CN110375566B - 一种新型碳化硅换热模块及其制造方法 - Google Patents

一种新型碳化硅换热模块及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型碳化硅换热模块及其制造方法，本换热模块包括管板、折流板、换热管，换热管为两端连通的管道，换热管设置有多根，多根换热管组成换热管组，换热管组与折流板、管板焊接为一体；换热管组中相邻两根换热管的中心距离与换热管的外径的比为1.2～1.5。本制造方法为：预先准备各素胚；进行一次烧结；涂覆焊料并进行二次烧结，使得管板、折流板、换热管在结合处无缝隙；退火处理，获得终产品。本产品在高温、高压以及强酸腐蚀、强碱腐蚀等苛刻条件下仍能够正常使用，摒弃了O型密封圈，也解决了换热管和折流板之间会存在间隙的问题，有效提高换热模块的性能。

Description

一种新型碳化硅换热模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种换热模块及其制造方法，尤其涉及一种新型碳化硅换热模块及其制造方法。
背景技术
碳化硅陶瓷具有高强度、耐高温、高导热和全面耐酸碱腐蚀的特性，特别适用于高温、高压、强酸强碱腐蚀、高速气体冲刷、颗粒磨损等苛刻工况条件。用其做成的碳化硅换热器克服了传统石墨换热器、搪玻璃冷凝器、贵金属换热器和四氟换热器的局限性，使用寿命和热交换效率大幅增加，特别是随着工艺的提升和制造成本的降低，碳化硅换热器在各个领域的应用越来越广泛。
然而，碳化硅换热器在制造和应用中也存在着明显的缺点。由于陶瓷的脆性，不像石墨材料可以粘结，贵金属和氟塑料可以焊接，因此，换热管和管板的密封只能采用O型密封圈的形式，材质为氟橡胶，有些工况必须采用全氟醚橡胶，然而氟橡胶、全氟醚橡胶均存在耐高温性较差的缺陷，限制了碳化硅换热器更大范围的应用。另外，管板一般采用纯四氟材料、喷涂四氟材料以及钢衬四氟材料制成，折流板一般采用四氟材料制成，不但折流板和管板的材质会限制碳化硅换热器更大范围的应用，并且换热管和折流板之间会不可避免的存在间隙，在温度高于250度、压力高于10BAR工况下，特别是在蒸汽加热工况下，换热管极易发生共振断裂现象，大大增加了碳化硅换热器的使用风险。
因此，亟需开发一种新型的硅换热模块，能够抛弃已有碳化硅换热器存在的局限性，满足更大范围内的应用，把碳化硅陶瓷的优势最大程度的发挥出来。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种新型碳化硅换热模块及其制造方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型碳化硅换热模块，包括管板、折流板、换热管，换热管为两端连通的管道，换热管设置有多根，多根换热管组成换热管组，换热管组与折流板、管板焊接为一体；换热管组中相邻两根换热管的中心距离与换热管的外径的比为1.2～1.5；
折流板包括前折流板、后折流板，前折流板与后折流板分布在换热管组的两侧且前折流板与后折流板沿换热管组的长度方向间隔排列；前折流板、后折流板上均开设有通孔，换热管穿过通孔并在通孔处与换热管无间隙的固定相接；
管板设置有两个，分别为进口管板、出口管板，进口管板、出口管板上分别开设有与换热管相匹配的管孔，换热管在一端无间隙的固定在进口管板的管孔内、在另一端无间隙的固定在出口管板的管孔内。
进一步地，相邻的前折流板与后折流板之间的间距为换热管组长度的1/8～1/4。
进一步，管板、折流板、换热管组均由碳化硅陶瓷制成。
进一步地，新型碳化硅换热模块呈方形或圆形。
一种新型碳化硅换热模块的制造方法，制造方法如下：
步骤一、预先准备好碳化硅陶瓷制成的管板素胚、折流板素胚、换热管素胚；
步骤二、将管板素胚、折流板素胚、换热管素胚根据新型碳化硅换热模块的设置要求组装好，并在真空烧结炉中进行一次烧结；一次烧结环境为氮气气氛，一次烧结的温度为1600～1900℃，保温时间为0.5～4小时；
步骤三、一次烧结完成后，在管板、折流板、换热管的结合处涂覆焊料，焊料的涂覆厚度在100～500μm之间，利用石墨工装在真空烧结炉中进行二次烧结，使得管板、折流板、换热管在结合处无缝隙；二次烧结环境为氩气气氛，二次烧结温度为2000～2200℃，保温时间为0.5～2小时；
步骤四、二次烧结完成后在真空烧结炉内继续进行退火处理，获得本新型碳化硅换热模块终产品；退火处理环境为氮气气氛，退火温度为1500～1800℃，保温时间为2～8小时。
进一步地，步骤三中焊料为碳化硅、聚碳硅烷、硅粉组成的混合物。
进一步地，焊料中碳化硅的重量份为70～80份，聚碳硅烷的重量份为10～15份，硅粉的重量份为5～15份。
本发明公开了一种新型碳化硅换热模块，其换热管组、折流板、管板焊接为一体，摒弃了传统的换热管和管板的密封方式，即摒弃了O型密封圈，有效解决了耐高温性较差等问题；同时，也解决了换热管和折流板之间会存在间隙的问题，避免换热管因共振而发生断裂，大大增加了碳化硅换热器的使用安全性，也有效提高了本新型碳化硅换热模块的耐高压性。此外，本新型碳化硅换热模块充分发挥了碳化硅陶瓷的优异性能，应用范围更加广泛，在高温、高压以及强酸腐蚀、强碱腐蚀等苛刻条件下仍能够正常使用，具有非常良好的发展前景。本发明还公开了本新型碳化硅换热模块的制造方法，其可行性强，在管板、折流板、换热管的结合处涂覆焊料，使得通过此方法生产出的碳化硅换热模块的换热管组、折流板、管板焊接为一体，有效提高了碳化硅换热模块的使用性能以及应用范围。
附图说明
图1为本发明新型碳化硅换热模块呈圆形时的结构示意图。
图2为本发明新型碳化硅换热模块呈方形时的结构示意图。
图中：1、管板；2、折流板；3、换热管组；4、管孔；5、进口管板；6、前折流板；7、后折流板；8、换热管；9、出口管板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种新型碳化硅换热模块，如图1所示，为本新型碳化硅换热模块呈圆形时的结构示意图，其包括管板1、折流板2、换热管8，换热管3为两端连通的管道，换热管8设置有多根，多根换热管8组成换热管组3，换热管组8与折流板2、管板1焊接为一体。
首先，换热管组3与管板1焊接为一体，使得换热管组3与管板1之间无间隙的固定连接，具体为：管板1设置有两个，分别为进口管板5、出口管板9，进口管板5、出口管板9上分别开设有与换热管8相匹配的管孔4，换热管8在一端无间隙的固定在进口管板5的管孔内、在另一端无间隙的固定在出口管板9的管孔内，无间隙的实现方法为：在管板、换热管的结合处涂覆焊料并进行二次烧结。
由此，实现管板1与换热管8的密封，摒弃了传统的采用O型密封圈进行密封的方式，使得整个换热器的结构组成不再存在任何有机密封圈，既降低了密封泄露的风险，还排除了有机物对耐温、耐压、耐腐蚀等性能的限制，有效提高了本新型碳化硅换热器的性能。同时，换热管8与管板1在相接处直接固定连接，占用面积小，打破了传统的换热器对换热管数量的限制，同等面积的管板能够连接更多数量的换热管8，单位体积下换热面积更大，极大的提高了换热系数。对于本发明所公开的新型碳化硅换热模块，实现了换热管组3中相邻两根换热管的中心距离与换热管8的外径的比在1.2～1.5之间，相比于现如今市面上中心距离与管材外径比在2.0以上的现状，本新型碳化硅换热模块取得了明显的突破。
其次，对于传统的碳化硅换热器而言，换热板上的通孔(即折流孔)比换热管的外径大，会导致换热管与折流板之间不可避免的存在缝隙，换热器受到高温气流冲击时会产生振动，导致换热管极易因共振而出现断裂的现象，大大增加了碳化硅换热器的使用风险。
本发明所公开的换热管组3与折流板2焊接为一体，使得换热管组3中的换热管8与折流板2之间无间隙的固定连接。具体的为：折流板2包括前折流板6、后折流板7，前折流板6与后折流板7分布在换热管组3的两侧且前折流板6与后折流板7沿换热管组3的长度方向间隔排列；前折流板6、后折流板7上均开设有通孔，换热管8穿过通孔并在通孔处与换热管8无间隙的固定相接；无间隙的实现方法为：在换热管、折流板的结合处涂覆焊料并进行二次烧结。由此，解决了传统的换热管与折流板之间存在间隙的问题，有效提升了本新型碳化硅换热模块的运行可靠性。
此外，对于折流板2，其主要作用是让换热管8外的介质产生湍流效应，以增强碳化硅换热器的换热系数，由此，为确保本发明所公开的新型碳化硅换热器的换热性能，使得介质产生更好的湍流效应，相邻的前折流板6与后折流板7之间的间距为换热管组3长度的1/8～1/4。
如图2所示，为本新型碳化硅换热模块呈方形时的结构示意图，其与圆形的碳化硅换热模块除管板、折流板的形状不同外，其余结构特征均一致。对于碳化硅换热模块的通常采用圆形或方形，但根据实际需求也可设置为相应的形状，不仅仅限制在圆形或方形。
本发明还公开了本新型碳化硅换热模块的制造方法，制造方法如下：
步骤一、预先准备好碳化硅陶瓷制成的管板素胚、折流板素胚、换热管素胚；
步骤二、将管板素胚、折流板素胚、换热管素胚根据新型碳化硅换热模块的设置要求组装好，并在真空烧结炉中进行一次烧结；一次烧结环境为氮气气氛，一次烧结的温度为1600～1900℃，保温时间为0.5～4小时；
步骤三、一次烧结完成后，在管板、折流板、换热管的结合处涂覆焊料，焊料的涂覆厚度在100～500μm之间，利用石墨工装在真空烧结炉中进行二次烧结，使得管板、折流板、换热管在结合处无缝隙；二次烧结环境为氩气气氛，二次烧结温度为2000～2200℃，保温时间为0.5～2小时；其中，焊料为碳化硅、聚碳硅烷、硅粉组成的混合物。焊料中碳化硅的重量份为70～80份，聚碳硅烷的重量份为10～15份，硅粉的重量份为5～15份；
步骤四、二次烧结完成后在真空烧结炉内继续进行退火处理，获得本新型碳化硅换热模块终产品；退火处理环境为氮气气氛，退火温度为1500～1800℃，保温时间为2～8小时。
通过本方法所制备的新型碳化硅换热模块，主要用于介质的热交换，其管板1、折流板2、换热管组3均由碳化硅陶瓷制成，不存在任何有机密封圈，充分发挥碳化硅陶瓷的优异性能，具有高导热、耐高温、耐高压、耐腐蚀等多种特性，并且换热效率更高，相比于传统的碳化硅换热器以及石墨换热器、搪玻璃冷凝器、贵金属换热器、四氟换热器均取得明显进步。
下面结合具体的实施例，对本发明的做进一步说明。
【实施例一】
本实施例所公开的新型碳化硅换热模块呈圆形，具有参数如下表所示：
Figure BDA0002168425140000061
将本实施例的新型碳化硅安装在碳化硅换热器中，并进行应用，应用工况为：浓硫酸加热，应用压力为和温度为：250度、20Bar，本实施例的新型碳化硅换热模块换热效率(K值)可达2000W/m2·K。
同理，将同样参数的石墨块孔换热器、搪玻璃冷凝器、哈氏合金列管冷凝器、传统碳化硅列管冷凝器、传热碳化硅列管加热器应用于相同的工况和压力、温度条件，对应的换热效率(K值)依次为：400W/m2·K、300W/m2·K、600W/m2·K、1200W/m2·K、1000W/m2·K。
通过比对可知，本实施例所公开的新型碳化硅换热模块的换热效率明显提供，同时，本碳化硅换热模块经使用后仍能保持原有形状。
【实施例二】
本实施例所公开的新型碳化硅换热模块呈圆形，具有参数如下表所示：
Figure BDA0002168425140000071
将本实施例的新型碳化硅安装在碳化硅换热器中，并进行应用，应用工况为：氢氟酸、硝酸混合酸冷凝，应用压力为和温度为：150度、5BAR，本实施例的新型碳化硅换热模块换热效率(K值)可达2200W/m2·K。
同理，将同样参数的石墨块孔换热器、搪玻璃冷凝器、哈氏合金列管冷凝器、传统碳化硅列管冷凝器、传热碳化硅列管加热器应用于相同的工况和压力、温度条件，对应的换热效率(K值)依次为：440W/m2·K、330W/m2·K、660W/m2·K、1320W/m2·K、1100W/m2·K。
通过比对可知，本实施例所公开的新型碳化硅换热模块的换热效率明显提供，同时，本碳化硅换热模块经使用后仍能保持原有形状。
【实施例三】
本实施例所公开的新型碳化硅换热模块呈圆形，具有参数如下表所示：
Figure BDA0002168425140000072
将本实施例的新型碳化硅安装在碳化硅换热器中，并进行应用，应用工况为：空气预热器，应用压力为和温度为：1400度、常压，本实施例的新型碳化硅换热模块换热效率(K值)可达1800W/m2·K。
同理，将同样参数的石墨块孔换热器、搪玻璃冷凝器、哈氏合金列管冷凝器、传统碳化硅列管冷凝器、传热碳化硅列管加热器应用于相同的工况和压力、温度条件，对应的换热效率(K值)依次为：360W/m2·K、270W/m2·K、540W/m2·K、1080W/m2·K、900W/m2·K。
通过比对可知，本实施例所公开的新型碳化硅换热模块的换热效率明显提供，同时，本碳化硅换热模块经使用后仍能保持原有形状。
【实施例四】
本实施例所公开的新型碳化硅换热模块呈方形，具有参数如下表所示：
Figure BDA0002168425140000081
将本实施例的新型碳化硅安装在碳化硅换热器中，并进行应用，应用工况为：浓硝酸冷凝，应用压力为和温度为：120度、5Bar，本实施例的新型碳化硅换热模块换热效率(K值)可达1900W/m2·K。
同理，将同样参数的石墨块孔换热器、搪玻璃冷凝器、哈氏合金列管冷凝器、传统碳化硅列管冷凝器、传热碳化硅列管加热器应用于相同的工况和压力、温度条件，对应的换热效率(K值)依次为：380W/m2·K、285W/m2·K、570W/m2·K、1160W/m2·K、950W/m2·K。
通过比对可知，本实施例所公开的新型碳化硅换热模块的换热效率明显提供，同时，本碳化硅换热模块经使用后仍能保持原有形状。
【实施例五】
本实施例所公开的新型碳化硅换热模块呈方形，具有参数如下表所示：
Figure BDA0002168425140000082
将本实施例的新型碳化硅安装在碳化硅换热器中，并进行应用，应用工况为：浓硝酸冷凝，应用压力为和温度为：1200度、常压，本实施例的新型碳化硅换热模块换热效率(K值)可达1600W/m2·K。
同理，将同样参数的石墨块孔换热器、搪玻璃冷凝器、哈氏合金列管冷凝器、传统碳化硅列管冷凝器、传热碳化硅列管加热器应用于相同的工况和压力、温度条件，对应的换热效率(K值)依次为：320W/m2·K、240W/m2·K、480W/m2·K、960W/m2·K、800W/m2·K。
通过比对可知，本实施例所公开的新型碳化硅换热模块的换热效率明显提供，同时，本碳化硅换热模块经使用后仍能保持原有形状。
【实施例六】
本实施例所公开的新型碳化硅换热模块呈方形，具有参数如下表所示：
Figure BDA0002168425140000091
将本实施例的新型碳化硅安装在碳化硅换热器中，并进行应用，应用工况为：空气冷凝器，应用压力和温度为：180度、15BAR，本实施例的新型碳化硅换热模块换热效率(K值)可达1800W/m2·K。
同理，将同样参数的石墨块孔换热器、搪玻璃冷凝器、哈氏合金列管冷凝器、传统碳化硅列管冷凝器、传热碳化硅列管加热器应用于相同的工况和压力、温度条件，对应的换热效率(K值)依次为：360W/m2·K、270W/m2·K、540W/m2·K、1080W/m2·K、900W/m2·K。
通过比对可知，本实施例所公开的新型碳化硅换热模块的换热效率明显提供，同时，本碳化硅换热模块经使用后仍能保持原有形状。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型碳化硅换热模块，包括管板(1)、折流板(2)、换热管(8)，其特征在于：所述换热管(3)为两端连通的管道，换热管(8)设置有多根，多根换热管(8)组成换热管组(3)，换热管组(8)与折流板(2)、管板(1)焊接为一体；所述换热管组(3)中相邻两根换热管之间的中心距离与换热管(8)的外径的比为1.2～1.5；
所述折流板(2)包括前折流板(6)、后折流板(7)，前折流板(6)与后折流板(7)分布在换热管组(3)的两侧且前折流板(6)与后折流板(7)沿换热管组(3)的长度方向间隔排列；所述前折流板(6)、后折流板(7)上均开设有通孔，换热管(8)穿过通孔并在通孔处与折流板(2)无间隙的固定相接；
所述管板(1)设置有两个，分别为进口管板(5)、出口管板(9)，进口管板(5)、出口管板(9)上分别开设有与换热管(8)相匹配的管孔(4)，换热管(8)在一端无间隙的固定在进口管板(5)的管孔内、在另一端无间隙的固定在出口管板(9)的管孔内；
所述换热管(8)、折流板(2)、管板(1)之间无间隙的固定是由管板素胚、折流板素胚、换热管素胚组装好后经两次烧结实现的。
2.根据权利要求1所述的新型碳化硅换热模块，其特征在于：相邻的前折流板(6)与后折流板(7)之间的间距为换热管组(3)长度的1/8～1/4。
3.根据权利要求1所述的新型碳化硅换热模块，其特征在于：所述管板(1)、折流板(2)、换热管组(3)均由碳化硅陶瓷制成。
4.根据权利要求1所述的新型碳化硅换热模块，其特征在于：所述新型碳化硅换热模块呈方形或圆形。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的新型碳化硅换热模块的制造方法，其特征在于：所述制造方法如下：
步骤一、预先准备好碳化硅陶瓷制成的管板素胚、折流板素胚、换热管素胚；
步骤二、将管板素胚、折流板素胚、换热管素胚根据新型碳化硅换热模块的设置要求组装好，并在真空烧结炉中进行一次烧结；一次烧结环境为氮气气氛，一次烧结的温度为1600～1900℃，保温时间为0.5～4小时；
步骤三、一次烧结完成后，在管板、折流板、换热管的结合处涂覆焊料，焊料的涂覆厚度在100～500μm之间，利用石墨工装在真空烧结炉中进行二次烧结，使得管板、折流板、换热管在结合处无缝隙；二次烧结环境为氩气气氛，二次烧结温度为2000～2200℃，保温时间为0.5～2小时；
步骤四、二次烧结完成后在真空烧结炉内继续进行退火处理，获得本新型碳化硅换热模块终产品；退火处理环境为氮气气氛，退火温度为1500～1800℃，保温时间为2～8小时。
6.根据权利要求5所述的新型碳化硅换热模块的制造方法，其特征在于：步骤三中所述焊料为碳化硅、聚碳硅烷、硅粉组成的混合物。
7.根据权利要求6所述的新型碳化硅换热模块的制造方法，其特征在于：所述焊料中碳化硅的重量份为70～80份，聚碳硅烷的重量份为10～15份，硅粉的重量份为5～15份。
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