金屬銅的內外表面複合網強化傳熱管和傳熱板的製造方法

2023-05-01 05:49:11 1

專利名稱：金屬銅的內外表面複合網強化傳熱管和傳熱板的製造方法
技術領域：
本發明屬強化傳熱過程元件的製造方法。
在不同材質的金屬內外表面附有多孔性或其它幾何形狀的覆蓋層是強化傳熱的有效方法之一，它可以採用多種製造方法獲得。
從文獻報導可知，目前世界上比較普遍的製造方法多為燒結法、機械加工法、電鍍法和火焰噴塗法、其特徵主要是1.燒結法據美國專利USP3，384，154和USP3，607，369報導，用有機粘合劑載體將一定顆粒度的銅粉、鋁粉或合金粉和低熔點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，而金屬粉粒子則與管壁燒結在一起。對於低熔點金屬粉採用酸洗法溶解清除。這樣，就可得到在銅管或鋁管表面上形成厚度小於3毫米，孔隙率為40～60%的多孔層。但其加工工藝複雜，孔隙不規整，連通性差，能耗大，成本高，有三廢汙染，且在高溫下容易產生退火變形。
2.機械加工法據美國專利USP3，696，861和中國專利CN87217208U，CN2047001U及日本眾多專利報導，其製造方法是(1)用特殊設計的刀具在專用工具機上，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、鋁及其合金管內表面拉制出V形等軸向溝槽。
機械加工法成本較低，加工簡單。但對管材的原始尺寸公差要求嚴格，且只適用於軟金屬管材，製得的多孔層孔隙率僅有30～35%，並且相對其它製造方法成型的多孔層孔徑大，在表面張力較小的介質中使用效果不顯著。
3.電鍍法據美國專利USP4，018，264和USP4，129，181報導，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。據日本公開特許報《昭53-138969》、《昭54-76440》和中國專利CN85102762A報導，在電解液中利用晶間和小孔腐蝕原理，將不鏽鋼外表面和內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中使用效果不顯著。由於發生晶間腐蝕，使材料的本體強度下降。由於加工工藝複雜、加工周期長，使成本和能耗均較大，並有三廢汙染。
4.火焰噴塗法據西德專利DT2227747，美國專利USP3，990，862和中國專利CN85100996A報導，採用特殊的火焰噴塗槍，利用特定的火焰將不同粒度的金屬粉末(如鋁粉、銅粉、不鏽鋼粉等)和輔助造孔劑的有機高分子材料粉末或低熔點金屬粉末混合物，高速地噴射到經處理的，預熱的金屬管外表面基體上，產生一定的化學冶金結合。然後再用火焰將多餘的有機高分子材料粉末燒掉或用酸溶液將低熔點金屬溶解清除，從而得到厚度為0.3～0.6毫米、孔隙率為30～45%的金屬多孔塗層。
該法可以在碳鋼管，銅和鋁及其合金管，不鏽鋼管外表面覆蓋上鋁、銅、不鏽鋼等多孔金屬層，加工成本有所降低。但是，在管子內表面不能製造出金屬多孔層，而多孔層厚度和孔徑不均，且存在環境汙染，對僅有強化效果的沸騰傳熱也難以達到優化組合。
本發明的目的是提供一種強化傳熱過程，減少傳熱溫差，提高臨界熱負荷並伴有節能效果的具有不同材質的金屬多孔性覆蓋層的(一層至五層)金屬內外表面(一面亦可)複合網強化傳熱管和傳熱板的製造方法。
本發明提供的採用壓焊技術製造的複合網具有網孔分布均勻，孔間相互連通，致使多孔層中的液膜均勻分布，促進了液膜界面及內部的湍流，從而達到強化傳熱過程的目的。
採用本發明提供的不同材質的金屬內外表面(一面亦可)複合網強化傳熱管和傳熱板可用於製造結構緊湊的換熱設備，膜式蒸發設備和短程蒸餾設備等。使傳熱過程得到強化，操作彈性大，更適於化工生產中大量存在的熱敏性物料的加工。
本發明的主要特徵是將金屬絲網用非熔化的壓焊方法與相同材質的金屬內外表面(一面亦可)的金屬管或金屬板實現牢固地焊接。並且能保障金屬絲網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。
壓焊是在溫度低於焊接金屬熔點(不用釺料)時，並施加一定外加載荷以使連接處產生必要的塑性變形，使焊接的表面接近到原子間結合力起作用的距離以內，從而使焊接面上的原子之間產生相互擴散(滲透)的過程，以達到產生結合力的方法。並能獲得機械性能和物理化學性能優良的接頭，尤其是異種金屬間的焊接。
本發明的焊接過程是在帶有真空系統的真空焊室內進行的。待加工的部件全部或局部處在真空中保護，利用分布在焊接面周圍的電爐絲通電加熱，使焊接面達到所需溫度。對焊接面所施加的外加載荷是通過真空焊室外的液壓系統的油缸壓杆，經真空密封環後直接作用到焊接工件上的。為防止壓杆因熱傳導而溫升過高或與被焊接工件發生焊接粘連，在壓杆和焊接工件之間需夾有耐高溫陶瓷件，這樣，在保持一段時間後金屬絲網就和金屬管或金屬板壁壓焊在一起了。根據用途和物料性質，可選用適宜材質的金屬管或金屬板與相同材質的金屬絲網(一層至五層)焊接成所需產品，而多孔層的厚度、孔隙率和孔的結構與形狀尺寸則依據不同型號(或目數20～300目)的金屬絲網組合排列而成。
實現本發明的方法是一、材料1.金屬管和金屬板銅、鎳、鋁、鈦、不鏽鋼等。
2.金屬絲網銅、鎳、鋁、鈦、不鏽鋼等。
二、操作參數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，對金屬銅的管或板與金屬銅的絲網壓焊時的溫度為800～850℃。上述溫度的下限是焊接材料的再結晶溫度和原子間擴散的激活溫度，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1～30MPa的範圍之內，大約是焊接材料在焊接溫度下的屈服點，並在焊接區內不引起焊接材料形狀和尺寸的宏觀變形。對金屬銅的管或板與金屬銅的絲網壓焊時的外加載荷為5MPa。
3.時間在給定的溫度和壓力下，要保證有充分的時間來使焊接面之間的原子擴散過程能進行，一般需要1～30分鐘的時間，使焊接接頭的機械強度能等於基體金屬的機械強度極限就夠了。過分地延長焊接時間，會使晶粒長大。通常情況下，焊接時間越短越好。對金屬銅的管或板與金屬銅的絲網壓焊時的時間為20分鐘。
4.真空本發明所採用的焊接方法通常要求真空焊室內具有10-1～10-2Pa的真空，以確保材料不受氧化和汙染。對金屬銅的管或板與金屬銅絲網壓焊時的真空為10-2Pa。
三、工藝過程1.焊接前表面處理對金屬銅的管和板採用丙酮等清洗劑來清除焊接表面的油汙。對金屬銅的絲網也採取相同的方法清除油汙。
2.預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內，並對真空室進行密封，然後開始抽真空操作。當真空達到10-2Pa時，開始對焊接件預熱升溫，在兩小時內，將焊接件加熱到800～850℃之間。
3.焊接當溫度達到焊接溫度後，開始施加外加戴荷5MPa，保持20分鐘，使原子間的擴散運動能夠穿越焊接材料的連接面而得以充分地進行。
4.降溫焊接完畢以後，停止加熱，焊接件在真空中隨爐冷卻到150℃以下出爐。
本發明的特點是一、採用壓焊方法可在銅、鎳、鋁、鈦、不鏽鋼等金屬管內外表面複合上相同材質的金屬絲網而製成金屬表面多孔管。通常情況下每焊接一層金屬絲網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45～75%，平均當量孔徑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。在多孔層條件下沸騰傳熱膜係數比光滑管提高10倍以上，傳質膜係數比光滑管提高3倍以上。
二、表面多孔層的無數個微小焊接面的機械強度和物理化學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械強度和耐腐蝕性能。
三、在極薄的表面多孔層內形成的高度均勻而相互連通的毛細管特性，可以使液膜十分均勻地分布在整個極薄的傳熱傳質壁面的內外部，並保證充分潤溼，從而1.有效地防止幹壁現象，提高了臨界熱負荷;
2.液體在表面多孔層內具有10倍以上的高循環速度，大大提高了其抗汙能力;
3.無數均勻的汽化核心強化了傳熱傳質效果，並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定的汽化核心，從而減少傳熱的不可逆損失和滯後現象，並使沸騰過熱度大大降低。所以特別適合製造處理熱敏性物料的膜式傳熱和傳質設備，避免了在高溫下容易產生聚合或分解的困難。
五、使用本發明提供的壓焊方法製造的金屬表面複合網強化傳熱元件可有多種類型，用它可製造多種設備，且設備簡單，操作方便，原材料利用率高，成本較低，無環境汙染等。
本發明的實施例如下採用上述方法將4毫米厚的金屬銅板的一面焊上三層120目(孔徑0.140毫米，絲徑0.071毫米)的金屬銅絲網，然後把多孔層向內卷焊成內徑為300毫米，長為2000毫米的降膜式蒸發器。
經實驗測得沸騰給熱係數高達1.2×105W/(m2·k)，比光滑管時的7.1×103W/(m2·k)提高近16倍，臨界熱負荷為1.4×106W/m2，比光滑管時的3.5×105W/m2提高3倍，在0.2～0.3℃的溫差下就可維持沸騰傳熱過程的進行。
權利要求
1.一種強化傳熱過程元件的製造方法，其特徵在於在金屬銅管或金屬銅板的內外表面(一面亦可)，採用壓焊的方法，在真空焊室內真空為10-2Pa，溫度為800～850℃，外加載荷為5MPa時，經20分鐘將金屬銅絲網(20～300目，一層至五層)與金屬銅管或金屬銅板實現牢固的焊接，製成金屬銅的內外表面複合網強化傳熱管和傳熱板，
2.根據權利要求1所說的強化傳熱過程元件的製造方法，其特徵在於焊接過程是在帶有真空系統的真空焊室內進行的，待加工的部件全部或局部處在真空中保護，利用分布在焊接面周圍的電爐絲通電加熱，使焊接面達到所需溫度，對焊接面所施加的外加載荷是通過真空焊室外的液壓系統的油缸壓杆，經真空密封環後直接作用到焊接工件上，將金屬銅絲網和金屬銅管或金屬銅板的內外表面(一面亦可)壓焊在一起。
全文摘要
本發明提供了一種強化傳熱過程，減少傳熱溫差，提高臨界熱負荷並伴有節能效果的金屬內外表面複合網強化傳熱管和傳熱板的製造方法。本發明的特徵是將材質為金屬銅的絲網採用壓焊方法將其與相同材質的金屬銅管或金屬銅板的內外表面(一面亦可)實現牢固的焊接。本發明製得的強化傳熱過程元件，其複合網的孔隙率為45～75％，平均當量孔徑大於0.005毫米，層平均厚度大於0.05毫米，沸騰傳熱膜係數比光滑管提高10倍以上，傳質膜係數比光滑管提高3倍以上。可用於製造換熱設備，膜式蒸發設備及短程蒸餾設備等。
文檔編號F28F1/10GK1089537SQ93112899
公開日1994年7月20日 申請日期1993年12月22日 優先權日1993年12月22日
發明者趙明星, 高勵成 申請人:天津大學