CN106166844A - 氟塑料换热结构 - Google Patents

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Abstract

一种氟塑料换热结构，其特征是，它包括氟塑料基体和高导热碳纤维丝束；在氟塑料基体上垂直其上下表面贯穿有若干高导热碳纤维丝束，高导热碳纤维丝束包括分别延伸出氟塑料基板上下表面的上纤毛肋和下纤毛肋，还包括嵌入到氟塑料基板中的嵌入部；嵌入部的碳纤维丝束之间以及丝束内部碳纤维单丝之间的缝隙均由氟塑料紧密填充。

Description

氟塑料换热结构
技术领域
本发明涉及一种氟塑料换热结构，具体涉及一种利用高导热碳纤维强化换热的氟塑料换热结构，属于强化换热技术领域。
背景技术
氟塑料并不是很好的换热材料，但是由于它耐腐蚀防老化，在一些特殊的应用场合，也常常被用来制造换热器。氟塑料换热器已广泛用于烟气余热回收、海水淡化、化工、酸洗、电镀、医药、阳极氧化等领域。氟塑料的导热系数很低，比金属差2~4个数量级，所以总传热系数只有普通管壳式换热器的1/5~1/3。
碳纤维（CF）导热系数非常高，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的导热系数约为30~150 W/（m×K），而中间相沥青（MPP）基碳纤维的导热系数约为120~950 W/（m×K）。CF的导热性能优异，人们自然会想到用它作填料制备高导热复合材料，尤其是高导热氟塑料。然而，很多研究发现，向氟塑料里添加碳纤维并没有很显著地提复合材料的导热系数，例如：文献（Thermal conductivity of PTFE composites filled with graphite particles andcarbon fibers. Computational Materials Science. 2015, Vol. 102, pp. 45-50.）制备了聚四氟乙烯（PTFE）、石墨和碳纤维复合材料，导热系数最高仅达到1.35 W/（m×K），只是PTFE的5倍；文献（Synergistic improvement of thermal conductivity in polymercomposites filled with pitch based carbon fiber and graphene nanoplatelets.Polymer Testing. 2015, Vol. 45, pp. 132-138.）采用沥青基碳纤维（550W/ （m×K））、纳米石墨烯（3000W/（m×K））和环丁烯对苯二酸酯制备出导热系数呈各向异性的复合材料，导热系数最高值仅达到5.6 W/（m×K）。上述研究成果似乎与我们对碳纤维、石墨烯改进塑料换热性能的期待有很大差距，极有可能是因为碳纤维、石墨烯的导热具有各向异性的特点，例如，文献（High thermal conductivity phase change composite withpercolating carbon fiber network. Applied Energy. 2015, Vol. 154, pp. 678-685.）显示，XN-100碳纤维的轴向导热系数是900 W/ （m×K），径向导热系数只有10W/（m×K）。如果CF在复合材料内是杂乱无序排列的，径向互相接触的碳纤维之间的导热很可能会成为材料内部导热的主要热阻，轴向上纤维如果不是一个连续的碳链，声子传播在传播通道上发生散射和反射，对于导热也是十分不利的，所以即使是由纯碳纤维制成的管材，也不一定是高效的换热材料。
只有有效利用碳纤维的轴向导热能力，才能够真正起到增强基材导热系数的作用，关键在于碳纤维必须沿着热流传导方向定向排列。但是，碳纤维定向排列对于强化换热还只是必要条件，并不是充分条件。碳纤维/塑料复合换热材料若用于流体的间壁式换热，换热壁面两侧的对流换热能力将与碳纤维轴向导热能力不匹配，并不能发挥出碳纤维高导热系数的优势。因为塑料基材的导热系数比碳纤维低几个数量级，其导热量几乎可以忽略，假设热量从换热壁面一侧传递到另一侧全部都是通过碳纤维传导的，其导热量为：|q|=λAΔT/d；其中，q为导热功率，W；λ为导热系数，W/（m×K），数值假设为500；A为碳纤维横截面积，m2；ΔT为温差，K；d为换热壁面厚度，m，数值假设为10-3。碳纤维横截面上的对流换热量为：q c = |q| = hAΔT；其中，h为表面对流换热系数，W/（m2×K），如果是气体的强制对流，h取值范围为20~100，如果是水的强制对流，h取值范围为1000~15000。即使假设h的值为15000，也远远小于λ/d，意味着表面对流换热过程是整体换热过程中的瓶颈。若要对流换热能力与导热能力相匹配，一个途径是增大对流换热的温差，这是不利于提高换热效率的，另一个途径是扩大对流换热的面积。扩大对流换热面积，并不是扩大复合材料表面积，只有从碳纤维横截面上直接扩展出来的换热面积，才能真正有效地将热量传递给碳纤维，并进一步通过碳纤维的轴向导热传递到另一侧。为此，需要碳纤维有一部分像毛发一样暴露在复合材料表面作为扩展面积。
本发明提供一种氟塑料换热结构，由氟塑料基体和高导热碳纤维丝束构成，其中高导热碳纤维丝束按一定分布密度垂直于氟塑料基体的表面均匀分布，并贯穿氟塑料基体，丝束两端各有一部分露于氟塑料基体表面之外，中间部分嵌于氟塑料基体之内。另外，碳纤维丝束的分布密度、两端露出部分的长度、丝束的分散程度以及基板的厚度等参数只有满足本发明提出的特定匹配关系，才能够有效地提高换热结构的换热系数。该氟塑料换热结构的换热性能可与金属材料换热结构相媲美，可用于制造紧凑式防腐蚀高效换热器，在化工、船舶和海水淡化等诸多领域有广泛用途。
发明内容
本发明的目的在于提供一种换热性能可与金属材料媲美的碳纤维/氟塑料复合换热结构，用于替代塑料、橡胶、石墨、碳化硅等非金属材料制造换热器，具有防腐蚀、轻质、柔性、高强度和低成本等诸多优势，最突出的优势在于换热器的传热系数与现有全氟塑料换热器相比可提高一个数量级，达到2000 W/（m2×K）以上。
本发明的技术方案包括如下技术措施：一种氟塑料换热结构，其特征是，它包括氟塑料基体和高导热碳纤维丝束；在氟塑料基体上垂直其上下表面贯穿有若干高导热碳纤维丝束，高导热碳纤维丝束包括分别延伸出氟塑料基板上下表面的上纤毛肋和下纤毛肋，还包括嵌入到氟塑料基板中的嵌入部；嵌入部的碳纤维丝束之间以及丝束内部碳纤维单丝之间的缝隙均由氟塑料紧密填充。
所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的高导热碳纤维丝束是由1000~24000根高导热碳纤维单丝组成的，其中碳纤维单丝的轴向导热系数λ为50~950 W/（m×K），每根碳纤维单丝在轴向上是连续的，且每根碳纤维单丝的轴向排列方向近似一致。
所述的氟塑料换热结构，其特征是所述高导热碳纤维丝束包含碳纤维单丝数量的最优值为5000至12000根。
所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的高导热碳纤维丝束在氟塑料基体表面上要达到一定的分布密度r，r用其径向横截面积的总和与氟塑料基体上下表面平均面积的百分比表示，其值与t和λ存在下述关系：r≥6000×t/λ×100%，并且10%≥r≥1%。
所述的氟塑料换热结构，其特征是所述氟塑料基体的厚度t为5×10-4~1.6×10-2米；所述的嵌入部的长度与氟塑料基体的厚度一致。
所述的氟塑料换热结构，其特征是上纤毛肋的长度l hot与碳纤维单丝的直径d，单位：m，热流体与上纤毛肋表面对流换热系数h hot，单位：W/（m2×K）、氟塑料基体的厚度t以及碳纤维单丝的轴向导热系数λ存在下述匹配关系：l hot≥2λd/(h hot× t)；下纤毛肋的长度l cool，单位：m，其值与d、λ、 t以及冷流体与下纤毛肋表面对流换热系数h cool，单位：W/（m2×K），存在下述匹配关系：l cool≥2λd/(h cool×t)。
所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的上纤毛肋、下纤毛肋的长度l hot和l cool均不宜超过1.0×10-2米。
所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的氟塑料是指聚四氟乙烯（PTFE）、全氟（乙烯丙烯）（FEP）共聚物、聚全氟烷氧基（PFA）树脂、聚三氟氯乙烯（PCTFF）、乙烯一三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）、乙烯一四氟乙烯（ETFE）共聚物、聚偏氟乙烯（PVDF）和聚氟乙烯（PVF）。
所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的氟塑料基体是指由氟塑料制成的平板、波纹板或者管。
所述的氟塑料换热结构的一种制备方法，其特征是它包括如下步骤：
1）首先选取市售的高导热碳纤维丝束为原料，丝束为连续的长丝，通过实验测定其导热系数λ，碳纤维单丝直径d ，丝束直径D 的数值；
2）根据应用需要并考虑密封渗漏风险，综合确定氟塑料换热结构基体的设计厚度t；
3）碳纤维分布密度r （百分比），根据基体厚度t 按如下关系确定：r ≥6000×t / λ×100%，并且10%≥r ≥1%；
4）上纤毛肋长度l hot，根据基体厚度t 、碳纤维轴向导热系数λ、碳纤维单丝直径d 以及热流体与上纤毛肋表面对流换热系数h hot按照关系式l hot≥2λd /(h hot×t )确定；下纤毛肋长度l cool，根据t 、λ 、 d 以及冷流体与下纤毛肋表面对流换热系数h cool按照关系式l cool≥2λd /(h cool×t )确定。
5）选取两块厚度10毫米矩形不锈钢平板作为模板，模板长比l 长100毫米，宽比w宽100毫米，长、宽方向距离边界50毫米以内区域用于布置定位孔和紧固螺栓，除此之外为中心区域，布置有圆形的上下通孔，孔直径大小与D 相同，孔与碳纤维丝束一一相对应；
6）将上述不锈钢模板其中一块平放；选取市售的氟塑料薄膜为原料，薄膜厚度为百微米量级，裁剪成长、宽比l 和w 各多出10毫米的矩形，将其平铺于不锈钢模板之上，覆盖模板的中心区域；根据设计的氟塑料基体厚度t ，继续向上叠加氟塑料薄膜，使氟塑料薄膜的堆积厚度达到t 的110%；
7）选取市售的聚丙烯塑料薄膜为原料，薄膜厚度为百微米量级，裁剪成长、宽比l 和w各多出10毫米的矩形，将其平铺于上述氟塑料薄膜之上，边缘与氟塑料薄膜对齐，继续向上叠加聚丙烯塑料薄膜；根据设计的上纤毛肋长度l hot，将一定数量的聚丙烯塑料薄膜向上堆积，使其堆积厚度达到l hot的220%；
8）重复步骤7中的操作方法，在聚丙烯塑料薄膜之上再叠加厚度为t 的110%的氟塑料薄膜；
9）重复步骤8中的操作方法，在氟塑料薄膜之上再叠加聚丙烯塑料薄膜，厚度控制在l cool的220%；
10）重复步骤9中的操作方法，在聚丙烯塑料薄膜之上再叠加厚度为t 的110%的氟塑料薄膜；
11）将另一块不锈钢模板盖在氟塑料薄膜之上，使其所有开孔的位置与最下面的不锈钢模板开孔位置完全对应，通过紧固螺栓施加（2~5）×105帕斯卡的压强，将交错堆积的氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜压紧、压实、压平整；
12）采用激光打孔机通过不锈钢模板中心区域的通孔在氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜上打出通孔，该孔直径约为D / 2，其中心位置与不锈钢模板上的孔中心位置一致；
13）将高导热碳纤维丝束从上面的不锈钢模板通孔中穿过，依次通过氟塑料薄膜层、聚丙烯薄膜层、氟塑料薄膜层、聚丙烯薄膜层、氟塑料薄膜层，直至穿过下面的不锈钢模板通孔；
14）将所有的通孔用高导热碳纤维丝束穿过后，剪裁掉不锈钢模板之外的多余碳纤维；将上下不锈钢模板连通中间夹着的氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜以及孔中的碳纤维一起移入一个市售的氟塑料烧结炉，由水平放置转为竖直放置；抽除炉内空气，在320~380摄氏度条件下烧结约1小时；聚丙烯树脂的熔点在164~170摄氏度，烧结过程中逐渐熔化成液态流出；
15）烧结完成后，自然冷却，氟塑料薄膜烧结为整体，形成三块相互独立的氟塑料板，板间连着高导热碳纤维丝束；将不锈钢模板拆除，并将连接相邻两块氟塑料板的碳纤维丝束从中点切断，同时将不锈钢模板拆除后留下的碳纤维丝束按需要进行剪裁，即可同时制得三个平板型氟塑料换热结构，将其卷曲焊接，可得管状氟塑料换热结构。
本发明的有益效果是：
1）基材起到隔绝换热面两侧流体的作用，导热作用基本可以忽略，扬长避短，充分利用有机材料的耐腐蚀、柔韧性好、轻质等优点，不必再受基材极低导热系数的困扰；
2）埋于基材内的碳纤维起到导热作用，导热量正比于其横截面积、导热系数和两侧温差，反比于基材的厚度，虽然横截面积有限、基材厚度增加，但是因为碳纤维轴向导热系数比基材高2~4个数量级，所以在固定温差条件下导热量与基材相比可以提高1~3个数量级；
3）碳纤维丝束露于基材外的纤毛肋，具有比较大的比表面积，起对流换热作用，可以更有效地实现流体与碳纤维之间的换热，使得碳纤维两端输入输出的热流量与其导热能力相接近，从而避免因为碳纤维横截面积过小造成表面对流换热热阻成为瓶颈的可能性；
4）碳纤维的轴向强度和模量非常高，可以显著提高本发明所述的氟塑料换热结构的力学性能，使得该换热结构不仅仅适合制造管束式换热器，还可以用于制造紧凑式板式换热器；
5）若采用本发明所述的氟塑料换热结构用于制造紧凑式防腐蚀换热器，其传热系数可以达到2000~3500W/（m2×K），超过普通的金属管壳式换热器，而且重量只有普通管壳式换热器的1/3左右。
附图说明
图1是一种氟塑料换热结构的结构示意图。
图中：1-氟塑料基板；2-高导热碳纤维丝束； 3-碳纤维丝束嵌入部分；4-上纤毛肋、5-下纤毛肋。
具体实施方式
一种氟塑料换热结构，其一种制备方法，包括如下步骤：
1）首先选取市售的高导热碳纤维丝束为原料，丝束为连续的长丝，通过实验测定其导热系数λ，碳纤维单丝直径d ，丝束直径D 的数值；
2）根据应用需要并考虑密封渗漏风险，综合确定氟塑料换热结构基体的设计厚度t ；
3）碳纤维分布密度r （百分比），根据基体厚度t 按如下关系确定： r ≥6000×t / λ×100%，并且10%≥r ≥1%；
4）上纤毛肋长度l hot，根据基体厚度t 、碳纤维轴向导热系数λ、碳纤维单丝直径d以及热流体与上纤毛肋表面对流换热系数h hot按照关系式l hot≥2λd /(h hot×t )确定；下纤毛肋长度l cool，根据t 、λ、d 以及冷流体与下纤毛肋表面对流换热系数h cool按照关系式l cool≥2λd /(h cool×t )确定。
5）选取两块厚度10毫米矩形不锈钢平板作为模板，模板长比l 长100毫米，宽比w宽100毫米，长、宽方向距离边界50毫米以内区域用于布置定位孔和紧固螺栓，除此之外为中心区域，布置有圆形的上下通孔，孔直径大小与D 相同，孔与碳纤维丝束一一相对应；
6）将上述不锈钢模板其中一块平放；选取市售的氟塑料薄膜为原料，薄膜厚度为百微米量级，裁剪成长、宽比l 和w 各多出10毫米的矩形，将其平铺于不锈钢模板之上，覆盖模板的中心区域；根据设计的氟塑料基体1厚度t ，继续向上叠加氟塑料薄膜，使氟塑料薄膜的堆积厚度达到t 的110%；
7）选取市售的聚丙烯塑料薄膜为原料，薄膜厚度为百微米量级，裁剪成长、宽比l 和w各多出10毫米的矩形，将其平铺于上述氟塑料薄膜之上，边缘与氟塑料薄膜对齐，继续向上叠加聚丙烯塑料薄膜；根据设计的上纤毛肋4长度l hot，将一定数量的聚丙烯塑料薄膜向上堆积，使其堆积厚度达到l hot的220%；
8）重复步骤7中的操作方法，在聚丙烯塑料薄膜之上再叠加厚度为t 的110%的氟塑料薄膜；
9）重复步骤8中的操作方法，在氟塑料薄膜之上再叠加聚丙烯塑料薄膜，厚度控制在l cool的220%；
10）重复步骤9中的操作方法，在聚丙烯塑料薄膜之上再叠加厚度为t 的110%的氟塑料薄膜；
11）将另一块不锈钢模板盖在氟塑料薄膜之上，使其所有开孔的位置与最下面的不锈钢模板开孔位置完全对应，通过紧固螺栓施加（2~5）×105帕斯卡的压强，将交错堆积的氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜压紧、压实、压平整；
12）采用激光打孔机通过不锈钢模板中心区域的通孔在氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜上打出通孔，该孔直径约为D /2，其中心位置与不锈钢模板上的孔中心位置一致；
13）将高导热碳纤维丝束从上面的不锈钢模板通孔中穿过，依次通过氟塑料薄膜层、聚丙烯薄膜层、氟塑料薄膜层、聚丙烯薄膜层、氟塑料薄膜层，直至穿过下面的不锈钢模板通孔；
14）将所有的通孔用高导热碳纤维丝束穿过后，剪裁掉不锈钢模板之外的多余碳纤维；将上下不锈钢模板连通中间夹着的氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜以及孔中的碳纤维一起移入一个市售的氟塑料烧结炉，由水平放置转为竖直放置；抽除炉内空气，在320~380摄氏度条件下烧结约1小时；聚丙烯树脂的熔点在164~170摄氏度，烧结过程中逐渐熔化成液态流出；
15）烧结完成后，自然冷却，氟塑料薄膜烧结为整体，形成三块相互独立的氟塑料板，板间连着高导热碳纤维丝束；将不锈钢模板拆除，并将连接相邻两块氟塑料板的碳纤维丝束从中点切断，同时将不锈钢模板拆除后留下的碳纤维丝束按需要进行剪裁，即可同时制得三个平板型氟塑料换热结构，将其卷曲焊接，可得管状氟塑料换热结构。
具体实施方法不限于上述方法。
实施例1:选取美国Amoco公司的Thornel K1100高导热碳纤维丝束为原料，其轴向热导率为950 W/（m×K），单丝直径6.9微米，丝束直径0.56毫米；选取聚四氟乙烯为基体材料，其设计厚度为0.5毫米；经过计算和判断，高导热碳纤维丝束的分布密度宜为1%，即每平方厘米面积上均布4束碳纤维丝束。
换热结构上表面为高温流体通道，选择水为高温流体，温度为45摄氏度；在设计工况下，高温流体与碳纤维丝束的表面对流换热系数为2000 W/（m×K），按照匹配关系计算，上纤毛肋的长度应该大于13.1毫米，但是根据优选条件，上纤毛肋的长度应设为10.0毫米；换热结构下表面为低温流体通道，选择水为低温流体，温度为44摄氏度，在设计工况下，低温流体与碳纤维丝束的表面对流换热系数为3000W/（m×K），按照匹配关系计算，下纤毛肋的长度应为8.7毫米。
设定氟塑料换热结构的形式为平板型，长300毫米，宽200毫米。
选择两块厚度10毫米、长400毫米、宽300毫米的不锈钢钢板为模板，长度方向从50毫米至350毫米之间、宽度方向从50毫米至250毫米之间为中心区域，其余为边缘区域；在边缘区域每条边上中心位置布置1个定位孔，孔直径10毫米，每角均布两个紧固螺栓孔，孔直径10毫米；在中心区域，以每平方厘米4个的密度均匀加工圆形通孔，孔直径0.6毫米。
将一块不锈钢模板平放在一个操作平台上，平台上固定4个直径为10毫米、高度100毫米的定位柱，定位柱位置与模板上的定位孔对应；选择市售的聚四氟乙烯薄膜，厚度0.05毫米，裁剪成长310毫米、宽210毫米的矩形，将11张聚四氟乙烯薄膜摞在一起，码放整齐，放置于不锈钢模板上，完全覆盖模板的中心区域。
选择市售的聚丙烯薄膜，厚度为0.5毫米，裁剪成长310毫米、宽210毫米的矩形，将44张聚丙烯薄膜摞在一起，码放整齐，放置于聚四氟乙烯薄膜上，边缘与聚四氟乙烯薄膜对齐；再向上码放11张聚四氟乙烯薄膜；然后再码放39张聚丙烯薄膜；最后码放11张聚四氟乙烯薄膜。
将另一块不锈钢模板盖上，定位柱需穿出定位孔，用螺栓紧固上下两块不锈钢模板，压强控制在3个大气压，将薄膜压实。将不锈钢模板抬高，从操作平台的定位柱上取下。
采用激光打孔机，按照不锈钢模板中心区域的通孔位置打孔，从上面的不锈钢模板打通至下面的不锈钢模板，孔直径为0.3毫米。
选用直径0.1毫米的钼丝，长度200毫米，对折；将高导热碳纤维丝束穿入对折钼丝的闭口端，将钼丝开口端拧成双绞线并从上面的不锈钢模板通孔刺入，从下面不锈钢模板上的通孔刺出，拉动钼丝，并将其拉出，牵引高导热碳纤维丝束穿过模板和聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜，将两端多余的碳纤维剪掉；重复上述操作，直至所有通孔都被碳纤维丝束填满。
将不锈钢模板连同聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜等整体放入真空烧结炉里，竖直放置，抽真空至1kPa以下，在温度345摄氏度条件下烧结1小时，取出自然冷却。
聚丙烯薄膜在烧结过程中熔化流出，聚四氟乙烯薄膜烧结成板，板间连着碳纤维丝束，将其沿中间切断，根据设计长度对上纤毛肋、下纤毛肋进行修剪，制备得到氟塑料换热结构。
该氟塑料换热结构的总传热系数为5730W/（m2×K），其中，上纤毛肋4的对流换热热阻为2.80 K/W，嵌入部的导热热阻为2.14 K/W，下纤毛肋5的对流换热热阻为2.15 K/W。可见，三部分热阻大致相同，但是，因为上纤毛肋4长度受限，不能充分满足匹配条件，所以热阻偏大。
在本实施例中，如果将下纤毛肋5的长度由8.7毫米减小值0.1毫米，即远远偏离匹配关系，总传热系数将会由5730W/（m2×K）锐减至212W/（m2×K），下纤毛肋的对流换热热阻由2.15 K/W骤升至187.0K/W，说明即使采用导热系数最高的高导热碳纤维强化换热，也需要满足传热换热与对流换热的匹配关系，才能够最大限度地提高总传热系数。
在本实施例中，如果将氟塑料基体的厚度由0.5毫米调整到16.0毫米，则高导热碳纤维丝束的分布密度应为10.0%才能达到预期强化效果，即总传热系数大于2000W/（m2×K），说明氟塑料基体的厚度不应超过16.0毫米。
实施例2:选取日本东丽公司的Torayca M40J高导热碳纤维丝束为原料，其轴向热导率为67 W/（m×K），单丝直径7.0微米，丝束直径0.88毫米；选取聚四氟乙烯为基体材料，其设计厚度为0.5毫米；经过计算和判断，高导热碳纤维丝束的分布密度宜为4.5%，即每平方厘米面积上均布7.5束碳纤维丝束。
换热结构上表面为高温流体通道，选择水为高温流体，温度为45摄氏度；在设计工况下，高温流体与碳纤维丝束的表面对流换热系数为2000 W/（m×K），按照匹配关系计算，上纤毛肋的长度应为1.0毫米；换热结构下表面为低温流体通道，选择水为低温流体，温度为44摄氏度，在设计工况下，低温流体与碳纤维丝束的表面对流换热系数为3000W/（m×K），按照匹配关系计算，下纤毛肋的长度应为0.6毫米。
设定氟塑料换热结构的形式为平板型，长300毫米，宽200毫米。
选择两块厚度10毫米、长400毫米、宽300毫米的不锈钢钢板为模板，长度方向从50毫米至350毫米之间、宽度方向从50毫米至250毫米之间为中心区域，其余为边缘区域；在边缘区域每条边上中心位置布置1个定位孔，孔直径10毫米，每角均布两个紧固螺栓孔，孔直径10毫米；在中心区域，以每平方厘米7.5个的密度均匀加工圆形通孔，孔直径0.9毫米。
将一块不锈钢模板平放在一个操作平台上，平台上固定4个直径为10毫米、高度100毫米的定位柱，定位柱位置与模板上的定位孔对应；选择市售的聚四氟乙烯薄膜，厚度0.05毫米，裁剪成长310毫米、宽210毫米的矩形，将11张聚四氟乙烯薄膜摞在一起，码放整齐，放置于不锈钢模板上，完全覆盖模板的中心区域。
选择市售的聚丙烯薄膜，厚度为0.05毫米，裁剪成长310毫米、宽210毫米的矩形，将44张聚丙烯薄膜摞在一起，码放整齐，放置于聚四氟乙烯薄膜上，边缘与聚四氟乙烯薄膜对齐；再向上码放11张聚四氟乙烯薄膜；然后再码放27张聚丙烯薄膜；最后码放11张聚四氟乙烯薄膜。
将另一块不锈钢模板盖上，定位柱需穿出定位孔，用螺栓紧固上下两块不锈钢模板，压强控制在3个大气压，将薄膜压实。将不锈钢模板抬高，从操作平台的定位柱上取下。
采用激光打孔机，按照不锈钢模板中心区域的通孔位置打孔，从上面的不锈钢模板打通至下面的不锈钢模板，孔直径为0.5毫米。
选用直径0.2毫米的钼丝，长度200毫米，对折；将高导热碳纤维丝束穿入对折钼丝的闭口端，将钼丝开口端拧成双绞线并从上面的不锈钢模板通孔刺入，从下面不锈钢模板上的通孔刺出，拉动钼丝，并将其拉出，牵引高导热碳纤维丝束穿过模板和聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜，将两端多余的碳纤维剪掉；重复上述操作，直至所有通孔都被碳纤维丝束填满。
将不锈钢模板连同聚四氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜等整体放入真空烧结炉里，竖直放置，抽真空至1kPa以下，在温度345摄氏度条件下烧结1小时，取出自然冷却。
聚丙烯薄膜在烧结过程中熔化流出，聚四氟乙烯薄膜烧结成板，板间连着碳纤维丝束，将其沿中间切断，根据设计长度对上纤毛肋、下纤毛肋进行修剪，制备得到氟塑料换热结构。
该氟塑料换热结构的总传热系数为2020W/（m2×K），其中，上纤毛肋的对流换热热阻为30.3 K/W，嵌入部的导热热阻为28.4 K/W，下纤毛肋的对流换热热阻为31.6 K/W，可见，三部分热阻大致相同，但是，显然比实施例1中的各部分热阻大得多，原因就在于两者所用的碳纤维导热能力差距太大。
在该实施例中，如果将氟塑料基体的厚度由0.5毫米调整到1.5毫米，则高导热碳纤维丝束的分布密度应为13.4%才能满足要求，超过了10%，只有选取具有更高导热系数的碳纤维才有可能达到总传热系数大于2000W/（m2×K）的强化效果。

Claims (10)

1.一种氟塑料换热结构，其特征是，它包括氟塑料基体和高导热碳纤维丝束；在氟塑料基体上垂直其上下表面贯穿有若干高导热碳纤维丝束，高导热碳纤维丝束包括分别延伸出氟塑料基板上下表面的上纤毛肋和下纤毛肋，还包括嵌入到氟塑料基板中的嵌入部；嵌入部的碳纤维丝束之间以及丝束内部碳纤维单丝之间的缝隙均由氟塑料紧密填充。
2.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的高导热碳纤维丝束是由1000~24000根高导热碳纤维单丝组成的，其中碳纤维单丝的轴向导热系数λ为50~950 W/（m×K），每根碳纤维单丝在轴向上是连续的，且每根碳纤维单丝的轴向排列方向一致。
3.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是所述高导热碳纤维丝束包含碳纤维单丝数量的最优值为5000至12000根。
4.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的高导热碳纤维丝束在氟塑料基体表面上要达到一定的分布密度r，r用其径向横截面积的总和与氟塑料基体上下表面平均面积的百分比表示，其值与t和λ存在下述关系：r≥6000t/λ×100%，并且10%≥r≥1%。
5.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是所述氟塑料基体的厚度t为5×10-4~1.6×10-2米；所述的嵌入部的长度与氟塑料基体的厚度一致。
6.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是上纤毛肋的长度l hot与碳纤维单丝的直径d，单位：m，热流体与上纤毛肋表面对流换热系数h hot，单位：W/（m2×K）、氟塑料基体的厚度t以及碳纤维单丝的轴向导热系数λ存在下述匹配关系：l hot≥2λd/(h hot×t)；下纤毛肋的长度l cool，单位：m，其值与d、λ、t以及冷流体与下纤毛肋表面对流换热系数h cool，单位：W/（m2×K），存在下述匹配关系：l cool≥2λd/(h cool×t)。
7.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的上纤毛肋、下纤毛肋的长度l hot和l cool均不宜超过1.0×10-2米。
8.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的氟塑料是指聚四氟乙烯或者全氟（乙烯丙烯）共聚物或者聚全氟烷氧基树脂或者聚三氟氯乙烯或者乙烯一三氟氯乙烯共聚物或者乙烯一四氟乙烯共聚物或者聚偏氟乙烯或者聚氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的氟塑料换热结构，其特征是所述的氟塑料基体是指由氟塑料制成的平板、波纹板或者管。
10.一种如权利要求1所述的氟塑料换热结构的制备方法，其特征是它包括如下步骤：
首先选取市售的高导热碳纤维丝束为原料，丝束为连续的长丝，通过实验测定其导热系数λ，碳纤维单丝直径d，丝束直径D的数值；
根据应用需要并考虑密封渗漏风险，综合确定氟塑料换热结构基体的设计厚度t；
所述的高导热碳纤维丝束在氟塑料基体表面上要达到一定的分布密度r，r用其径向横截面积的总和与氟塑料基体上下表面平均面积的百分比表示，根据基体厚度t按如下关系确定： r≥6000×t/λ×100%，并且10%≥r≥1%；
上纤毛肋长度l hot，根据基体厚度t、碳纤维轴向导热系数λ、碳纤维单丝直径d以及热流体与上纤毛肋表面对流换热系数h hot按照关系式l hot≥2λd/(h hot×t)确定；下纤毛肋长度l cool，根据t、λ、d以及冷流体与下纤毛肋表面对流换热系数h cool按照关系式l cool≥2λd/(h cool×t)确定；
选取两块厚度10毫米矩形不锈钢平板作为模板，模板长比l长100毫米，宽比w宽100毫米，长、宽方向距离边界50毫米以内区域用于布置定位孔和紧固螺栓，除此之外为中心区域，布置有圆形的上下通孔，孔直径大小与D相同，孔与碳纤维丝束一一相对应；
将上述不锈钢模板其中一块平放；选取市售的氟塑料薄膜为原料，薄膜厚度为百微米量级，裁剪成长、宽比l和w各多出10毫米的矩形，将其平铺于不锈钢模板之上，覆盖模板的中心区域；根据设计的氟塑料基体厚度t，继续向上叠加氟塑料薄膜，使氟塑料薄膜的堆积厚度达到t的110%；
选取市售的聚丙烯塑料薄膜为原料，薄膜厚度为百微米量级，裁剪成长、宽比l和w各多出10毫米的矩形，将其平铺于上述氟塑料薄膜之上，边缘与氟塑料薄膜对齐，继续向上叠加聚丙烯塑料薄膜；根据设计的上纤毛肋长度l hot，将一定数量的聚丙烯塑料薄膜向上堆积，使其堆积厚度达到l hot的220%；
重复步骤7中的操作方法，在聚丙烯塑料薄膜之上再叠加厚度为t的110%的氟塑料薄膜；
重复步骤8中的操作方法，在氟塑料薄膜之上再叠加聚丙烯塑料薄膜，厚度控制在l cool的220%；
重复步骤9中的操作方法，在聚丙烯塑料薄膜之上再叠加厚度为t的110%的氟塑料薄膜；
将另一块不锈钢模板盖在氟塑料薄膜之上，使其所有开孔的位置与最下面的不锈钢模板开孔位置完全对应，通过紧固螺栓施加（2~5）×105帕斯卡的压强，将交错堆积的氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜压紧、压实、压平整；
采用激光打孔机通过不锈钢模板中心区域的通孔在氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜上打出通孔，该孔直径约为D/2，其中心位置与不锈钢模板上的孔中心位置一致；
将高导热碳纤维丝束从上面的不锈钢模板通孔中穿过，依次通过氟塑料薄膜层、聚丙烯薄膜层、氟塑料薄膜层、聚丙烯薄膜层、氟塑料薄膜层，直至穿过下面的不锈钢模板通孔；
将所有的通孔用高导热碳纤维丝束穿过后，剪裁掉不锈钢模板之外的多余碳纤维；将上下不锈钢模板连通中间夹着的氟塑料薄膜、聚丙烯薄膜以及孔中的碳纤维一起移入一个市售的氟塑料烧结炉，由水平放置转为竖直放置；抽除炉内空气，在320~380摄氏度条件下烧结约1小时；聚丙烯树脂的熔点在164~170摄氏度，烧结过程中逐渐熔化成液态流出；
烧结完成后，自然冷却，氟塑料薄膜烧结为整体，形成三块相互独立的氟塑料板，板间连着高导热碳纤维丝束；将不锈钢模板拆除，并将连接相邻两块氟塑料板的碳纤维丝束从中点切断，同时将不锈钢模板拆除后留下的碳纤维丝束按需要进行剪裁，即可同时制得三个平板型氟塑料换热结构，将其卷曲焊接，可得管状氟塑料换热结构。
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