CN103837015A

CN103837015A - 采用非金属换热管的喷淋式管壳换热器

Info

Publication number: CN103837015A
Application number: CN201210485200.1A
Authority: CN
Inventors: 项晓东; 张融
Original assignee: BLUE CORAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BLUE CORAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明涉及管壳式换热技术领域，公开了一种采用非金属换热管的喷淋式管壳换热器。该换热器包括：壳体、喷淋器、平行置于壳体内的换热管、支撑换热管的支撑板和连接换热管的管板，其中，换热管由导热系数为0.5W/m·K~10W/m·K的非金属材料制成，换热管外径为5~15mm。本发明的喷淋式管壳换热器能够解决低温多效蒸馏海水淡化设备及溴化锂吸收式制冷机中换热管的防腐问题，同时具备换热温差低、成本低等优点。

Description

采用非金属换热管的喷淋式管壳换热器

技术领域

本发明涉及管壳式换热领域，特别涉及一种采用新型非金属材料换热管的喷淋式管壳换热器。

背景技术

喷淋式管壳换热器广泛应用于蒸馏法海水淡化技术与溴化锂吸收式制冷机和溴化锂热泵系统。喷淋式管壳换热器的特征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来，用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝过程，每一效的蒸发温差越小越好，后面一效的蒸发温度略低于前面一效，从而整个淡化过程得到多倍于输入蒸汽量的蒸馏水。

喷淋式换热器具有传热效果好、换热温差低、便于维修和清洗等优点，但是由于大多数的系统均选择使用黄铜合金（70%铜、29%锌和1%锡）材料制造的换热管，因而应用于低温多效蒸馏海水淡化设备中及温度高于165摄氏度的溴化锂制冷机或溴化锂热泵中很容易遭到海水或溴化锂溶液的腐蚀，造成穿孔而导致系统损坏。因此，换热管的防腐问题成为该技术进一步提高并得到广泛应用的制约因素。目前普遍采用的方法是在铜合金内添加微量的硼、镍等元素，以提高合金的耐蚀性能；更有甚者，在现有的多效蒸发换热器中，为了抗腐蚀，通常在最靠近喷淋喷头的上部使用金属钛管，这又进一步增加了系统的成本。而且，这些方法只能减缓管路腐蚀的过程，无法从根本上解决抗腐蚀问题。同时，采用铜合金材料作为换热管的另一缺陷是材料的价格昂贵，系统的高成本制约了低温多效蒸馏海水淡化系统和溴化锂制冷机及溴化锂热泵更为广泛的应用。最近，部分厂家的换热系统改用铝合金管，但阳极氧化等多种特殊措施保护管材的工艺复杂，且耐腐蚀性只有少量提高，还是不能满足防腐的要求。另一方面，虽然有许多材料能够满足防止海水腐蚀的要求，但由于这些材料的导热系数都只有5W/mK或更低，按照目前喷淋式换热器的设计和制造方法，其换热温差都太高，无法实现低温差的换热，与喷淋式管壳换热器要求的换热温差越低越好的特性相矛盾。

因此，本领域迫切需发明新型喷淋式管壳换热器，使其即能够耐腐蚀，又能保持较低的换热温差，还能降低成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用非金属换热管的喷淋式管壳换热器，能够解决目前喷淋式管壳换热器的腐蚀问题，同时具备换热温差低、成本低等优点。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种采用非金属换热管的喷淋式管壳换热器。该换热器包括：包括：壳体、喷淋器、平行置于壳体内的换热管、支撑换热管的支撑板和连接换热管的管板，其中，所述换热管由导热系数为0.5W/m·K~10W/m·K的非金属材料制成，所述换热管外径为5~15mm。

优选的，所述换热管为U型，平行地布置在壳体内，其开口端与管板密封连接，弯曲段通过支撑板支撑。

优选的，所述换热管由导热系数为1W/m·K~5W/m·K的非金属材料制成，换热管外径为7~12mm。

优选的，所述换热管的长度为2~11m，壁厚为0.5~2mm。

优选的，所述换热管由高分子聚合材料制成。

优选的，所述换热器的管板由高分子聚合材料制成。

优选的，所述高分子聚合材料为石墨改性聚丙烯，包括65%-85%聚丙烯与10%~30%石墨。

优选的，所述石墨改性聚丙烯换热管导热系数为2~4W/m/K，外径为7~12mm，壁厚0.5~2mm，长度为7~11m。

优选的，所述石墨改性聚丙烯管通过环氧树脂与管板胶结封装。

优选的，所述换热管采用高硼玻璃制成。

优选的，所述高硼玻璃换热管通过玻璃胶与管板密封封装。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别在于：使用了防腐性能良好的有机高聚物或无机高硼玻璃材料，在显著减小换热管直径和适当增大换热面积的条件下，能够在喷淋式管壳换热器内实现足够低的换热温差，以满足低温多效蒸馏海水淡化设备和溴化锂吸收式制冷机或溴化锂热泵的换热要求；同时，由于有机高聚物或无机高硼玻璃的材料成本比铜合金要低很多，因而本发明能够显著降低应用喷淋式管壳换热器的低温多效蒸发海水淡化设备或溴化锂吸收式制冷机或溴化锂热泵的成本。

具体的，新型喷淋式管壳换热器采用非金属材料的换热管，非金属材料的主要成分是聚丙烯和石墨，具有优良的耐腐蚀性能，对于各种无机化合物，不论酸、碱、盐溶液，直到120℃都对其无破坏作用。同时，该材料密度小重量轻，不易结垢，不污染换热介质，设备的制造和安装维修比较方便；由于复合材料的成本较低，即使换热面积有所增大，还是能够显著降低喷淋式管壳换热器的设备造价。

类似的，还可以采用高硼玻璃作为喷淋式管壳换热器内的换热管材料，具有优良的耐腐蚀性能，对于各种无机化合物，不论酸、碱、盐溶液，直到200℃都对其无破坏作用。同时，该材料密度小重量轻，不易结垢，不污染换热介质，设备的制造和安装维修比较方便；由于高硼玻璃材料的成本低，即使换热面积有所增大，还是能够显著降低喷淋式管壳换热器的设备造价。

附图说明

图1是本发明中采用非金属换热管的喷淋式管壳换热器的一实施例的结构示意图；

图2是本发明中采用非金属换热管的喷淋式管壳换热器的另一实施例的结构示意图。

其中，101是喷淋管及喷淋喷头，102是喷淋液体的入口，103是喷淋壳层的蒸汽出口，104是喷淋式管壳换热器的壳体，105是换热器的管板，106是非金属材料换热管，107是换热管的支撑板，108是液体的出口，109是管壳换热器的封头，110是蒸汽的入口，111是管内凝结液体的出口。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

图1示出了本发明非金属喷淋式管壳换热器的一个实施例，该换热器包括：壳体104、喷淋器101、平行置于壳体内的多根换热管106、支撑换热管106的支撑板107和连接换热管的管板105，其中，换热管106由导热系数为0.5W/m·K~10W/m·K的非金属材料制成，换热管106外径为5~15mm。

具体地，该换热器包括壳体104和两端的封头109，位于壳体104内的多根平行设置的换热管106，源蒸汽从蒸汽入口110输入换热管，经喷淋式降膜换热在管中冷凝而凝结后从出口111输出。该换热管由70%聚丙烯和25%石墨构成，通过支撑板107支撑在壳体104内，换热管106的两端分别与两块管板105胶结，也可以在换热管106和管板105之间设置一段波纹管，胶水可以采用环氧树脂或其他粘合材料。换热管106上方设有喷淋器101，喷淋液体通过喷淋液体入口102输入，部分液体经降膜蒸发换热后生成温度略低于源蒸汽温度的蒸汽，从喷淋壳层的蒸汽出口103输出，未蒸发的液体从液体出口108排出。在该实施例中，换热管的管外径为10mm，壁厚为1mm长度为8m。

应该注意到，目前绝大多数低温多效蒸发系统的喷淋式管壳换热器所使用的换热管管径都在20至25毫米左右，所用材料都是导热率很高的良金属，诸如铜合金、钛合金和铝合金，其导热系数都在80到100W/m·K左右，这样才能使喷淋式换热器中的平均换热温差足够低，满足低温多效换热的要求。虽然有许多材料都能够满足上述防腐蚀的要求，但由于这些材料的导热系数都只有5W/m·K或更低，按照目前传统喷淋式换热器的设计和制造方法进行模拟计算，其换热温差都太高，不能满足换热温差足够低的要求。

表1列出一些非金属材料作为换热管的换热温差比较，其中，换热管管径是目前普遍采用的25毫米，管壁厚2毫米，换热功率为1415kW，换热面积为142.5平方米。显然，非金属材料不能作为换热管使用，因为换热温差高达十几度甚至二十几度。

表1金属和非金属材料作为换热管的换热温差比较

为了克服非金属材料导热系数低的弱点，本发明减小换热管的管径，例如从目前普遍采用的20至25毫米管径减小到5至15毫米管径，由非金属材料的高分子聚合物制成，均匀多排分层排布在喷淋式管壳换热器内，如图1所示。该高分子聚合物可以是石墨改性聚丙烯，聚丙烯含量为70%石墨含量为25%，该种材料的密度为1100kg/m³，导热系数为2~4W/m/K。

换热管106与换热器内的复合材料管板105采用环氧树脂胶粘合。在本发明的某些其他实施例中，非金属换热管还可以选用高硼玻璃管，高硼玻璃换热管通过玻璃胶与管板胶结密封封装即可。

表2列出几种不同换热管材料的优缺点和成本比较。由图可见，非金属材料管与金属材料管相比，具有耐腐蚀、密度低、成本低等优点，但同时也具有导热性能差的缺点。然而，通过本发明的设计，能够有效的克服非金属材料管导热性能差的缺点，在能够实现低换热温差的同时还能解决防腐蚀问题。

表2金属和非金属材料作为换热管的优缺点和成本比较

如下表3所示，是一个新式喷淋式管壳换热装置的实例设计，其中，该换热器的换热功率是1415千瓦，换热后，所产生的蒸汽与输入蒸汽的温差是2.5度，换热管径是10毫米。采用不同材料时，换热面积有所变化，所用管根数量也有所变化，但是综合考量之后，比较优化的材料应该是上述复合材料或高硼玻璃。

表3喷淋式管壳换热器的设计参数

图2示出了本发明的另一实施例，该实施例与上述实施例的区别在于：喷淋式管壳换热器的换热管106为U型，多根U型换热管106平行地布置在壳体104内，换热管106的开口端与管板106通过环氧树脂胶密封固定，换热管另一端的水平方向可以移动，垂直方向通过支撑板107支撑。

本发明采用导热系数较低的非金属材料作为喷淋式管壳换热器的换热管材料，为了克服非金属材料导热系数较低的弱点，通过减小换热管的管径，改进了非金属换热管的换热问题。根据不同导热系数材料所设计的换热管管径、壁厚、长度和根数，能够实现高抗腐蚀性、不易结垢、不污染介质、制造安装维修方便、成本较低等功能。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种喷淋式管壳换热器，包括：壳体、喷淋器、平行置于壳体内的换热管、支撑换热管的支撑板和连接换热管的管板，其特征在于，所述换热管由导热系数为0.5W/m·K~10W/m·K的非金属材料制成，所述换热管外径为5~15mm。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热管为U型，平行地布置在壳体内，其开口端与管板密封连接，弯曲段通过支撑板支撑。

3.根据权利要求2所述的换热器，其特征在于，所述换热管由导热系数为1W/m·K~5W/m·K的非金属材料制成，换热管外径为7~12mm。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，所述换热管的长度为2~11m，壁厚为0.5~2mm。

5.根据权利要求1至4任一项所述的换热器，其特征在于，所述换热管由高分子聚合材料制成，或所述换热器的换热管和管板由高分子聚合材料制成。

6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述高分子聚合材料为石墨改性聚丙烯，包括65%-85%聚丙烯与10%~30%石墨。

7.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于，石墨改性聚丙烯换热管的导热系数为2~4W/m/K，外径为7~12mm，壁厚0.5~2mm，长度为7~11m。

8.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述石墨改性聚丙烯换热管通过环氧树脂与管板胶结封装。

9.根据权利要求1至4任一项所述的换热器，其特征在于，所述换热管采用高硼玻璃制成。

10.根据权利要求9所述的换热器，其特征在于，所述换热管通过玻璃胶与管板密封封装。