一种新型碳纤维热交换器及其制作工艺的制作方法

本发明涉及一种热交换器及其制作工艺，尤其涉及一种新型碳纤维热交换器及其制作工艺，属于热交换技术领域。

背景技术：

换热器又称热交换器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位。现有的换热器根据材质的不同主要分为金属换热器和非金属高分子材料换热器。其中，金属换热器具有耐腐蚀性较差、使用寿命短的缺陷，而非金属高分子材料换热器的传导效率较低的问题仍有待解决，并且大部分高分子材质较脆，在急冷急热状态易破碎，耐压力低，导致强度较低。目前我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快，但由于金属钛的成本较为昂贵，一直未能得到普及的推广应用。

技术实现要素：

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纤维热交换器及其制作工艺。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型碳纤维热交换器，包括夹套，它还包括碳纤维换热管、折流板、上管板、下管板；夹套的内部空腔中竖直设置有多根碳纤维换热管；碳纤维换热管沿夹套的轴心呈正三角形或正方形分布；

折流板为多个，多个折流板从上向下分布于夹套的内部空腔中；相邻的折流板左右错位排列，起到增加壳程流体停留时间的作用；

碳纤维换热管的两端分别通过上辅助管板、下辅助管板进行定位；上辅助管板、下辅助管板分别与上管板、下管板紧密粘接；上管板、下管板的另一端分别设置有上封头、下封头；

上封头的上端、下封头的下端分别盖置有上盖板、下盖板；同一侧的封头、盖板、管板均通过金属拉杆实现拉紧固定；

碳纤维换热管由碳纤维、热固性树脂和固化剂组合而成的复合材料制备而成；热固性树脂为酚醛树脂或改性酚醛树脂或呋喃树脂或聚酰亚胺；上管板、下管板的材质为石墨或聚四氟乙烯或聚丙烯或玻璃钢或金属喷涂pfa或金属衬胶或耐腐蚀金属。

碳纤维换热管直接通过o型密封圈实现其与上管板、下管板的机械密封。

夹套上端法兰的一侧设置有放空口；夹套下端法兰的一侧设置有排净口。

上盖板和上封头的中间、下盖板和下封头的中间均开设有工艺侧口；夹套的上端、下端均开设有服务侧口。

一种新型碳纤维热交换器的制作工艺，其具体步骤如下：

ⅰ、将碳纤维预浸渍在热固性树脂基体内，使树脂和碳纤维相结合形成复合材料；在预浸渍后的碳纤维表面再包裹一层以酚醛或环氧树脂为主剂的固化剂，使固化剂与碳纤维基团发生反应形成强化学键，从而将性质不同的两种材料牢固的结合起来，防止纤维起毛；

ⅱ、将固化后的碳纤维加热至粘流状态后缠绕到芯模上，控制缠绕厚度在20mm以上；或将固化后的碳纤维加热至粘流状态后缠绕到石墨管上，控制缠绕厚度在10mm以上；脱模，制成碳纤维换热管；

ⅲ、采用粘接工艺或单根碳纤维换热管单独填料密封工艺将碳纤维换热管与管板进行固定；粘接工艺使用的粘接剂由热固性树脂、碳纤维、固化剂混合而成；粘接剂中的热固性树脂与碳纤维换热管中的热固性树脂材质相同；

ⅳ、沿碳纤维换热管的轴向依次错位安装折流板；将与管板粘接完成的碳纤维换热管密封于夹套内，夹套上预留服务侧口；在管板的外侧安装封头，然后在封头的外侧安装盖板，并在盖板及封头上预留工艺侧口；服务侧口和工艺侧口均为两个，用于实现液体的流动以及热交换。

粘接工艺是首先将碳纤维换热管的两端通过辅助管板进行定位，然后使用粘接剂将辅助管板、管板以及碳纤维换热管粘接起来，再通过金属拉杆或工装夹具固定管板与辅助管板，使碳纤维换热管与管板粘接处的粘接剂填充更密实，密封更安全；单根碳纤维换热管单独填料密封工艺是在碳纤维换热管与管板的接头处设置o型密封圈，并通过螺丝固定对o型密封圈进行挤压膨胀，实现碳纤维换热管与管板之间的机械密封。

一种新型碳纤维热交换器用于制作冷却器、冷凝器、气体吸收器、加热器、蒸发器。

本发明制备的换热器具有高传热、高强度、耐强化学腐蚀的优点，可明显提高设备在恶劣工况环境下的适应能力以及使用寿命；此外，本发明的制备方法简单，原料成本较低，有助于提高企业利润，适合于大规模的推广应用。

附图说明

图1为采用粘接工艺制备的换热器的整体结构示意图。

图2为采用单根碳纤维换热管单独填料密封工艺制备的换热器的结构图。

图3为图2的部分放大结构示意图。

图中：1、o型密封圈；2、碳纤维换热管；3、折流板；4、夹套；5、上辅助管板；6、下辅助管板；7、上管板；8、下管板；9、上封头；10、下封头；11、上盖板；12、下盖板；13、金属拉杆；14、放空口；15、排净口；16、工艺侧口；17、服务侧口。

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。

如图1～3所示，一种新型碳纤维热交换器，包括夹套4，它还包括碳纤维换热管2、折流板3、上管板7、下管板8；夹套4的内部空腔中竖直设置有多根碳纤维换热管2；碳纤维换热管2沿夹套4的轴心呈正三角形或正方形分布；

折流板3为多个，多个折流板从上向下分布于夹套4的内部空腔中；相邻的折流板3左右错位排列，起到增加壳程流体停留时间的作用，且折流板3之间的距离可以调节，从而更有效的控制流速，提高传热效率；

碳纤维换热管2的两端分别通过上辅助管板5、下辅助管板6进行定位；上辅助管板5、下辅助管板6分别与上管板7、下管板8紧密粘接；上管板7、下管板8的另一端分别设置有上封头9、下封头10；

上封头9的上端、下封头10的下端分别盖置有上盖板11、下盖板12；同一侧的封头、盖板、管板均通过金属拉杆13实现拉紧固定；

碳纤维换热管2由碳纤维、热固性树脂和固化剂组合而成的复合材料制备而成；其中，碳纤维可替换为石墨纤维；热固性树脂为酚醛树脂或改性酚醛树脂或呋喃树脂或聚酰亚胺；上管板7、下管板8的材质为石墨或聚四氟乙烯或聚丙烯或玻璃钢或金属喷涂pfa或金属衬胶等各种耐腐蚀材料，视具体工况而定。

碳纤维换热管2与管板之间的另一种密封工艺为：在碳纤维换热管与管板的接头处设置o型密封圈1，通过o型密封圈1实现碳纤维换热管2和管板之间的机械密封。

夹套4上端法兰的一侧设置有放空口14；夹套4下端法兰的一侧设置有排净口15。

上盖板11和上封头9的中间、下盖板12和下封头10的中间均开设有工艺侧口16；夹套4的上端、下端均开设有服务侧口17。

一种新型碳纤维热交换器的制作工艺，其具体步骤如下：

ⅰ、将碳纤维(或石墨纤维)预浸渍在热固性树脂(包括酚醛树脂、改性酚醛树脂、呋喃树脂、聚酰亚胺等高分子化学合成热固性树脂等)基体内，使树脂和碳纤维相结合形成复合材料；在预浸渍后的碳纤维表面再包裹一层以酚醛或环氧树脂为主剂的固化剂，使固化剂与碳纤维基团发生反应形成强化学键，从而将性质不同的两种材料牢固的结合起来，防止纤维起毛；

ⅱ、将固化后的碳纤维加热至粘流状态后缠绕到芯模上，控制缠绕厚度在20mm以上；或将固化后的碳纤维加热至粘流状态后缠绕到石墨管上，控制缠绕厚度在10mm以上；具体厚度均视热交换器的使用压力而定；脱模，制成碳纤维换热管；

ⅲ、采用粘接工艺或单根碳纤维换热管单独填料密封工艺将碳纤维换热管与管板进行固定，安装简单、方便，在碳纤维换热管损坏时易更换；粘接工艺使用的粘接剂由热固性树脂、碳纤维、固化剂等混合而成；粘接剂中的热固性树脂与碳纤维换热管中的热固性树脂材质相同；

ⅳ、沿碳纤维换热管的轴向依次错位安装折流板；将与管板粘接完成的碳纤维换热管密封于夹套内，夹套上预留服务侧口；在管板的外侧安装封头，然后在封头的外侧安装盖板，并在盖板及封头上预留工艺侧口；服务侧口和工艺侧口均为两个，用于实现液体的流动以及热交换。

粘接工艺是首先将碳纤维换热管的两端通过辅助管板进行定位，然后使用粘接剂将辅助管板、管板以及碳纤维换热管粘接起来，再通过金属拉杆或工装夹具固定管板与辅助管板，使碳纤维换热管与管板粘接处的粘接剂填充更密实，性能更稳定；

单根碳纤维换热管单独填料密封工艺是在碳纤维换热管与管板的接头处设置o型密封圈，并通过螺丝固定对o型密封圈进行挤压膨胀，实现碳纤维换热管与管板之间的机械密封；o型密封圈可视工况选用fkm、ffkm等橡胶材质的密封圈。

一种新型碳纤维热交换器可广泛用于制作冷却器、冷凝器、气体吸收器、加热器、蒸发器等各种换热设备。

本发明与传统技术相比，具有以下优势：

1)换热器的耐腐蚀性能好，能耐大多数非强氧化性酸、碱、盐溶液及大多数有机溶剂，可延长装置的使用寿命；

2)换热器的强度较高，抗拉强度在350mpa以上，是钢的7-9倍；抗拉弹性模量为23000～43000mpa，亦高于钢，对恶劣工况环境的适应性较强；

3)换热器在非氧化环境下耐超高温、耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属与金属之间，无蠕变，热膨胀系数小，且具有各向异性，热传导性能明显优于一般的非金属高分子材料换热器；

4)单根碳纤维换热管可更换，从而降低了维修成本以及维修时间，进一步加长了设备的使用寿命。

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。