構成能集成到熱交換器的複合材料制熱交換器模塊的塊件的製作方法

2023-09-17 22:07:02 1

本發明涉及熱交換器、更具體地由浸漬有樹脂的元件構成的熱交換器的領域。

背景技術：

傳統地，這些元件由浸漬石墨製成。浸漬石墨(其包括碳和碳-石墨混合物)實際上相對地能夠抵抗高溫和腐蝕性物質。浸漬石墨還具有良好的導熱性(在徑向傳播方向上為25至50W/mK)。

由浸漬石墨製成的元件由此傳統地被用於製造化學設備，例如熱交換器、柱、容器或反應器。

特別地，所有基於由浸漬石墨製成的元件製造的熱交換器可以總體上分為兩類：

管式熱交換器；

(圓柱形或立方形)塊式熱交換器。

熱交換器是一種允許使熱能通過交換表面從處於溫度T1的第一流體向處於溫度T2(T2低於T1)的第二流體傳遞的設備。由此產生熱流，而兩股流體不相混合。

管式熱交換器一般包括由複合材料或浸漬石墨製成的管的集束，其中所述管被布置在被稱為罩子(「calandre」)的外罩的內部。(例如處於T1的)第一流體在管內流動並且(例如處於T2的)另一流體在圍繞管的罩子內流動。一般在罩子中添加擋板以促進紊流和改善熱 量向管外部(或內部)的傳遞。這些管被管狀板維持成集束，這些管狀板在罩子的入口和出口處被這些管穿過。

塊式熱交換器傳統地包括至少一個由導熱材料製成的塊件(bloc)，該塊件開設有多個通道，兩種溫度分別為T1和T2的流體不相混合地在所述多個通道中流動。塊件一般由石墨材料製成，可以向該石墨材料添加聚合物以改善交換器的機械特性。塊件被布置在實現兩種液體在通道中的分布的結構中。塊式熱交換器可以是圓柱形或立方形的。塊式熱交換器可以由單一塊件或多個塊件構成，所述多個塊件以密封的方式和使得兩道流體無障礙地從一個塊件流動到另一塊件的方式彼此連接。該類型熱交換器的一個有意義之處在於其模塊化能力：在發生洩漏的情況下能夠容易地更換塊件。

由浸漬石墨製成的管或塊件的製造需要用能夠產生和承受高壓的設備並因此需要大量的能量(必須在製造工藝期間達到2300℃的溫度)。此外，加熱會產生大量的有毒廢料。由於由浸漬石墨製成的元件的每個製造商還具有其自己的工藝，因此從一個供應商到另一供應商，由浸漬石墨製成的元件的特性和微結構會改變。而且，由於樹脂向石墨中的穿入是以可變的比率實現的，因此同一浸漬石墨元件會例如在其長度上具有不均一的機械和熱特性。由此導致由浸漬石墨製成的元件的一大缺陷：其高度的脆弱性，尤其是在振動應力、衝擊和高溫差下。實際上，其不均一性導致不均勻膨脹，不均勻膨脹會導致開裂。

這要求製造商設計的由浸漬石墨製成的元件在兩道流體之間具有至少為5mm的壁(或連接)厚度以在180℃抵抗8bar的壓強。這同時負面地影響管集束或通道集束的密度、要使用的石墨質量和兩個液體之間的熱量傳遞。

自2000年代起，一種基於混合到(酚樹脂或呋喃樹脂)樹脂溶液的石墨粉末來製造由浸漬石墨製成的管的方法解決了某些工藝缺 陷。然而，這些管具有高樹脂成分，這顯著地減小了其導熱性(在徑向傳播方向上為10至16W/mK)。此外，這些管的機械強度在150℃以上快速地減小，並且抗腐蝕性會比由傳統浸漬工藝製造的由浸漬石墨製成的元件更差。

文檔US 4 474 233試圖通過用增強碳纖維製造管集束來解決這些缺陷。這些管對內部壓強的抵抗性由此增強，但是這些管對於熱衝擊和機械衝擊仍是非常敏感的。

石墨材料的另一缺陷在於其不能夠被焊接。因此，同一設備的各個由石墨材料製成的元件之間的連接藉助於由石墨粉末和聚合物樹脂的混合物構成的粘合劑來實現。這些粘合的區域經常構成限制腐蝕性流體的使用和降低設備整體機械強度的薄弱點。當所需的交換器集束的管的長度高於石墨管生產能力時，必須通過使用該同一粘合劑來接合管。

技術實現要素：

本發明的目的在於通過提供一種構成由複合材料製成的能夠集成到熱交換器的熱交換器模塊的塊件來解決這些缺陷，該塊件包括：

-管，該管包括金屬網管套和由熱固性或熱塑性樹脂構成的內部覆層，

-端部部件，該端部部件包括維持板，該維持板具有軸向外表面、軸向內表面、以及被管穿過的開孔，

該塊件的特徵在於：

-每個管的金屬網管套和端部部件沿著連接區域相連，並且

-由熱固性或熱塑性樹脂構成的外部覆層覆蓋端部部件的軸向外表面、以及管的金屬網管套與端部部件之間的連接區域，以與管的 內部覆層一起構成連續的覆體(nappe)。

由此，通過使用不多的原材料就獲得塊件，該塊件包括機械強度高於石墨管或複合材料管的機械強度並因此能夠在不損壞的情況下承受多個熱循環的管，且這些管是密封的並能夠抵抗侵蝕和腐蝕。

符合本發明的構成由複合材料製成的能夠集成到熱交換器的熱交換器模塊的塊件還可以包括以下特徵中單獨或組合地採用的一個或多個：

-可以通過金屬網帶的卷繞來形成管套。

-管的管套的金屬網可以由碳鋼或具有抗腐蝕性質的材料(例如不鏽鋼、鋯、鈦、鎳合金)製成。

-管的管套的金屬網可以包括具有0.05至5mm的長度的網眼。

-管套可以具有0.8毫米、理想地1毫米的厚度。

-管套的孔隙度可以等於在管厚度中在體積上佔10％、理想地20％；孔的尺寸可以最小為25微米，最大為2毫米。

-管套的比表面可以包括在5m2/m2至250m2/m2之間(管的厚度中的內表面與打開並攤平的管的內或外表面之比)，理想地對於與熱固性樹脂關聯的管套為15m2/m2，對於與熱塑性樹脂(例如呋喃樹脂)關聯的管套為80m2/m2。

-端部部件可以包括金屬網片層，該片層至少部分地覆蓋維持板的軸向外表面，並且由熱固性或熱塑性樹脂構成的外部覆層覆蓋該金屬網片層。

-維持板可以由碳鋼或不鏽鋼製成。

-端部部件的金屬網片層可以由碳鋼或具有抗腐蝕性質的材料 (例如不鏽鋼、鋯、鈦或鎳合金)製成。

-端部部件的金屬網片層可以包括具有0.05至5mm的長度的網眼。

-管的金屬網管套和端部部件的金屬網片層可以沿著連接區域彼此相互焊接。

-維持板可以由浸漬石墨或纖維增強塑料(FRP)製成，並且每個管的金屬網管套和端部部件通過粘合(cimentage)或膠合(collage)沿著連接區域相連。

-端部部件與管的金屬網管套之間的連接區域可以徑向地沿著開孔的壁布置並軸向地位於開孔中。如此實現的管套與網片層之間的機械連接由此更容易地承受由在塊件中運動的液體施加的軸向應力。

-維持板的開孔可以是階梯式的孔，該孔的軸向外直徑大於軸向內直徑。

-維持板的開孔可以是反向階梯式的孔，該孔的軸向外直徑小於軸向內直徑。

-端部部件與穿過孔的管的管套之間的連接區域位於孔的具有更大直徑的軸向部分中。

-熱固性或熱塑性樹脂可以包括填充有碳化矽、石墨、石英、碳的粉末。填料(charge)的添加允許例如改善導熱性、抗磨損性或抗腐蝕性。可以使用不同填料的混合物。

-每個管的管套都可以沿著第二連接區域被焊接到第二端部部件。

-端部部件的維持板可以與圍繞構成熱交換器模塊的塊件的罩子的結構一體成型。

-端部部件的維持板可以獨立於罩子的結構，並且端部部件的維持板與罩子之間的連接藉助於被壓在端部部件的維持板和/或罩子的端部蓋件和/或罩子的凸緣(bride)之間的密封件來實現。

-端部部件的維持板可以通過焊接被連接到罩子的結構。

本發明的主題還在於一種用於製造構成能夠集成到熱交換器的由複合材料製成的熱交換器模塊的塊件的方法，其中：

-圍繞空心芯軸卷繞金屬網帶；

-將金屬網帶的邊緣彼此相互焊接以形成包括擴口的第一端部的網管套；

-在芯軸中引入液態熱固性或熱塑性樹脂，以覆蓋網管套的內壁並形成管，以獲得包括金屬網管套和由熱固性或熱塑性樹脂構成的內部覆層的管；

-包括維持板的端部部件和管的金屬網管套沿著連接區域相連，其中該維持板具有：

-軸向外表面，

-軸向內表面，以及

-至少一個被管穿過的開孔；並且

-端部部件的軸向外表面、以及管與端部部件之間的連接區域被由熱固性或熱塑性樹脂製成的外部覆層覆蓋，以與管的內部覆層一起形成連續的覆體。

符合本發明的用於製造由複合材料製成的能夠集成到熱交換器的熱交換器模塊的塊件的方法還可以包括這樣的步驟，在這些步驟中：

-端部部件的維持板可以至少部分地在其軸向外表面上被金屬網片層覆蓋，該金屬網片層和管與端部部件之間的連接區域可以被由熱固性或熱塑性樹脂構成的外部覆層覆蓋，以與管的內部覆層一起形成連續的覆體。

-可以將第二端部部件和管的金屬網管套沿著第二連接區域彼此相連，該第二端部部件包括第二維持板，該第二維持板具有第二軸向外表面、被管穿過的第二開孔，

-第二端部部件的第二軸向外表面和管與第二端部部件之間的第二連接區域可以被由熱固性或熱塑性樹脂構成的第二外部覆層覆蓋，以與管的內部覆層一起形成連續的覆體。

-將多個網管套在圍繞空心芯軸卷繞之前相互疊置和/或釺焊(brasées)。這允許賦予管套多孔結構，該結構能夠實現與內部覆層的優化機械連接。網眼的大小、其結構、疊置的管套的數量和釺焊工藝(procédéde brasage)都是允許賦予金屬管合適結構的參數。

-可以通過金屬粉末燒結來實現管。這允許管保持多孔結構。燒結溫度、粉末的粒級及其構成都是確定管的最終結構和孔隙度的參數。

附圖說明

閱讀示例性地提供並絕無任何限制性的附圖，將更好地理解本發明，在這些附圖中：

圖1是一個符合本發明的構成熱交換器模塊的塊件的縱向剖面；

圖2是圖1的放大圖，該圖示出了管與端部板之間的焊接區域；

圖3是一個示意圖，示出了該符合本發明的構成熱交換器模塊 的塊件的製造方法的一個步驟；

圖4是圖3的剖視放大圖，該圖示出了符合本發明的內部樹脂層的沉積；

圖5是符合本發明的第二實施例的、與圖2類似的視圖；

圖6是一個熱交換器的縱向剖視圖，包括符合本發明的構成熱交換器模塊的塊件的。

具體實施方式

現在參照圖1。作為例子描述的構成熱交換器模塊的塊件10包括多個(尤其是3個)用於使處於溫度T1的第一液體流動的管12。為了能夠將該塊件10集成到功能性熱交換器，管12必須與用於使處於第二溫度T2的第二液體流動的孔腔(lumière)14密封地隔離。因此，每個管12都包括金屬網管套16和由帶有或不帶有填料的熱固性或熱塑性材料製成的內部覆層18，該內部覆層既確保管12的密封性又保護金屬網管套16免受可能的腐蝕性液體(例如酸)的破壞性影響。

該熱固性或熱塑性樹脂包括能夠被混合到樹脂中的例如碳化矽、石墨、碳或石英的混合物。該類型的樹脂能改善管的抗侵蝕性和抗腐蝕性並允許良好的導熱性。

還可以使用其他塑料材料，例如聚丙烯(PP)、全氟烷氧基樹脂(PFA)、乙烯三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)或聚乙烯(PE)。

製造構成熱交換器模塊的塊件10的優點在於能夠具有尺寸相同(一般具有短的長度，例如500cm)的模塊，這些模塊能夠相互疊置並能夠與由整塊石墨(graphite massif)製成的塊件互換。

為了形成易於使用的塊件10，存在多個可能性。根據第一實施例，管12被插入兩個維持板20之間，這兩個維持板每個都包括：

-軸向外表面22，

-軸向內表面24，

-每個都被管12穿過的開孔26。

這些板20例如由碳鋼或不鏽鋼製成。

管12和兩個維持板20布置成使得每個管12的端部都與每個維持板20的軸向外表面22平齊。

為了確保維持板20與管12之間的接合，每個維持板20都包括覆蓋其軸向外表面22以構成端部部件29的金屬網片層28。

端部部件29的金屬網片層28本身也開設有與維持板20的開孔26重合的開孔。

在所述例子中，每個管12的金屬網管套16和每個端部部件29的金屬網片層28沿著每個開孔26處的連接區域30相互焊接在一起。

每個管12的管套16的金屬網和端部部件29的金屬網片層28由碳鋼或具有抗腐蝕性質的材料(例如不鏽鋼、鋯、鈦或鎳合金)製成。

每個管12的金屬網管套16與每個端部部件29的金屬網片層28之間的連接區域30例如通過在維持板20上的縫焊來實現。

如在圖2中可見，布置在每個維持板20中的每個開孔26都是階梯式的孔，其軸向外直徑34大於軸向內直徑36。因此，每個孔26都具有肩部38。

由於每個管12的端部都與每個板20的徑向外表面22平齊，因 此每個維持板20的金屬網片層28與每個管12的管套16之間的連接區域30徑向地沿著每個開孔26的壁膠合，軸向地位於每個開孔26中，在肩部38前方。由此，端部部件29與穿過孔26的管12的管套16之間的連接區域30位於開孔26的具有更大直徑的軸向部分中。

由於管12在軸向上受到高壓(由液體的通過所造成)，連接區域30在徑向平面中的定位能夠降低管12從維持板20上脫開的風險。

因此，每個維持板20的金屬網片層28與每個穿過階梯式孔26的管12的管套16之間的每個連接區域30徑向地沿著孔26的壁布置，並軸向地位於維持板20的外端部22與孔26的肩部38之間。這導致每個管12的端部擴大。該擴大能夠使得維持板20與管12之間的連接更牢固。這涉及「脹管」效應。

本身已知地，管在板中「脹管」的原理是允許產生管的徑向擴張以導致管的塑性變形。殘餘應力由此體現為管-板接觸壓強，其結果是獲得管與板之間的高強度機械連接。

如也在圖2中可見地，維持板20的金屬網片層28、以及每個管12的每個管套16與每個維持板20的金屬網片層28之間的連接區域30還覆蓋有由帶有或不帶有填料的熱固性或熱塑性樹脂製成的外部覆層32。該外部覆層32覆蓋金屬網片層28和連接區域30，以與每個管12的內部覆層18一起構成連續的覆體。

外部覆層32的帶有或不帶有填料的熱固性或熱塑性樹脂可以包括能夠被混合到呋喃樹脂的由碳化矽、石墨、碳或石英構成的混合物。

還可以使用其他塑料材料，例如聚丙烯(PP)、全氟烷氧基(PFA)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)或聚乙烯(PE)。

每個管12的管套16的金屬網和每個維持板20的金屬網片層28 的金屬網都例如由碳鋼或不鏽鋼製成。這例如是在卷繞(以構成管12)之前彼此釺焊在一起的網。這能夠在改善導熱性的同時加強管12。管套16的網的結構還會影響管12的熱膨脹，並且可以允許追求一種結構，該結構儘可能地接近內部覆層18和外部覆層32的熱固性或熱塑性樹脂的熱膨脹，以允許管套16與內部覆層18和外部覆層32之間有良好的連接，並能夠改善塊件10的壽命。管套16的網和板20的金屬網片層28的網包括長度為0.05至5mm的網眼。由此，能阻止粘性過高的樹脂在注射樹脂時穿過網。網式結構確保了與固化後的樹脂的強機械連接。

根據一種用於製造構成由複合材料製成的能夠集成到熱交換器的熱交換器模塊的塊件10的方法來製造作為例子描述的塊件10，在該方法中，圍繞空心芯軸40卷繞一條或多條金屬網帶39以形成管12。

實際上，如在圖3和圖4中可見，通過疊置並通過卷繞各條金屬網帶39來獲得管12。疊置的帶的數量可以達到3條。這些帶可以在圍繞空心芯軸40卷繞之前相互釺焊。對於改善製造的管12的機械特徵，釺焊(brasage)是優選的。

金屬網帶或釺焊的金屬網帶39的邊緣沿著焊接線42以連續的方式彼此相互焊接，以形成管12的網管套16。

網管套16可以在其徑向外表面上塗有具有良好導熱性的金屬(例如銅、鋁、鋅、鎂)。該操作可以通過將管12浸沒到熔融的所選擇的金屬浴中來實現。

網管套16還可以被插入到徑向外金屬管中，該徑向外金屬管構成加強套以加強對管12的內部壓強的抵抗性。

在芯軸40(其連接到擠出機43)中引入液態熱固性或熱塑性樹脂，以覆蓋金屬網管套16的內壁並形成包括金屬網管套16和由熱固 性或熱塑性樹脂構成的內部覆層18的管12。與該引入粘性狀態的樹脂同時地，可以在樹脂上施加壓力以優化其與管套的多孔結構的連接。可以例如通過一工具的機械作用來實現該壓力，該工具擠壓樹脂並將該樹脂推到管的厚度中。

分開地，包括：

-軸向外表面22，

-軸向內表面24，

-至少一個開孔26，

的維持板20至少部分地在其軸向外表面22上被網片層28覆蓋，以形成端部部件29。

網片層28通過焊接、優選地通過縫焊固定在維持板20上。

管12被引入到開孔26中，並且每個管12的第一端部與金屬網片層28沿著連接區域30彼此相互焊接，然後金屬網片層28、以及每個管12與金屬網片層28之間的連接區域30被由熱固性或熱塑性樹脂構成的外部覆層32覆蓋，以與每個管12的內部覆層18一起形成連續的覆體。

優選地通過組裝多個經由釺焊而組裝在一起的金屬網片層來實現網片層28。這允許機械地加強金屬網片層28的結構，同時確保該結構的孔隙度，該孔隙度能夠確保與內部覆層18的塑料樹脂和外部覆層的熔融金屬的強機械連接。

為了形成易於使用的塊件10，塊件10的製造方法最後包括數個步驟，在這些步驟期間：

-每個管12的第二端部和第二金屬網片層28彼此相互焊接，方式與每個管12的第一端部和第一維持板20之間的焊接方式相同，其 中第二金屬網片層28覆蓋第二端部部件29的第二維持板20，該第二維持板也包括：

-軸向外表面22，

-軸向內表面24，

-至少一個被管12穿過的開孔26；

-第二金屬網片層28、以及管12與金屬網片層28之間的連接區域30也被由熱固性或熱塑性樹脂構成的外部覆層32覆蓋，以與管12的內部覆層18一起形成連續的覆體。

為了確保針對罩子44中的腐蝕性流體的密封性，可以在構成模塊的塊件10的每個端部部件29上添加密封件45(在圖6中可見)。該密封件45然後被壓縮以避免任何流體洩漏。

以下參照圖5描述本發明的第二實施例。在該圖5中，與前述附圖的元件相似的元件用相同的附圖標記來表示。

圖5示出了一個不同的實施例，其中唯一的不同之處在於每個布置在維持板20中的開孔26是反向階梯式的孔，其軸向外直徑34小於軸向內直徑36。每個孔也具有肩部38。

與前述實施例同樣地，端部部件29與穿過反向階梯式的孔26的管12的管套16之間的連接區域30位於孔26的具有更大直徑的軸向部分中。

該反向階梯式孔允許加強構成模塊的塊件10的抗壓強度，而不使管12與端部部件29間的連接區域30極端受力。

現在參照圖6。在該圖中，構成熱交換器模塊的塊件10的三個管12被直接連接到維持板20：實際上，端部部件29不包括覆蓋維持板20的金屬網片層28。塊件10集成到整體呈圓柱形的罩子44。 在孔腔14中集成了擋板46以促進流體流動中的紊流並改善向管12外部的熱量傳遞。

在圖6中，端部部件29的維持板20通過焊接連接到罩子44的結構。要指出的是，可替代地，端部的維持板20可以與罩子44的結構一體成型或完全獨立於罩子44的結構，沒有任何類型的連接。

從圖6可以觀察到樹脂覆層18和32良好地構成連續覆體，完美地使管12的內部與孔腔14隔離。

處於溫度T1的腐蝕性液體47通過設置在輸配蓋件50中的入口48進入構成熱交換器的塊件10，其中所述輸配蓋件被固定在罩子44的第一端部上。因此，腐蝕性液體47在管12內部流動並通過設置在第二收集蓋件52中的出口51離開塊件10，其中所述第二收集蓋件被固定在罩子44的第二端部上。

處於溫度T2的水53通過設置在罩子44的第二端部中的入口54進入塊件10，並通過設置在罩子44的第一端部中的出口56離開該塊件。水53在管12之間在孔腔14中流動。

本發明不限於所說明的實施例，其他實施例對於本領域的技術人員是明顯的。特別地，可以不將金屬網片層28焊接到管12的管套16，而是可能地螺固或粘合金屬網片層或使用密封件。

還可以使用包括例如由浸漬石墨或纖維增強塑料(FRP)製成的維持板20的端部部件29。因此，每個管12的金屬網管套16和端部部件29沿著連接區域30通過能抵抗腐蝕的粘合或膠合來彼此相連。

一個重要之處在於要注意到，在所述例子中，僅每個管12的內表面覆蓋有樹脂18，但是就構成用於允許兩道腐蝕性流體之間的熱量交換的由複合材料製成的熱交換器模塊的塊件10而言，每個管12的外表面也可以覆蓋有熱塑性或熱固性樹脂覆層18。

每個管12還可以在外部被構成加強套的金屬管加強。

在所述實施例中，空心芯軸40具有圓的截面，形成具有圓截面的管12。然而，可以藉助於合適的空心芯軸40實現具有矩形、橢圓形、或螺旋形截面的管12，以改善熱交換的性能。