СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
METHOD TO MANUFACTURE COMPOSITE HEAT EXCHANGER

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).
2
Известный способ обеспечивает производство теплообменников, способных работать при температуре 700°С и выше и выдерживать давление 100 кг/см 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.