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石墨改性聚全氟乙丙烯导热中空纤维及其换热器的研制

范寒寒  
【摘要】:在工业生产的过程中,换热器是实现物料之间热量传递过程的一种重要设备。传统的金属换热器有耐腐蚀性差、易结垢、价格高、重量大等缺点。近几十年来,随着工业生产的发展和科学技术的进步,对换热器的综合性能要求也越来越高,普通的金属换热器已无法满足一些特殊领域的需要,如化工废水处理、酸碱盐循环设备等。塑料换热器在这些领域具有重大应用价值,近年来得到了极大的发展。 但纯塑料导热性能差,为了提高塑料的导热性能,一般用高导热性的金属或无机填料对高分子材料进行填充改性,通过此种方法,可以制备出具有良好力学性能和热稳定性能的高分子复合导热材料。这种材料经过适当的配方调整和工艺处理,可以在一些特殊领域取代金属材料,并且其价格低廉、工艺简单。 为提高换热器的整体换热效果,提高塑料换热器的最高使用温度,本文采用石墨作为填料,对聚全氟乙丙烯进行填充改性,以此制备出管壁薄、管径小、导热性能优良的复合材料导热中空纤维,将其加工后制作成换热器。 本论文重点探讨了石墨添加量及工艺加工条件对中空纤维物化性能的影响规律,并且通过冷热流体流程的变换及流量的改变研究其对自制的换热器总体换热性能的影响及规律。 研究发现,将石墨加入FEP中后,低含量的石墨对体系的热稳定性影响不大。石墨的加入改善了FEP断面叶脉状的形态结构,使之更平滑。当石墨含量小于10%时,随着石墨含量的增加,FEP/G复合材料中空纤维的拉伸强度呈上升趋势,在石墨含量为10%的时候达到最高;随着石墨含量的增加,复合材料中空纤维的断裂伸长率呈下降趋势。 通过冷热流体的换热实验对换热器进行测试后,发现在一定范围内,石墨的加入可以提高聚全氟乙丙烯中空纤维换热器的换热效果。当石墨含量小于5%时,对换热效果无明显改善。当石墨含量提高至7%~10%时,显著地提高了换热器的换热效果;适当地增大冷热流体流量均有利于提高换热器的总体换热效果;当壳程通过热流体,管程通过冷流体时,固定管程冷流体流量,提高壳程进口处热流体的流量,得到的换热效果最佳;导热中空纤维壁厚的增加会导致中空纤维热阻的增加,导致换热器的整体换热效果下降。在换热器的测试过程中,其总传热系数达到了621.1W/(m~2·K),单位体积总传热系数达到了1.40×10~5W/(m~3·K)。 研究结果表明,利用石墨改性聚全氟乙丙烯复合导热材料制作的中空纤维换热器,价格低廉、体积小重量轻、单位体积换热系数较高、换热性能优异。


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