專利名稱：具有抗結(jié)垢性質(zhì)的換熱器板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于板式換熱器的板、板組(plate pack)、板式換熱器以及制造改善抗結(jié)垢性質(zhì)并促進(jìn)板式換熱器清潔的板式換熱器的板的方法。背景
在許多工業(yè)過程中，傳熱設(shè)備的結(jié)垢令人關(guān)注。為保持設(shè)備在常規(guī)運(yùn)行和清潔中有令人滿意的性能，有必要除去傳熱板上的沉淀累積。所述沉淀由例如設(shè)備中的流體、微生物生長和/或污垢而產(chǎn)生。板式換熱器(Plate Heat Exchanger,PHE)在使用中會隨著時間結(jié)垢,這會導(dǎo)致傳熱減少和壓降上升，并因此導(dǎo)致?lián)Q熱器的總體性能下降。因此非永久接合的換熱器終將需 要打開并清潔。例如，由于用在換熱器板中的流體可能嚴(yán)重結(jié)垢并難以清潔，因此需要?dú)v經(jīng)顯著長時間的強(qiáng)力清潔劑和/或強(qiáng)力機(jī)械清潔以恢復(fù)換熱器的性能。PHE的清潔可能既耗時又昂貴。并且，PHE通常與之連接的工藝可能需要在PHE的所述清潔期間關(guān)閉。換熱器板由金屬薄板制成。使用的基底材料(base material)(例如金屬)具有高表面自由能從而導(dǎo)致大多數(shù)液體可以輕易地潤濕所述薄板的表面。并且，當(dāng)制造換熱器板時，薄板金屬的成形操作會增加表面粗糙度，而表面粗糙度往往與結(jié)垢沉淀的更快累積有關(guān)。W02009034359公開了在水環(huán)境中減少生物垢的涂層的配置，其中所述涂層通過使用等離子輔助化學(xué)沉積(Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition, PACVD)而施用。US20090123730公開了使用熔劑焊接的換熱器表面，且除熔劑之外所述表面還提供有至少更多一層的包含添加劑的層。在焊接期間，所述添加劑反應(yīng)以對所述表面進(jìn)行改性。W0200819751公開了用于冷凝器的疏水涂層的制造，其中所述涂層包含基于例如氧化硅溶膠的溶膠-凝膠材料。JP2000345355涉及改善抗腐蝕性并公開了一種由55_99重量％ 二氧化硅和45_1重量％ 二氧化鋯組成的膜，所述膜使用溶膠-凝膠方法形成。US2006/0196644公開了提供有包括通過溶膠-凝膠方法制造的親水表面涂層的換熱器。需要找出確保換熱器及其板更少結(jié)垢從而保持換熱器更長時間段運(yùn)轉(zhuǎn)且令換熱器和板更易清潔的新方法。并且，需要涉及PHE的工藝有較短的停車時間。目前已知的抗結(jié)垢涂層遇到的一個問題是涂層在與磨損性熱交換介質(zhì)(例如沙子或其它隨熱交換流體進(jìn)入PHE的顆粒物質(zhì))使用時較差的抗磨損性。此外，涂層可因在高壓下的應(yīng)用中作用于板組(plate packages)上的扭力和張力而發(fā)生裂紋。發(fā)明簡述
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供用于PHE的改進(jìn)的板，所述板當(dāng)在PHE中使用時表現(xiàn)出減少的板結(jié)垢。另一個目標(biāo)是獲得用于PHE的具有抗結(jié)垢表面的在磨損性環(huán)境中抗磨損且對裂紋形成具有高抗性的板。
該目標(biāo)通過被涂布以使板在換熱器中使用時具有減少的板結(jié)垢的溶膠-凝膠組合物的板實(shí)現(xiàn)。通過對換熱器板施用包含具有有機(jī)硅化合物的溶膠-凝膠材料的涂料組合物，表面自由能和粗糙度都得以降低，從而導(dǎo)致結(jié)垢減少并使換熱器板容易清潔。此外，本發(fā)明的被溶膠-凝膠涂布的PHE板表現(xiàn)出極好的抗磨損性并具有減少涂層中出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險的柔性。本發(fā)明還涉及包括如本文限定種類的多個換熱板的換熱器和用于板式換熱器的板組。 本發(fā)明進(jìn)一步涉及制造換熱板的方法，所述方法包括以下步驟
a)由基底材料形成用于板式換熱器的板，
b)通過溶膠-凝膠方法在板的至少一部分上制備組合物，所述組合物包含有機(jī)硅化合物，
c)干燥和/或固化所述組合物以形成包含氧化硅(SiOx)的涂層。附圖
簡述
圖I是M20 PHE板組和測試中使用的板的相對位置的示意圖，所述板既有根據(jù)本發(fā)明的被涂布的板也有傳統(tǒng)的未涂布的板。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的板和傳統(tǒng)板經(jīng)過7個月運(yùn)行后拆卸后的圖片。圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于板式換熱器的具有防結(jié)垢涂層的板的示意性截面圖。發(fā)明詳述
根據(jù)本發(fā)明使用的涂層可被稱作不粘涂層且可使得結(jié)垢的換熱器的板容易清潔。根據(jù)本發(fā)明的被涂布的板隨著時間表現(xiàn)出相較于傳統(tǒng)換熱器板更好的傳熱，原因是傳統(tǒng)換熱器板會更快地結(jié)垢，從而更大程度地降低傳熱性能。所述板涂層還會導(dǎo)致表面更加平坦，從而導(dǎo)致更好的流動特性。并且根據(jù)本發(fā)明的板式換熱器與傳統(tǒng)板式換熱器的比較，壓降會隨著時間下降，原因是雜質(zhì)、微生物和其它物質(zhì)的累積不那么顯著。根據(jù)本發(fā)明的被涂布的板可容易地僅使用高壓水清洗而清潔。使用根據(jù)本發(fā)明的板無需消耗大量時間進(jìn)行機(jī)械清潔或使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或清潔劑(例如NaOH和HNO3)清潔。根據(jù)本發(fā)明，使用溶膠-凝膠方法將用于板式換熱器的板涂布以包含有機(jī)硅化合物的組合物。所述有機(jī)硅化合物為用于溶膠-凝膠方法的起始材料并優(yōu)選為烷氧基硅化合物(silicon alkoxy compounds)。在溶膠-凝膠方法中,溶膠被轉(zhuǎn)化為凝膠以生產(chǎn)納米材料。通過水解和縮合反應(yīng)在液體中產(chǎn)生夾層分子的三維網(wǎng)絡(luò)。熱處理階段進(jìn)一步將凝膠處理為最終涂層中的納米材料或納米結(jié)構(gòu)。所述涂層包含所述納米材料或納米結(jié)構(gòu)，所述納米材料或納米結(jié)構(gòu)主要包含氧化硅(SiOx),所述氧化硅具有0/Si>l的原子比率，優(yōu)選Ο/Si彡I. 5-3的原子比率，且更優(yōu)選Ο/Si彡2-2. 5的原子比率。優(yōu)選氧化硅為二氧化硅(SiO2)0所述氧化硅形成對板具有極好附著力的三維網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的涂層進(jìn)一步具有例如在烴鏈中見到的碳含量。所述烴可或可不具有例如在烴鏈或芳族基團(tuán)中的官能團(tuán)，例如C=0、C-0、C-0-C、C_N、N-C-0、N-C=O等。優(yōu)選所述碳含量為> 10原子％，優(yōu)選> 20-60原子％，且最優(yōu)選> 30-40原子％。所述烴賦予涂層柔性和彈性，這對于裝配有墊片的板式換熱器來說尤其重要，原因是在運(yùn)行期間板會因施加于板組中的板上的高壓力而移動。烴鏈為疏水疏油性，從而導(dǎo)致涂層的不粘性質(zhì)。圖3示出了提供有氧化硅溶膠-凝膠涂層的用于板式換熱器的板的示意圖。介于板自身和氧化硅層之間的是介于涂布的硅氧烷和板的金屬氧化物膜之間的界面。接著所述界面的涂層主體為具有有機(jī)連接基鏈和空隙的硅氧烷網(wǎng)絡(luò)，所述硅氧烷網(wǎng)絡(luò)賦予涂層柔性。最外面的層為功能性表面，例如減少結(jié)垢的疏水/疏油表面。通過結(jié)合耐用且柔性的涂層，獲得具有極好的不粘性質(zhì)且同時抗磨損和抗開裂的用于板式換熱器的板。涂層的柔性在提供有介于板之間的墊片的板式換熱器中尤其重要，原因是一個眾所周知的問題即板組為非剛性而導(dǎo)致當(dāng)柔性的板相對于彼此移動和彎曲時，板上的涂層趨向于開裂，即所謂的“蛇形裂紋”(snakeing)現(xiàn)象。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，施用至少一種包含有機(jī)硅化合物的溶膠至將被涂布的表面?？蓪⑺霰砻嬉匀魏芜m合的方式潤濕/涂布以溶膠。優(yōu)選表面涂層以噴涂、浸潰或淹灌(flooding)施用。所述換熱器板的一側(cè)的至少一部分待涂布。作為另一選擇，涂布在PHE中使用期間會接觸流體的板的至少一側(cè)的所有表面。并且，可全部涂布換熱器板的至少一側(cè)。作為另一選擇，可涂布板的全部兩側(cè)。如果涂布全部兩側(cè)，可以任何組合將板部分或全部涂布。自然地，可涂布較意欲接觸流體的表面更多的表面。優(yōu)選涂布所有接觸流體并引起結(jié)垢的表面。并且可使用根據(jù)本發(fā)明的組合物涂布墊片。所述涂料組合物優(yōu)選僅 涂布于當(dāng)用于PHE時被指定與至少一種流體接觸的墊片表面。綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的涂料組合物可施用于裸露PHE板或連接有墊片的PHE板。在本申請中討論時與至少一種流體接觸的板或墊片表面意欲涉及在換熱器內(nèi)部接觸流體的表面。在另一個實(shí)施方案中，本方法包括至少預(yù)處理將涂布至少一種溶膠的換熱器板的表面。該預(yù)處理也優(yōu)選通過浸潰、淹灌或噴涂方法進(jìn)行。所述預(yù)處理用于清潔將被涂布的表面以獲得此后的涂層對換熱器板增強(qiáng)的附著力。這樣的預(yù)處理的實(shí)例為使用丙酮和/或堿性溶液(例如苛性堿溶液)處理。在另一個實(shí)施方案中本方法包括熱處理階段，例如，可在預(yù)處理后進(jìn)行干燥操作且往往有必要在用所述溶膠實(shí)際涂布板后進(jìn)行干燥和/或固化操作。所述涂層優(yōu)選經(jīng)受使用傳統(tǒng)加熱設(shè)備(例如烘箱)加熱。將所述包含SiOx的組合物施用于將用于板式換熱器中的板上。所述組合物的施用通過溶膠-凝膠方法完成。在板上所得的所述組合物膜優(yōu)選厚度介于I至30 μ m之間。所述涂布的膜的厚度對于在非永久接合的換熱器中使用的板來說是重要的。低于Iym的薄厚度被認(rèn)為是不足以抗磨損的，原因是使用中的板式換熱器中的板能相對彼此輕微移動。這種輕微的移動導(dǎo)致膜的磨損且涂層將隨著時間損耗。并且膜的厚度是有上限的，原因是在傳熱板上施用物質(zhì)會影響傳熱，因此影響板式換熱器的性能。施用膜的上限優(yōu)選30 μ m。因此，包含氧化硅溶膠的組合物的膜厚度為1-30 μ m,優(yōu)選I. 5-25 μ m,優(yōu)選2-20 μ m,優(yōu)選2-15 μ m,優(yōu)選 2-10 μ m 且優(yōu)選 3-10 μ m。用于板的基底材料可選自多種金屬和金屬合金。優(yōu)選所述基底材料選自鈦、鎳、銅、前述金屬的任何合金、不銹鋼和/或碳鋼。然而，優(yōu)選鈦、前述金屬的任何合金或不銹鋼。
實(shí)施例在對海上設(shè)備(off shore equipment)的延長的運(yùn)行時間的研究中對低表面能玻璃陶瓷涂層進(jìn)行測試。測試兩種低表面能玻璃陶瓷涂層涂層I和涂層2并將結(jié)果在下文示出。涂層I為乙酸丁酯中的硅烷封端的聚合物且涂層2為石腦油/乙酸丁酯溶劑中的聚硅氧烷-氨基甲酸酯樹脂。階段A
分析證明了涂層關(guān)于底材的潤濕和附著力、接觸角、涂層的厚度和相對于I. 2%HN0yK溶液、l%NaOH水溶液和原油的穩(wěn)定性的性質(zhì)。結(jié)果匯總于下表I。表I
權(quán)利要求
1.用于板式換熱器的板，其特征在于所述板具有包含氧化硅SiOx的涂層，所述涂層具有0/Si>l的原子比率、> 10原子％的碳含量和約1-30 μ m的涂層厚度，所述涂層通過溶膠-凝膠方法制備并施用于所述板的至少一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的板，其中所述板上的所述涂層的層厚為1.5-25μπι，優(yōu)選2-20 μ m,更優(yōu)選2-15 μ m,甚至更優(yōu)選2-10 μ m,且最優(yōu)選3-10 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的板，其中所述涂層包含氧化硅SiOx，具有0/Si^ I. 5-3、優(yōu)選Ο/Si彡2-2. 5的原子比率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的板，其中所述組合物具有>20-60原子％、優(yōu)選彡30-40原子％的碳含量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)的板，其中所述涂層施用至當(dāng)板在使用中的板式換熱器中時被指定接觸至少一種流體的墊片表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)的板，其中所述板由選自鈦、鎳、銅、前述金屬的任何合金、不銹鋼和/或碳鋼的基底材料制成。
7.用于板式換熱器的板組，其特征在于所述板組包括如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)限定的種類的多個板。
8.板式換熱器，其特征在于包括如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)限定的種類的多個傳熱板。
9.制造根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)的用于板式換熱器的板的方法，所述方法包括以下步驟 a)由基底材料形成板， b)通過溶膠-凝膠方法制備包括有機(jī)硅化合物的組合物，并將所述組合物施用于所述板的至少一部分， c)干燥和/或固化所述涂層，隨后板上的所述涂層包含二氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明涉及板、板組、板式換熱器和制造用于板式換熱器的板的方法。本發(fā)明改善了板式換熱器的抗結(jié)垢性質(zhì)并促進(jìn)了板式換熱器的清潔。
文檔編號F28F3/10GK102906527SQ201180025763
公開日2013年1月30日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者J.阿內(nèi)哈姆雷 申請人:阿爾法拉瓦爾股份有限公司