CN1139781C - 一种高热通量换热管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高热通量换热管及其制造方法。将表面涂有钎焊材料和成孔材料的管子通过温度为700-1300℃的高温炉，使钎焊材料熔融，把作为成孔材料的金属粉钎焊在管子表面，形成多孔层，从而制得该种高热通量管。该管多孔层厚度为0.2-0.8mm，孔隙率为40-65%，给热系数为普通光管的7-8倍。该管多孔层表面坚硬光滑、厚度均匀、不易剥落，可大批量生产。
Description
本发明涉及一种用于强化沸腾传热的高热通量换热设备及其制造方法，具体的说，本发明涉及一种高热通量换热管及其制造方法。
换热器被广泛应用于石油化工、化工、轻工、冶金、动力、深冷、海水淡化等领域。特别是管束沸腾传热广泛应用于石油化工厂和发电厂的蒸发器、重沸器等多种传热设备上，其中换热管在换热器中起到了重要的作用，换热管效率的高低直接影响换热器传热的效果。一般来说，多孔的管表面比光洁的管表面的传热效率高。目前形成多孔管表面主要采用烧结、喷涂、电镀、机械加工、电腐蚀或化学腐蚀等方法。
日本专利JP10245602公开了一种金属换热管，还公开了该金属换热管的制造方法。该方法将细金属粉末浸渗在多孔材料中，在低于金属粉末烧结温度下加热，进行烧结处理。但使用该专利公开的技术只有在细金属粉末与多孔材料材质相同时才能确保金属管的烧结平滑。另外，使用烧结的工艺无法实现换热管的大规模连续生产。
日本专利JP10185488公开了一种蒸发器换热管表面处理方法，该方法在换热管表面涂一层液体，液体含有有机金属化合物和细的金属氧化物颗粒，该换热器在100-700℃下加热，在换热器表面形成多孔金属氧化物层。利用该方法生产出的换热管被用于冰箱中。但该方法由于使用了有机金属化合物和金属氧化物，使其生产成本较高并且换热管的牢固性和坚硬性均较差，不利于在石油化工领域大规模应用。
中国专利CN1002156C公开了一种用于强化沸腾传热的金属多孔表面金属管的制法，该专利采用具有高分解温度的有机高分子材料粉末为造孔剂，与金属粉按一定比例混合后，通过氧乙炔火焰喷涂在经过预处理的金属管表面形成金属多孔层。主要应用于石油、化工、冶金、动力等领域的列管换热器中，用于强化沸腾传热。金属多孔管平均厚度为0.3-0.6毫米，沸腾放热系数比光管提高5-6倍。但由于采用喷涂的工艺，使采用该工艺生产出的金属管表面粗糙、涂层厚薄不均匀，牢固性较差。
综上所述，现有能够形成换热管多孔表面的方法很多，但其中绝大多数方法生产出的金属管的表面粗糙，涂层厚薄不均匀，且所生产出的换热管不能在高温高压的条件下工作。因此，生产出表面光滑、既能够在高温高压的条件下工作，又能够大规模连续工业化生产的换热管，成为目前换热器研究人员的重要课题之一。
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种高热通量换热管及该换热管的制造方法；使用本发明所述方法生产出的换热管可以在高温高压的条件下工作，换热管的多孔层表面光滑、厚度均匀、不易剥落，且可以大规模批量生产，传热效率较现有传热管也有一定提高。
下面将详细叙述本发明的技术方案。
本发明所述的传热管由管子和多孔表面层构成，采用钎焊工艺制造。表面层材料可以置于管子的外表面，也可以置于管子的内表面。其中多孔表面层材料包括钎焊材料和成孔材料，成孔材料为一种或一种以上的金属粉。其中所述的管子的材质选自铁、铜、碳钢、合金钢中的一种，其中在合金钢的范围里可选为不锈钢。
其中所述的作为成孔材料的金属粉的材质选自铁、铜、碳钢、合金钢中的一种或其组合，其中在合金钢的范围里可选择为不锈钢。金属粉平均粒度为50-200目，可通过市售获得。
所述的管子和被焊接的成孔材料即金属粉一般采用相同的材料，这样做的目的主要是为了避免管材和被焊接金属之间发生电化学反应。
当管子的材质选自铁、碳钢、合金钢或选为不锈钢时，所使用的钎焊材料可以为镍基合金或金属镍。镍基合金如美国焊接协会标准AWS所规定主要由金属镍和微量的其他金属或非金属组成，微量的其他金属包括铬等，微量的非金属主要为磷、硅。所述的镍基合金或金属镍可以由市售的方式得到。
当管子的材质为铜时，所使用的钎焊材料可以为铜基合金，铜基合金主要由金属铜和微量的其他金属和非金属组成，微量的其他金属包括银等，微量的非金属主要为磷。所述的铜基合金也可以由市售的方式得到。
所述钎焊材料与成孔材料的重量比为1∶4-1∶2，优选为1∶3。
所述的换热管的多孔表面层厚度为0.2-0.8mm，优选0.4mm；孔隙率为40-65％。
本发明所述的换热管是这样制造的：(1)将有机粘结剂、钎焊材料和作为成孔材料的金属粉均匀混合；(2)然后将该混合物以一定厚度均匀涂敷在管子表面，并保证涂层厚度均匀表面光滑；(3)将涂有该种涂层的管子进行干燥，有机粘结剂将钎焊材料和成孔材料预固化，在管子表面形成厚度均匀表面光滑的固化层；(4)将该管传送通过炉温为700℃-1300℃的高温炉进行钎焊，管子通过炉内高温区的时间为2-10min，出炉冷却后制得该种换热管。
钎焊过程中有机粘结剂在高温下烧掉，钎焊材料受热熔融通过毛细孔作用渗透在金属颗粒之间及金属颗粒和管子表面之间，在金属颗粒间形成孔隙，同时将金属颗粒钎焊在管子表面，形成了光滑均匀的多孔表面层。多孔表面层与管子母体熔为一体，不起皮不脱落，坚硬且光滑平整。考虑到换热器使用的传热介质性质的不同，所以多孔表面层的厚度一般在0.2-0.8mm内选择，优先在0.4mm。该种换热管多孔表面层孔隙率为40-65％。
在该制造方法中利用有机粘结剂将钎焊材料和成孔材料均匀混合，以便于能够将钎焊材料和成孔材料均匀涂在管子表层。该有机粘结剂为树脂类粘结剂，可选择为环氧树脂或丙稀酸树脂，一般环氧树脂粘结剂可选择国标GB1-51所规定的牌号；丙稀酸树脂可选择甲基丙烯酸甲酯。有机粘结剂与钎焊材料和成孔材料总和的重量比为1∶5-1∶3，优选为1∶4。
该方法所述的管子的材质选自铁、铜、碳钢、合金钢中的一种，其中在合金钢的范围里可选为不锈钢。
该方法所述的作为成孔材料的金属粉的材质选自铁、铜、碳钢、合金钢中的一种或其组合，其中在合金钢的范围里可选为不锈钢。金属粉的平均粒度大小为50-200目，可通过市售获得。
所述的管子和被焊接的成孔材料即金属粉一般采用相同的材料，这样做的目的主要是为了避免管材和被焊接金属之间发生电化学反应。
当管子的材质选自铁、碳钢、合金钢或选为不锈钢时，所使用的钎焊材料可以为镍基合金或金属镍。镍基合金如美国焊接协会标准AWS所规定主要由金属镍和微量的其他金属或非金属组成，微量的其他金属包括铬等，微量的非金属主要为磷、硅。所述的镍基合金或金属镍可以由市售的方式得到。
当管子的材质为铜时，所使用的钎焊材料可以为铜基合金，铜基合金主要由金属铜和微量的其他金属和非金属组成，微量的其他金属包括银等，微量的非金属主要为磷。所述的铜基合金也可以由市售的方式得到。
在钎焊过程中，温度的选择既要考虑到保证钎焊材料能够进行熔融焊接，又不能使管子发生退火影响到管子的机械性能，故选择范围为700℃-1300℃；管子在高温炉高温区的经过时间根据钎焊材料材质来定，一般当钎焊材料为铜基合金时优选为2-3min；当钎焊材料为镍基合金或金属镍时优选为5-10min。
本发明所述的换热管可以按有关列管式换热器的标准型号制造，以便于制造和互换推广使用。
本发明所述的换热管可以在高温高压的条件下工作，换热管多孔层表面光滑、厚度均匀、不易剥落，可以大规模批量生产。经过传热性能测试，该换热管给热系数为普通光管的7-8倍。使用该换热管的高热通量换热器的热通量为普通换热器的2倍左右。传热性能测试是利用实验室的小型换热器，其中换热管为该种方法制得的高热通量换热管。测试中加热介质和被加热介质均为水，实验数据依据换热器进出口的换热介质温差及流量通过通用换算公式而得。附图1、附图2为该种高热通量换热管和普通光管经传热性能测试所得的实验结果曲线图。附图1为高热通量换热管和普通光管的热通量q和沸腾给热系数h的关系曲线图。其中横坐标为热通量q，单位为kcal/m2h；纵坐标为沸腾给热系数h，单位为kcal/m2h℃。曲线1为高热通量换热管实验结果所得曲线，曲线2为普通光管实验所得曲线。由此可以看出，在热通量相同时，高热通量管的给热系数远远大于光管。附图2为高热通量换热管和普通光管的过热度ΔTs与热通量q的关系曲线图。其中横坐标为过热度ΔTs即介质汽化时的有效温差，其等于管子壁面温度与介质饱和温度之差，单位为℃；纵坐标为热通量q，单位为kcal/m2h。曲线1为高热通量换热管的实验曲线，曲线2为光管曲线。可以看出在很小的ΔTs时，高热通量换热管就开始沸腾传热，随着ΔTs的增大，热通量急剧上升。而光管则需在相当大的ΔTs下才开始沸腾传热，因此它的传热能远远低于高热通量管。由此可见本发明的高热通量换热管能在较小的有效温差下，强化沸腾传热过程。
下面用实施例结合附图进一步地描述本发明，本发明的范围不受这些实施例的限制。本发明的范围在附属的权利要求书中提出。
附图3为实施例1所得的高热通量换热管的多孔表面层剖面图，为80倍的光学显微镜照片。
实施例1
本实施例中进行加工的管子采用了标准化浮头换热器FLB-700-120-25-4中换热管的标准：全部材质为碳钢，长6米，管径15mm；并先进行了去油去污及打毛等预处理。本实施例中采用的有机粘结剂为甲基丙烯酸甲酯；钎焊材料为镍基合金，其牌号是美国焊接协会标准AWS所规定的BNI-5；成孔材料为80目的碳钢金属粉；以上材料均可通过市售而得。实施中将甲基丙烯酸甲酯与镍基合金及碳钢金属粉以1∶1∶3的重量比均匀混合。将该混合物均匀涂敷在管子表面，并保证涂层厚度均匀表面光滑，然后将涂有该种涂层的管子进行干燥，管子表面形成厚度为0.4mm的预固化层。此后将该管传送进炉温为1100℃的高温炉进行钎焊，管子经过炉内高温区的时间为6min，出炉冷却后制得该种换热管。
如附图3所示，图中阴影部分为多孔层中的钎焊材料及成孔材料，其间空白部分为孔隙。该高热通量换热管的多孔表面层厚度为0.4mm，孔隙率为50％。
将本实施例生产出的高热通量换热管安装在依照标准化浮头换热器FLB-700-120-25-4标准设计的换热器中。该换热器工艺参数是：加热介质为油浆，介质温度280℃-330℃，压力0.5MPa；被加热介质为水及饱和蒸汽，其温度为175℃-185℃，压力1MPa。经过传热性能测试，该高热通量换热管给热系数为同尺寸普通光管的7.5倍，该中换热器的热通量为普通换热器的2倍。
Claims (8)
1.一种高热通量换热管，由管子及多孔表面层构成，其特征在于管子外表面的多孔表面层材料包括有钎焊材料和成孔材料，其中管子材质为铁、碳钢或合金钢；钎焊材料为镍基合金或金属镍；成孔材料为粒度在50-200目之间的金属粉，金属粉选自下列材质的一种或其组合：铁、铜、碳钢或合金钢。
2.如权利要求1所述的高热通量换热管，其特征在于所述管子材质为不锈钢。
3.如权利要求1所述的高热通量换热管，其特征在于所述作为成孔材料的金属粉的材质为不锈钢。
4.如权利要求1所述的高热通量换热管，其特征在于所述钎焊材料与作为成孔材料的金属粉的重量比为1∶4-1∶2。
5.如权利要求1所述的高热通量换热管，其特征在于所述多孔表面层的厚度为0.2-0.8mm，孔隙率为40-65％。
6.如权利要求1-5之任一项所述的高热通量换热管的制造方法，按如下步骤进行：(1)将有机粘结剂、钎焊材料和作为成孔材料的金属粉均匀混合，其中的有机粘结剂为树脂类有机粘结剂；(2)将该混合物均匀涂敷在管子表面；(3)将涂有该种涂层的管子进行干燥、预固化；(4)将该管传送通过炉温为700℃-1300℃的高温炉进行钎焊，管子经过炉内高温区的时间为2-10min，出炉冷却之后即得到所述的高热通量换热管。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于有机粘结剂为环氧树脂或丙稀酸树脂。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于有机粘结剂与钎焊材料和成孔材料总和的重量比为1∶5-1∶3。
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