專利名稱：金屬內(nèi)外表面復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬傳熱過程強(qiáng)化傳熱元件在不同材質(zhì)的金屬內(nèi)外表面附有多孔性或其它幾何形狀的覆蓋層是強(qiáng)化傳熱的有效方法之一，它可以采用多種制造方法獲得。
從文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)可知，目前世界上比較普遍的制造方法多為燒結(jié)法、機(jī)械加工法，電鍍法和火焰噴涂法，其特征主要是1.燒結(jié)法據(jù)美國(guó)專利USP3，384，154和USP3，607，369報(bào)導(dǎo)，用有機(jī)粘合劑載體將一定顆粒度的銅粉、鋁粉或合金粉和低熔點(diǎn)金屬粉粘合在處理過的銅管或鋁管表面上，在510～850°的高溫下，使粘合劑分解蒸發(fā)，而金屬粉粒子則與管壁燒結(jié)在一起。對(duì)于低熔點(diǎn)金屬粉采用酸洗法溶解清除。這樣，就可得到在銅管或鋁管表面上形成厚度小于3毫米，孔隙率為40～60%的多孔層。但其加工工藝復(fù)雜，孔隙不規(guī)整，連通性差，能耗大，成本高，有三廢污染，且在高溫下容易產(chǎn)生退火變形。
2.機(jī)械加工法據(jù)美國(guó)專利USP3，696，861和中國(guó)專利CN87 2 17208U，CN2047001U及日本眾多專利報(bào)導(dǎo)，其制造方法是(1)用特殊設(shè)計(jì)的刀具在專用機(jī)床上，在銅、鋁及其合金管外表面直接加工出各種形狀的翅片、小孔隙及其下面是各種形狀的螺旋形隧道。
(2)用軋制(滾壓)法在銅、鋁及其合金管外表直接加工出具有低螺紋形翅片，低肋形翅片或各種形狀的表面花紋管。
(3)用特種刀具在銅、鋁及其合金管內(nèi)表面拉制出V形等軸向溝槽。
機(jī)械加工法成本較低，加工簡(jiǎn)單。但對(duì)管材的原始尺寸公差要求嚴(yán)格，且只適用于軟金屬管材，制得的多孔層孔隙率僅有30～35%，并且相對(duì)其它制造方法成型的多孔層孔徑大，在表面張力較小的介質(zhì)中使用效果不顯著。
3.電鍍法據(jù)美國(guó)專利USP4，018，264和USP4，129，181報(bào)導(dǎo)，在電鍍液中將銅粉鍍到銅管外表面，形成0.4毫米厚的孔隙率為40～55%的多孔銅鍍層。據(jù)日本公開特許報(bào)《昭53-138969》、《昭54-76440》和中國(guó)專利CN85 1 02762A報(bào)導(dǎo)，在電解液中利用晶間和小孔腐蝕原理，將不銹鋼外表面和內(nèi)表面腐蝕出表面多孔層。且多孔層的孔徑較小，孔分布不均勻，在表面張力較大的介質(zhì)中使用效果不顯著。由于發(fā)生晶間腐蝕，使材料的本體強(qiáng)度下降。由于加工工藝復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)，使成本和能耗均較大，并有三廢污染。
4.火焰噴涂法據(jù)西德專利DT2227747，美國(guó)專利USP3，990，862和中國(guó)專利CN85 1 00996A報(bào)導(dǎo)，采用特殊的火焰噴涂槍，利用特定的火焰將不同粒度的金屬粉末(如鋁粉、銅粉、不銹鋼粉等)和輔助造孔劑的有機(jī)高分子材料粉末或低熔點(diǎn)金屬粉末混合物，高速地噴射到經(jīng)處理的，預(yù)熱的金屬管外表面基體上，產(chǎn)生一定的化學(xué)冶金結(jié)合。然后再用火焰將多余的有機(jī)高分子材料粉末燒掉或用酸溶液將低熔點(diǎn)金屬熔解清除，從而得到厚度為0.3～0.6毫米、孔隙率為30～45%的金屬多孔涂層。
該法可以在碳鋼管，銅和鋁及其合金管，不銹鋼管外表面覆蓋上鋁、銅、不銹鋼等多孔金屬層，加工成本有所降低。但是，在管子內(nèi)表面不能制造出金屬多孔層，而多孔層厚度和孔徑不均，且存在環(huán)境污染，對(duì)僅有強(qiáng)化效果的沸騰傳熱也難以達(dá)到優(yōu)化組合。
本發(fā)明的目的是提供一種強(qiáng)化傳熱過程，減小傳熱溫差，提高臨界熱負(fù)荷并伴有節(jié)能效果的具有不同材質(zhì)的金屬多孔性覆蓋層的(單層或多層)高效傳熱傳質(zhì)元件及其制造方法不同材質(zhì)的金屬內(nèi)外表面(或其一側(cè))復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板。
本發(fā)明提供的采用壓焊技術(shù)的復(fù)合網(wǎng)具有網(wǎng)孔分布均勻，孔間相互連通，致使多孔層中的液膜均勻分布，促進(jìn)了液膜界面及內(nèi)部的湍流，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱過程的目的。
采用本發(fā)明提供的不同材質(zhì)的金屬內(nèi)外表面(或其一側(cè))復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板，可用于制造結(jié)構(gòu)緊湊的換熱設(shè)備，膜式蒸發(fā)設(shè)備和短程蒸餾設(shè)備等。使傳熱過程得到強(qiáng)化，操作彈性大，更適于化工生產(chǎn)中大量存在的熱敏性物料的加工。
本發(fā)明的主要特征是將不同方法編織的平紋、斜紋、蓆型紋金屬絲網(wǎng)用非熔化的壓焊方法與不同材質(zhì)的金屬內(nèi)外表面(或其一側(cè))的金屬管或金屬板實(shí)現(xiàn)牢固地結(jié)合。并且能保障金屬絲網(wǎng)原有的微孔不被破壞，從而可以得到具有高孔隙率的金屬多孔性覆蓋層。當(dāng)然，依據(jù)所加工成的設(shè)備需要，也可以單面壓焊上金屬絲網(wǎng)。
壓焊是在溫度低于焊接金屬的熔點(diǎn)(不用釬料)時(shí)，并施加一定外加載荷以使連接處產(chǎn)生必要的塑性變形，使焊接的表面接近到原子間結(jié)合力起作用的距離以內(nèi)，從而使焊接面上的原子之間產(chǎn)生相互擴(kuò)散(滲透)的過程，以達(dá)到產(chǎn)生結(jié)合力的方法。有時(shí)可以在被焊接材料接觸面之間加入另一種材料作為中間夾層，從而能大大地提高這種焊接方法應(yīng)用的范圍，并能獲得機(jī)械性能和物理化學(xué)性能優(yōu)良的接頭，尤其是異種金屬間的焊接。
本發(fā)明的焊接過程是在特制的焊機(jī)上進(jìn)行的。待加工的部件全部或局部處在真空中或者在惰性氣體中保護(hù)，利用感應(yīng)、輻射或其它加熱方法將焊接面加熱到所需溫度，在一定的外加載荷作用下，保持一段時(shí)間后金屬絲網(wǎng)就和金屬管或金屬板壁壓焊在一起了。根據(jù)用途和物料性質(zhì)，可將各種材質(zhì)的金屬管或金屬板與相同或不同材質(zhì)的金屬絲網(wǎng)焊接成所需產(chǎn)品，而多孔層的厚度、孔隙率和孔的結(jié)構(gòu)與形狀尺寸又可以依據(jù)不同編織方法生產(chǎn)的不同型號(hào)(或目數(shù))的金屬絲網(wǎng)組合排列而成。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法是一.材料1.金屬管和金屬板銅、鋁、銀、鎳、鈦及其合金，碳鋼，不銹鋼等。
2.金屬絲網(wǎng)銅、鋁、銀、鎳、鈦及其合金，碳鋼，不銹鋼等。
二.操作參數(shù)1.溫度一般為400～1800℃。同種材料的焊接溫度通常為金屬和合金的熔化溫度的0.6～0.8;而異種金屬的焊接溫度是取熔點(diǎn)較低金屬的熔化溫度的0.6～0.86。上述溫度的下限是焊接材料的再結(jié)晶溫度和原子間擴(kuò)散的激活溫度;上述溫度的上限是焊接材料的晶粒開始急劇地增大的溫度和使材料軟化的溫度。
2.壓力焊接壓力隨著被焊接材料的種類不同而不同，一般在1～110MPa的范圍之內(nèi)，大約是焊接材料在焊接溫度下的屈服點(diǎn)，并在焊接區(qū)內(nèi)不引起焊接材料形狀和尺寸的宏觀變形。對(duì)異種材料的焊接，應(yīng)根據(jù)較低的焊接材料的性能來確定壓力。
3.時(shí)間在給定的溫度和壓力下，要保證有充分的時(shí)間來使焊接面之間的原子擴(kuò)散過程能進(jìn)行，一般需要1～60分鐘的時(shí)間，使焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度能等于基本金屬的機(jī)械強(qiáng)度極限就夠了。過分地延長(zhǎng)焊接時(shí)間，會(huì)使晶粒長(zhǎng)大，或在焊接異種金屬和合金時(shí)會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物的脆性相。通常情況下，焊接時(shí)間是越短越好。
4.真空度本發(fā)明所采用的焊接方法通常要求工作空間具有10～10-5pa的真空度或在壓力為0.03～0.6MPa的無氧的惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行，以確保材料不受氧化和污染。
三.工藝過程1.焊接前表面處理對(duì)碳鋼管和板采用空氣噴砂的辦法清除焊接表面的鐵銹，氧化皮和油污。其它金屬及其合金的管和板采用丙酮等清洗劑來清除焊接表面的油污。對(duì)金屬絲網(wǎng)也采取相同的方法清除油污。
2.預(yù)熱將處理好的焊接件按預(yù)定的排列次序立即放在特制的焊機(jī)上，并施加一定的用于預(yù)緊的外加載荷，對(duì)真空室進(jìn)行密封，然后開始抽真空操作。當(dāng)真空度達(dá)到一定的數(shù)值后，開始對(duì)焊接件預(yù)熱升溫，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，將焊接件加熱到給定的溫度。
3.焊接依靠可控的一定的外加載荷作用，在給定的焊接溫度之下，保持一定的時(shí)間，使原子間的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能夠穿越焊接材料的連接面而得以充分地進(jìn)行。
4.降溫焊接完畢以后，根據(jù)被焊材料的性質(zhì)，使零件在真空中或在空氣中冷卻。
5.各種材質(zhì)及其相互組合需要采取不同的制造方法，操作參數(shù)變化較大，根據(jù)工藝過程示例如下
本發(fā)明的特點(diǎn)是一.采用壓焊方法可在銅、鋁、銀、鎳、鈦及其合金，碳鋼，不銹鋼等金屬管內(nèi)外表面復(fù)合上相同種類或不同種類的金屬絲網(wǎng)而制成金屬表面多孔管。通常情況下每焊接一層金屬絲網(wǎng)就可以使傳熱面積比原有光滑表面積增加2倍以上;其孔隙率高達(dá)45～75%，平均孔徑5微米以上可任意選擇，孔徑分布十分均勻;多孔層厚度也較均勻一致，多孔層平均厚度在0.05毫米以上時(shí)，可任意確定其層數(shù);在多孔層條件下沸騰傳熱膜系數(shù)比光滑管提高10倍以上;傳質(zhì)膜系數(shù)比光滑管提高3倍以上。
二.表面多孔層的無數(shù)個(gè)微小焊接面的機(jī)械強(qiáng)度和物理化學(xué)性能與基體金屬的性能基本相同，從而保證了金屬管和金屬板在使用過程中的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性能。
三.在極薄的表面多孔層內(nèi)形成的高度均勻而相互連通的毛細(xì)管特性，可以使液膜十分均勻地分布在整個(gè)極薄的傳熱傳質(zhì)壁面的內(nèi)外部，并保證充分潤(rùn)濕，從而1.有效地防止干壁現(xiàn)象，提高了臨界熱負(fù)荷;
2.液體在表面多孔層內(nèi)具有10倍以上的高循環(huán)速度，大大提高了其抗污能力;
3.無數(shù)均勻的汽化核心強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)效果，并使操作彈性大大增加。
四.在極低的傳熱溫差下就可提供大量穩(wěn)定的汽化核心，從而減少傳熱的不可逆損失和滯后現(xiàn)象，并使沸騰過熱度大大降低。所以特別適合熱敏性物料的膜式傳熱和傳質(zhì)，避免了在高溫下容易產(chǎn)生聚合或分解的困難。
五.使用本發(fā)明提供的壓焊方法制造的金屬表面復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱元件可有多種類型，用它可制造多種設(shè)備，且設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，原材料利用率高，成本較低，無環(huán)境污染等。
實(shí)施例如下1.采用上述方法將Φ57×1.5毫米，長(zhǎng)800毫米的1Cr18Ni9Ti鋼管內(nèi)壁，焊接上一層120目(孔徑0.140毫米，絲徑0.071毫米)和兩層280目(孔徑0.050毫米，絲徑0.040毫米)的平紋編織的1Cr18Ni9Ti金屬絲網(wǎng)，制成降膜式蒸發(fā)器用單管。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得沸騰給熱系數(shù)高達(dá)4.8×104W/(m2.k)，比光滑管3.2×103w/(m2k)提高14倍;臨界熱負(fù)荷超過6.5×105W/m2，比光滑管1.8×105W/m2提高2.6倍以上;在0.3～0.7℃的溫差下就可維持沸騰過程的進(jìn)行。多孔層孔隙率為63%。
2.將4毫米厚的紫銅板單側(cè)焊上三層120目(孔徑0.140毫米，絲徑0.071毫米)的平紋編織的紫銅金屬絲網(wǎng)，然后把多孔層向內(nèi)卷焊成內(nèi)徑300毫米，長(zhǎng)2000毫米的降膜式蒸發(fā)器。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得沸騰給熱系數(shù)為1.2×105W/(m2.k);臨界熱負(fù)荷為1.4×106W/m2;在0.2～0.3℃的溫差下就產(chǎn)生沸騰。比用不銹鋼制成的相同設(shè)備的強(qiáng)化效果又有成倍增加。
權(quán)利要求
1.強(qiáng)化傳熱過程元件和制造方法。其特征是在不同材質(zhì)的金屬管或板的內(nèi)外表面(或其一側(cè))，用壓焊方法在特定操作參數(shù)下，將不同材質(zhì)，不同制造方法的金屬絲網(wǎng)(單層或多層)在保證孔徑和孔隙率的條件下與管或板實(shí)現(xiàn)牢固的結(jié)合，構(gòu)成金屬內(nèi)外表面復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板。
2.按照權(quán)利要求1中所說的不同材質(zhì)的金屬管或板，其特征是指銅、鋁、銀、鎳、鈦及其合金，碳鋼，不銹鋼等。
3.按照權(quán)利要求1中所說的壓焊方法及其特定操作參數(shù)，其特征是在特制的焊機(jī)上實(shí)現(xiàn)其操作參數(shù)，其中焊接溫度400～1800℃，(直接與材質(zhì)有關(guān))焊接壓力1～110MPa，焊接時(shí)間1～60分鐘，焊接真空度10～10-5Pa，隋性氣體保護(hù)壓力0.03～0.6MPa。
4.按照權(quán)利要求1中所說的不同材質(zhì)，不同制造方法的金屬絲網(wǎng)，其特征是指采用銅、鋁、銀、鎳、鈦及其合金，碳鋼，不銹鋼等金屬絲編織成的不同目數(shù)(網(wǎng)孔)的平紋，斜紋、蓆型紋等金屬絲網(wǎng)。
5.按照權(quán)利要求1中所說的孔徑和孔隙率，其特征是指單層復(fù)合網(wǎng)平均孔徑大于5微米，平均厚度大于0.05毫米，平均孔隙率為45～75%。
6.按照權(quán)利要求1中所說的復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管，其特征是在保證孔徑和孔隙率的條件下，即可用無縫管成型，也可采用復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱板卷焊成型。
7.按照權(quán)利要求1中所說的復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板，其特征是所使用的材質(zhì)可根據(jù)需要任意選配。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種強(qiáng)化傳熱過程，減小傳熱溫差，提高臨界熱負(fù)荷并伴有節(jié)能效果的具有不同材質(zhì)的金屬多孔性覆蓋層的(單層或多層)高效傳熱傳質(zhì)元件及其制造方法不同材質(zhì)的金屬內(nèi)外表面(或其一側(cè))復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板。
文檔編號(hào)B23K20/14GK1053119SQ9110083
公開日1991年7月17日 申請(qǐng)日期1991年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月13日
發(fā)明者趙明星, 高勵(lì)成 申請(qǐng)人:天津大學(xué)