CN103712492B - 一种碳化硅陶瓷换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅陶瓷换热器，包括碳化硅陶瓷上堵盘、碳化硅陶瓷下堵盘、碳化硅陶瓷换热管束、上归集口、下归集口和外壳，所述碳化硅陶瓷换热管束设置于外壳内，碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘上设置有阶梯孔，所述的阶梯孔碳化硅陶瓷换热管束一侧的孔径大于另一侧的孔径，碳化硅陶瓷换热管束的两端通过阶梯孔分别与碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘相连接。本发明通过设计阶梯孔，改变了现有碳化硅陶瓷换热管束与碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘之间的连接关系，解决了因碳化硅陶瓷换热管束、碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘与外壳因冷热不均导致的膨胀程度不同引起的密封失效问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅陶瓷换热器，属于无机非金属材料技术领域。
背景技术
换热器是将热流体的（部分）热量传递给冷流体的设备，在冶金、石油、化工、电力、食品、制药等领域的具有广泛的应用。
酸洗是轧钢生产过程中的一道重要工艺，酸的温度对酸洗效果有显著影响。以盐酸酸洗为例，相同浓度的盐酸，温度从18℃提高到60℃时，酸洗速度可提高将近10倍。因此高效、节能、安全的盐酸加热工艺和设备对于轧钢生产具有重要意义。通过换热器利用高温水蒸气加热盐酸是有效的途径，目前常用的主要是石墨换热器。
中国专利文献CN101526317A（申请号200910135702.X）公开了一种块孔式石墨换热器，通过在石墨块上加工纵横垂直又互不贯通的通道实现换热，但是其加工复杂，且纵横通道间壁一旦破损就会造成换热流体混串使设备失效，无法检修再利用；
中国专利文献CN102840775A（申请号201210210819.1）公布了一种均匀排布的石墨管管式石墨换热器，但是众所周知，虽然石墨理论热导率很高，但一般块状石墨热导率只有5-20W/（m.K），低的热导率限制了换热效率，而且石墨强度低，在使用过程中易受损破坏，服役可靠性差。
碳化硅陶瓷具有热导率高、耐高温、硬度大、耐氧化、耐腐蚀、化学稳定性好、抗热震性好、热膨胀系数低等优点，使其成为制备高效节能换热器的理想材料。对于腐蚀性工况，碳化硅陶瓷材料本身具有优异的耐腐蚀性，因此制备腐蚀性工况下使用的碳化硅陶瓷换热器的关键是解决密封问题。碳化硅陶瓷的高硬度使得对其进行机加工的成本极高，因此通过合理的结构设计实现密封就成了制备高性能、安全可靠的碳化硅陶瓷换热器的关键。
中国专利文献CN2901221A（申请号200620068354.0）公开了一种用碳化硅陶瓷管制备的管壳式耐腐蚀性换热器，通过借助沉孔、〇型密封圈、螺栓实现碳化硅硅陶瓷的密封，这种结构在常温下或者内、外为同种材质的情况下可以实现良好密封。但是换热器多是在较高温度下工作，而且制备碳化硅陶瓷壳体难度大、成本高，显然是不可行的。碳化硅陶瓷热膨胀系数小，在较高温度下碳化硅管束与外壳之间由于热膨胀系数不同而导致的伸缩差异容易导致连接管板随管壳伸长而导致密封失效，以不锈钢SUS304为例，从20℃到200℃，热膨胀系数约为16.8×10-6/℃，而同温度下碳化硅陶瓷管的热膨胀系数只有4.2×10-6/℃，以2m长的换热器为例，从20℃到200℃，不锈钢外壳与碳化硅陶瓷管伸长量相差约2.26mm，这样大伸缩差必然会导致密封失效。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种碳化硅陶瓷换热器，该碳化硅陶瓷换热器充分发挥了碳化硅陶瓷材料的优点，具有换热效率高，耐腐蚀，使用寿命长等显著优势。
本发明的技术方案如下：
一种碳化硅陶瓷换热器，包括碳化硅陶瓷上堵盘、碳化硅陶瓷下堵盘、碳化硅陶瓷换热管束、上归集口、下归集口和外壳，所述碳化硅陶瓷换热管束设置于外壳内，碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘上设置有阶梯孔，所述的阶梯孔碳化硅陶瓷换热管束一侧的孔径大于另一侧的孔径，碳化硅陶瓷换热管束的两端通过阶梯孔分别与碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘相连接，碳化硅陶瓷上堵盘与上归集口相连接，碳化硅陶瓷下堵盘与下归集口相连接，下归集口与下压紧部件相连接，下压紧部件与外壳固定连接，上归集口与上压紧部件相连接，上压紧部件通过弹簧与外壳弹性连接，所述外壳侧壁上设置有流体进口和流体出口。
根据本发明优选的，所述的阶梯孔为贯通于碳化硅陶瓷上堵盘或碳化硅陶瓷下堵盘的两级阶梯孔，一级阶梯孔孔径与碳化硅陶瓷换热管束的外径相同，二级阶梯孔孔径与碳化硅陶瓷换热管束的内径相同。
根据本发明优选的，所述的上归集口的材料为碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯；进一步优选，所述的上归集口的材料为碳化硅陶瓷。
根据本发明优选的，所述的下归集口的材料为碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯；进一步优选，所述的下归集口的材料为碳化硅陶瓷。
根据本发明优选的，所述的碳化硅陶瓷换热管束与碳化硅陶瓷上堵盘、碳化硅陶瓷下堵盘之间的连接处设置有密封件。可以选择密封垫、密封环、密封套、密封胶、生料带等常用密封工艺或其组合进行强化密封。
根据本发明优选的，所述的外壳还设置有温度监测口、压力监测口、排液口和/或排气口。
根据本发明优选的，所述的流体出口与壳体外侧壁之间设置有防冲挡板。所述防冲板用于将流入的流体均匀分散，避免高速流体直接冲击内部碳化硅陶瓷换热管束导致不均匀受热。
有益效果
1、本发明通过设计阶梯孔，改变了现有碳化硅陶瓷换热管束与碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘之间的连接关系，并通过弹簧压紧碳化硅陶瓷换热管束与碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘，解决了因碳化硅陶瓷换热管束、碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘与外壳因冷热不均导致的膨胀程度不同引起的密封失效问题。
2、本发明换热管束、堵盘和归集口均采用碳化硅陶瓷制备，同种材料热膨胀系数一致，解决了热膨胀系数不同引起的密封失效问题。
3、本发明充分利用了碳化硅陶瓷热导率高、耐高温、抗热震性好、耐腐蚀、使用寿命长的优点，所得换热器的换热效率高，设备停机维修、更换的次数和费用低，因而节能效果显著。
附图说明
图1为本发明碳化硅陶瓷复合材料内加热器保护管示意图；
图2为阶梯孔局部放大结构示意图；
其中：1、外壳，2、压紧法兰，3、上压紧部件，4、弹簧，5、上归集口，6、压紧螺栓，7、碳化硅陶瓷上堵盘，8、流体出口，9、防冲挡板，10、阶梯孔，11、碳化硅陶瓷换热管束，12、流体进口，13、碳化硅陶瓷下堵盘，14、下归集口，15、下压紧部件；16、一级阶梯孔，17、二级阶梯孔，18、密封件。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。
实施例1
如图1-2所示的碳化硅陶瓷换热器，包括碳化硅陶瓷上堵盘7、碳化硅陶瓷下堵盘13、碳化硅陶瓷换热管束11、上归集口5、下归集口14和不锈钢外壳1，所述碳化硅陶瓷换热管束11设置于外壳1内，碳化硅陶瓷上堵盘7和碳化硅陶瓷下堵盘13上设置有阶梯孔10，所述的阶梯孔10碳化硅陶瓷换热管束11一侧的孔径大于另一侧的孔径，碳化硅陶瓷换热管束11的两端通过阶梯孔10分别与碳化硅陶瓷上堵盘7和碳化硅陶瓷下堵盘13相连接，碳化硅陶瓷上堵盘7与上归集口5相连接，碳化硅陶瓷下堵盘13与下归集口14相连接，下归集口14与下压紧部件15相连接，下压紧部件15与外壳1固定连接，上归集口5与上压紧部件3相连接，上压紧部件3与外壳1弹性连接，外壳1与压紧法兰2通过压紧螺栓6固定连接，压紧法兰2与上压紧部件3之间设置有弹簧4，所述外壳1侧壁上设置有流体进口12和流体出口8。
所述的阶梯孔10为贯通于碳化硅陶瓷上堵盘7或碳化硅陶瓷下堵盘13的两级阶梯孔，一级阶梯孔16孔径与碳化硅陶瓷换热管束11的外径相同，二级阶梯孔17孔径与碳化硅陶瓷换热管束11的内径相同。
所述的上归集口5的材料为碳化硅陶瓷，下归集口14的材料为碳化硅陶瓷。
所述的碳化硅陶瓷换热管束11端面与碳化硅陶瓷上堵盘7、碳化硅陶瓷下堵盘13之间的阶梯孔台阶面连接处设置有密封件18，该密封件18为由氟橡胶制备的密封垫。
所述的流体出口8与壳体1外侧壁之间设置有防冲挡板9。
常温气密性检测：经气密性验证，在碳化硅陶瓷换热管束内充入0.6MPa的气压，保压12h，气压表指针示数基本不变，气密性良好。
150℃实际工作条件下气密性检测：用150℃的过热水蒸汽从流体入口12中经防冲板9的作用下在壳程内均匀下行从流体出口8流出换热器，从下归集口14中通入冷的质量分数为30%盐酸，盐酸在酸泵的压力下上行，经上归集口5流出，使用6个月未出现泄漏问题。
应用原理举例说明：从流体入口12中通入过热水蒸气，过热水蒸气在防冲板9的作用下在壳程内均匀下行经流体出口8流出换热器，从下归集口14中通入冷的浓盐酸，盐酸在酸泵的压力下上行，经上归集口5流出，在此过程中，过热水蒸气的热量经换热管束5传递给冷盐酸，实现盐酸的加热。
实施例2
一种碳化硅陶瓷换热器，包括碳化硅陶瓷上堵盘7、碳化硅陶瓷下堵盘13、碳化硅陶瓷换热管束11、上归集口5、下归集口14和外壳1，所述碳化硅陶瓷换热管束11设置于外壳1内，碳化硅陶瓷上堵盘7和碳化硅陶瓷下堵盘13上设置有阶梯孔10，所述的阶梯孔10碳化硅陶瓷换热管束11一侧的孔径大于另一侧的孔径，碳化硅陶瓷换热管束11的两端通过阶梯孔10分别与碳化硅陶瓷上堵盘7和碳化硅陶瓷下堵盘13相连接，碳化硅陶瓷上堵盘7与上归集口5相连接，碳化硅陶瓷下堵盘13与下归集口14相连接，下归集口14与下压紧部件15相连接，下压紧部件15与外壳1固定连接，上归集口5与上压紧部件3相连接，上压紧部件3与外壳1弹性连接，外壳1与压紧法兰2通过压紧螺栓6固定连接，紧法兰2与上压紧部件3之间设置有弹簧4，所述外壳1侧壁上设置有流体进口12和流体出口8。
所述的阶梯孔10为贯通于碳化硅陶瓷上堵盘7或碳化硅陶瓷下堵盘13的纵截面为等腰梯形的阶梯孔10。
所述的上归集口5的材料为碳化硅陶瓷，下归集口14的材料为碳化硅陶瓷。
所述的碳化硅陶瓷换热管束11与碳化硅陶瓷上堵盘7、碳化硅陶瓷下堵盘13之间的连接处设置有密封件18，该密封件18为由氟橡胶制备的密封圈。
常温气密性检测：经气密性验证，在碳化硅陶瓷换热管束内充入0.6MPa的气压，保压12h，气压表指针示数基本不变，气密性良好。
150℃实际工作条件下气密性检测：用150℃的过热水蒸汽从流体入口12中经防冲板9的作用下在壳程内均匀下行从流体出口8流出换热器，从下归集口14中通入冷的质量分数为30%盐酸，盐酸在酸泵的压力下上行，经上归集口5流出，使用6个月没有出现泄漏问题。
对比例1
本对比例除将弹簧密封系统去掉弹簧改成普通螺栓密封外，其他如实施例1所述。
常温气密性检测：经气密性验证，在碳化硅陶瓷换热管束内充入0.6MPa的气压，保压12h，气压表指针示数基本不变，气密性良好。
150℃实际工作条件下气密性检测：用150℃的过热水蒸汽从流体入口12中经防冲板9的作用下在壳程内均匀下行从流体出口8流出换热器，从下归集口14中通入冷的质量分数为30%盐酸，盐酸在酸泵的压力下上行，经上归集口5流出。蒸汽通入3分钟后，监测到盐酸浓度发生变化，通入10分钟后，发现盐酸浓度降低至28%，推测蒸汽泄漏导致酸液与蒸汽混串，停止设备检视，不锈钢外壳内壁已有盐酸腐蚀痕迹。
分析原因为：由于金属外壳热膨胀系数大于碳化硅陶瓷，金属外壳受热膨胀牵动上归集口5、上堵盘7、下归集口14和下堵盘13沿轴向伸长，换热管与台阶孔之间出现缝隙，引起蒸汽泄漏。
对比例2
本对比例除所用上归集口5、下归集口14、上堵盘7和下堵盘13为聚四氟乙烯加工而成外，其他如实施例1所述。
常温气密性检测：经气密性验证，在碳化硅陶瓷换热管束内冲入0.6MPa的气压，保压12h，气压表指针示数基本不变，气密性良好。
150℃实际工作条件下气密性检测：用150℃的过热水蒸汽从流体入口12中经防冲板9的作用下在壳程内均匀下行从流体出口8流出换热器，从下归集口14中通入冷的质量分数为30%盐酸，盐酸在酸泵的压力下上行，经上归集口5流出。蒸汽通入5分钟后，监测到盐酸浓度发生变化，通入15分钟后，发现盐酸浓度降低至28%，推测蒸汽泄漏导致酸液与蒸汽混串，停止设备检视，不锈钢外壳内壁未出现明显的盐酸腐蚀痕迹。
分析原因为：由于聚四氟乙烯热膨胀系数（在25～250℃范围内，热膨胀系数约为6～13×10-5/℃）远大于碳化硅陶瓷，导致上堵盘7和下堵盘13上台阶孔变大引起蒸汽泄漏。
需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，包括碳化硅陶瓷上堵盘、碳化硅陶瓷下堵盘、碳化硅陶瓷换热管束、上归集口、下归集口和外壳，所述碳化硅陶瓷换热管束设置于外壳内，碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘上设置有阶梯孔，所述的阶梯孔碳化硅陶瓷换热管束一侧的孔径大于另一侧的孔径，碳化硅陶瓷换热管束的两端通过阶梯孔分别与碳化硅陶瓷上堵盘和碳化硅陶瓷下堵盘相连接，碳化硅陶瓷上堵盘与上归集口相连接，碳化硅陶瓷下堵盘与下归集口相连接，下归集口与下压紧部件相连接，下压紧部件与外壳固定连接，上归集口与上压紧部件相连接，上压紧部件通过弹簧与外壳弹性连接，所述外壳侧壁上设置有流体进口和流体出口。
2.如权利要求1所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的阶梯孔为贯通于碳化硅陶瓷上堵盘或碳化硅陶瓷下堵盘的两级阶梯孔，一级阶梯孔孔径与碳化硅陶瓷换热管束的外径相同，二级阶梯孔孔径与碳化硅陶瓷换热管束的内径相同。
3. 如权利要求1所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的上归集口的材料为碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯。
4. 如权利要求3所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的上归集口的材料为碳化硅陶瓷。
5. 如权利要求1所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的下归集口的材料为碳化硅陶瓷、石墨或聚四氟乙烯。
6. 如权利要求5所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的下归集口的材料为碳化硅陶瓷。
7. 如权利要求1所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的碳化硅陶瓷换热管束与碳化硅陶瓷上堵盘、碳化硅陶瓷下堵盘之间的连接处设置有密封件。
8. 如权利要求1所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的外壳还设置有温度监测口、压力监测口、排液口和/或排气口。
9. 如权利要求1所述的碳化硅陶瓷换热器，其特征在于，所述的流体出口与壳体外侧壁之间设置有防冲挡板。
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