阅读说明：本技术 一种高效液氮换热器的换热管及换热器 (Heat exchange tube of high-efficiency liquid nitrogen heat exchanger and heat exchanger ) 是由 徐维泰 张鹏 程诚 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高效液氮换热器的换热管及换热器,所述换热管本体的外表面设置疏水层,所述换热管本体的内表面设置薄热阻层,本发明将换热管的内外表面进行了特殊加工,提供了具有疏水外表面和薄热阻层的内表面的换热管,疏水外表面能够有效减缓表面结霜,内表面的薄热阻层可以显著提升内部的沸腾传热效率。本发明具有以下优点和效果：换热效果好,可实现快速冷却,液氮的使用效率高,液氮汽化后冷氮气的大量冷量也可进行回收利用。(The invention relates to a heat exchange tube of a high-efficiency liquid nitrogen heat exchanger and the heat exchanger, wherein the outer surface of a heat exchange tube body is provided with a hydrophobic layer, and the inner surface of the heat exchange tube body is provided with a thin heat resistance layer. The invention has the following advantages and effects: the heat exchange effect is good, quick cooling can be realized, the use efficiency of the liquid nitrogen is high, and a large amount of cold energy of the cold nitrogen after the liquid nitrogen is vaporized can be recycled.)

一种高效液氮换热器的换热管及换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种高效液氮换热器的换热管及换热器。

背景技术

工程应用中低温气体及低温液体的应用越来越广泛。在高温地区或季节，空气的密度降低，给燃气轮机的运行性能带来很多不利影响，因此，常需要对机组的进气进行冷却。此外，在空气含有少量低沸点溶剂，如甲醇等，回收时需要通过冷凝进行回收。常见的冷却机组可实现的降温区间较小并且启动时间较长，机组也较为庞大，难以实现快速预冷以及更低温的冷却。

随着液氮的制备技术越来越成熟，来源广泛及成本较低，在工程中的应用越来越多。在常压下液氮的饱和温度为-196℃，汽化时可以吸收大量的热量，采用液氮相变过程可以实现低温快速冷却。然而用液氮作为冷却工质存在两个问题，由于换热管温度低于水等常见液体的凝固点，容易在换热管表面结霜及结冰，产生的附加热阻削弱了传热性能。而在管道内部，由于液氮在不锈钢上的莱登佛罗斯特点温度大约在-148.15℃，因此管道中液氮在刚通入的较长一段时间内均发生膜态沸腾，从而使得管壁温度下降较慢，难以实现快速冷却，同时也造成了液氮的浪费。

发明内容

本发明的目的就是为了减缓换热管表面结霜问题以及解决换热管内部沸腾换热效率低的问题，而提供一种高效液氮换热器的换热管、其制作方法及带有该换热管的换热器，以进一步提高换热能力。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高效液氮换热器的换热管，包括换热管本体，所述换热管本体的外表面设置疏水层，所述换热管本体的内表面设置薄热阻层。本发明将换热管的内外表面进行了特殊加工，提供了具有疏水外表面和薄热阻层的内表面的换热管，疏水外表面能够有效减缓表面结霜，内表面的薄热阻层可以显著提升内部的沸腾传热效率。

进一步地，所述的薄热阻层为Teflon涂层，所述的薄热阻层的厚度在微米级别。

进一步地，所述的薄热阻层通过以下方法涂覆在所述换热管本体的内表面：

(1)将换热管内表面打磨处理，再依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除油污，氮气吹干待用；

(2)向换热管内灌入Teflon并旋转，待涂层均匀；

(3)进行烘烤，之后自然冷却到室温，则内部涂层制备完成。

进一步地，步骤(3)中所述烘烤流程具体为：以10℃/min的升温速率先升温至150℃后保持温度恒定10min，再升温至200℃后保持15min，最后到340℃后保持15min后停止。

进一步地，所述的疏水层为阳极氧化膜。

进一步地，所述的疏水层通过以下方法涂覆在所述换热管本体的外表面：

(1)配置硫酸和磷酸混合酸性溶液以待电抛光使用，将氟化铵、水和乙二醇组成的电解液体系待阳极氧化使用；

(2)将换热管的外表面先进行机械抛光再依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗去除油污，氮气吹干待用；

(3)将换热管竖直浸入步骤(1)配置的酸性溶液中，换热管作为阳极，碳筒为阴极，将碳筒套在换热管外，进行电抛光处理，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干；

(4)将换热管竖直***步骤(1)配置的电解液体系中，换热管作为阳极，碳筒为阴极，将碳筒套在换热管外，通过磁力搅拌保持试样表面温度均匀，进行阳极氧化处理，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干，则阳极氧化膜制备完成。

进一步地，步骤(1)中的硫酸和磷酸混合酸性溶液中，磷酸质量分数为85％，硫酸质量分数为98％，电解液体系中氟化铵为0.125～0.250mol/L，水浓度为0.05～0.80mol/L。

进一步地，步骤(3)中的电抛光的工况为：温度保持50℃，电流大小为0.25A/cm²，抛光时间为20min；步骤(4)中的阳极氧化工况为：温度保持在20℃，氧化电压50V，氧化时间60min。

一种高效液氮换热器，包括壳体、管箱法兰、接管法兰、换热管、凸性封头、封头管箱、活动鞍座，所述接管法兰设于所述壳体的上部或下部，所述换热管设于所述壳体的内部；所述凸性封头设于所述封头管箱的端部，所述封头管箱通过所述管箱法兰连接于所述壳体的两端，所述换热管采用上述的换热管。

进一步地，所述的换热管和所述的壳体材质均为316L不锈钢；

所述壳体上部的接管法兰为液氮进口，下部的接管法兰为氮气出口，所述液氮进口和所述氮气出口位于所述壳体的同一侧；

所述壳体中间设置分程隔板，用于对液氮进行分程，目的是通过第一程汽化的氮气仍然具有较大的冷量，可在第二程继续冷却壳程气体；

所述壳体内设置有折流板，用于对进入壳体的气体进行折流，气体从壳程接管法兰进入，被折流板进行折流，在壳程另一端接管法兰排出，则为冷却后的气体；

所述换热器还设置有放气口或排液口，用于排放壳体中冷凝的液体或多余的气体。

在液氮换热器实际使用过程中，往往不需要将气体冷却至液氮的饱和温度，而是在-148.15℃之上进行快速冷却，管内发生的膜态沸腾以及管外结霜使得这一过程效率较低，而疏水表面比亲水表面难形成厚实的霜层，在管内的过渡沸腾和核态沸腾的传热效率也远大于膜态沸腾。为了达到管内和管外不同的换热目的，本发明对换热管的内外表面分别进行Teflon涂层的制备以及阳极氧化疏水膜的制备。

本发明提出的可用于液氮换热器的换热管，换热管具有疏水性的外表面以及薄热阻层的内表面。外表面的疏水性使得表面较一般表面更难以结霜，内表面的热阻层使得膜态沸腾时间缩短，提高了换热管整体换热能力，因此，本发明提出的换热管具有更大的应用前景，其优势如下：

相较于常规换热管，该换热管外表面在冷却气体时，由于疏水性能够形成珠状凝结，液滴难以在外表面形成液膜，在重力的作用下易脱落，因此难以结霜，为后面的气体提供了冷却表面，提高了外表面的换热能力；相较于常规换热管，该换热管内部通入液氮时，由于内部热阻层的效果使得表面温度很快降低到莱登佛罗斯特点温度以下，因此内部沸腾提前由膜态沸腾阶段进入了过渡及核态沸腾阶段。因为过渡沸腾及核态沸腾阶段的换热能力远比膜态沸腾阶段的强，所以内表面的换热能力进一步提高。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、换热管外表面制备疏水表面，减缓结霜，提高外表面的冷却换热能力；

2、换热管内表面制备薄热阻层，使得内部膜态沸腾时间缩短，显著提升了内表面的沸腾换热能力；

3、换热管总体的换热能力增强，同时具有较好的持久性。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的管壳式换热器结构图；

图2是本发明的较佳实施例的换热管内外表面制备涂层的结构示意图；

图3是按如上方式制备的管道与普通不锈钢管道表面降温比较图；

图4是3次重复性实验的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的管壳式换热器包括：壳体1、管箱法兰2、接管法兰3、换热管4、折流板5、凸性封头6、封头管箱7、活动鞍座部件8、放气口/排液口9、分程隔板10，管程通液氮，壳程通冷却介质。其中，换热管4的内表面具有薄热阻层，外表面具有疏水性的阳极氧化膜，如图2所示。

本实施例中换热管疏水表面的特点是液滴难以在表面铺展，而是形成珠状凝结并迅速脱落，不易形成较厚的霜层；内表面薄热阻层的特点是表面温度能迅速降低至莱登佛罗斯特点温度之下，使得液氮从膜态沸腾提前进入过渡沸腾或核态沸腾，从而使得换热管总体的换热能力提升。

外表面可采用其他方式制备，只需要形成疏水层即可，内表面也可采用其他材料，只需要厚度较薄并且导热系数较小即可。

本发明换热效果好，可实现快速冷却，液氮的使用效率高，液氮汽化后冷氮气的大量冷量也可进行回收利用。

本发明的换热管可使用不锈钢材质，在不锈钢管道内外表面分别制备薄热阻层和疏水表面。

换热管内表面Teflon涂层的制备方法为：

(1)将换热管表面打磨处理再依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声清洗15min去除油污，氮气吹干待用；

(2)向管内灌入Teflon并旋转待涂层均匀；

(3)将样品进行烘烤，以10℃/min的升温速率先升温至150℃后保持温度恒定10min，再升温至200℃后保持15min，最后到340℃后保持15min后停止，之后自然冷却到室温，则内部涂层制备完成。

换热管外表面阳极氧化膜的制备方法为：

(1)配置硫酸和磷酸混合酸性溶液以待电抛光使用，其中磷酸质量分数为85％，硫酸质量分数为98％(国药集团)，两者体积比为2：3。电解液体系中氟化铵0.125～0.250mol/L，水浓度0.05～0.80mol/L。配置氟化铵、水和乙二醇组成的电解液体系以待阳极氧化使用，其中氟化铵0.125～0.250mol/L，水浓度0.05～0.80mol/L；

(2)将换热管竖直浸入电抛光酸性溶液中，换热管作为阳极，碳筒为阴极，将碳筒套在换热管外，进行电抛光处理，保持反应温度为50℃，电流大小为0.25A/cm²，持续20min，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干；

(3)将换热管竖直步浸入电解液体系中，换热管作为阳极，碳筒为阴极，将碳筒套在换热管外，通过磁力搅拌保持试样表面温度在20℃左右，电压维持在50V，持续60min，之后用蒸馏水冲洗，氮气吹干，则阳极氧化膜制备完成。

上述内外表面的制备流程不能颠倒，应当先制备内表面热阻层，Teflon涂层具有较好的化学性质稳定性及绝缘性，因此在外表面进行阳极氧化过程时，能够保护内表面。

如图3所示，本发明制备的不锈钢管表面的降温速度远大于普通不锈钢管，换热能力得到了极大的提升；表面经过多次实验后，测试结果如图4所示(由于难以保证每次实验液氮的入口压力完全相等，因此存在不可避免的误差)，实验数据吻合性在可接受范围内，表明其具有较好的耐久性。

表1为疏水表面接触角结果，接触角越大表示疏水性越好，可知本发明疏水表面具有较佳的疏水性。

表1疏水表面接触角结果

组别	接触角/°
		疏水表面	135～140
抛光不锈钢表面	80～84

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。