PL202715B1 - Sposób lutowania cienkich wymieniających ciepło płyt i lutowany płytowy wymiennik ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia cienkich wymieniających ciepło płyt z materiału na bazie żelaza, posiadających otwory i wytłoczony wzór wzniesień i wgłębień, na obszarze wymiany ciepła tych płyt, a także, jeśli jest obecny, na obszarze rozprowadzenia do płytowego wymiennika ciepła. Płyty są tak rozmieszczone, iż uzyskuje się styczność między wzniesieniami i wgłębieniami sąsiadujących płyt. Uzyskana paczka płyt jest tak rozgrzewana, iż materiał lutowniczy ulega stopieniu, a pł yty zostają przylutowane do siebie w punktach stycznoś ci. Wynalazek obejmuje takż e lutowany płytowy wymiennik ciepła, który zbudowany jest z cienkich wymieniających ciepło płyt z materiału na bazie żelaza, zaopatrzonych w otwory i wytłoczony wzór wzniesień i wgłębień na obszarze płyt wymieniającym ciepło, a także, jeśli jest obecny, na obszarze rozprowadzenia, a także jest zlutowany przy zastosowaniu sposobu według wynalazku.

Przy produkcji płytowych wymienników ciepła wykorzystuje się generalnie cienkie folie z odpowiedniego materiału lutowniczego, które są umieszczane pomiędzy płytami wymieniającymi ciepło, które mają zostać przylutowane do siebie. Wymieniające ciepło płyty wraz ze znajdującą się między nimi folią tworzą paczkę płyt, zawierającą pożądaną liczbę kanałów, przeznaczonych dla ośrodka, który będzie dokonywał wymiany ciepła. Paczka płyt wkładana jest do pieca i rozgrzewana jest do temperatury, w której materiał lutowniczy ulega stopieniu. Lutowanie może być prowadzone w próżni lub w środowisku obojętnego lub aktywnego gazu osłonowego, takiego jak azot, wodór, hel lub argon lub też ich kombinacje.

W celu otrzymania połączenia lutowanego wymagane jest, aby materiał lutowniczy zwilż a ł powierzchnię obiektów, które mają zostać przylutowane do siebie, a także aby temperatura topnienia materiału lutowniczego była niższa niż temperatura topnienia łączonych przedmiotów.

Jeśli wykorzystuje się materiał lutowniczy w postaci proszku, może on być zmieszany ze spoiwem lub też może być ewentualnie podawany na płyty w dwóch etapach.

Materiał lutowniczy może być także rozpraszany w mieszance spoiwa i cieczy i może być malowany lub natryskiwany na powierzchnię materiału podłoża. Innym sposobem jest naniesienie najpierw spoiwa, a następnie sproszkowanego materiału lutowniczego W przypadku, kiedy stosowane jest spoiwo, paczka płyt jest odpowiednio rozgrzewana w dwóch etapach, w taki sposób, że spoiwo ulega odparowaniu, zanim materiał osiągnie temperaturę lutowania.

W celu zapewnienia wystarczają cej wytrzymał o ś ci wymiennika ciep ł a, czyni się starania mają ce na celu otrzymanie doskonałych punktów lutowania, które nie będą zawierać faz kruchych czy pęknięć. Fazy kruche i pęknięcia stanowią miejsca zapoczątkowywania pęknięć w wyniku uszkodzeń zmęczeniowych i mogą stwarzać dogodne warunki tworzenia się ogniw korozyjnych, które mogą powodować poważne uszkodzenia wymiennika ciepła. Powstałe miejsca zapoczątkowywania pęknięć mogą także stwarzać ryzyko wypłukiwania elementów stopu do ośrodka wymiany ciepła, co jest niepożądane w konstrukcjach lutowanych do zastosowań spoż ywczych.

Przy stosowaniu aktywnego materiału lutowniczego, to znaczy materiału lutowniczego, który zawiera składniki obniżające temperaturę topnienia, ryzyko powstania kruchych faz wzrasta. Zależy to od procesów, które wpływają na szybkość dyfuzji składników obniżających temperaturę topnienia wokół i w samym punkcie połączenia. Jeżeli siła dyfuzji i warunki kinetyczne są odpowiednie, rośnie tak zwany krytyczny prześwit połączenia, to jest prześwit połączenia, gdzie w połączeniu nie tworzą się fazy kruche.

Materiały lutownicze, które są stosowane współcześnie, odznaczają się często dobrą płynnością i właściwościami zwilżającymi w celu wnikania do szczelin i uzyskania dobrego połączenia z materiałem podłoża. W płytowych wymiennikach ciepła, gdzie płyty, które mają zostać przylutowane do siebie, posiadają wytłoczony wzór ze wzniesieniami i wgłębieniami, typowe jest, że połączenia lutowane mają postać punktów. Ogólnie wykorzystuje się materiał lutowniczy w postaci folii o jednorodnej grubości, który pokrywa całą płytę z dala od otworów. Oznacza to, że wykorzystuje się nadmiar materiału lutowniczego w celu uzyskania wystarczającej ilości materiału lutowniczego w punktach lutowania. Ze względu na to, iż trudna jest kontrola ilości materiału lutowniczego obecnego w punktach lutowania, rośnie niebezpieczeństwo tego, że ilość materiału lutowniczego w niektórych punktach będzie zbyt duża. Rośnie wtedy ryzyko powstawania faz kruchych.

Artykuł Alloys for brazing thin sections of stainless steel (Stopy do lutowania cienkich odcinków stali nierdzewnej), autorstwa A.S. McDonald w Welding Journal, Mar, 1957, omawia, które stopy mogą być uznane za przydatne do lutowania cienkich elementów stalowych, na przykład w wymiennikach ciepła. Idealny stop według autora artykułu powinien mieć zdolność zwilżania i płynięcia po poPL 202 715 B1 wierzchni stali nierdzewnej bez środka upłynniającego w trakcie lutowania w atmosferze osłonowej. Nie powinien on uszkadzać materiału podłoża poprzez jego rozpuszczanie lub wnikanie weń, a otrzymane połączenie winno odznaczać się dobrą wytrzymałością mechaniczną i powinno być odporne na utlenianie.

Artykuł ten stwierdza dalej, iż popularne stopy na bazie niklu, które zawierają bor i które w innych sytuacjach są bardzo użyteczne, nie mogą zostać zastosowane ze względu na ich właściwości rozpuszczające i penetrujące.

Według wynalazku dokonano zaskakującego odkrycia, iż poprzez użycie w sumie mniejszej ilości materiału lutowniczego można uzyskać większą wytrzymałość lutowanego płytowego wymiennika ciepła, zarówno w przypadku stosowania materiałów lutowniczych wymienionych powyżej, jak i innych materiałów lutowniczych nadających się do tego zastosowania.

Sposób lutowania cienkich wymieniających ciepło płyt z materiału na bazie żelaza, posiadających otwory i wytłoczony wzór wzniesień i wgłębień na obszarze wymiany ciepła tych płyt i jeśli występuje, to na obszarze rozprowadzenia do płytowego wymiennika ciepła, którego płyty powleczone są materiałem lutowniczym i przed połączeniem skontaktowane ze sobą sąsiadujące wzniesienia i wgłębienia, przy czym płyty zlutowane są razem w utworzonych punktach styczności, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przed lutowaniem 5-40%, korzystnie 10-30% powierzchni wymiany ciepła i obszaru rozprowadzenia pokrywa się materia ł em lutowniczym.

Korzystnie, w sposobie według wynalazku materiał lutowniczy nakłada się selektywnie na wszystkie punktowo ukształtowane obszary styczności lub liniowo uformowane obszary styczności.

Materiał lutowniczy selektywnie nanosi się tylko na pewną liczbę punktowo ukształtowanych obszarów styczności lub liniowo ukształtowanych obszarów styczności.

Stosuje się tak małą ilość materiału lutowniczego, iż otrzymuje się zasadniczo plastyczne złącze lutowane.

Stosuje się materiał lutowniczy składający się z aktywnego materiału lutowniczego, zawierającego składniki obniżające temperaturę topnienia, które podczas lutowania dyfundują w głąb materiału płyty na bazie żelaza, zmieniając zakres topnienia materiału w lutowanym połączeniu.

Stosuje się materiał lutowniczy nie zawierający składników obniżających temperaturę topnienia i składający się z materiału wchodzącego w interakcję z materiałem podłoż a w wymieniają cych ciepło płytach, tak że składniki z materiału podłożowego płyt migrują do wnętrza materiału lutowniczego i zapewniają twardsze złącze lutowane.

Stosuje się materiał lutowniczy zawierający spoiwo nieaktywne.

Lutowany płytowy wymiennik ciepła zbudowany z cienkich wymieniających ciepło płyt z materiału podłoża na bazie żelaza, posiadających otwory oraz wytłoczony wzór wzniesień i wgłębień na obszarze wymiany ciepła płyt oraz jeśli występuje to na obszarze rozprowadzenia do płytowego wymiennika ciepła, którego płyty powleczone są materiałem lutowniczym i przed połączeniem skontaktowane ze sobą sąsiadujące wzniesienia i wgłębienia, przy czym płyty zlutowane są razem w utworzonych punktach styczności, według wynalazku charakteryzuje się tym, że materiał lutowniczy stosowany do lutowania stanowi aktywny materiał lutowniczy stopu żelaza lub stopów żelaza, przy czym stop żelaza lub stopy żelaza zawierają składniki obniżające temperaturę topnienia.

Korzystnie, w wymienniku ciepła według wynalazku aktywny materiał lutowniczy obecny w miejscu złącza lutowanego ulega dyfuzji do wnętrza materiału płyt na bazie żelaza.

Aktywny materiał lutowniczy przed lutowaniem ma postać pasty.

Wzajemne lutowanie płyt wokół otworów i krawędzi prowadzone jest w konwencjonalny sposób i nie jest przedmiotem niniejszego wynalazku. Pł yty, które wykorzystywane są w lutowanych pł ytowych wymiennikach ciepła mają grubość do 0,8 mm. Przy zastosowaniu grubszego materiału płyty, znacznie pogarsza się zdolność do wymiany ciepła. W ciśnieniowym lutowanym płytowym wymienniku ciepła obciążenie przenoszą tylko punkty lutowania między płytami. Na zdolność wytrzymywania naprężenia, na jakie narażone są połączenia, wpływ ma tylko ilość materiału lutowniczego obecnego w punktach lutowania.

Sposób według wynalazku ma tę zaletę, iż materiał lutowniczy jest selektywnie nanoszony na wszystkie powierzchnie kontaktowe w postaci punktów i linii.

Ewentualnie, materiał lutowniczy może być nanoszony selektywnie tylko na pewną liczbę powierzchni kontaktowych w kształcie punktów czy linii. Zazwyczaj wybiera się jedną lub obydwie te metody, zależnie od wytłoczonego wzoru, grubości płyt i ciśnienia, na jakie narażony jest płytowy wymiennik ciepła. W zależności od zastosowania ciśnienie to może zmieniać się pomiędzy 1 x 10⁵ a 40 x 10⁵ Pa (1-40 bar).

PL 202 715 B1

W celu otrzymania pł ytowego wymiennika ciepł a o maksymalnej wytrzymał o ś ci dodaje się tylko taką ilość materiału lutowniczego, iż otrzymuje się głównie plastyczne połączenie lutowane - złącze lutowane. Takie połączenie lutowane nie zawiera wcale lub zawiera niewielką ilość faz kruchych. Fazy kruche w połączeniu lutowanym mogą powodować wcześniejsze pękanie połączenia w wyniku zmęczenia (zmniejszenie żywotności) i tworzą także szczeliny umożliwiające atak korozji. Plastyczne połączenie lutowane uzyskiwane jest, gdy ilość materiału lutowniczego tylko w niewielkim stopniu przekracza obszar punktów styczności.

W sposobie według wynalazku, materiał lutowniczy korzystnie składa się z aktywnego materiału lutowniczego, to znaczy materiału lutowniczego zawierającego składniki, które dyfundują w głąb materiału płyty na bazie żelaza i które zmieniają zakres temperatur topnienia materiału w lutowanym połączeniu. Tego rodzaju materiałem lutowniczym może być stop niklu z chromem oraz dodatkiem zmniejszającym temperaturę topnienia lub stali nierdzewnej z dodatkiem zmniejszającym temperaturę topnienia. Występują także materiały lutownicze na bazie Co lub Ag.

Zastosowane materiały lutownicze mogą korzystnie składać się z materiału, który wchodzi w interakcję z materiałem podłoża w płytach wymieniających ciepło, w ten sposób, iż składniki materiału podłoża migrują do spoiwa lutowniczego, a przez to tworzą połączenie lutowane o większej wytrzymałości niż znane jest to dla materiałów lutowniczych na bazie Cu i Ag.

Materiał lutowniczy może według wynalazku zawierać nieaktywne spoiwo, na przykład spoiwo na bazie celulozy.

Wynalazek obejmuje także lutowany wymiennik ciepła zbudowany z cienkich wymieniających ciepło płyt z materiału na bazie żelaza, posiadających otwory i wytłoczony wzór wzniesień i wgłębień na obszarze wymiany ciepła płyt oraz, jeśli jest obecny, na obszarze rozprowadzenia wytworzony sposobem według wynalazku. Materiał lutowniczy zastosowany do lutowania obecny jest po procesie lutowania głównie w miejscu połączenia lutowanego.

Lutowany płytowy wymiennik ciepła według wynalazku wytwarzany jest korzystnie poprzez połączenie płyt za pośrednictwem aktywnego materiału lutowniczego, to znaczy materiału lutowniczego zawierającego składniki obniżające temperaturę topnienia, który ma zdolność dyfuzji do wnętrza materiału podłoża w trakcie lutowania. Po procesie łączenia materiał lutowniczy obecny jest głównie w miejscu lutowanego połączenia, poza składnikami obniżającymi temperaturę topnienia, które wdyfundowały do wnętrza materiału płyty na bazie żelaza.

Według wynalazczego sposobu materiał lutowniczy może być nanoszony na różne sposoby, można nakładać linię lub kropelki materiału lutowniczego poprzez wyciśnięcie ich przez dyszę. Można także nakładać spoiwo w postaci kropelek lub linii, a następnie rozproszyć proszek lutowniczy na powierzchni. Nadmiar materiału lutowniczego musi następnie, przed lutowaniem, zostać usunięty. Materiał lutowniczy może także być nakładany na płytę wymiennika ciepła poprzez pewien rodzaj drukowania, na przykład metodą sitodruku. W metodzie tej materiał lutowniczy może być szybko nakładany na płytę.

Wybór spoiwa i stosowanej jego ilości zależy od wymaganej trwałości kształtu po nałożeniu a także od takich parametrów, jak szybkość podawania, ciśnienie i wielkość dyszy dozującej. Stosowane są spoiwa galaretowane, zwykle na bazie celulozy, gdyż powstrzymują one cząstki materiału lutowniczego przed osadzaniem się podczas składowania oraz po nałożeniu. Pasta ta zachowuje się w taki sam sposób, jak pasta do zębów. Powszechnie stosowane jest spoiwo o stężeniu 9-15%. Ilość zależy od rozkładu wielkości cząstek w proszku lutowniczym. Im większy jest udział frakcji drobnej, tym więcej spoiwa potrzeba do otrzymania gładkiej pasty.

W przypadku sitodruku, drukowania przez sito jedwabne, stosuje się rzadką zawiesinę proszku. Spoiwo rzadko musi mieć szczególnie wysoką lepkość, maksymalnie około 2000 cps i stosowana może być większa ilość spoiwa, do 20%.

W przypadku druku matrycowego, drukowania poprzez otwarte otwory, mieszanka proszku lutowniczego i spoiwa musi mieć taką lepkość, jak drobna granularna glina. Pasta winna mieć zdolność rolowania się przed łopatkami jak kiełbaska, wpychania przez otwory matrycy. Reprezentatywną wartością lepkości dla tego rodzaju pasty, spoiwa i proszku, jest wartość > 50 000 cps.

Lepkość materiału lutowniczego może zostać zwiększona poprzez dodatek do materiału lutowniczego rozdrobnionego materiału podłoża lub cząstek, które nie ulegają stopieniu w trakcie lutowania.

Pożądana ilość materiału lutowniczego podawana jest na punkty styczności, które mają zostać zlutowane, w dowolny z opisanych lub inny sposób. Materiał lutowniczy pokrywa przy tym obszar, który jest nieco większy niż punkt styczności. Punkty styczności mogą mieć średnicę dwóch milimePL 202 715 B1 trów. Materiał lutowniczy zasysany jest przez siły kapilarne do wnętrza szczeliny pomiędzy dwiema wymieniającymi ciepło płytami, które mają zostać połączone. Jeśli jest to pożądane, materiał lutowniczy może być tak naniesiony, iż przed lutowaniem ma kształt pierścienia, który otacza punkt styczności.

Płyty wykorzystywane w lutowanych wymiennikach ciepła mają często wytłoczony wzór typu „ości śledzia na powierzchni wymiany ciepła. Zależnie od kształtu wzoru, zmienia się w pewnym zakresie ilość materiału lutowniczego, który jest dodawany, ale przykładowo można powiedzieć, iż obszar wymiany ciepła pokryty jest materiałem lutowniczym w zakresie 13-15%, gdy materiał lutowniczy nanoszony jest punktowo we wszystkich punktach styczności. Jeżeli materiał lutowniczy nanoszony jest w postaci linii, pokrywa on około 30% powierzchni wymiany ciepła dla tego samego rodzaju wzoru ściśnięcia. Jeśli płyta ma wzór niezawierający krzyżujących się wzniesień i wgłębień, ale jakiś inny rodzaj styczności między płytami, obszar pokryty materiałem lutowniczym wynosi nieco więcej niż 10%. W każ dym punkcie lutowania nanoszone jest 1-30 mg materia ł u lutowniczego.

Według wynalazku próbuje się uzyskać efekt, polegający na tym, aby lutowane połączenie zawierało tylko niewielką ilość faz kruchych. Wiadomo, iż obecność faz kruchych wpływa ujemnie na wytrzymałość zmęczeniową. Ilość fazy kruchej zależy od prześwitu połączenia, grubości płyty, ilości materiału lutowniczego, tego jak materiał lutowniczy jest nanoszony oraz relacji czasu i temperatury w trakcie lutowania.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres siły rozciągającej dla plastycznego lutowanego połączenia, fig. 2 wykres siły rozciągającej dla lutowanego połączenia z dużą ilością faz kruchych, fig. 3 przedstawia podstawowy wykres, ilustrujący wpływ ilości materiału lutowniczego na lutowane połączenia oraz właściwości lutowanego wymiennika ciepła.

Dla potrzeb testów wykorzystuje się okrągłe próbki o pewnej grubości płyty, które łączone są ze sobą w założony sposób ze zmienną ilością materiału lutowniczego. Mierzona jest siła rozciągająca otrzymanych lutowanych połączeń (4 jednostki). Połączone próbki odciągane są od siebie ze stałą szybkością naprężania.

Jak widać to na fig. 1, która pokazuje wykres testu rozciągania dla próbek, które zostały zlutowane razem po punktowym naniesieniu materiału lutowniczego, plastyczne połączenie jest rozciągane wzdłuż równomiernej krzywej, aż do pęknięcia pierwszego punktu lutowania przy maksymalnej sile rozciągania. Następnie jeden za drugim pękają pozostałe punkty lutowania.

Na fig. 2, która pokazuje wykres badania rozciągania próbek, które pokryte zostały materiałem lutowniczym na całej powierzchni, można zauważyć, że krzywa ta już przed osiągnięciem maksymalnej siły rozciągania wykazuje szczeliny, oznaczające obecność faz kruchych i zapoczątkowanie pękania. Szczeliny te oznaczają wstępne pęknięcia, które mają krytyczne znaczenie na przykład dla odporności na zmęczenie.

Na fig. 3 przedstawiono główny wykres ilustrujący, jakim zmianom ulegają różne właściwości lutowanego płytowego wymiennika ciepła w konsekwencji zmiany ilości spoiwa lutowniczego na polu powierzchni wymiany ciepłą, włączając w to obszar rozprowadzenia, jeśli jest on obecny. Otrzymuje się wykresy z podobnymi zmianami właściwości dla aktywnych materiałów lutowniczych na bazie stopów Co-, Ni- lub Fe. Jak można zauważyć z wykresu, ilość faz kruchych rośnie wraz z procentowym wzrostem ilości spoiwa lutowniczego. Gdy rośnie ilość faz kruchych, plastyczność ulega zmniejszeniu. Liczba cykli do awarii (żywotność) w funkcji procentowej ilości spoiwa lutowniczego na powierzchni początkowo rośnie do osiągnięcia maksimum, po czym spada do prawie stałej wartości.

Równowaga między pozytywnymi a negatywnym czynnikami powoduje, iż zastosowanie powierzchni ze spoiwem lutowniczym w ilości w przedziale 5-40% daje w rezultacie lutowany wymiennik ciepła o lepszej wytrzymałości statycznej i dynamicznej, długiej żywotności i plastycznych lutowanych połączeniach.

Najlepszy rezultat osiąga się w przedziale 10-30%.

Claims (10)

1. Sposób lutowania cienkich wymieniają cych ciepł o pł yt z materiał u na bazie ż elaza, posiadających otwory i wytłoczony wzór wzniesień i wgłębień na obszarze wymiany ciepła tych płyt i jeśli występuje, to na obszarze rozprowadzenia do płytowego wymiennika ciepła, w którym płyty powleka się materiałem lutowniczym i przed połączeniem umieszcza się je kontaktując ze sobą sąsiadujące wzniesienia i wgłębienia, po czym płyty lutuje się razem w utworzonych punktach styczności, znamienny tym, że przed lutowaniem 5-40%, korzystnie 10-30% powierzchni wymiany ciepła i obszaru rozprowadzenia pokrywa się materiałem lutowniczym.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał lutowniczy nakłada się selektywnie na wszystkie punktowo ukształtowane obszary styczności lub liniowo uformowane obszary styczności.

3. Sposób wed ług zastrz. 1, znamienny tym, ż e materiał lutowniczy selektywnie nanosi się tylko na pewną liczbę punktowo ukształtowanych obszarów styczności lub liniowo ukształtowanych obszarów styczności.

4. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e stosuje się tak małą ilość materia łu lutowniczego, iż otrzymuje się zasadniczo plastyczne złącze lutowane.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał lutowniczy składający się z aktywnego materiału lutowniczego, zawierającego składniki obniż ające temperaturę topnienia, które podczas lutowania dyfundują w głąb materiału płyty na bazie żelaza, zmieniając zakres temperatur topnienia materiału w lutowanym połączeniu.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał lutowniczy nie zawierający składników obniżających temperaturę topnienia i składający się z materiału wchodzącego w interakcję z materiałem podłoża w wymieniających ciepło płytach, tak że składniki z materiału podłożowego płyt migrują do wnętrza materiału lutowniczego i zapewniają twardsze złącze lutowane.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał lutowniczy zawierający spoiwo nieaktywne.

8. Lutowany pł ytowy wymiennik ciepł a zbudowany z cienkich wymieniają cych ciepł o pł yt z materiału podłoża na bazie żelaza, posiadających otwory oraz wytłoczony wzór wzniesień i wgłębień na obszarze wymiany ciepła płyt oraz jeśli występuje to na obszarze rozprowadzenia do płytowego wymiennika ciepła, którego płyty powleczone są materiałem lutowniczym i przed połączeniem skontaktowane są ze sobą sąsiadujące wzniesienia i wgłębienia, przy czym płyty zlutowane są razem w utworzonych punktach styczności, znamienny tym, że materiał lutowniczy stosowany do lutowania stanowi aktywny materiał lutowniczy stopu żelaza lub stopów żelaza, przy czym stop żelaza lub stopy żelaza zawierają składniki obniżające temperaturę topnienia.

9. Wymiennik ciepła według zastrz. 8, znamienny tym, że aktywny materiał lutowniczy obecny w miejscu złącza lutowanego ulega dyfuzji do wnę trza materiału płyt na bazie żelaza.

10. Wymiennik ciepła według zastrz. 8, znamienny tym, że aktywny materiał lutowniczy przed lutowaniem ma postać pasty.