有有机硅酸盐网状组织的层9，以用于构成内侧6，以及在对应于外表面3的表面上设有以聚四氟乙烯为基的材料，以用于构成外侧4。在进一步的生产过程中，窄带在区域11中，亦即在其以后处于焊缝13的区域11内的边缘上，已经在形成层9、7的涂层过程中被遮蔽，以及在本实施方式中接着进行打磨，所以焊缝13的区域11没有留下涂层。按一种变更方案，也可以取消打磨工序。在后续的生产工序中当窄带成形为有缝圆管后，可以在有缝管上施加焊缝13制成热交换管，在这里不必考虑涂层9、7对焊接过程的不利影响。
在已装入的状态下，热交换管1在热交换器17内安装在图1所示的时钟12点位置，换句话说，焊缝13处于管横截面的上侧15。
按一种变更方案，基本上采用与上述相同制造方法的热交换管，可以仅在其时钟3点位置至9点位置的区域内涂层。也就是说，业已证明在热交换管中尤其围绕时钟6点位置的区域特别容易受腐蚀和结痂。例如特别在热交换管排空时，悬浮物尤其经常停留在热交换管内侧上时钟6点位置的区域内。按一种变更方案，至少围绕时钟6点位置的区域，例如45°角区域，90°角区域，有利地120°角区域和尤其180°角区域或在一个更大的角度范围设一个所述的层。
图2示意性地表示包括冷却剂导引装置19和蒸汽介质导引装置21的热交换器17。冷却剂导引装置19为了导引冷却剂27有许多在图1中详细说明的热交换管23，它们在图2中仅示意性地示出。在这里，冷却剂27在热交换管23的内侧6输送。蒸汽导引装置21规定在热交换管23的外侧4供给蒸汽介质25。
为了避免形成妨碍热交换管1、23中热传导的膜，在包括一个处于外表面3上供给蒸汽介质的外侧4和一个处于内表面5上供给冷却剂的内侧6的热交换管1、23中，按所建议的方案规定，外表面3设有减少蒸汽在外表面3上粘附的第一层7，和/或，内表面设有减少冷却剂在内表面5上粘附的第二层9。本设计方案涉及一种热交换器17和一种应用。

Claims (6)

1.一种热交换管(1)，其包括一个处于外表面(3)上供给蒸汽介质(25)的外侧(4)和一个处于内表面(5)上供给冷却剂(27)的内侧(6)，其中，所述外表面(3)设有减少所述蒸汽介质(25)在该外表面(3)上粘附的第一层(7)，和/或，所述内表面(5)设有减少所述冷却剂(27)在该内表面(5)上粘附的第二层(9)，其中，所述第二层(9)设计为一种减少在内表面(5)上结痂的层，以及该第二层设计为杀生物剂层，其中，在所述热交换管(1)具有两面涂层(7、9)的情况下所述第一层(7)设计为与第二层(9)不同，其中，所述第一层(7)的涂层材料是一种以聚四氟乙烯为基的材料，其特征在于，所述第二层(9)涂层材料是一种以有机硅酸盐网状组织为基的材料。
2.按照权利要求1所述的热交换管(1)，其特征在于，所述第一层(7)和/或第二层(9)由一些子层构成。
3.按照权利要求1或2所述的热交换管(1)，其特征在于，所述第一层(7)设计为一种减小所述外表面(3)的表面应力的层。
4.一种热交换器(17)，其包括冷却剂导引装置(19)和蒸汽介质导引装置(21)，其中，所述冷却剂导引装置(19)有多根热交换管(23)，热交换管(1、23)的内侧(6)导引冷却剂(27)，以及，所述蒸汽介质导引装置(21)设计用于向所述热交换管(1、23)的外侧(4)供给蒸汽介质(25)，其特征在于，热交换管(1、23)按照上述任一项权利要求1至3设计。
5.按照权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述热交换管(1、23)设计为纵缝焊接的热交换管(1)，其中一条焊缝(13)沿热交换管(1、23)的纵向长度延伸以及在热交换管(1、23)已装入状态下处于管横截面的上侧(15)。
6.一种减少流体在表面上粘附的涂层材料在热交换管上的应用，其中，将该涂层材料涂覆于热交换管(1、23)外侧(4)被供给蒸汽介质(25)的外表面(3)上和热交换管(1、23)内侧(6)被供给冷却剂(27)的内表面(5)上，其中，所述外表面(3)设有减少蒸汽介质(25)在该外表面(3)上粘附的第一层(7)，和/或所述内表面(5)设有减少冷却剂(27)在该内表面(5)上粘附的第二层(9)，其中，所述第一层(7)的涂层材料是一种以聚四氟乙烯为基的材料，其特征在于，所述第二层(9)的涂层材料是一种以有机硅酸盐网状组织为基的材料。
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