一种碳化硅陶瓷换热器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103712492 A (43)申请公布日 2014.04.09 CN 103712492 A (21)申请号 201410025698.2 (22)申请日 2014.01.20 F28D 7/16(2006.01) F28F 9/04(2006.01) F28F 21/04(2006.01) (71)申请人 山东宝纳新材料有限公司 地址 271114 山东省莱芜市莱城工业区 (72)发明人 张玉军 李兆敏 李其松 孙海滨 宋建锋 (74)专利代理机构 济南金迪知识产权代理有限 公司 37219 代理人 朱家富 (54) 发明名称 一种碳化硅陶瓷换热器 (57) 摘要。

2、 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。

3、 密封失效问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103712492 A CN 103712492 A 1/1 页 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。

4、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。

5、， 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， 。

6、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。 权 利 要 求 书 CN 103712492 A 2 1/5 页 3 一种碳化硅陶瓷换热器 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 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。

7、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。 0004 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 ； 0005 中国专利文献 CN102840775A（申请号 201210210819.1）。

8、 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。 0006 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。

9、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。 0007 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、 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，。

10、 从 20 到 200， 热膨胀系数约为 16.810-6/， 而同温度下碳化硅陶瓷管的热膨胀系数只有 4.210-6/， 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 0008 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 说 明 书 CN 103712492 A 3 2/5 页 4 优势。 0009 本发明的技术方案如下 ： 0010 一种碳化硅陶瓷换热器， 包括碳化硅陶。

11、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。 0011 根据本发明优选的， 。

12、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。 0012 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。 0013 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。 0014 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、 。

13、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。 0015 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。 0016 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。 0017 有益效果 0018 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。

14、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。 0019 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。 0020 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 0021 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 ； 0022 图 2 为阶梯孔局部放大结构示意图 ； 说 明 书 CN 103712492 A 4 。

15、3/5 页 5 0023 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 0024 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。 0025 实施例 1 0026 如图 1-2 所示的碳化硅陶瓷换热器， 包括。

16、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。

17、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。 0027 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。 0028 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。 0029 。

18、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。 0030 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。 0031 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。 0032 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%。

19、 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。 0033 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。 0034 实施例 2 0035 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， 。

20、所述碳化硅陶瓷换热管束 11 设置于 说 明 书 CN 103712492 A 5 4/5 页 6 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 。

21、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。 0036 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。 0037 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。 0038 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。 。

22、0039 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。 0040 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。 0041 对比例 1 0042 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。 0043 常温气密性检测 ： 。

23、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。 0044 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。 0045 分析原因为 。

24、： 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。 0046 对比例 2 0047 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。 0048 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。 0049 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 。

25、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 说 明 书 CN 103712492 A 6 5/5 页 7 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。 0050 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 1310-5/） 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。 0051 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。 说 明 书 CN 103712492 A 7 1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103712492 A 8 2/2 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 103712492 A 9 。