聚偏氟乙烯基导热中空纤维及其换热器的制备与表征

【摘要】： 在工业生产过程中,换热器是实现能源转化和利用的最基本的设备之一。普通金属换热器易腐蚀、易结垢、价格高、重量大;用石墨、陶瓷等材料制成的换热器易碎、体积大、导热性能差和换热效率低;用贵稀金属材料制成的换热器虽然能够适应大多工况条件,但其价格昂贵,难以推广应用,仅在特定工况条件下应用;已有的塑料换热器具有体积较大,导热管管壁较粗,热阻大,传热性能较差,塑料易老化和使用温度范围较窄等缺点。提高换热器的传热性能关键是提高导热材料的导热性能。 为提高换热器传热效果,扩大塑料换热器使用温度范围,本文采用耐温性较好的聚偏氟乙烯材料作为基质,并用石墨对其填充改性,制备管径小、管壁薄、导热性能好的复合材料中空纤维,并以此为导热材料制备管壳式中空纤维换热器。其中重点研究了复合材料的配方、制备条件对中空纤维力学和热学性能的影响及其规律,并对自制的导热中空纤维换热器进行“水-水”换热测试,通过改变流体流程和流量,研究流程和流量对换热器换热性能的影响及规律。 研究表明,加入石墨和偶联剂之后,复合物的热稳定性提高:纯聚偏氟乙烯熔点为176℃,加入石墨后熔点升高到178℃,加入石墨和偶联剂之后熔点为178℃;偶联剂的加入使石墨起了成核的作用,促进了聚偏氟乙烯的结晶。当石墨含量分别为9%和15%时,偶联剂的最佳添加量分别为12%和15%;当石墨含量低于3%时,中空纤维的拉伸强度和断裂伸长率随着石墨含量的增加而增加;当石墨含量超过3%时,中空纤维的拉伸强度和断裂伸长率随着石墨含量的增加而降低。 通过对换热器进行“水-水”换热测试,证明石墨的加入在一定程度上有利于提高聚偏氟乙烯基导热中空纤维换热器的换热性能,但是当石墨含量超过15%时,制备的中空纤维换热器的换热性能反而不如纯聚偏氟乙烯制备的,当石墨含量为3%时,换热效果最好;适当提高流体的流量有利于提高换热器的换热效果;当冷流体走换热器管程时,换热器的换热效果较好。 研究表明,石墨改性聚偏氟乙烯基中空纤维换热器耐腐蚀性好、成本较低、体积小、重量轻,搬运和安装方便,单位体积内导热材料的填充率高,不易结垢、传热性能好,使用温度范围宽(可长期在120℃下使用)。