CN110332836B - 一种抗积垢管式换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗积垢管式换热器，壳体内设有若干均匀排布的换热管，每根所述换热管包括内管和外管，且内管与外管同轴设置，外管的上下两端分别与第一换热介质腔和第二换热介质腔连通，所述内管的上下两端分别与第一溶液腔和第二溶液腔连通，内管内壁以及外管外壁上均匀涂覆有石墨烯涂层，所述壳体内设有若干平行设置的隔离板，隔离板的固定端交替间隔固定在壳体的两内侧壁上，其悬空端距离壳体内侧壁一段间隙，若干隔离板在壳体内形成“Z”型流道，所述换热管穿设于所述隔离板中，壳体的上部设有第二流体入口，底部设有第二流体出口。本发明提高了换热管的热交换效率以及抗腐蚀性，利用换热管的双管结构，进一步提高了能源的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗积垢管式换热器，属于散热技术领域。
背景技术
管壳式换热器（shell and tube heat exchanger）又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢；可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的类型。
热界面材料应用于热源和散热器之间，是构成散热体系的重要组成部分。热界面材料可填补热源与散热器两种不同材料接触时产生的孔洞，防止过热点，减少热传递的阻抗，提高散热性。热界面材料的传热能力是由其原子结构决定的，纳米尺度上晶体结构的改变可影响热界面材料的热传递能力。
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，厚度只有0.335nm、杨氏模量约为42N/m-2，同时具有优异的导电、导热性能，作为目前已知的最薄、最坚硬的纳米材料，石墨烯在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种抗积垢管式换热器，采用基于石墨烯涂层的双层换热管，不仅利用了石墨烯优异的导热性能以及表面抗垢性能，提高了换热管的热交换效率以及抗腐蚀性，同时换热管的双层设置一方面降低了换热管爆裂的危害，同时利用双管结构，通过填充导热介质或者储能介质，进一步提高了能源的利用率。
本发明中主要采用的技术方案为：
一种抗积垢管式换热器，包括壳体，所述壳体的顶端和底端分别设有上管板和下管板，所述壳体内设有若干均匀排布的换热管，所述换热管两端分别穿过上管板和下管板，形成换热通道，每根所述换热管包括内管和外管，且内管与外管同轴设置，所述内管外壁与外管内壁之间具有间隙，所述上管板上方设有第一换热介质腔，且第一换热介质腔上方设有第一溶液腔，所述下管板下方设有第二换热介质腔，且第二换热介质腔下方设有第二溶液腔，所述外管的上下两端分别与第一换热介质腔和第二换热介质腔连通，形成换热介质流道，所述内管的上下两端分别与第一溶液腔和第二溶液腔连通，形成第一流体流道，所述内管内壁以及外管外壁上均匀涂覆有石墨烯涂层，所述壳体内设有若干平行设置的隔离板，所述隔离板的固定端交替间隔固定在壳体的两内侧壁上，其悬空端距离壳体内侧壁一段间隙，若干所述隔离板在壳体内形成“Z”型流道，所述换热管穿设于所述隔离板中，所述壳体的上部设有第二流体入口，底部设有第二流体出口。
优选地，所述换热管的外管和内管均采用石墨烯复合管材经拉拔工艺制备得到。
优选地，所述内管外壁以及外管内壁均匀涂覆有石墨烯涂层。
优选地，所述换热管的内管和外管可采用波纹管、直型管或者翅型管。
优选地，所述石墨烯涂层的原料组分及各组分质量分数如下：
钛白粉：100~140；
石墨烯：1~10；
硅微粉：20~70；
聚四氟乙烯乳液：30~60；
纯丙乳液：70~110；
丙二醇甲醚醋酸酯：8~15；
丙二醇：6~16；
pH值稳定剂：0.2~1；
和己二酸二酰肼：1.8~2.5；
去离子水：100。
优选地，所述第一换热介质腔和第二换热介质腔中的换热介质为导热油。
优选地，所述第一换热介质腔上设有换热介质出口，所述第二换热介质腔上设有换热介质入口，所述第一溶液腔上设有第一流体入口，所述第二溶液腔上设有第一流体出口。
优选地，所述石墨烯涂层的厚度为5-40μm。
有益效果：本发明提供一种抗积垢管式换热器，采用基于石墨烯涂层的双层换热管，不仅利用了石墨烯优异的导热性能以及表面抗垢性能，提高了换热管的热交换效率以及抗腐蚀性，同时换热管的双层设置，利用空腔结构通过导热介质，增加了一步换热流程，进一步提高了换热效率。
附图说明
图1 为实施例1的整体结构图；
图2 为本发明的石墨烯涂层与传统材料的常温热导系数对比图。
图中：壳体1、上管板1-1、下管板1-2、隔离板1-3、第二流体入口1-4、第二流体出口1-5、内管2-1、外管2-2、间隙2-3，第一换热介质腔3-1、第二换热介质腔3-2、换热介质出口3-3、换热介质入口3-4、第一溶液腔4-1、第二溶液腔4-2、第一流体入口4-3、第一流体出口4-4。图中，加粗黑线部分表示为石墨烯涂层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
一种抗积垢管式换热器，包括壳体1，所述壳体1的顶端和底端分别设有上管板1-1和下管板1-2，所述壳体1内设有若干均匀排布的换热管，所述换热管两端分别穿过上管板1-1和下管板1-2，形成换热通道，每根所述换热管包括内管2-1和外管2-2，且内管2-1与外管2-2同轴设置，所述内管2-1外壁与外管2-2内壁之间具有间隙2-3，所述上管板1-1上方设有第一换热介质腔3-1，且第一换热介质腔3-1上方设有第一溶液腔4-1，所述下管板4-2下方设有第二换热介质腔3-2，且第二换热介质腔3-2下方设有第二溶液腔4-2，所述外管2-2的上下两端分别与第一换热介质腔3-1和第二换热介质腔3-2连通，形成换热介质流道，所述内管2-1的上下两端分别与第一溶液腔4-1和第二溶液腔4-2连通，形成第一流体流道，所述内管2-1内壁以及外管2-2外壁上均匀涂覆有石墨烯涂层，所述壳体1内设有若干平行设置的隔离板1-3，所述隔离板1-3的固定端交替间隔固定在壳体1的两内侧壁上，其悬空端距离壳体1内侧壁一段间隙，若干所述隔离板1-3在壳体内形成“Z”型流道，所述换热管穿设于所述隔离板1-3中，所述壳体1的上部设有第二流体入口1-4，底部设有第二流体出口1-5。
优选地，所述换热管的外管2-2和内管2-1均采用石墨烯复合管材经拉拔工艺制备得到。
优选地，所述内管2-1外壁以及外管2-2内壁均匀涂覆有石墨烯涂层。
优选地，所述换热管的内管2-1和外管2-2可采用波纹管、直型管或者翅型管。
优选地，所述石墨烯涂层的原料组分及各组分质量分数如下：
钛白粉：100~140；
石墨烯：1~10；
硅微粉：20~70；
聚四氟乙烯乳液：30~60；
纯丙乳液：70~110；
丙二醇甲醚醋酸酯：8~15；
丙二醇：6~16；
pH值稳定剂：0.2~1；
和己二酸二酰肼：1.8~2.5；
去离子水：100。
优选地，所述第一换热介质腔3-1和第二换热介质腔3-2中的换热介质为导热油。
优选地，所述第一换热介质腔3-1上设有换热介质出口3-3，所述第二换热介质腔3-2上设有换热介质入口3-4，所述第一溶液腔4-1上设有第一流体入口4-3，所述第二溶液腔4-2上设有第一流体出口4-4。
优选地，所述石墨烯涂层的厚度为5-40μm。
实施例1：
如图1所示，壳体1内设有3根换热管，壳体1的顶端和底端分别设有上管板1-1和下管板1-2，换热管两端分别穿过上管板1-1和下管板1-2，形成换热通道，每根换热管包括内管2-1和外管2-2，且内管2-1与外管2-2同轴设置，内管2-1外壁与外管2-2内壁之间具有间隙2-3，外管2-2的上下两端分别与第一换热介质腔3-1和第二换热介质腔3-2连通，形成换热介质流道，流经间隙2-3的换热介质为导热油。内管2-1的上下两端分别与第一溶液腔4-1和第二溶液腔4-2连通，形成第一流体流道。外管2-2为波纹管，内管为直型管，且内管2-1的内壁以及外管2-2外壁上均匀涂覆有石墨烯涂层。壳体1内设有若干平行设置的隔离板1-3，所述隔离1-3的固定端交替间隔固定在壳体1的两内侧壁上，悬空端距离壳体内侧壁一段间隙，若干所述隔离板1-3在壳体1内形成“Z”型流道，换热管穿设于所述隔离板1-3中，壳体1的上部设有第二流体入口1-4、底部设有第二流体出口1-5。本实施例中，外管2-2和内管2-1均采用石墨烯复合管材经拉拔工艺制备得到。
本实施例中，石墨烯涂层的原料组分及各组分质量分数如下：
钛白粉：115
石墨烯：5
硅微粉：60
聚四氟乙烯乳液：52
纯丙乳液：80
丙二醇甲醚醋酸酯：10
丙二醇：12
pH值稳定剂AMP-95：0.8
和己二酸二酰肼：2.2
去离子水：100
石墨烯涂层的制备：将己二酸二酰肼与去离子水按比例，低速搅拌使己二酸二酰肼完全溶解后，依次按比例加入丙二醇、pH值稳定剂AMP-95继续搅拌混合均匀，再依次按比例添加钛白粉、硅微粉和石墨烯，并采用分散机将浆料细度分散至30~50μm，随后在低速搅拌下加入聚四氟乙烯乳液、纯丙乳液、丙二醇甲醚醋酸酯，最后搅拌30min，得到石墨烯复合材料，利用电喷涂技术喷涂至换热管壁上。石墨烯涂层的厚度为20~30μm。
如图2所示为涂覆有石墨烯涂层的材料与传统材料的常温热导系数对比图。从图中可以看出，石墨烯复合涂层的导热系数约为42Ｗ/（ｍ·Ｋ），传统陶瓷涂层导热系数的80倍，约为304不锈钢的导热系数的２倍。
具体换热过程：第一流体从第一溶液腔4-1的第一流体入口流入，随后经内管流入第二溶液腔中，并从第一流体出口4-4流出，此时，换热介质从第二换热介质腔3-2的换热介质入口3-4流入，随后经外管与内管的间隙2-3流入第一换热介质腔3-1中，并从换热介质出口3-3流出（采用常规的液泵实现流体的流动），同时，第二流体从第二流体入口1-4，沿交错设置的隔离板1-3形成的“Z”型流道，流经各换热管后，从第二流体出口1-5流出，两流体之间通过间隙2-3中的导热油以及石墨烯涂层实现双重热交换。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种抗积垢管式换热器，包括壳体，所述壳体的顶端和底端分别设有上管板和下管板，其特征在于，所述壳体内设有若干均匀排布的换热管，所述换热管两端分别穿过上管板和下管板，形成换热通道，每根所述换热管包括内管和外管，且内管与外管同轴设置，所述内管外壁与外管内壁之间具有间隙，所述上管板上方设有第一换热介质腔，且第一换热介质腔上方设有第一溶液腔，所述下管板下方设有第二换热介质腔，且第二换热介质腔下方设有第二溶液腔，所述外管的上下两端分别与第一换热介质腔和第二换热介质腔连通，形成换热介质流道，所述内管的上下两端分别与第一溶液腔和第二溶液腔连通，形成第一流体流道，所述内管内壁以及外管外壁上均匀涂覆有石墨烯涂层，所述壳体内设有若干平行设置的隔离板，所述隔离板的固定端交替间隔固定在壳体的两内侧壁上，其悬空端距离壳体内侧壁一段间隙，若干所述隔离板在壳体内形成“Z”型流道，所述换热管穿设于所述隔离板中，所述壳体的上部设有第二流体入口，底部设有第二流体出口；
所述石墨烯涂层的原料组分及各组分质量分数如下：钛白粉：100~140；石墨烯：1~10；硅微粉：20~70；聚四氟乙烯乳液：30~60；纯丙乳液：70~110；丙二醇甲醚醋酸酯：8~15；丙二醇：6~16；pH值稳定剂：0.2~1；己二酸二酰肼：1.8~2.5；去离子水：100；
所述石墨烯涂层的制备方法如下：将己二酸二酰肼与去离子水按比例添加，低速搅拌使己二酸二酰肼完全溶解后，依次按比例加入丙二醇、pH值稳定剂AMP-95继续搅拌混合均匀，再依次按比例添加钛白粉、硅微粉和石墨烯，并采用分散机将浆料细度分散至30-50μm，随后在低速搅拌下按比例加入聚四氟乙烯乳液、纯丙乳液、丙二醇甲醚醋酸酯，最后搅拌30min，得到石墨烯复合材料，利用电喷涂技术喷涂至换热管壁上得到石墨烯涂层。
2.根据权利要求1所述的一种抗积垢管式换热器，其特征在于：所述换热管的外管和内管均采用石墨烯复合管材经拉拔工艺制备得到。
3.根据权利要求1或2所述的一种抗积垢管式换热器，其特征在于：所述内管外壁以及外管内壁均匀涂覆有石墨烯涂层。
4.根据权利要求1或2所述的一种抗积垢管式换热器，其特征在于：所述换热管的内管和外管可采用波纹管、直型管或者翅型管。
5.根据权利要求1或2所述的一种抗积垢管式换热器，其特征在于：所述第一换热介质腔和第二换热介质腔中的换热介质为导热油。
6.根据权利要求1或2所述的一种抗积垢管式换热器，其特征在于：所述第一换热介质腔上设有换热介质出口，所述第二换热介质腔上设有换热介质入口，所述第一溶液腔上设有第一流体入口，所述第二溶液腔上设有第一流体出口。
7.根据权利要求1或2所述的一种抗积垢管式换热器，其特征在于：所述石墨烯涂层的厚度为5-40μm。
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