换热元件、换热器及挤出成型换热元件的方法

技术领域

本发明属于炼油、化工、环保及电力等行业换热器技术领域，具体地，涉及换热元件、换热器及挤出成型换热元件的方法。

背景技术

非金属材料陶瓷、玻璃、石墨、橡胶、聚合物等材料品种，具有良好的耐酸、碱、盐、有机溶剂和很多化学药品的腐蚀。其中玻璃、石墨、陶瓷等脆性材料能抵抗大多数酸腐蚀，但玻璃、石墨、陶瓷等非金属材料存在机械性能差，强度低、塑性韧性差、易破损、可靠性低、加工成型困难、成本高等缺点，作为换热元件材料，应用范围较窄，目前多用于气-气换热、低压及密封要求不太严格的场合。

因此期望提供具有良好的加工性能、韧性较强、易成型、塑性良好同时具有良好的耐酸、碱、盐、有机溶剂和很多化学药品的腐蚀、换热效率高的聚苯硫醚复合材料换热元件、易于实现其的加工方法及使用其的换热器。

发明内容

本发明的目的是提供一种换热元件、换热器及挤出成型换热元件的方法，以至少部分地克服现有技术中的不足。

根据本发明的一个方面，提供了一种换热元件，包括：

沿纵向方向延伸的中空管体，和

在中空管体两端的进口和出口，

其中，所述中空管体至少在中空管体两端中间的部分具有非圆形横截面，所述非圆形横截面的宽度大于高度，且所述换热元件由聚苯硫醚复合材料构成，所述聚苯硫醚复合材料包含以重量百分比计20％-90％聚苯硫醚、5％-75％增强纤维和5％-60％导热填料。

优选地，所述增强纤维包括玻璃纤维或玻璃纤维与碳纤维混合物。

优选地，所述聚苯硫醚复合材料还包含弹性体，所述弹性体为马莱酸酐接枝或聚酰胺6，含量在10％-30％。

优选地，所述非圆形横截面的宽高比W/H不小于5。

优选地，所述换热元件内部设置一个或多个支撑肋，所述支撑肋将内部腔体分隔为若干独立腔体。

优选地，所述支撑肋设置有若干通孔，所述通孔形状为圆孔或非圆孔。

优选地，所述截面上下边为波浪形，且相互平行。

优选地，所述截面上下边为波浪形，且相互呈镜像对称。

优选地，所述换热元件内表面和外表面中至少一者上设置有翅片，且翅片沿换热元件均匀设置有若干个。

优选地，所述换热元件截面形状由多个独立的梯形截面首尾相连构成。

优选地，所述换热元件表面设置有多个凹槽，所述凹槽截面形状为U型、V型或梯形。

优选地，所述换热元件横截面两端为流线型。

根据本发明另一方面，提供一种换热器，包括壳体、第一板管、第二板管以及设置在第一板管和第二板管之间且外周与第一板管及第二板管上设置的相应孔密封的如前面所述的换热元件，所述壳体上还设置有用于流体进入和流出壳体内部的流体进口和出口。

根据本发明又一方面，提供一种挤出成型换热元件的方法，其中，所述换热元件为前面所述的增强纤维包括玻璃纤维或玻璃纤维与碳纤维混合物和/或所述聚苯硫醚复合材料还包含弹性体，所述弹性体为马莱酸酐接枝或聚酰胺6，含量在10％-30％的换热元件。

根据本发明，能够提供一种换热效率高、耐高温、强度高且耐腐蚀的聚苯硫醚复合材料换热元件及使用该换热元件的换热器，且通过提高聚苯硫醚复合材料的韧性来提供该聚苯硫醚复合材料换热元件的挤出成型方法，使换热元件的加工更简便且高效。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明第一实施例的换热元件的俯视图；

图2为沿图1中A-A截面截取的换热元件的横截面图；

图3为第一实施例的换热元件横截面的替代形式；

图4为第一实施例的换热元件横截面的另一替代形式；

图5为根据本发明第二实施例的换热元件的横截面图；

图6为第二实施例的换热元件横截面的替代形式；

图7为第二实施例的换热元件横截面的另一替代形式；

图8为第二实施例的换热元件横截面的又一替代形式；

图9为第二实施例的换热元件横截面的又一替代形式；

图10为根据本发明第三实施例的换热元件的俯视图；

图11为沿图10中B-B截面截取的换热元件的横截面图；

图12为根据本发明第四实施例的换热元件的横截面图；

图13为第四实施例的换热元件横截面的另一替代形式；

图14为根据本发明第五实施例的换热元件的横截面图；

图15为第五实施例的换热元件横截面的另一替代形式；

图16为第五实施例的换热元件横截面的又一替代形式。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

聚苯硫醚具有机械强度高、耐高温、耐化学药品、热稳定性好以及导热性能优良等优点。但是，化工领域适用的换热元件，特别是用于空气预热器的换热元件需要具有11W/(m.K)上的导热系数(不锈钢材料为16.3W/(m.K))、高达260℃的长期耐温性能以及高达1.6MPa的强度和承压性能。聚苯硫醚本身的性能不能达到上述要求，研发的聚苯硫醚复合材料目前已能够满足上述材料性能的要求，部分投入化工领域换热元件的应用中。例如，聚苯硫醚复合材料圆形截面换热管在海水淡化领域中开始用做换热管。所采用的聚苯硫醚复合材料通常包含以重量百分比计20％-90％聚苯硫醚、5％-75％增强纤维和5％-60％导热填料。

考虑到聚苯硫醚复合材料的性能以及生产成本、效率，目前的聚苯硫醚复合材料换热管基本上都是圆形横截面换热管。圆形横截面换热管的换热效率不高，因此申请人提出一种由聚苯硫醚复合材料制成的换热元件，该换热元件包括：沿纵向方向延伸的中空管体，和在中空管体两端的进口和出口，其中，中空管体至少在中空管体两端中间的部分具有非圆形横截面，非圆形横截面的宽度大于高度，且换热元件由聚苯硫醚复合材料构成，聚苯硫醚复合材料包含以重量百分比计20％-90％聚苯硫醚、5％-75％增强纤维和5％-60％导热填料。

上述的聚苯硫醚复合材料中，增强纤维可以是玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维、聚芳酰胺纤维、金属纤维等，纤维的增加可以提高换热系数以及承压能力。聚合物纤维增强优先采用玻璃纤维或玻璃纤维与碳纤维的混合物。

导热填料可以是石墨、碳颗粒、金属氧化物、石墨烯、碳纳米管、滑石粉、高岭土、碳酸钙、二氧化硅、二硫化钼、氧化锌等。

上述的聚苯硫醚复合材料还可包含0-3％的偶联剂，偶联剂可以是氧化锌、氧化铅、氧化镁、氧化钴等以及酚类化合物、六甲氧基甲基三聚氰酰胺、过氧化氢、碱金属或碱土金属的次氯酸盐等。

非圆形横截面的沿较长的边的跨度为宽度W，沿较短的边的跨度为高度H。优选非圆形横截面宽高比W/H不小于5。宽高比越大，换热元件横截面通常越扁，为扁管。具有非圆形横截面的换热元件的相对换热面积相较于横截面圆形的换热管更大，因此换热效率高。

接下来将参照附图描述根据本发明的换热元件的结构。

图1为根据本发明第一实施例的换热元件的俯视图，图2为沿图1中A-A截面截取的换热元件的横截面图。图1和图2中，换热元件110为具有矩形横截面的扁管，该矩形横截面包括彼此平行的较长的直边111和彼此平行的较短的直边112。

图3为第一实施例的换热元件横截面的替代形式。图3中，换热元件120的横截面将图2中的矩形横截面的较短的直边112替换为半圆形，为横截面包括彼此平行的较长的直边121和半圆122的扁管。

图4为第一实施例的换热元件横截面的另一替代形式。图4中，换热元件130的横截面包括相互平行的波浪形长边131和半圆形短边132。长边131即为图4中所示的横截面上下边。这种换热元件的波浪形结构能起到增加换热元件强度的作用，而且也可有效强化换热元件管腔内外侧流体的传热性能。

图1到图4中所示的第一实施例的换热元件的相对换热面积大于具有圆形横截面的换热管的相对换热面积，因此换热效率提高，也因此本申请的聚苯硫醚复合材料换热元件的换热效率相较于具有圆形截面的聚苯硫醚换热管的换热效率高。

图5为根据本发明第二实施例的换热元件的横截面图。图5中，换热元件210为横截面包括相互平行的较长直边211和半圆形短边212的扁管，在换热元件210内部腔体中，还包括支撑肋213，支撑肋213将内部腔体分隔为若干独立腔体，能使换热元件210的强度、刚度增加，提高换热元件的承压能力。支撑肋213的个数不受所示实施例的限制，可以为大于等于1的任意数量。

图6为第二实施例的换热元件横截面的替代形式。图6中换热元件220为包括彼此平行的较长直边221和半圆形短边222的扁管，在换热元件220中空腔体内，还包括支撑肋223，与图5中的换热元件不同的是，其短边222不是半圆形，而是流线型。实践中，将具有流线型短边的这种换热元件设置为迎着流体流动方向，长边与流体流动方向平行，则可以减小对流体的阻力，而且可以明显减小换热元件背流面的回流，具有更好的换热流动性，提高换热效率。

图7为第二实施例的换热元件横截面的另一替代形式。图7中换热元件230的横截面外轮廓整体为椭圆形状，示意性标示了其长边231和短边232，在换热元件230中空腔体内也包括支撑肋233。换热元件230的横截面整体轮廓构成流线型，因此同样具备流线型端部减小流体阻力、减小换热元件背流面回流、提高换热流动性及换热效率的优点。

图8为第二实施例的换热元件横截面的又一替代形式。图8中换热元件240的截面形状由多个独立的梯形截面首尾相连构成。图中示意性示出由多个梯形的侧部构成的长边241和由首被、尾梯形的顶边和底边构成的短边242以及由位于中间的梯形的顶边和底边构成的支撑肋243。为了减小阻力，短边242构造为半圆形。实际应用中，通常由首个梯形的顶边构成的短边242迎着流体流动方向设置，减小流动阻力，而多个梯形的侧部构成的起伏还能对流体流动造成扰动，可以有效强化管外侧流体的传热性能，多个独立梯形截面首位相连的结构也能提高换热元件的强度。

图9为第二实施例的换热元件横截面的又一替代形式。图9中，换热元件150的横截面两端为弧形，包括长边251、短边252和支撑肋253，长边251包括上下边，每一边呈波浪形，且上下边相互呈镜像对称，图中在每个波谷区域设置支撑肋253，支撑肋253将内部腔体分隔为若干独立腔体，从而提高换热元件253的承压能力、增强其强度、刚度，而上下边的波形能够对流动流体造成扰动，可以有效强化管外侧流体的传热性能。可替代地，支撑肋253也可设置在波峰区域。

图10为根据本发明第三实施例的换热元件的俯视图，图11为沿图10中B-B截面截取的换热元件的横截面图。图10和图11中示出了换热元件310，其为横截面包括彼此平行的较长直边311和半圆形短边312的扁管，其中空腔体内设置有支撑肋313。与图5中所示的第二实施例的换热元件210的不同之处在于，支撑肋313上设置有若干通孔314，通孔314形状可以为圆孔或非圆孔。该结构使得支撑肋313能够参与传热，提高了换热元件310的换热面积。

图12为根据本发明第四实施例的换热元件的横截面图。图12中，换热元件410为横截面包括长边411和半圆形短边412的扁管，其中空腔体内设置有支撑肋413。与图5中所示的第二实施例的换热元件210的不同之处在于，在其与长边411对应的换热元件410外表面上，还设置有沿换热元件纵向延伸的凹槽415，并且该凹槽415在换热元件410的内表面上形成凸起，该外表面上的凹槽415以及相应的内表面上形成的凸起有利于强化换热元件410内外流体的扰动，提高换热元件410的整体传热性能。槽形415的横截面形状可以为V形、U形、梯形等。

图13为第四实施例的换热元件横截面的另一替代形式。图13中，换热元件420为横截面为大体矩形形状的扁管，包括长边421和短边422，中空腔体内部也设置有支撑肋423。同样，在换热元件420外表面上，设置有沿换热元件纵向延伸的凹槽425，并且该凹槽425在换热元件420的内表面上形成凸起。与图12中的换热元件的区别仅在于横截面轮廓为矩形。

图14为根据本发明第五实施例的换热元件的横截面图。图14中，换热元件510为横截面包括平行的较长直边511和半圆形短边512的扁管，中空腔体内部设置有支撑肋513。与图5中所示的换热元件不同之处在于，换热元件的内外表面上还沿换热元件均匀设置了若干翅片516。翅片516能显著提高换热面积，并且对流体造成扰动，强化换热管传热性能。替代地，翅片516也可以只在换热元件510内表面或外表面设置。

图15为第五实施例的换热元件横截面的另一替代形式。图15中的换热元件520与图14中的换热元件510的区别仅在于，换热元件520的横截面为矩形形状，包括彼此平行的较长直边521和彼此平行的较短直边522。同样，替代地，翅片516也可以只在换热元件510内表面或外表面设置。

图16为第五实施例的换热元件横截面的又一替代形式。图16中的换热元件530与图8中的换热元件240的横截面形状类似，所不同的是，在换热元件530的外表面上还设置有翅片536。同样，换热元件530不仅具有换热元件240的优点，还兼具翅片536带来的显著提高换热面积、对流体造成扰动强化换热管传热性能的优点。替代地，翅片536也可以只在换热元件530内表面或内外表面上都设置。

需要说明的是，图5到图16所示的换热元件的横截面轮廓形状同样适用于图1-4中所示的第一实施例中的换热元件的横截面轮廓形状，同样，图1-4中所示的横截面轮廓形状在与图5-图16中所示的其他结构组合之后同样适用于图5到图16所示的换热元件。

由于聚苯硫醚复合材料的良好加工性能，图1到图16中所示的各种换热元件结构都可使用聚苯硫醚复合材料实现，可使用例如注塑成型、挤出成型、模压成型和3D打印等方法。

对于非圆形横截面的中空管体，优选采用挤出成型方法进行生产的生产，生产周期短、产能高。挤出成型包括配料(造粒)、烘干、投料、挤出和保温处理等步骤。挤出成型方法需要聚苯硫醚复合材料具有足够的韧性。

为了提供具有高韧性的聚苯硫醚复合材料，申请人进行了如下表1中的实验：

表1聚苯硫醚复合材料中弹性体的比例对挤出成型效果的影响

上述表1中，申请人分别使用马来酸酐(MAH)接枝苯乙烯一乙烯-丁二烯一苯乙烯嵌段共聚弹性体(SEBS-g-MAH)和聚酰胺作为弹性体，通过改变加入的弹性体和聚苯硫醚的重量百分含量，比较挤出成型的换热元件(换热管)的表面质量，来间接反映聚苯硫醚复合材料的韧性。从所观察到的挤出成型换热元件的表面质量可得，聚苯硫醚复合材料随所加入的SEBS-g-MAH和PA6的含量对韧性的作用规律为先增大后降低，含量在10％-40％，优选含量在10％-30％。

上述表1中的实验6-10中，玻璃纤维和碳纤维的比例可以是任意的，优选大于等于1。

本发明的聚苯硫醚复合材料换热元件用于换热器，因此本发明还可提供一种换热器，包括壳体、第一板管、第二板管以及设置在第一板管和第二板管之间且外周与第一板管及第二板管上设置的相应孔密封的根据本发明的换热元件，所述壳体上还设置有用于流体进入和流出壳体内部的流体进口和出口。

本发明的换热元件结合了聚苯硫醚换热管优良的耐腐蚀性能、抗积垢性能以及换热效率高的换热元件结构，能够提供以下优点：

1、耐腐蚀性能优良

本发明的聚苯硫醚复合材料换热元件对于大部分酸、碱、盐、有机溶剂等介质具有极佳的耐耐腐蚀能力。

2、耐温高

本发明的聚苯硫醚复合材料换热元件耐温为200-260℃，显著提高了聚合物换热元件应用范围。

3、承压能力高。

本发明的聚苯硫醚复合材料换热元件不仅采用纤维强化外，换热元件自身截面结构也对换热元件进行了加强，机械强度得到提高，承压能力较现有聚酯类换热器的承压能力提高。

4、换热效率高

本发明的聚苯硫醚复合材料换热元件依据传热机理对传热面几何形状进行了传热强化、传热面扩面化处理，有效提高了换热效率，并且添加导热填料对换热元件聚合物材料进行了高导热强化，其热导率较纯聚合物材料提高5-20倍。

5、抗积垢性高，压降低

本发明的聚苯硫醚复合材料换热元件构成的传热面有一定的疏水性、自洁性，且表面光洁度高、不易沾染污垢，能够有效降低污垢沉积，同时运行时压降低。

6、可靠性高，寿命长

本发明的聚苯硫醚复合材料换热元件塑、韧性高，为非脆性材料，所以由该聚苯硫醚复合材料换热元件构成的换热器可靠性高，不易损坏，使用寿命长。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。