阅读说明：本技术 一种用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器 (Spiral winding type quencher for supercritical hydrothermal synthesis of nano powder ) 是由 王树众 张熠姝 王栋 张宝权 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明一种用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器,包括筒体,在筒体中设置有若干层螺旋缠绕的换热管,在筒体内的上部设置带有向下喷淋孔的喷淋管,各换热管底端与热流体入口连通,顶端与热流体出口连通,喷淋管连接冷却水入口,筒体下部设置冷却水出口。每层换热管由倾斜向上或向下缠绕的若干根管道组成,相邻两层换热管倾斜方向相反,且缠绕形成的螺旋均与筒体保持同轴。换热管上可设置螺旋结构翅片,筒体底端可设置分流集箱,顶端可设置汇集集箱,本发明采用螺旋缠绕式排列的换热器结构,并增设喷淋结构,从而强化换热,提高急冷器冷却效率；并充分利用换热面积,大大减小急冷器占地面积,实现超临界水热合成纳米粉体工艺的急冷需求。(The invention relates to a spiral winding type quencher for supercritical hydrothermal synthesis of nano-powder, which comprises a cylinder body, wherein a plurality of layers of spirally wound heat exchange tubes are arranged in the cylinder body, a spray pipe with downward spray holes is arranged at the upper part in the cylinder body, the bottom end of each heat exchange tube is communicated with a hot fluid inlet, the top end of each heat exchange tube is communicated with a hot fluid outlet, the spray pipe is connected with a cooling water inlet, and the lower part of the cylinder body is provided with a cooling water outlet. Each layer of heat exchange tube is composed of a plurality of pipelines which are obliquely wound upwards or downwards, the inclination directions of the adjacent two layers of heat exchange tubes are opposite, and the spiral formed by winding is coaxial with the cylinder. The heat exchange tube can be provided with fins with a spiral structure, the bottom end of the cylinder body can be provided with a shunting collecting box, and the top end of the cylinder body can be provided with a collecting box; and the heat exchange area is fully utilized, the occupied area of the quencher is greatly reduced, and the quenching requirement of the supercritical hydrothermal synthesis nano powder process is met.)

一种用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器

技术领域

本发明涉及在能源、化工、材料技术领域使用的急冷器，特别涉及一种用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器。

背景技术

超临界水热合成法是制备纳米粉体材料的一种新兴技术，有着广阔的发展前景。纳米粉体材料因其在光、电、磁等方面呈现出常规材料所不具备的特性，故在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料等方面有广阔的应用前景，纳米微粒粉体的制备已成为化学工程和能源领域研究的一个新兴领域。现有的纳米粉体的制备方法分为物理方法和化学方法两大类，其中，化学方法又分为气相法、液相法和固相法。近年来，超临界流体技术与液相法中的水热合成法相结合，产生了一种新兴的纳米粉体制备方法——超临界水热合成。

与其他纳米粉体制备方法相比，超临界水热合成技术具有许多特殊的优势：(1)在超临界条件下，水热合成反应速率比常规方法提高几个数量级；(2)可获得极高的成核率，有利于超细微粒的形成；(3)可直接得到结晶良好的粉体，不需作高温灼热处理，避免了在此过程中可能形成的粉体硬团聚，以及在烧结过程中晶粒长大及引入杂质等；(4)可以通过控制过程的参数如为奴的、压力、停留时间等来控制粉体晶粒物相和形貌。

另外，超临界水热合成过程中制备出来的颗粒具有粒度分布较为均匀，晶粒发育完整，纯度高，颗粒团聚较轻，可适用较为便宜的原料等特点。而且超临界水热合成以水为介质，在密闭的环境中进行，因而在反应过程中不会引入其它污染物，被认为是一种绿色环保的纳米粉体制备技术。

但由于超临界水热合成技术极高的反应速率，导致纳米粉体在极短的时间内形成，若在高温条件下的时间增大，纳米粉体会迅速聚集成大颗粒，影响纳米粉体的产品质量，因此超临界水热合成技术工艺常常要求极短的反应时间及迅速的冷却降温，这便对工艺系统中的急冷装置提出了严格的要求，使反应物流体的温度迅速在一段时间以内降至晶体生长临界温度以下。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器，突破传统换热器和急冷器结构的局限，设计了螺旋缠绕式排列的换热器结构，并设计了换热器内的喷淋结构，从而强化换热，使冷却水和热流体充分接触，大大提高了急冷器的冷却效率；并能够充分利用换热面积，使急冷器的占地面积大大减小，最终实现超临界水热合成纳米粉体工艺的急冷需求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器，包括筒体1，在筒体1中设置有若干层螺旋缠绕的换热管2，在筒体1内的上部设置带有向下喷淋孔6的喷淋管5，各换热管2的底端与热流体入口20连通，顶端与热流体出口19连通，喷淋管5连接冷却水入口21，筒体1的下部设置冷却水出口22。

进一步地，每一层所述换热管2由倾斜向上缠绕或倾斜向下缠绕的若干根管道组成，相邻两层换热管2的倾斜方向相反，且缠绕形成的螺旋均与筒体1保持同轴。

进一步地，每根所述换热管2上设置有翅片3，翅片3与换热管2外壁面相连，等距分布在换热管2的外围。

进一步地，所述翅片3高度为2～5mm，换热管2的内径为1～3mm。

所述喷淋管5与筒体1通过U型螺栓7和三角钢8连接、固定，所述喷淋孔6均匀分布于喷淋管5的下半表面上，孔径为2～5mm。

所述喷淋孔6的孔径为2～5mm。

进一步地，所述筒体1底端设置有分流板4，分流板4为多孔结构，孔径与各换热管2的外径相同，分流板4的边缘与筒体1内壁连接，各孔分别供各换热管2穿过，形成整体结构；在分流板4的下方设置有分流集箱12，分流集箱12由一个分流空腔13和若干个分流流道14组成，分流空腔13位于底部，与分流流道14连通，其中分流空腔13的直径大于最外层换热管2的盘绕外径，分流流道14的口径与换热管2的外径相同，且分布位置与换热管2底端的分布位置一一对应，各换热管2底端穿过分流流道14与分流空腔13连通，或者各换热管2通过分流流道14与分流空腔13连通。

进一步地，所述分流集箱12配置有下端盖16，下端盖16通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于分流集箱12的底端，分流集箱12的顶端通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于筒体1的底端，所述热流体入口20开在下端盖16的中央。

进一步地，所述筒体1的顶端设置有汇集集箱9，汇集集箱9由一个汇集空腔10和若干个汇集流道11组成，汇集空腔10位于顶部，与汇集流道11连通，其中汇集空腔10的直径大于最外层换热管2的盘绕外径，且分布位置与换热管2顶端的分布位置一一对应，各换热管2底端穿过汇集流道11与汇集空腔10连通，或者各换热管2通过汇集流道11与汇集空腔10连通。

进一步地，所述汇集集箱9配置有上端盖15，上端盖15通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于汇集集箱9的顶端，汇集集箱9的底端通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于筒体1的顶端，所述热流体出口19开在上端盖15的中央。

进一步地，所述密封垫圈18的类型为V型密封圈、八角密封圈、U型密封圈、矩形密封圈或O型密封圈。

本发明用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器相比于传统的换热器或超临界水热合成纳米粉体工艺的喷水式急冷器，其优势明显，主要体现在：第一，换热管整体采用交错螺旋缠绕的结构，可将换热面积充分利用，并大幅减小急冷器的占地面积；第二、在换热管的外壁面加装等距分布的螺旋翅片，可使换热面进一步扩展，从而起到强化换热的作用；第三，在换热器内部的顶部设置具有大量喷淋孔的喷淋管道，使冷却水以雾化液滴的形式下落，使其与紧密缠绕的换热管充分接触，从而提高换热效率，起到对换热管内热流体快速冷却的作用；第四，采用分流集箱和汇集集箱的结构设计，使每根换热管内的热流体流量均等，从而使整体空间内的换热平均，整体换热效率提高。

附图说明

图1为本发明的螺旋缠绕式急冷器示意图。

其中：1为筒体；2为换热管；3为翅片；4为分流板；5为喷淋管；6为喷淋孔；7为U型螺栓；8为三角钢；9为汇集集箱；10为汇集空腔；11为汇集流道；12为分流集箱；13为分流空腔；14为分流流道；15为上端盖；16为下端盖；17为紧固螺栓；18为密封垫圈；19为热流体出口；20为热流体入口；21为冷却水入口；22为冷却水出口。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的一种用于超临界水热合成纳米粉体的螺旋缠绕式急冷器，包括筒体1，在筒体1中设置有若干层螺旋缠绕的换热管2，在筒体1内的上部设置带有向下喷淋孔6的喷淋管5，各换热管2的底端与热流体入口20连通，顶端与热流体出口19连通，喷淋管5连接冷却水入口21，筒体1的下部设置冷却水出口22。

根据该结构，反应后热流体由热流体入口20进入每根换热管2内部，在换热管2内的热流体由下至上螺旋上升的过程中与从喷淋管5下半部分的若干喷淋孔6中喷射出的雾化液滴充分换热，形成逆流换热的行程，整个急冷过程可在1秒内完成；完成急冷后的热流体从热流体出口19中流出，冷却水经过冷却水入口21进入，经过换热的冷却水液滴在筒体1中汇聚，然后从冷却水出口22中流出。

在本发明的细节方案中，喷淋管5与筒体1通过U型螺栓7和三角钢8连接、固定，喷淋孔6均布于喷淋管5的下半表面上，孔径2～5mm。

在本发明的进一步改进方案中，每一层换热管2由倾斜向上缠绕或倾斜向下缠绕的若干根管道组成，相邻两层换热管2的倾斜方向相反，且缠绕形成的螺旋均与筒体1保持同轴。

在本发明的进一步改进方案中，每根换热管2上设置有螺旋结构的翅片3，翅片3与换热管2外壁面相连，等距分布在换热管2的外围，起到扩展换热面的作用，翅片3高度一般为2～5mm，换热管2的内径一般为1～3mm。

在本发明的进一步改进方案中，筒体1底端设置有分流板4，分流板4为多孔结构，孔径与各换热管2的外径相同，分流板4的边缘与筒体1内壁连接，各孔分别供各换热管2穿过，形成整体结构；在分流板4的下方设置有分流集箱12，分流集箱12由一个分流空腔13(可为圆柱形)和若干个分流流道14组成，分流空腔13位于底部，与分流流道14连通，其中分流空腔13的直径大于最外层换热管2的盘绕外径，分流流道14的口径与换热管2的外径相同，且分布位置与换热管2底端的分布位置一一对应，各换热管2底端穿过分流流道14与分流空腔13连通，或者各换热管2通过分流流道14与分流空腔13连通。

其中，分流集箱12配置有下端盖16，下端盖16通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于分流集箱12的底端，分流集箱12的顶端通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于筒体1的底端，热流体入口20开在下端盖16的中央。

该结构中，反应后热流体由位于下端盖16上的热流体入口20进入分流集箱12底部的分流空腔13，然后经分流流道14将热流体均分至每根换热管2内部。

在本发明的进一步改进方案中，筒体1的顶端设置有汇集集箱9，汇集集箱9由一个汇集空腔10(可为圆柱形)和若干个汇集流道11组成，汇集空腔10位于顶部，与汇集流道11连通，其中汇集空腔10的直径大于最外层换热管2的盘绕外径，汇集流道11的口径与换热管2的外径相同，且分布位置与换热管2顶端的分布位置一一对应，各换热管2顶端穿过汇集流道11与汇集空腔10连通，或者各换热管2通过汇集流道11与汇集空腔10连通。

其中，汇集集箱9配置有上端盖15，上端盖15通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于汇集集箱9的顶端，汇集集箱9的底端通过紧固螺栓17和密封垫圈18安装于筒体1的顶端，热流体出口19开在上端盖15的中央。

该结构中，完成急冷后的热流体通过汇集流道11进入汇集集箱9顶部的汇集空腔10，最后从上端盖15上的热流体出口19中流出急冷器。

本发明中，优选地，密封垫圈18的类型可以但不限于是V型密封圈、八角密封圈、U型密封圈、矩形密封圈、O型密封圈等。

本发明按照功能可分为换热主体、分流辅件、密封辅件和接管口，换热主体与分流辅件通过密封件连接并紧固，换热主体主要包括筒体1、若干层螺旋缠绕的换热管2、翅片3、分流板4、喷淋管5、喷淋孔6、U型螺栓7和三角钢8等。分流辅件主要包括汇集集箱9、汇集空腔10、汇集流道11、分流集箱12、分流空腔13、分流流道14等。密封辅件主要包括上端盖15、下端盖16、紧固螺栓17和密封垫圈18等。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。