CN104456919B - 一种适用于多种介质的换热器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多种介质的换热器及制造方法，包括内腔换热体，所述内腔换热体内腔中安装有内腔散热环，内腔换热体的外表面通过机械包覆、机械涂覆、热烧结或复合材料的加工方式复合有碳材料发热体，碳材料发热体对称复合在内腔换热体的中间部分的外表面，碳材料发热体的外表面及两端均热复合有外层绝缘体，所述内腔换热体的外表面安装有换热片，碳材料发热体的两端点焊有连接电极。内腔散热环降低了液体、固体和气体紊流热交换的热阻值，有利于提高换热效率，同时也克服了现有技术中热辐射和热传导换热不均匀、温度场不均匀、层流热阻值大和热能利用率低的技术瑕疵。

Description

一种适用于多种介质的换热器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种换热器，具体涉及一种用于液体、固体及气体的新型换热器及制造方法。

背景技术

换热器用于将高温液、固及气体物料的热量带走，实现对高温物料的冷却和余热回收，目前，现有的换热器存在的具体缺点为：

1、目前的换热器由于热辐射和热传导换热不均匀而导致温度场不均匀，层流热交换热阻值大，热能利用率低；

2、在加热区内热辐射和热传导无法实现100％的均匀无间隙覆盖热交换；

3、目前的换热器，物料介质在外力和重力作用下的流动过程中，对流热交换、辐射热交换和传导热交换热能利用率低。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种适用于多种介质的换热器及制造方法，该换热器实现了物料介质在加热工作区内进行热辐射、热对流及热传导的100％均匀无间隙覆盖热交换，因内腔散热环的阻尼作用，物料介质在外力和重力作用下的流动过程，改善了紊流搅动对流换热、热传导和热辐射的热交换效率，提高了对物料介质加热和冷却热交换效率及热能利用率。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种适用于多种介质的换热器，包括内腔换热体，所述内腔换热体内腔中安装有内腔散热环，内腔换热体的外表面通过机械包覆、机械涂覆、热烧结或复合材料的加工方式复合有碳材料发热体，碳材料发热体对称复合在内腔换热体的中间部分的外表面，碳材料发热体的外表面及两端均热复合有外层绝缘体，所述内腔换热体的外表面安装有换热片，碳材料发热体的两端外表面设有连接电极，连接电极的引出线即为外接电极。

所述内腔散热环为采用螺旋绕制和机械冲压成型的结构，所述内腔散热环由金属材料组成。

所述内腔换热体是有石英或陶瓷材料组成。

所述碳材料发热体是由碳纤维、石墨和/或高导电材料组成。

所述连接电极是由金属和/或石墨材料组成，外接电极是由金属和/或石墨材料组成。

所述外层绝缘体是由树脂、硅橡胶和陶瓷材料组成。

所述换热片是由金属或石墨材料组成。

所述内腔换热体的内径范围为16mm～250mm。

所述换热器的长度为150mm～3000mm。

所述换热器的工作温度区间在50℃～900℃范围内。

一种适用于多种介质的换热器的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：采用石英管或烧结陶瓷管作为内腔换热体；

步骤二：采用螺旋绕制和机械冲压成型内腔散热环并安装在内腔换热体的内腔中；

步骤三：碳材料通过机械包覆、机械涂覆、热烧结或复合材料的加工方式复合在内腔换热体外形成碳材料发热体；

步骤四：在碳材料发热体两端整体制造或点焊设备点焊连接电极，再通过安装工具紧密包覆在碳材料发热体两端，连接电极与外接电极相连；

步骤五：采用由树脂、硅橡胶和陶瓷材料组成的外层绝缘体热复合在内腔换热体、碳材料发热体、连接电极与外接电极的组合体的外表面；

步骤六：用螺旋绕制和机械冲压成型的换热片并安装在外层绝缘体外表面。

所述连接电极及外接电极制作时：碳材料发热体的两端外表面镶嵌有弹簧连接电极，弹簧连接电极上点焊金属材料形成的外接电极，或者，碳材料发热体的两端外表面镶嵌有弹性金属环连接电极或弹性金属套连接电极，弹性金属环连接电极或弹性金属套连接电极上点焊金属材料形成的外接电极，或者，碳材料发热体的两端外表面为石墨套连接电极，石墨套连接电极上镶嵌金属材料形成的外接电极。

工作原理：

电源加热过程：完成了常温液体、固体或气体介质在热辐射和热传导区100％的均匀无间隙覆盖流动加热。因内腔散热环的阻尼作用，液体、固体和气体介质在外力作用下，实现了紊流搅动流动，降低了对流热交换的热阻值。

当内腔换热体采用一种石英材料时，碳材料发热体加热过程产生的远红外线辐射加热功能透过石英材料同时作用在常温液体、气体或固体水分子介质中，增强了辐射热交换的作用。

碳材料100％贴敷覆盖在内腔换热体外表面，并将换热片再次贴敷覆盖在碳材料外表面，具有的优良热传导性能。

冷却和余热回收过程：完成了高温液体、气体或固体介质在100％的均匀无间隙覆盖的热传导区流动放热热交换。因内腔散热环的阻尼作用，高温液体介质在外力作用的流动过程，实现了紊流搅动对流放热和热传导放热效率。达到了对高温液体、气体或固体介质中热量快速传递到外部的冷却和余热回收介质中。

当高温液、固和气体物料通过内腔散热环、内腔换热体、热传导性能优良的碳材料和换热片，把高温物料热量快速传递到外部冷却介质中，并把高温液、固和气体物料中的热量带走，实现了对高温物料冷却和余热回收。

本发明的有益效果：

本发明的换热器用于液、固或气体物料加热。实现了碳材料发热体在热辐射和热传导区100％的无间隙覆盖，通过调整碳材料发热体内的碳材料的电导率，其加热阻值任意可调。内腔散热环降低了液体、固体或气体紊流热交换的热阻值，提高换热效率，同时也克服了现有技术热辐射和热传导换热面积、温度场不均匀，层流热阻值大和热能利用率低的技术瑕疵。

附图说明

图1是本发明的换热器的剖视图；

图2是本发明的换热器的正视图；

图3是本发明的换热器的俯视图；

图中，1、内腔散热环，2、内腔换热体，3、碳材料发热体，4、连接电极，5、外层绝缘体，6、换热片，7、外接电极。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-3所示，一种适用于多种介质的换热器，结构设计具有独特的原创特性。

1、换热器外形结构可以实现独立圆形、独立方形和圆形+方形组合结构。

2、内腔散热环1、内腔换热体2和碳材料发热体3在加热、冷却和余热回收过程，实现了液体、固体、气体流动介质紊流热交换，从而提高了辐射、传导和对流热交换效率。

其制造过程：

(1)内腔散热环2可采用螺旋绕制和机械冲压成型并安装在内腔换热体2的内腔中。

(2)内腔换热体2可采用现有石英类成型产品或自制烧结陶瓷零件实现。

3、碳材料发热体3是由电热转换效率高达98％的材料组成，又是很好的传热材料。其制造过程：材料通过机械包覆、机械涂覆、热烧结或复合材料的加工方式复合在内腔换热体3外实现。

4、连接电极4和外接电极7。其制造过程：可以整体制造或专用点焊接设备连接，再通过安装工具紧密包覆在碳材料发热体3两端实现。

5、外层绝缘体5，其制造过程：采用树脂、硅橡胶和陶瓷材料热复合在内腔换热体2和碳材料发热体3外表面实现。

6、换热片6，其制造过程：用螺旋绕制和机械冲压成型并通过专用机械安装在外层绝缘体5外表面实现。

内腔散热环1由金属材料组成，内腔换热体2是有石英和陶瓷材料组成，碳材料发热体3是由碳纤维、石墨和/或高导电材料组成，连接电极4是由金属和/或石墨材料组成，外层绝缘体5是由树脂、硅橡胶和陶瓷材料组成，换热片6是由金属和石墨材料组成，外接电极7是由金属和/或石墨材料组成。

该换热器具有冷加工、热加工和复合材料加工综合技术制造的特点。结合不同应用领域的使用要求，产品制造具有不同加工组合，产品制造可采用的金属材料、非金属材料、树脂材料和硅橡胶材料，材质选择宽泛。

本发明可以广泛使用于：化工行业液体物料加热和固体物料冷却；铸造旧砂再生系统加热、旧热砂冷却系统和金属熔化过程系统余热回收；食品和粮食加热干燥；油田局部采油管道保温加热；医药粉料和固体物料加热、干燥和冷却。冷空气加热采暖；饮用流水热水器加热；洗漱流水热水器加热；民用太阳能产品的冬季补充加热等。

本发明的制造过程的关键工艺环节大都采用了非标设备来实现完成，非标设备设计和工艺制造技术保密性强。

本发明配合不同领域产品开发设计，内腔换热体的内径为Φ16mm～Φ250mm，换热器的长度范围可达150mm～3000mm，工作温度范围在50℃～900℃之间。

换热器在电加热时，启动电流小，在大功率电源加热过程对电网没有冲击电流发生，在低温差热交换过程余热回收效率高，在高温差热交换过程冷却效果和余热回收效率高。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种适用于多种介质的换热器，其特征是，包括内腔换热体，所述内腔换热体内腔中安装有内腔散热环，内腔换热体的外表面通过机械包覆、机械涂覆、热烧结或复合材料的加工方式复合有碳材料发热体，碳材料发热体对称复合在内腔换热体的中间部分的外表面，碳材料发热体的外表面及两端均热复合有外层绝缘体，所述内腔换热体的外表面安装有换热片，碳材料发热体的两端外表面设有连接电极，连接电极的引出线即为外接电极；所述内腔换热体是由石英和陶瓷材料组成；所述碳材料发热体是由碳纤维、石墨和/或高导电材料组成。

2.如权利要求1所述的一种适用于多种介质的换热器，其特征是，所述内腔散热环为采用螺旋绕制和机械冲压成型的结构，所述内腔散热环由金属材料组成。

3.如权利要求1所述的一种适用于多种介质的换热器，其特征是，所述连接电极是由金属和/或石墨材料组成，外接电极是由金属和/或石墨材料组成。

4.如权利要求1所述的一种适用于多种介质的换热器，其特征是，所述外层绝缘体是由树脂、硅橡胶和陶瓷材料组成。

5.如权利要求1所述的一种适用于多种介质的换热器，其特征是，所述换热片是由金属和石墨材料组成。

6.如权利要求1所述的一种适用于多种介质的换热器，其特征是，所述内腔换热体的内径范围为16mm～250mm，所述换热器的长度为150mm～3000mm。

7.如权利要求1所述的一种适用于多种介质的换热器，其特征是，所述换热器的工作温度区间在50℃～900℃范围内。

8.如权利要求1至7任一所述的一种适用于多种介质的换热器的制造方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：采用石英管或烧结陶瓷管作为内腔换热体；

步骤二：采用螺旋绕制和机械冲压成型内腔散热环并安装在内腔换热体的内腔中；

步骤三：碳材料通过机械包覆、机械涂覆、热烧结或复合材料的加工方式复合在内腔换热体外形成碳材料发热体；

步骤四：在碳材料发热体两端整体制造或点焊设备点焊连接电极，再通过安装工具紧密包覆在碳材料发热体两端，连接电极与外接电极相连；

步骤五：采用由树脂、硅橡胶和陶瓷材料组成的外层绝缘体热复合在内腔换热体、碳材料发热体、连接电极与外接电极的组合体的外表面；

步骤六：用螺旋绕制和机械冲压成型的换热片并安装在外层绝缘体外表面。