專利名稱：金屬鈦的內(nèi)外表面復合網(wǎng)強化傳熱管和傳熱板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬強化傳熱過程元件的制造方法。
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。
從文獻報導可知，目前世界上比較普遍的制造方法多為燒結(jié)法、機械加工法、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(fā)，而金屬粉粒子則與管壁燒結(jié)在一起。對于低熔點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.機械加工法據(jù)美國專利USP3，696，861和中國專利CN87217208U，CN2047001U及日本眾多專利報導，其制造方法是(1)用特殊設(shè)計的刀具在專用機床上，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，且只適用于軟金屬管材，制得的多孔層孔隙率僅有30～35%，并且相對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(jù)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，使材料的本體強度下降。由于加工工藝復雜、加工周期長，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，美國專利USP3，990，862和中國專利CN85100996A報導，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(jīng)處理的，預熱的金屬管外表面基體上，產(chǎn)生一定的化學冶金結(jié)合。然后再用火焰將多余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，對僅有強化效果的沸騰傳熱也難以達到優(yōu)化組合。
本發(fā)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)復合網(wǎng)強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，促進了液膜界面及內(nèi)部的湍流，從而達到強化傳熱過程的目的。
采用本發(fā)明提供的不同材質(zhì)的金屬內(nèi)外表面(一面亦可)復合網(wǎng)強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(不用釬料)時，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)生相互擴散(滲透)的過程，以達到產(chǎn)生結(jié)合力的方法。并能獲得機械性能和物理化學性能優(yōu)良的接頭，尤其是異種金屬間的焊接。
本發(fā)明的焊接過程是在帶有真空系統(tǒng)的真空焊室內(nèi)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(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而溫升過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(或目數(shù)20～300目)的金屬絲網(wǎng)組合排列而成。
實現(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，對金屬鈦的管或板與金屬鈦的絲網(wǎng)壓焊時的溫度為1200～1300℃。上述溫度的下限是焊接材料的再結(jié)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的范圍之內(nèi)，大約是焊接材料在焊接溫度下的屈服點，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。對金屬鈦的管或板與金屬鈦的絲網(wǎng)壓焊時的外加載荷為9MPa。
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于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。對金屬鈦的管或板與金屬鈦的絲網(wǎng)壓焊時的時間為7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。對金屬鈦的管或板與金屬鈦的絲網(wǎng)壓焊時的真空為10-1Pa。
三、工藝過程1.焊接前表面處理對金屬鈦的管和板采用丙酮等清洗劑來清除焊接表面的油污。對金屬鈦的絲網(wǎng)也采取相同的方法清除油污。
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(nèi)，并對真空室進行密封，然后開始抽真空操作。當真空達到10-1Pa時，開始對焊接件預熱升溫，在兩小時內(nèi)，將焊接件加熱到1200～1300℃之間。
3.焊接當溫度達到焊接溫度后，開始施加外加戴荷9MPa，保持7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(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(nèi)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(zhì)壁面的內(nèi)外部，并保證充分潤濕，從而1.有效地防止干壁現(xiàn)象，提高了臨界熱負荷;
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合網(wǎng)強化傳熱元件可有多種類型，用它可制造多種設(shè)備，且設(shè)備簡單，操作方便，原材料利用率高，成本較低，無環(huán)境污染等。
本發(fā)明的實施例如下采用上述方法將φ57×2.5毫米，長1000毫米的金屬鈦管內(nèi)壁焊上兩層60目(孔徑0.280毫米，絲徑0.140毫米)的金屬鈦絲網(wǎng)，制成降膜式蒸發(fā)器。
經(jīng)實驗測得沸騰給熱系數(shù)高達3.3×104W/(m2·k)，比光滑管時的2.8×103W/(m2·k)提高近11倍，臨界熱負荷為5.8×105W/m2，比光滑管時的1.7×105W/m2提高2.4倍以上，在0.4～0.7℃的溫差下就可維持沸騰傳熱過程的進行。
權(quán)利要求
1.一種強化傳熱過程元件的制造方法，其特征在于在金屬鈦管或金屬鈦板的內(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10-1Pa，溫度為1200～1300℃，外加載荷為9MPa時，經(jīng)7分鐘將金屬鈦絲網(wǎng)(20～300目，一層至五層)與金屬鈦管或金屬鈦板實現(xiàn)牢固的焊接，制成金屬鈦的內(nèi)外表面復合網(wǎng)強化傳熱管和傳熱板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的強化傳熱過程元件的制造方法，其特征在于焊接過程是在帶有真空系統(tǒng)的真空焊室內(nèi)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(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，將金屬鈦絲網(wǎng)和金屬鈦管或金屬鈦板的內(nèi)外表面(一面亦可)壓焊在一起。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種強化傳熱過程，減少傳熱溫差，提高臨界熱負荷并伴有節(jié)能效果的金屬內(nèi)外表面復合網(wǎng)強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)為金屬鈦的絲網(wǎng)采用壓焊方法將其與相同材質(zhì)的金屬鈦管或金屬鈦板的內(nèi)外表面(一面亦可)實現(xiàn)牢固的焊接。本發(fā)明制得的強化傳熱過程元件，其復合網(wǎng)的孔隙率為45～75％，平均當量孔徑大于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?？捎糜谥圃鞊Q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F28F1/10GK1089535SQ9311289
公開日1994年7月20日 申請日期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, 高勵成 申請人:天津大學