專利名稱：金屬鋁的內(nèi)外表面復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬?gòu)?qiáng)化傳熱過(guò)程元件的制造方法。
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(guò)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CN87217208U，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、鋁及其合金管外表面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(kāi)特許報(bào)《昭53-138969》、《昭54-76440》和中國(guó)專利CN85102762A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CN85100996A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)金屬溶解清除，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(guò)程，減少傳熱溫差，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(一層至五層)金屬內(nèi)外表面(一面亦可)復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板的制造方法。
本發(fā)明提供的采用壓焊技術(shù)制造的復(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(guò)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(一面亦可)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(guò)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)明的主要特征是將金屬絲網(wǎng)用非熔化的壓焊方法與相同材質(zhì)的金屬內(nèi)外表面(一面亦可)的金屬管或金屬板實(shí)現(xiàn)牢固地焊接。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。
壓焊是在溫度低于焊接金屬熔點(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(guò)程，以達(dá)到產(chǎn)生結(jié)合力的方法。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(guò)程是在帶有真空系統(tǒng)的真空焊室內(nèi)進(jìn)行的。待加工的部件全部或局部處在真空中保護(hù)，利用分布在焊接面周圍的電爐絲通電加熱，使焊接面達(dá)到所需溫度。對(duì)焊接面所施加的外加載荷是通過(guò)真空焊室外的液壓系統(tǒng)的油缸壓桿，經(jīng)真空密封環(huán)后直接作用到焊接工件上的。為防止壓桿因熱傳導(dǎo)而溫升過(guò)高或與被焊接工件發(fā)生焊接粘連，在壓桿和焊接工件之間需夾有耐高溫陶瓷件，這樣，在保持一段時(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)，可選用適宜材質(zhì)的金屬管或金屬板與相同材質(zhì)的金屬絲網(wǎng)(一層至五層)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)與形狀尺寸則依據(jù)不同型號(hào)(或目數(shù)20～300目)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、鎳、鋁、鈦、不銹鋼等。
2.金屬絲網(wǎng)銅、鎳、鋁、鈦、不銹鋼等。
二、操作參數(shù)1.溫度一般為700～1300℃。同種材料的焊接溫度通常為金屬熔化溫度的0.6～0.8，對(duì)金屬鋁的管或板與金屬鋁的絲網(wǎng)壓焊時(shí)的溫度為400～500℃。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(kāi)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1～30MPa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)金屬鋁的管或板與金屬鋁的絲網(wǎng)壓焊時(shí)的外加載荷為2MPa。
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(lái)使焊接面之間的原子擴(kuò)散過(guò)程能進(jìn)行，一般需要1～30分鐘的時(shí)間，使焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度能等于基體金屬的機(jī)械強(qiáng)度極限就夠了。過(guò)分地延長(zhǎng)焊接時(shí)間，會(huì)使晶粒長(zhǎng)大。通常情況下，焊接時(shí)間越短越好。對(duì)金屬鋁的管或板與金屬鋁的絲網(wǎng)壓焊時(shí)的時(shí)間為13分鐘。
4.真空本發(fā)明所采用的焊接方法通常要求真空焊室內(nèi)具有10-1～10-2Pa的真空，以確保材料不受氧化和污染。對(duì)金屬鋁的管或板與金屬鋁的絲網(wǎng)壓焊時(shí)的真空為10-2Pa。
三、工藝過(guò)程1.焊接前表面處理對(duì)金屬鋁的管和板采用丙酮等清洗劑來(lái)清除焊接表面的油污。對(duì)金屬鋁的絲網(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予定的排列次序立即放在真空焊機(jī)內(nèi)，并對(duì)真空室進(jìn)行密封，然后開(kāi)始抽真空操作。當(dāng)真空達(dá)到10-2Pa時(shí)，開(kāi)始對(duì)焊接件預(yù)熱升溫，在兩小時(shí)內(nèi)，將焊接件加熱到400～500℃之間。
3.焊接當(dāng)溫度達(dá)到焊接溫度后，開(kāi)始施加外加戴荷2MPa，保持13分鐘，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，停止加熱，焊接件在真空中隨爐冷卻到150℃以下出爐。
本發(fā)明的特點(diǎn)是一、采用壓焊方法可在銅、鎳、鋁、鈦、不銹鋼等金屬管內(nèi)外表面復(fù)合上相同材質(zhì)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%，平均當(dāng)量孔徑0.005毫米以上可任意選擇，孔徑分布十分均勻，多孔層厚度也較均勻一致，可在一至五層間任意確定其層數(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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)熱度大大降低。所以特別適合制造處理熱敏性物料的膜式傳熱和傳質(zhì)設(shè)備，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(wú)環(huán)境污染等。
本發(fā)明的實(shí)施例如下采用上述方法將φ57×3毫米，長(zhǎng)1000毫米的金屬鋁管內(nèi)壁焊上兩層40目(孔徑0.400毫米，絲徑0.250毫米)，外壁焊上一層20目(孔徑0.800毫米，絲徑0.450毫米)的金屬鋁絲網(wǎng)，制成降膜式蒸發(fā)器。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得沸騰給熱系數(shù)高達(dá)8.1×104W/(m2·k)，比光滑管時(shí)的5.0×103W/(m2·k)提高近15倍，臨界熱負(fù)荷為9.3×105W/m2,比光滑管時(shí)的2.5×105W/m2提高2.7倍以上，在0.3～0.5的溫差下就可維持沸騰傳熱過(guò)程的進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)化傳熱過(guò)程元件的制造方法，其特征在于在金屬鋁管或金屬鋁板的內(nèi)外表面(一面亦可)，采用壓焊的方法，在真空焊室內(nèi)真空為10-2Pa，溫度為400～500℃，外加載荷為2MPa時(shí)，經(jīng)13分鐘將金屬鋁絲網(wǎng)(20～300目，一層至五層)與金屬鋁管或金屬鋁板實(shí)現(xiàn)牢固的焊接，制成金屬鋁的內(nèi)外表面復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的強(qiáng)化傳熱過(guò)程元件的制造方法，其特征在于焊接過(guò)程是在帶有真空系統(tǒng)的真空焊室內(nèi)進(jìn)行的，待加工的部件全部或局部處在真空中保護(hù)，利用分布在焊接面周圍的電爐絲通電加熱，使焊接面達(dá)到所需溫度，對(duì)焊接面所施加的外加載荷是通過(guò)真空焊室外的液壓系統(tǒng)的油缸壓桿，經(jīng)真空密封環(huán)后直接作用到焊接工件上，將金屬鋁絲網(wǎng)和金屬鋁管或金屬鋁板的內(nèi)外表面(一面亦可)壓焊在一起。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種強(qiáng)化傳熱過(guò)程，減少傳熱溫差，提高臨界熱負(fù)荷并伴有節(jié)能效果的金屬內(nèi)外表面復(fù)合網(wǎng)強(qiáng)化傳熱管和傳熱板的制造方法。本發(fā)明的特征是將材質(zhì)為金屬鋁的絲網(wǎng)采用壓焊方法將其與相同材質(zhì)的金屬鋁管或金屬鋁板的內(nèi)外表面(一面亦可)實(shí)現(xiàn)牢固的焊接。本發(fā)明制得的強(qiáng)化傳熱過(guò)程元件，其復(fù)合網(wǎng)的孔隙率為45～75％，平均當(dāng)量孔徑大于0.005毫米，層平均厚度大于0.05毫米，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。可用于制造換熱設(shè)備，膜式蒸發(fā)設(shè)備及短程蒸餾設(shè)備等。
文檔編號(hào)B23K20/00GK1089536SQ93112898
公開(kāi)日1994年7月20日 申請(qǐng)日期1993年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月22日
發(fā)明者趙明星, 高勵(lì)成 申請(qǐng)人:天津大學(xué)