Способ изготовления композитного теплообменника
Изобретение относится к области теплотехники, а именно к способу изготовления композитного теплообменника, и может быть применено при производстве пластинчатых теплообменников. На стальных пластинах формируют выступы конической формы, пробивают отверстия в вершинах выступов с последующей их отбортовкой, пластины собирают в пакет так, что выступы одной пластины входят в отверстия другой с образованием трубной полости, погружают пакет пластин в ванну, содержащую разведенный в растворе порошок на основе карбоната меди, при непрерывном его перемешивании, обработанный в растворе пакет пластин извлекают из ванны, и перед спеканием пакет помещают в герметичный кожух, в который под давлением подают инертный газ, при этом сушат пакет в том же герметичном кожухе путем снятия давления и пропускания через его внутренний объем потока азота, нагретого до температуры 60-80°С, далее пакет пластин помещают в печь с восстановительной атмосферой при температуре 1100-1150°С. При формировании на стальных пластинах выступов электромагнитным импульсом одновременно активизируют доменную кристаллическую структуру стали для выравнивания доменов в зонах сопряжения пластин. Повышается прочность теплообменника за счет качественного равномерного спекания пластин по всей площади их сопряжения.
Изобретение относится к технологии производства пластинчатых теплообменников, которые могут быть использованы в качестве радиаторов автомобилей, градирен уменьшенного объема, комплексов утилизации тепла металлургических производств, газотурбинных двигателей, любых высокопотенциальных источников тепла, радиаторов в системе отопления жилых помещений, теплообменников холодильных машин, компактных железнодорожных локомотивов и т.п.
Известен способ изготовления пластинчато-трубного теплообменника путем формирования в стальной пластине, плакированной латунью выступов в виде усеченного конуса многопереходной штамповкой и пробивки отверстий в вершинах выступов с последующей отбортовкой, сборки пластин в пакет и пайки в проходной печи при температуре 1100°С, при этом нанесенный слой латуни является припоем для пайки пластин в пакете (RU 2038563, 1995 г., F28F 3/04).
Недостатком способа является то, что при такой технологии сложно обеспечить одинаковую толщину плакированного слоя из-за возможного образования складок и разрывов пленки покрытия и, как следствие этого, недолговечность теплообменника.
Известен способ изготовления пластинчатого теплообменника, в соответствии с которым штампуют пластины, в каждой из них выполняют, по меньшей мере, один выступ в форме полого усеченного конуса, осуществляют очистку поверхностей пластин, формируют пакет пластин путем последовательной установки выступа одной пластины в отверстие смежной пластины с заданным зазором между смежными поверхностями пластин и с образованием канала для прохождения теплоносителя. Далее готовят раствор паяльной пасты на основе гидрокарбоната меди и солей никеля путем разбавления паяльной пасты водой и связующими, одним из которых является этиленгликоль, и погружают пакет пластин в подготовленный раствор паяльной пасты, после чего осуществляют сушку нанесенного раствора паяльной пасты. Затем пакет пластин помещают в высокотемпературную проходную конвейерную печь, в которой создают защитную среду с наличием свободного водорода и по ходу движения пакета пластин формируют две температурные зоны, в первой из которых производят отжиг пакета пластин, а во второй осуществляют пайку и покрытие пакета пластин сплавом на основе меди, при этом устанавливают скорость движения пакета пластин, достаточную для осуществления отжига пакета пластин в первой зоне и пайки и покрытия пакета пластин сплавом на основе меди во второй зоне (RU 2419755, МПК F28F 3/00, 27.05.2011).
Недостатком этого способа является сложность процесса и недостаточно высокая прочность теплообменника.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления пластинчато-трубного теплообменника, при котором на металлических пластинах формируют выступы конической формы, пробивают отверстия в вершинах выступов с последующей их отбортовкой, затем пластины собирают в пакет так, что выступы одной пластины входят в отверстия другой, образуя трубные полости, после сборки пакет пластин погружают в ванну, содержащую разведенный в растворе порошок на основе карбоната меди с добавлением уксуснокислого никеля, при непрерывном его перемешивании, а измельчение твердых порошкообразных компонентов раствора производят с использованием струйной мельницы, при этом в качестве раствора используют смесь воды и этиленгликоля, обработанный в растворе пакет пластин после извлечения его из ванны помещают в герметичный кожух, в который под давлением подают инертный газ, сушка пакета пластин производится в том же кожухе путем снятия давления и пропускания через внутренний объем кожуха потока азота, нагретого до температуры 60-80°С, далее пакет пластин помещают в печь с восстановительной атмосферой при температуре 1100-1150°С (RU 2380211 С1, МПК В23Р 15/26, B21D 53/04, 27.01.2010).
Известный способ обеспечивает производство теплообменников, способных работать при температуре 700°С и выше и выдерживать давление 100 кг/см2 и более.
Однако в данном способе не учитывается то, что сталь имеет доменную кристаллическую структуру, при этом наибольшая неравномерность нанесения паяльного флюса происходит на границе доменов, в результате чего теплообменники, изготовленные известным способом, имеют недостаточную прочность и качество.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности и долговечности изготовляемых теплообменников путем создания на поверхности их сопрягаемых деталей защитного многослойного композитного покрытия, образующегося непосредственно в процессе изготовления изделия.
Указанная техническая задача решается тем, что в способе изготовления композитного теплообменника на металлических пластинах формируют выступы конической формы, пробивают отверстия в вершинах выступов с последующей их отбортовкой, затем пластины собирают в пакет так, что выступы одной пластины входят в отверстия другой, образуя трубные полости, после сборки пакет пластин погружают в ванну, содержащую разведенный в растворе порошок на основе карбоната меди, при непрерывном его перемешивании, обработанный в растворе пакет пластин, после извлечения его из ванны, помещают в герметичный кожух, в который под давлением подают инертный газ, сушка пакета пластин производится в том же кожухе путем снятия давления и пропускания через внутренний объем кожуха потока азота, нагретого до температуры 60-80°С, далее пакет пластин помещают в печь с восстановительной атмосферой при температуре 1100-1150°С.
Отличительными признаками заявленного способа является то, что при формировании выступов синхронно электромагнитным импульсом активизируют доменную кристаллическую структуру стали, выравнивая домены в зонах сопряжения пластин.
Измельчение твердых порошкообразных компонентов раствора может производиться с использованием струйной мельницы.
В растворе, для качественной подготовки поверхности и кондиционирования перед пайкой, используют смесь воды и поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Такое решение способа позволяет создать на поверхности сопрягаемых деталей защитное многослойное композитное покрытие, образующееся непосредственно в процессе изготовления теплообменника.
Технический результат заявленного способа состоит в повышении прочности теплообменника за счет повышения прочности соединения пластин в пакете, качественном объемном равномерном спекании материала с абсолютно однородным составом по всей площади сопряжения пластин.
Способ изготовления композитного теплообменника осуществляется следующим образом.
На металлических пластинах формируют выступы конической формы, пробивают отверстия в вершинах выступов с последующей их отбортовкой. На краю конуса пластины формируют уплотнительные цилиндрические пояски, которые в месте сопряжения пластин создают полости тороидальной формы. Толщина полости 50-100 мкм. Данная полость при последующем нагревании создает разряжение, которое "втягивает" восстановленную медь в полость с определенным давлением. Толщина композитного слоя в месте сопряжения пластин достигает 40-50 мкм.
Одновременно электромагнитным импульсом в форме затухающей синусоиды (перемагничивающий импульс) активизируют доменную кристаллическую структуру стали, выравнивая домены в зонах сопряжения пластин, снижая тем самым поверхностное влияние доменов.
Затем каждая пластина подвергается процессу обезжиривания, который происходит в три стадии: собственно обезжиривание - удаление серы и пыли от штамповки; обработка поверхности поверхностно-активным веществом (ПАВ) для равномерного кондиционирования, позволяющее обеспечить хорошую смачиваемость расплавленной медью при пайке; покрытие пленкой из воска для кратковременной защиты от коррозии и смазки при сборке.
Сборка пакета теплообменника производится в антипылевом помещении с бортовыми отсосами и фильтрами, со строго определенным "натягом" (усилием), при котором цилиндрические пояски подвергаются пластической деформации по высоте не менее 90%, но не приводящим к образованию "бочкообразности" конусов. При сборке пластин в пакет выдерживается зазор 50-100 мкм.
После сборки пакет пластин погружают в ванну, содержащую разведенный в растворе порошок на основе карбоната меди, при непрерывном его перемешивании, при этом в зависимости от состава используемого флюса, по предварительно проведенному химическому анализу, в состав раствора вводятся недостающие компоненты никель, фосфор и другие. Твердые порошкообразные компоненты перед введением в раствор дополнительно измельчают с использованием струйной мельницы до размеров частиц не более 20 мкм.
При приготовление раствора в ванне в качестве растворителя используется смесь воды и ПАВ в соотношении, создающем и автоматически поддерживающем определенную плотность раствора. После извлечения из ванны обработанный в растворе пакет пластин перед спеканием в паяльной печи помещают в герметичный кожух, в который под давлением 1,05-1,1 атм подают инертный газ с преобладанием азота, сушка пакета пластин производится в том же кожухе путем снятия давления и нагревания потока инертного газа до температуры 60-80°С, при этом пакет располагают конусами вниз, что дает возможность образовать вокруг места сопряжения пластин (входа одного конуса в другой) тороидальный наплыв флюса, который обеспечивает необходимый запас меди при пайке. Сушку проводят с использованием утилизируемого тепла паяльной печи. Время и режим сушки контролируется датчиком влажности до необходимого содержания влаги в покрытии пластин. Далее, пакет пластин помещают в печь с восстановительной атмосферой при температуре 1100-1150°С. Восстановительную атмосферу в печи создают с использованием катализаторов и системы автоматического поддержания состава атмосферы не хуже +/- 1%. Данные катализаторы в виде реторты встроены в технологические печи с возможностью регулировки состава защитно-восстановительной атмосферы. Атмосфера создается из природного газа низкого давления. Параметры содержания водорода, азота и других газов зависят от толщины пластин и состава флюса.
Прочность изделия определяется количеством тонкопленочных слоев, образующихся в поверхностном слое стали. В данном случае работает эффект тонкопленочных конструкций: каждый слой имеет различный состав меди и стали и поэтому слои не "перемешиваются", а формируются четко по всей поверхности в приповерхностном слое. При толщине каждого тонкопленочного слоя примерно 0,8 мкМ в местах сопряжения пластин образуется композитный слой общей толщиной 40 - 50 мкМ, что составляет примерно 50-65 тонкопленочных слоев.
Оптимальные режимы формирования большого количества тонкопленочных слоев определяются температурно-временными технологическими режимами:
- режим предварительного нагрева;
- режим пайки;
- режим охлаждения.
Каждый из режимов влияет на конечный состав композитного слоя и, как следствие, на общую прочность изделия.
Способ изготовления композитного теплообменника, включающий формирование на стальных пластинах выступов конической формы, пробивку отверстий в вершинах выступов с последующей их отбортовкой, сборку пластин в пакет так, что выступы одной пластины входят в отверстия другой пластины с образованием трубной полости, погружение пластин в ванну, содержащую разведенный в растворе порошок на основе карбоната меди, при непрерывном его перемешивании, извлечение обработанного в растворе пакета пластин из ванны, и перед спеканием пакет пластин помещают в герметичный кожух, в который под давлением подают инертный газ, при этом сушку пакета пластин производят в том же герметичном кожухе, причем в герметичном кожухе снижают давление и пропускают через его внутренний объем поток азота, нагретого до температуры 60-80°С, и затем помещают пакет пластин в печь с восстановительной атмосферой при температуре 1100-1150°С, отличающийся тем, что при формировании на стальных пластинах выступов электромагнитным импульсом одновременно активизируют доменную кристаллическую структуру стали для выравнивания доменов в зонах сопряжения пластин.
