CN112781410A - 一种复合材料四氟的换热器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料四氟的换热器及其制备方法。该换热器包括换热管束，换热管束包括若干换热管和管板，若干换热管的两端分别设置在管板上，换热管包括金属管,金属管上设有四氟乙烯热缩管。它利用了金属管的机械强度好、换热效率高和聚四氟乙烯材料表面能低不易粘污的特点，在金属管外面套用非常容易购买的聚四氟乙烯热缩管，组合成为复合型的换热管。该热缩管和聚四氟乙烯管具有同样的功能，但热缩管的厚度只有聚四氟乙烯管的1/5～1/20，这样导热效率和单一材料的聚四氟乙烯管换热器相比提高了5倍以上，由于金属管作为热缩管的支撑，其机械强度和普通管壳式换热器基本一样，可以应用在较高压力的工艺流程上，且应用的领域广。

Description

一种复合材料四氟的换热器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种换热器，特别是一种具有自动清污功能的复合材料聚四氟乙烯换热器。

背景技术

换热器是工业流程生产过程中进行热量交换和传递的重要设备，在很多环境下具有腐蚀问题，在几乎所有应用领域都有换热面结垢问题。换热器的腐蚀问题式换热器缩短使用时间，使企业增加设备投资成本；换热器的结垢问题会降低换热效率增加能耗，使企业增大运行成本，严重时造成生产事故。

在腐蚀性严重的环境下，几乎所有的金属材料的换热设备都无法长期稳定运行；于是开发了石墨、陶瓷、玻璃、聚四氟乙烯等非金属材料的换热器。其中陶瓷、玻璃换热器存在易碎、体积大、导热性能差及易结垢和不易处理的缺点，石墨换热器虽然导热性好，但极易结垢，由于存在易碎、体积大等特点，因此不便于运行维护，如果将其用在有结垢物质的换热环境中也无法发挥导热性好的优势。

聚四氟乙烯换热器是用聚四氟乙烯管制成的换热设备，聚四氟乙烯被冠以“塑料王”美誉，作为结构材料和内衬材料，在腐蚀环境中得到广泛的应用。除了突出的化学性能稳定性，抗腐蚀能力强的特点外，用作换热器材料还具有表面光滑不吸附污垢，抗污塞性能好等优点。

聚四氟乙烯换热器的类型较多，性能各有特色，大体上可以分为以下两种：管壳式(应用领域最广，使用量最大)和浸入式(分为U型浸入式和盘管浸入式)。

目前聚四氟乙烯换热器加工制造的方式是直接用(改性的)聚四氟乙烯管作为换热管直接应用。聚四氟乙烯管制造的换热器虽然，虽然具有耐强腐蚀性、不易结垢、工作温度范围宽、质量轻及使用寿命长等优点，但是也存在机械强度差、导热性能差、加工性能差和表面粘结性差等缺点和不足：

第一、机械强度差

聚四氟乙烯换热管和金属管相比较机械性能要差很多，在较低的温度和小应力情况下即可发生冷流蠕变；使其使用温度范围和耐压程度受到极大限制，同时也必须防止机械性损伤。

第二、导热性能差

氟塑料热导率约0.21W/(m.K)，是金属的1/100～1/300。1×10-4m厚的塑料管与1×10-2m厚的不锈钢管的热阻相当。导热热阻大是塑料换热装置的主要缺陷。

从传热面积和热效率方面考虑，聚四氟乙烯换热器一般采用小直径、薄管壁聚四氟乙烯管制成(因为大直径聚四氟乙烯管壁较厚，热阻更大)，这样一方面可以使管壁的导热热阻大大降低，另一方面可以实现在单位体积内比金属换热器提供更大的传热面积。

由于采用小口径薄聚四氟乙烯换热管，使用中发现对通入管程介质通道中的介质纯净度要求较高，必须预防较大介质颗粒进入管内，否则就容易堵塞，影响换热效率；当管程介质被加热时，介质容易产生汽化，导致聚四氟乙烯管内产生气阻现象，阻碍介质流动，也影响换热效率。

如果采用大管径聚四氟乙烯管制造换热器，其壁厚至少达到1～3mm，热阻又太大，换热效率太低。

第三、管板和换热管之间连接性差

聚四氟乙烯换热器与其它任何材质的换热器一样不是任何条件下都能使用的设备，应用时必须根据它的特性，合理使用才能收到予期技术经济效果。聚四氟乙烯管比较软，无法向金属换热器那样进行自动焊接或胀接。基本都采用特殊胶接的技术方法，由于聚四氟乙烯是聚合物中表面能最低，最难胶结的塑料，必须进行特殊处理，目前，聚四氟乙烯换热器管板连接技术操作较难掌握，制作过程还达不到机械化和自动化。聚四氟乙烯的管板胶接工艺原理不同于钢制换热器管板焊接，加上其材质所限，就目前来讲无法进行，内部胶接质量检测，只能通过宏观检验手段如水压试验和气密性试验来确定胶接面的牢固性，对胶接面上存在的个别缺陷无法立即测定，只能在使用一段时间后定期检查弥补。

第四、不易安装在线机械除垢设备

聚四氟乙烯换热器在使用中虽然不容易粘附污垢，试验和实践发现经过一定时间的应用还会粘附一些污垢，虽然附着力不强，但也会附着沉积在管壁上，尤其是应用在结垢严重或快速结晶的环境中时，由于附着物的问题也会影响聚四氟乙烯换热器的换热效率。由于聚四氟乙烯换热管机械强度低、材质比较软，在正常换热过程中聚四氟乙烯换热管一直处在小幅度抖动中，如果安装在线机械刮板类除垢设备，换热管的抖动容易给聚四氟乙烯换热管造成伤害；另外，由于聚四氟乙烯换热管强度低，刮板式除垢器在除垢过程中使换热管变形而降低除垢效果。

为了利用成熟的金属换热器的结构，采用在金属换热表面喷涂聚四氟乙烯涂层的方法，但聚四氟乙烯稳定的化学性能和难粘结性限制了它的应用。将氟塑料偶联剂，将其涂在金属表面，在高温下形成过渡膜，可使聚四氟乙烯层粘结在基体金属表面。然而聚四氟乙烯涂装换热器须多道涂装、多次高温烧结，需要较多专用大型设备，工艺复杂，过程工艺要求杨，又能耗较大，成本较高，所以不便于工业化生产。另外，聚四氟乙烯涂层是将很难粘结的材料利用偶联剂附着在金属壁面上，由于聚四氟乙烯材料的化学稳定性决定，涂层在高温烧结过程中，只发生了涂层内部的物理变化，而没有发生聚四氟乙烯涂层和金属表面相互渗透的作用，即四氟乙烯涂层和金属表面之间结合方式只是一种机械结合，是指涂料粒子经喷涂后，附着于基体表面的凹凸点上，它的结合与基体表面粗糙度和锚状结构有关，是粒子的嵌锁作用而形成的一种机械力；所以这种结合比较脆弱，容易出现裂纹、脆裂和脱落等问题，在实践应用中也经常出现这样的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种在满足和超越传统聚四氟乙烯换热器功能的基础上，也解决了上述各方面的不足的具有自动清污功能的复合材料聚四氟乙烯换热器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种复合材料四氟的换热器，包括换热管束，其特征在于，所述换热管束包括若干换热管和管板，所述若干换热管的两端分别设置在管板上，所述换热管包括金属管,所述金属管上设有四氟乙烯热缩管。

优选地，所述换热管的两端与管板通过胀接或胶接或焊接的方式连接。

优选地，所述换热管的两端与管板通过压接方式连接，所述换热管两端采用外大内小的锥形孔，所述压接方式包括压圈，所述压圈采用与换热管锥形角度相匹配的锥形圈，所述换热管的端部穿过管板后通过压圈与管板紧密连接。

优选地，还包括带内腔的壳体，所述换热管束放置在壳体的空腔内，所述壳体的顶部和底部分别安装封头和封底制成壳程，所述壳程上设有管程进口、管程出口、壳程进口和壳程出口，所述管程进口和管程出口分别换热管束的两端，所述壳程内设有自动除垢设备，所述自动除垢设备设置在换热管束上。

优选地，所述自动除垢设备包括至少一根丝杆，所述丝杆穿设在壳程上并通过丝杆内密封件和丝杆外密封件密封，所述丝杆的一端连接丝杆驱动器，所述壳体内的丝杠上通过丝杆套连接有至少一组刮板，所述刮板上设有与换热管外径相匹配的通孔，所述若干换热管套设在刮板的通孔内；所述丝杆驱动器控制丝杠运作，所述丝杠上的丝杆套带动刮板上下移动实现对换热管制成的换热管束除垢。

优选地，所述壳程的外侧设有联通管，所述联通管的两端分别连通壳体内腔的上腔体和下腔体，所述自动除垢设备运行时，通过联通管可以在上下流动过程中增大壳程的流体扰动，能够有效的增加传热能量，同时有助于防垢除垢。

优选地，所述自动除垢设备包括螺旋刮板，所述螺旋刮板上设有若干通孔，所述螺旋刮板采用螺旋缠绕的方式绕设在换热管束上，且螺旋刮板的两端延伸出壳程的两端，通过旋转螺旋刮板的一端，实现螺旋刮板的旋转移动，从而实现对换热管束除垢的目的，且壳体内的流体可以通过螺旋刮板上的通孔上下流动，流动过程中增大壳程中的流体扰动，能够有效的增加传热能量，同时有助于防垢除垢。

优选地，所述丝杠上通过丝杆套连接多组刮板，所述多组刮板采用错位方式均匀分布在丝杆套上，所述刮板上设有与换热管外径相匹配的通孔，所述若干换热管套设在刮板的通孔内；通过丝杆驱动器控制丝杠运作，所述丝杠上的丝杆套带动错位分布的刮板上下移动实现对换热管制成的换热管束除垢。

优选地，所述壳体内腔的上下位置分别设有一个固定管架，所述两个固定管架之间设有固定管，所述固定管位于壳体的中轴位置，所述换热管分为上下两组且分别通过管板连接管程进口和管程出口，所述上下两组换热管分别采用顺时针和逆时针的方式间隔叠加绕设在固定管上，且若干换热管之间留出均匀的间隙；所述自动除垢设备采用超声波除垢，所述超声波采用换能器，所述换能器设置在壳体上，所述换能器通电工作时产生高频低振幅的波动能量，该能量通过壳体传递给壳体内的液体，使液体同步产生高频低振幅的波动，该波动对换热管产生剧烈的扰动，该扰动具有很好的在线除垢防垢和强化换热的功能。

本发明还提供一种复合材料四氟的换热器的制备方法，步骤如下：

一种复合材料四氟的换热器的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S1:保证施工环境的干燥和洁净；将若干换热管的金属管外壁清理干净、并烘干；

S2:使用高导热系数的纳米导热脂反复均匀擦拭金属管外壁，擦到用肉眼能观察到管壁变色，其目的是用导热脂将金属壁面沟壑里的空气、水汽、腐蚀性物质置换掉；

S3:将聚四氟乙烯热缩管套在金属管外面后，将热风枪调到合适温度给聚四氟乙烯热缩管加热进行热缩，制成复合型的换热管；

S4:然后将多根复合型的换热管组合成复合材料四氟的换热管束，并在换热管束的两端安装管板制成复合材料四氟的换热器。

本发明与现有技术的换热器相比，具有以下优点：

1、本发明具有传统聚四氟乙烯换热器较强的抗酸、抗氧化、不易结垢的全部优点，其使用范围和全聚四氟乙烯管换热设备的壳程应用环境一样。

2、本发明通过采用复合式聚四氟乙烯换热管有金属管做支撑，所以其机械强度远高于普通的聚四氟乙烯换热管，由于聚四氟乙烯换热管很薄，所以传热系数也远高于普通的聚四氟乙烯换热管。由于聚四氟乙烯材料是管状材料用热缩方式和金属管配合的，所以也没有金属管进行喷涂工艺制成换热管的涂层破裂和脱落的嫌疑，而且聚四氟乙烯热缩管材料易购，复合式聚四氟乙烯换热管生产加工过程简单，不需要加热炉等大型设备，也没有大的能耗。所以本发明具有更简单的加工工艺、更好的传热性能和更长的运行时间。

3、本发明采用的换热管内有金属管，金属管和管板之间采用简单的胀接工艺方式连接，也能满足连接强度要求，不需要采用工艺复杂的胶接方式。

4、具有和普通金属管换热器一样的抗压能力，可以应用在传统聚四氟乙烯换热器无法应用的高压环境。

5、可以安装在线物理方法防垢除垢设备，可以应用到结垢和污染更加严重的场合，并且能够持续保持高效换热效果。

附图说明

图1为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器的结构示意图；

图2为图1中换热管的放大结构示意图；

图3为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器中换热管与管板的胀接和焊接示意图；

图4为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器中换热管与管板压接示意图；

图5为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器实施例一的结构示意图；

图6为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器实施例二中刮板的结构示意图；

图7为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器实施例三的结构示意图；

图8为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器实施例四中刮板的结构示意图；

图9为图8中刮板片的结构示意图；

图10为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器实施例五的结构示意图；

图11为图10中螺旋刮板放大的结构示意图；

图12为本发明提出的一种复合材料四氟的换热器实施例六的结构示意图。

图中标号：

1、换热管；1.1、金属管；1.2、聚四氟乙烯热缩管；2、管板；3、焊口；4、压圈；5、压盖；6、刮板；7、丝杆套；8、丝杆；9、壳程进口；10、丝杆内密封件；11、丝杆外密封件；12、丝杆驱动器；13、封头；14、管程出口；15、联通管；16、管程进口；17、壳程出口；18、刮板支架；19、螺旋刮板；20、固定管架；21、固定管；22、壳体；23、换能器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，为本发明提供的一种复合材料四氟的换热器，包括若干根换热管1，所述换热管1的两端分别安装在管板2上，所述换热管1包括金属管1.1,所述金属管1.1上通过热缩的方式安装四氟乙烯热缩管1.2制成了复合型的换热管，多根复合型的换热管组合成换热管束，并在换热管束的两端安装管板制成管壳式换热器的换热器，从外形上和普通的管壳式换热器很相似，但是复合型的换热管的金属管1.1起到支撑和强化导热的功能，聚四氟乙烯热缩管1.2包覆在金属管1.1的外面，起到防止结垢或污染的功能。

但是即使非常干净平整的金属在高倍放大镜下观察，都会发现金属壁面是由1～5纳米紧密排列的沟壑组成，这些沟壑里还有空气，甚至还含有水汽或腐蚀性物质；如果用热缩管直接将这些气体和腐蚀性物质封存在里面，空气会影响传热效果，水汽会影响热缩管的附着能力，腐蚀性物质会损坏金属管，这样会严重影响传热效果和热缩管的强度，所以本发明还提供了管壳式换热器的换热管束的制备工艺，步骤如下：

一种复合材料四氟的换热器的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S1:保证施工环境的干燥和洁净；将若干换热管1的金属管1.1外壁清理干净、并烘干；

S2:使用高导热系数的纳米导热脂反复均匀擦拭金属管1.1外壁，擦到用肉眼能观察到管壁变色，其目的是用导热脂将金属壁面沟壑里的空气、水汽、腐蚀性物质置换掉；

S3:将聚四氟乙烯热缩管1.2套在金属管1.1外面后，将热风枪调到合适温度给聚四氟乙烯热缩管1.2加热进行热缩，制成复合型的换热管1；

S4:然后将多根复合型的换热管1组合成复合材料四氟的换热管束，并在换热管束的两端安装管板2制成复合材料四氟的换热器。

进一步，所述S2步骤中选择聚四氟乙烯热缩管1.2时其内径要注意要选择和金属管1.1外径接近的，最好是刚好能够套入的口径；

进一步，所述S3步骤中开始热缩的位置可以从金属管1.1的中间开始，也可以从一端开始。

进一步，所述热风枪采用圆周出热风的形式且温度可控。在热缩时要一次性依次把热缩位置的空气等杂物全部干净彻底的赶出热缩管，否则，该热缩管施工过程失败，必须将金属管1.1拆卸下来重新热缩。

本发明利用了金属管的机械强度好、换热效率高和聚四氟乙烯材料表面能低不易粘污的特点，在金属管外面套用非常容易购买的聚四氟乙烯热缩管，组合成为复合型的换热管。该热缩管和聚四氟乙烯管具有同样的功能，但热缩管的厚度只有聚四氟乙烯管的1/5～1/20，这样导热效率和单一材料的聚四氟乙烯管换热器相比就提高了5倍以上；由于金属管作为热缩管的支撑，其机械强度和普通的管壳式换热器基本一样，可以应用在较高压力的工艺流程上。

本发明中的管板2可以选用金属材料的也可以选用非金属材料的。当管板2采用金属材料时，换热管1和管板2的连接方式可以采用胀接、压接、胶接，也可以采用焊接方式。当管板2采用非金属材料时，换热管1和管板2的连接方式可以采用胀接、压接、胶接方式。胀接工艺和普通的金属管换热器的工艺相同，在应用在压力较高的环境时在胀接的基础上还可以再进行焊接，如图3所示，在焊口3处进行焊接作业时要选用专业的快速焊接工艺，并做好散热处理，以免对聚四氟乙烯热缩管1.2造成伤害。

如图4所示，所述换热管1的两端与管板2也可以通过压接方式连接，要求管板2上的换热管孔呈2～10度左右的外大内小的锥形，压圈4也是成相同角度的锥形圈，由金属材料制成。操作方法：换热管1穿过管板2后露出1～2mm左右，再将压圈4均匀压入换热管1内，将换热管1和管板2紧密连接，也可以使用压盖5统一将将压圈4均匀压入换热管1内。在金属管1.1的管壁较薄时推荐使用该工艺方法，进行换热管1和管板2的连接。压圈4的机械强度要大于金属管1.1的机械强度，才能将金属管1.1撑大压紧。

进一步，本发明中的金属管1.1外径可以是5～40mm，壁厚根据管内的设计压力确定；热缩管1.2的内径根据金属管1.1的外径选择，热缩管1.2的壁厚根据管外的介质特性选择。

进一步，本发明中的金属管1.1的材质根据管内的介质特性选择，例如管内流动的是没有腐蚀性的液体时，可以选用普通碳钢管；当管内流动的是有腐蚀性的液体时，可以选用不锈钢管、钛管等；管内流动的是空气时，可以选用铜管或铝管。

本发明中换热器的结构形式可以制作成管壳式换热器、U形管式换热器、缠绕管式换热器。本发明的换热器由于结构特点的限制，不结垢、不腐蚀的物料只能走管程，易结垢、腐蚀和氧化性强的物料只能用壳程，换热器的壳体必须做好防腐处理，或选择防腐材料制成。其中管壳式换热器可以安装刮板式在线除垢设备或超声除垢设备，缠绕管式换热器可以安装超声在线除垢设备。对于小型管壳式换热器可以安装单丝杆驱动的刮板机构，对于大型管壳式换热器可以安装多丝杆驱动的刮板机构，管板可以设置为单一全直刮板，也可以设置为多个全直刮板，也可以设置为错位的半直刮板，也可以设置为螺旋式刮板。U形管式换热器和缠绕管式换热器上可以设置超声在线除垢装置。以下结合实施例进行讲解。

实施例一

如图5所示，为本实施例一采用换热管束制成的小型管壳式换热器，小型管壳式换热器可以安装单丝杆驱动的刮板机构。

小型管壳式换热器包括壳体22、刮板6、丝杆套7、丝杆8、壳程进口9、丝杆内密封件10、丝杆外密封件11、丝杆驱动器12、封头13、管程出口14、联通管15、管程进口16、壳程出口17。

所述壳体22的顶部和底部分别安装封头13和封底制成壳程，壳程上设有管程进口16、管程出口14、壳程进口9和壳程出口17，所述管程进口16和管程出口14分别连接换热管束的两端，所述壳程内设有自动除垢设备，所述自动除垢设备安装在换热管束上。

自动除垢设备包括一根丝杆8，所述丝杆8穿设在壳程上并通过丝杆内密封件10和丝杆外密封件11密封，所述丝杆8的一端连接丝杆驱动器12，所述壳程内的丝杠8上通过丝杆套7连接有一组刮板6，所述刮板6上设有与换热管1外径相匹配的通孔，所述刮板6通过该通孔套设在换热管1外，即刮板6上的圆孔和管板上的圆孔完全一致，每根换热管1都穿过刮板6上对应的圆孔。丝杆8在丝杆驱动器12驱动下可以正反方向旋转，带动丝杆套7和刮板6上下移动实现对换热管1除垢。在丝杆8和管板2处设置有丝杆内密封件10，在丝杆8和封头13处设有丝杆外密封件11，在丝杆8的最顶端设置有丝杆驱动器12。

进一步，在壳程外侧设有联通管15，所述联通管15的两端分别连通壳体22内腔的上腔体和下腔体，所述自动除垢设备运行时，通过联通管15可以在上下流动过程中增大壳程的流体扰动，能够有效的增加传热能量，同时有助于防垢除垢。

假设热源是蒸汽，被加热物质是高盐废水。蒸汽从管程进口16，从管程出口14排出；高盐废水从壳程进口9进入，从壳程出口17排出。高盐废水在被加热过程中会在加热管外壁上沉积污垢，虽然聚四氟乙烯材料表面能很低，不易被污染，但实验室研究和实际应用发现聚四氟乙烯管外面还会粘结一些物质，尤其是加热高盐废水时由于污染物浓度高、结垢物质多，聚四氟乙烯管结垢的问题也经常发生，所以安装在线自动清垢装置是有必要的。

当有结垢问题发生时，丝杆驱动器12驱动丝杆8左右旋转，带动动丝杆套7和刮板6上下移动。刮板6和换热管1有轻微的接触，就可以将换热管1外面的污垢挂掉。当刮板6向上移动时，管板上面液体压力会增加，管板下面液体压力会减少，高盐废水通过联通管15导入换热器的下边，高盐废水在上下流动过程中增大壳程的流体扰动，能够有效的增加传热能量，同时有助于防垢除垢；当刮板6向下移动时，管板下面液体压力会增加，管板上面液体压力会减少，高盐废水通过联通管15导入换热器的上边。刮板6的上下移动起到了防垢除垢和强化换热的效果。

实施例二

如图6所示，实施例二采用换热管束制成的大型管壳式换热器，即当管壳式换热器的直径较大时，为了保证刮板6上下平稳移动，需要在刮板6上增加同步驱动点，所以本实施例二是在实施例一的基础上增加了丝杆8的数量，其它方面的运行方式和安装方式实施例一的基本一样。

实施例三

如图7所示，所述丝杠8上通过丝杆套7连接多组刮板6，所述多组刮板6采用错位方式均匀分布在丝杆套7上，所述刮板6上设有与换热管1外径相匹配的通孔，所述若干换热管1套设在刮板6的通孔内；通过丝杆驱动器12控制丝杠8运作，所述丝杠8上的丝杆套7带动错位分布的刮板6上下移动实现对换热管1除垢。

实施例四

如图8和图9所示，本实施例四为了提高刮板6的运行稳定性和除垢效果，对刮板6就行了改良，本发明采用的刮板6由刮板夹板6.1和刮板片6.2构成，其中刮板片6.2设置在两片刮板夹板6.1中间，刮板片6.2设置成多齿状和多薄片状。

实施例五

如图10和图11所示，为本实施例四是在实施例一的基础上对自动除垢设备进行替代的一种方案，该替代方案中的自动除垢设备包括螺旋刮板19，所述螺旋刮板19上设有若干通孔，所述螺旋刮板19采用螺旋缠绕的方式绕设在换热管束上，且螺旋刮板19的两端延伸出壳程的两端，通过旋转螺旋刮板19的一端，实现螺旋刮板19的旋转移动，从而实现对换热管束除垢的目的，且壳体11内的流体可以通过螺旋刮板19上的通孔上下流动，流动过程中增大壳程中的流体扰动，能够有效的增加传热能量，同时有助于防垢除垢。

实施例六

如图12所示，本实施例五采用换热管束制成的缠绕管式换热器，该换热器具有单位体积内换热系数大的特点。由于换热管是缠绕式结构，刮板式除垢装置无法使用。

缠绕管式换热器包括在壳体22内腔的上下位置分别焊接有一个固定管架20，所述两个固定管架20之间焊接有固定管21，所述固定管21位于壳体22的中轴位置，所述换热管1分为上下两组且分别通过管板2连接管程进口16和管程出口14。换热管1和管板2的连接方式可以是胀接和压接，所述上下两组换热管1分别采用顺时针和逆时针的方式间隔叠加绕设在固定管21上，且若干换热管1之间留出均匀的间隙，最后接在管板2上，该换热器的流程过程和管壳式换热器一样。

由于换热管是缠绕式结构，刮板式除垢装置无法使用，需要采用超声波除垢，所述超声波采用换能器23，所述换能器23设置在壳体22上并与之焊接，所述换能器23通电工作时产生高频低振幅的波动能量，该能量通过壳体22传递给壳体22内的液体，使液体同步产生高频低振幅的波动，该波动对换热管1产生剧烈的扰动，该扰动具有很好的在线除垢防垢和强化换热的功能。再配合聚四氟材料的低表面能的不易粘附特性，该发明的符合材料聚四氟乙烯缠绕管式换热器可以应用在常规金属缠绕管换热器无法应用的环境。

进一步，本发明换热器的安装方向没有限制，可以竖直方向安装，也可以水平方向安装。

本发明换热器具有十分广阔的发展前景，应用领域较多，硫酸、化肥、医药等化工行业设备要更新换代，因而需要大量先进的聚四氟乙烯换热器设备。这种换热器设备用作加热器、预热器、蒸发器、再沸器、冷凝器、分凝器、结晶器和冷却器等，具备非常好的应用前景。以下结合实例详细描述本发明在应用领域中的工作原理和作用：

一、本发明在凝结换热中的应用如下：

利用珠状凝结强化换热原理，本发明复合材料聚四氟乙烯热缩管换热器可以应用在蒸汽冷凝换热领域的应用，典型的应用设备有火力发电系统的凝汽器、油田系统的真空相变锅炉、蒸馏技术领域的海水露点淡化设备等，它们都是利用换热管内的冷却介质将换热管外的蒸汽冷凝后放出汽化潜热进行换热。这种换热器一般都水平方向安装。

当蒸汽直接接触固体表面时，蒸汽就会在固体表面凝结。一般金属管表面润湿性能较好，在表面会形成凝结液膜，这种凝结液膜将蒸汽与换热管壁隔离，后续蒸汽凝结过程只能发生在已凝结液膜的表面，凝结潜热只能以对流和导热的方式穿过液膜传到换热管壁面上。在本发明的换热器中由于换热管外壁包裹一层很薄的聚四氟乙烯材料，其表面能非常低，表面润湿性能不好，凝结液不能很好地润湿壁面，则液膜不能在固体表面上形成，而是形成分布散乱的珠状液滴，这种凝结形态就是珠状凝结。而对于珠状凝结，部分蒸汽直接在壁面上冷凝成液滴，另一部分蒸汽与小液滴表面接触而凝结成大液滴，凝结放热更加剧烈，从而强化了换热过程，提高了换热效率。

本发明换热器在凝结换热过程中，大部分的换热面都是进行珠状凝结换热，完全客服了聚四氟乙烯薄膜热阻的影响，实验和实践过程证明本发明换热器在该领域的传热系数为普通铜管的4倍以上，远远高于一般金属管换热器。

二、本发明在物料蒸发及浓缩液蒸发中的应用

水平管降膜蒸发器是一种高效蒸发设备，其相比于竖管升膜蒸发器或浸没式蒸发器具有传热系数高、设备紧凑、可靠的布液效果、液膜在水平管表面行程短、较好的汽液两相分离效果、能提供较大的二次蒸汽流通面积，有效降低二次蒸汽流速，有效减少了液滴夹带，避免了昂贵的汽液分离器的使用。

如果利用本发明换热管制成的水平管降膜蒸发器，不但保留上述的全部优势，而且还具有高效换热和不结垢的特点。水平管降膜蒸发中，流体沿管壁降膜流动时，随喷淋量的不同，流体在管间呈现出不同的流动形态。理想的横管降膜流动形态主要被分成滴状流动、柱状流动和片状流动，研究发现不同的流型对传热效果有着非常大的影响，即存在一个最优雷诺数，使在此雷诺数下，传热系数可以达到极大值。研究发现流型转换雷诺数与管径无关，与伽利略数有关，即换热管表面张力在流型转换中起到了重要的作用。

对于一般的水平金属管蒸发器在蒸发过程中，由于金属管的表面能较高，流体在换热管表面会产生较厚的液膜，热阻较大；同时液膜下降的速度也比较慢，流体对下排管的冲刷效果也不强烈，即对下排管的扰动小，强化换热效果若。

利用本发明换热管制成的水平管降膜蒸发器，由于表面能非常低，喷淋到换热管上的液膜很快向下流出，只会形成非常薄的液膜，热阻减少加强了换热效果；从上排换热管流下来流体速度较快，对下排管的冲刷效果也比较大，由于壁面表面能低，下排的换热管上面的液膜也不会累积很厚，从而加剧了液膜的波动，对流换热有着显著的增强效果。

当蒸发浓度较高的流体时，由于流体的粘性较大、结垢严重、流动性差，在蒸发过程非常容易结垢和堵管，此时，安装本发明的刮板机构就可以解决问题。

三、本发明在锅炉烟气余热回收方面应用

本发明复合材料聚四氟乙烯换热器可以应用在燃煤电站锅炉烟气余热回收利用方面，尤其是垃圾焚烧烟气低温余热回收利用方面。

垃圾焚烧后的排烟含水率过高，温度过高，汽化潜热白白浪费等问题，采用换热设备回收低温烟气的显热与水蒸汽潜热，可以大幅提高余热回收效率，且流程简单、结构紧凑、占地面积小、投资少、运行费用低，因而具有较好的发展前景和推广价值。

与燃气(油)等锅炉相比，垃圾焚烧烟气有其自身特点：

垃圾焚烧烟气的含氧量高，氧化气氛相对较强，SO2被氧化的机会大，对烟道腐蚀性较强，因此冷凝过程必须用耐腐蚀材料；

烟气中HCl含量较高，酸腐蚀较强，对烟气的冷凝也有一定的影响；烟气中水蒸汽体积较高，因此烟气余热回收的潜力较大。在烟气冷凝过程中，包括汞在内的绝大部分重金属及飞灰进入冷凝液，冷凝酸液的主要成分为盐酸及少量硫酸、硝酸、氢氟酸，此外还包括少量相应盐类，为强酸。

因此，在烟气低温余热回收过程中存在严重的积灰、腐蚀和传热等问题，目前常用的热管换热器、管式换热器、板式换热器在实际应用中都无法避免快速堵塞和腐蚀损坏等问题，造成使用时间短、换热效率低、维护量大等问题。

利用本发明换热管制成的余热回收换热器，由于表面能非常低，在换热管的外侧没有积灰的问题；由于聚四氟乙烯材料能耐强酸强碱的腐蚀，所以也没有腐蚀的问题；由于采用了金属管和超薄聚四氟乙烯热缩管构成的换热管，其换热效果比全金属管稍差一些，但比全聚四氟乙烯材料换热器高出3倍以上。

四、本发明在污水源热泵中的应用

聚四氟乙烯材料换热器不易黏附物理过程和化学反应的污垢得到试验验证，在污水源热泵系统中应用占有很大优势。当污水源含杂质很少、没有颗粒物、结垢比较轻时，可以应用本发明图9所示的缠绕管式换热器，可以保证换热器长期稳定运行，并且免维护。当污水源含杂质较多、没有大颗粒物、结垢比严重时，可以应用本发明管壳式换热器，可以保证换热器长期稳定运行，并且免维护。

五、本发明在稀硫酸浓缩方面的应用

稀硫酸具有很强的腐蚀性，目前稀硫酸浓缩领域使用的蒸发器全部都是石墨材料的蒸发器。石墨蒸发器虽然换热效率高，但非常容易粘结污垢，换热管经常被完全堵塞，造成蒸发效率非常低，检修工作量非常大，不能连续蒸发而且无法满足设计蒸发量，另外，由于石墨材料很脆，在检修维护中很容易损坏。

利用本发明换热管制成的稀硫酸蒸发器，由于表面能非常低，在换热管的外侧没有积垢的问题；由于聚四氟乙烯材料能耐强酸强碱的腐蚀，所以也没有腐蚀的问题；由于采用了金属管和超薄聚四氟乙烯热缩管构成的换热管，其换热效果比全新的石墨换热器差一些，但本发明蒸发器能够达到就长时间的稳定运行，并始终保持运行之初的蒸发量，和结垢严重并经常检修的石墨蒸发器相比较，其长时间内累计的蒸发量高出2倍以上。

六、本发明在涂装工业中的应用

在涂装工业生产过程中，前处理的酸洗、磷化槽溶液加热是个较为棘手的问题，酸洗槽的酸洗液腐蚀性极强。磷化属于化学镀，所用的锌系磷化液自由镀复性很强，与金属基体结合很好，换热管表面很快镀上一层磷化物，导致传热失效。为了改善换热器的耐腐蚀性能和抗结垢能力，虽然利用聚四氟乙烯换热器并获得成功，但由于全聚四氟乙烯材料换热管管壁比较厚，而影响传热效率。利用本发明换热管制成的加热器对磷化槽溶液加热，必要时再安装在线自动除垢装置，可以确保加热系统长期稳定运行，换热效率比全聚四氟乙烯材料换热器高出3倍以上。

本发明与现有技术的换热器相比，具有以下优点：

1具有传统聚四氟乙烯换热器较强的抗酸、抗氧化、不易结垢的全部优点，其使用范围和全聚四氟乙烯管换热设备的壳程应用环境一样。

2复合式聚四氟乙烯换热管有金属管做支撑，所以其机械强度远高于普通的聚四氟乙烯换热管，由于聚四氟乙烯换热管很薄，所以传热系数也远高于普通的聚四氟乙烯换热管。由于聚四氟乙烯材料是管状材料用热缩方式和金属管配合的，所以也没有金属管进行喷涂工艺制成换热管的涂层破裂和脱落的嫌疑，而且聚四氟乙烯热缩管材料易购，复合式聚四氟乙烯换热管生产加工过程简单，不需要加热炉等大型设备，也没有大的能耗。所以本发明具有更简单的加工工艺、更好的传热性能和更长的运行时间。

3由于换热管内有金属管，和管板之间采用简单的胀接工艺方式连接，也能满足连接强度要求，不需要采用工艺复杂的胶接方式。

4具有和普通金属管换热器一样的抗压能力，可以应用在传统聚四氟乙烯换热器无法应用的高压环境。

5可以安装在线物理方法防垢除垢设备，可以应用到结垢和污染更加严重的场合，并且能够持续保持高效换热效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

Claims (10)

1.一种复合材料四氟的换热器，包括换热管束，其特征在于，所述换热管束包括若干换热管(1)和管板(2)，所述若干换热管(1)的两端分别设置在管板(2)上，所述换热管(1)包括金属管(1.1),所述金属管(1.1)上设有四氟乙烯热缩管(1.2)。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，所述换热管(1)的两端与管板(2)通过胀接或胶接或焊接的方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，所述换热管(1)的两端与管板(2)通过压接方式连接，所述换热管(1)两端采用外大内小的锥形孔，所述压接方式包括压圈(4)，所述压圈(4)采用与换热管(1)锥形角度相匹配的锥形圈，所述换热管(1)的端部穿过管板(2)后通过压圈(4)与管板(2)紧密连接。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，还包括带内腔的壳体(22)，所述换热管束放置在壳体(22)的空腔内，所述壳体(22)的顶部和底部分别安装封头(13)和封底制成壳程，所述壳程上设有管程进口(16)、管程出口(14)、壳程进口(9)和壳程出口(17)，所述管程进口(16)和管程出口(14)分别换热管束的两端，所述壳程内设有自动除垢设备，所述自动除垢设备设置在换热管束上。

5.根据权利要求4所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，所述自动除垢设备包括至少一根丝杆(8)，所述丝杆(8)穿设在壳程上并通过丝杆内密封件(10)和丝杆外密封件(11)密封，所述丝杆(8)的一端连接丝杆驱动器(12)，所述壳程内的丝杠(8)上通过丝杆套(7)连接有至少一组刮板(6)，所述刮板(6)上设有与换热管(1)外径相匹配的通孔，所述若干换热管(1)套设在刮板(6)的通孔内；所述丝杆驱动器(12)控制丝杠(8)运作，所述丝杠(8)上的丝杆套(7)带动刮板(6)上下移动实现对换热管(1)制成的换热管束除垢。

6.根据权利要求5所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，所述壳程的外侧设有联通管(15)，所述联通管(15)的两端分别连通壳体(22)内腔的上腔体和下腔体，所述自动除垢设备运行时，通过联通管(15)可以在上下流动过程中增大壳程的流体扰动，能够有效的增加传热能量，同时有助于防垢除垢。

7.根据权利要求4所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，所述自动除垢设备包括螺旋刮板(19)，所述螺旋刮板(19)上设有若干通孔，所述螺旋刮板(19)采用螺旋缠绕的方式绕设在换热管束上，且螺旋刮板(19)的两端延伸出壳程的两端，通过旋转螺旋刮板(19)的一端，实现螺旋刮板(19)的旋转移动，从而实现对换热管束除垢的目的，且壳体(11)内的流体可以通过螺旋刮板(19)上的通孔上下流动，流动过程中增大壳程中的流体扰动，能够有效的增加传热能量，同时有助于防垢除垢。

8.根据权利要求4所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，所述丝杠(8)上通过丝杆套(7)连接多组刮板(6)，所述多组刮板(6)采用错位方式均匀分布在丝杆套(7)上，所述刮板(6)上设有与换热管(1)外径相匹配的通孔，所述若干换热管(1)套设在刮板(6)的通孔内；通过丝杆驱动器(12)控制丝杠(8)运作，所述丝杠(8)上的丝杆套(7)带动错位分布的刮板(6)上下移动实现对换热管(1)制成的换热管束除垢。

9.根据权利要求4所述的一种复合材料四氟的换热器，其特征在于，所述壳体(22)内腔的上下位置分别设有一个固定管架(20)，所述两个固定管架(20)之间设有固定管(21)，所述固定管(21)位于壳体(22)的中轴位置，所述换热管(1)分为上下两组且分别通过管板(2)连接管程进口(16)和管程出口(14)，所述上下两组换热管(1)分别采用顺时针和逆时针的方式间隔叠加绕设在固定管(21)上，且若干换热管(1)之间留出均匀的间隙；所述自动除垢设备采用超声波除垢，所述超声波采用换能器(23)，所述换能器(23)设置在壳体(22)上，所述换能器(23)通电工作时产生高频低振幅的波动能量，该能量通过壳体(22)传递给壳体(22)内的液体，使液体同步产生高频低振幅的波动，该波动对换热管(1)产生剧烈的扰动，该扰动具有很好的在线除垢防垢和强化换热的功能。

10.一种复合材料四氟的换热器的制备方法，其特征在于，步骤如下：

S1:保证施工环境的干燥和洁净；将若干换热管(1)的金属管(1.1)外壁清理干净、并烘干；

S2:使用高导热系数的纳米导热脂反复均匀擦拭金属管(1.1)外壁，擦到用肉眼能观察到管壁变色，其目的是用导热脂将金属壁面沟壑里的空气、水汽、腐蚀性物质置换掉；

S3:将聚四氟乙烯热缩管(1.2)套在金属管(1.1)外面后，将热风枪调到合适温度给聚四氟乙烯热缩管(1.2)加热进行热缩，制成复合型的换热管(1)；

S4:将多根复合型的换热管(1)组合成复合材料四氟的换热管束，并在换热管束的两端安装管板(2)制成复合材料四氟的换热器。

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