RU2077008C1

RU2077008C1 - Method of manufacture of matrix heat exchanger

Info

Publication number: RU2077008C1
Application number: RU93048648A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Данченко; В.Н. Анциферов; С.В. Кулаков
Priority date: 1993-10-21
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1997-04-10

Abstract

FIELD: cryogenic engineering; heat engineering. SUBSTANCE: method of manufacture of matrix heat exchanger consists in placing the packing in coaxial passages and passing a chemical solution through these passages. Permeable polymer foam is used as packing; after passing the solution through packing, packing with metal precipitated on it is connected with walls of passages by heating it to sintering temperature of metal. Packing is made in form of discrete tings placed in passages at spaced relation to one another. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменникам, в частности к способам изготовления матричных теплообменников, и может быть использовано в криогенной технике, теплотехнике. The invention relates to heat exchangers, in particular to methods for manufacturing matrix heat exchangers, and can be used in cryogenic technology, heat engineering.

Известен способ изготовления рекуператора, используемого при производстве жидкого кислорода, включающий изготовление набивки в виде спирально навитой медной ленты, размещение ее между концентрическими медными кольцами и последующее соединение набивки и колец [1]
Недостатками способа являются ограниченные технологические возможности, в частности, при получении набивки с переменным вдоль оси рекуператора коэффициентом теплоотдачи и в обеспечении надежного контакта между набивкой и кольцами.A known method of manufacturing a recuperator used in the production of liquid oxygen, including the manufacture of packing in the form of a spiral wound copper tape, placing it between concentric copper rings and the subsequent connection of the packing and rings [1]
The disadvantages of the method are limited technological capabilities, in particular, upon receipt of the packing with a variable heat transfer coefficient along the axis of the recuperator and in ensuring reliable contact between the packing and the rings.

Известен способ изготовления матричного теплообменника, включающий размещение в коаксиальных каналах набивки в виде проволочной спирали, пропускание через каналы химического растворителя с частичным вытравливанием поверхностного слоя набивки [2]
Недостатком данного способа является неэффективность использования применяемого химического растворителя, переводящего металл (проволоки) в его соль. Кроме того данный способ не обеспечивает удовлетворительного коэффициента теплоотдачи между частями теплообменника в перпендикулярном каналам направлении.A known method of manufacturing a matrix heat exchanger, including the placement in the coaxial channels of the packing in the form of a wire spiral, passing through the channels of a chemical solvent with partial etching of the surface layer of the packing [2]
The disadvantage of this method is the inefficiency of using the used chemical solvent that converts metal (wire) into its salt. In addition, this method does not provide a satisfactory heat transfer coefficient between the parts of the heat exchanger in the direction perpendicular to the channels.

Заявляемый способ изготовления матричного теплообменника позволяет расширить технологические возможности известных способов, обеспечить надежный металлический и тепловой контакт между набивкой и кольцами, а также получать набивку с переменным диаметром пор и связанными с ним переменной пористостью, удельной поверхностью, теплопроводностью и гидравлическим сопротивлением. The inventive method of manufacturing a matrix heat exchanger allows you to expand the technological capabilities of the known methods, to provide reliable metal and thermal contact between the packing and the rings, as well as to get the packing with a variable pore diameter and associated variable porosity, specific surface area, thermal conductivity and hydraulic resistance.

Предлагаемый способ изготовления матричного теплообменника, включающий размещение в коаксиальных каналах набивки и пропускание через каналы химического раствора, отличается тем, что в качестве набивки используют проницаемую полимерную пену, а после пропускания раствора набивку с осажденным на нее металлом соединяют со стенками каналов путем нагрева до температуры спекания металла. Набивку целесообразно использовать в виде дискретных колец и размещать в каналах с зазором относительно друг друга. The proposed method of manufacturing a matrix heat exchanger, including placement in the coaxial channels of the packing and passing through the channels of the chemical solution, is characterized in that a permeable polymer foam is used as the packing, and after passing the solution, the packing with the metal deposited on it is connected to the channel walls by heating to sintering temperature metal. The packing is advisable to use in the form of discrete rings and place in the channels with a gap relative to each other.

Предлагаемый способ формирования набивки позволяет обеспечить высокую регулярность ее металлической сетчато-ячеистой структуры, заложенную изначально в исходной полиуретановой пене. Возможность варьирования у последней диаметра пор от десятых долей до нескольких миллиметров позволяет получать аналогичные параметры у металлической набивки. Диаметр пор набивки определяет такие ее характеристики, как проницаемость, изменяющуюся от 3•10^-9 до 1•10^-7 м² при увеличении диаметра пор от 0,8 до 4,5 мм, удельную поверхность, которая для определенного диапазона пор изменяется от 4000 до 800 м²/м³.The proposed method of forming the packing allows to ensure high regularity of its metal mesh-cellular structure, which was originally laid in the original polyurethane foam. The possibility of varying the last pore diameter from tenths to several millimeters allows you to get the same parameters for metal packing. The pore diameter of the packing determines its characteristics such as permeability, varying from 3 • 10 ^-9 to 1 • 10 ^-7 m ² with increasing pore diameter from 0.8 to 4.5 mm, specific surface, which for a certain range of pores varies from 4000 to 800 m ² / m ³ .

В процессе химического меднения пенополиуретана скорость увеличения массы набивки прямо пропорциональна удельной поверхности или обратно пропорциональна диаметру пор исходного пенополиуретана, т.е. за одинаковый промежуток времени набивка с меньшим диаметром пор наберет большую плотность и пористость ее будет меньше. Пористость определяет механические (прочность, модуль упругости) и теплофизические (коэффициент теплопроводности, теплоемкость) характеристики набивки, которые возрастают с ее уменьшением. In the process of chemical copper plating of polyurethane foam, the rate of increase in the packing mass is directly proportional to the specific surface or inversely proportional to the pore diameter of the initial polyurethane foam, i.e. for the same period of time, a packing with a smaller pore diameter will gain more density and its porosity will be less. Porosity determines the mechanical (strength, elastic modulus) and thermophysical (thermal conductivity, heat capacity) characteristics of the packing, which increase with its decrease.

Взаимосвязь структурных (пористость и диаметр пор) и теплофизических характеристик набивки с учетом особенностей процесса химической металлизации (меднения) позволяет получать в едином технологическом цикле матричный теплообменник с изменяющимися по длине каналов и в поперечном направлении (в смежных коаксиальных каналах) пористостью, диаметром пор, удельной поверхностью и обусловленными последними теплогидравлическими характеристиками. The interconnection of the structural (porosity and pore diameter) and thermophysical characteristics of the packing, taking into account the peculiarities of the process of chemical metallization (copper plating), allows one to obtain a matrix heat exchanger with varying porosity, pore diameter, specific porosity, diameter along the length of channels and in the transverse direction (in adjacent coaxial channels) surface and due to the latest thermo-hydraulic characteristics.

Для этого пустоты в коаксиальных каналах заполняют пенополиуретановыми кольцами (или стаканами), у которых в зависимости от условий эксплуатации теплообменника диаметр пор изменяется либо по длине теплообменника, либо от кольца к кольцу в соседних каналах. For this, the voids in the coaxial channels are filled with polyurethane foam rings (or cups), in which, depending on the operating conditions of the heat exchanger, the pore diameter varies either along the length of the heat exchanger, or from the ring to the ring in adjacent channels.

С целью обеспечения теплового контакта между частями матричного теплообменника пенополиуретановые кольца должны иметь такие размеры (диаметр), чтобы устанавливаться с натягом на внутреннюю тонкостенную трубу и поджиматься по боковой поверхности наружной (следующей) трубой и так далее. In order to ensure thermal contact between the parts of the matrix heat exchanger, the polyurethane foam rings should be of such dimensions (diameter) that they can be fitted with an interference fit on the inner thin-walled pipe and pressed along the side surface of the outer (next) pipe and so on.

В процессе химического меднения происходит осаждение меди не только на исходную пенополиуретановую набивку с образованием медного покрытия с сетчато-ячеистой структурой, но и на стенки труб и места контакта последних набивкой. In the process of chemical copper plating, copper is deposited not only on the initial polyurethane foam packing with the formation of a copper coating with a mesh-cellular structure, but also on the pipe walls and the contact points of the latter.

Образующиеся металлические связи между сетчато-ячеистым медным покрытием на пенополиуретановой набивке и стенками труб сохраняются после удаления полимера. Достигаемый при этом уровень механических и теплофизических свойств в зоне контакта металлической набивки и труб соответствует уровню аналогичных свойств собственно набивки. The resulting metal bonds between the mesh-cellular copper coating on the polyurethane foam packing and the pipe walls are preserved after polymer removal. The achieved level of mechanical and thermal properties in the contact zone of the metal packing and pipes corresponds to the level of similar properties of the packing itself.

На фиг.1 изображен предлагаемый матричный теплообменник, продольный разрез; на фиг.2 то же, но с переменным комплексом свойств в направлении движения теплоносителя; на фиг.3 микрофотография зоны контакта набивки из сетчато-ячеистой меди со стенкой канала. Figure 1 shows the proposed matrix heat exchanger, a longitudinal section; figure 2 the same, but with a variable set of properties in the direction of movement of the coolant; figure 3 is a micrograph of the contact zone of the packing of mesh-copper with the wall of the channel.

Способ изготовления матричного теплообменника состоит в размещении набивки из пенополиуретановых колец в коаксиальных каналах 2, 4 и т.д. между медными трубками 1, 3, 5 и т.д. с натягом по внутренней и поджатием по внешней боковой поверхности кольца. После сборки через набивку из пенополиуретана пропускают раствор химического меднения, в результате чего на набивке осаждается слой меди. Процесс металлизации продолжается до достижения требуемой толщины слоя меди, которая определяет последующую получаемую пористость (или плотность) металлической набивки и связанный с ней комплекс теплофизических и механических свойств. Гидравлические свойства набивки определяются исходным диаметром пор пенополиуретана. При последующей термической обработке происходит удаление пенополиуретана из заготовки теплообменника одновременно со спеканием металлической набивки и ее припеканием к металлическим стенкам труб. A method of manufacturing a matrix heat exchanger consists in placing a packing of polyurethane foam rings in coaxial channels 2, 4, etc. between copper tubes 1, 3, 5, etc. with interference on the inner and compression on the outer side surface of the ring. After assembly, a chemical copper plating solution is passed through a polyurethane foam packing, as a result of which a copper layer is deposited on the packing. The metallization process continues until the required thickness of the copper layer is reached, which determines the subsequent obtained porosity (or density) of the metal packing and the complex of thermophysical and mechanical properties associated with it. The hydraulic properties of the packing are determined by the initial pore diameter of the polyurethane foam. In the subsequent heat treatment, polyurethane foam is removed from the heat exchanger blank simultaneously with sintering of the metal packing and its sintering to the metal walls of the pipes.

Набивка может быть выполнена с переменными структурными и теплогидравлическими характеристиками, например с уменьшающимся в канале 2 в направлении движения теплоносителя диаметром пор и увеличивающимися пористостью, удельной поверхностью, теплопроводностью и гидравлическим сопротивлением. Закон изменения комплекса свойств в смежном канале 4 противоположен, чем в канале 2, однако в обоих случаях изменение носит дискретный характер из-за того, что исходная полимерная набивка в каждом канале выполняется из отдельных колец. С целью снижения осевой теплопроводности кольца могут устанавливаться с зазором относительно друг друга. The packing can be performed with variable structural and thermo-hydraulic characteristics, for example, with a pore diameter decreasing in the channel 2 in the direction of the heat carrier movement and increasing porosity, specific surface area, thermal conductivity and hydraulic resistance. The law of change in the set of properties in the adjacent channel 4 is opposite than in channel 2, however, in both cases, the change is discrete due to the fact that the original polymer packing in each channel is made of separate rings. In order to reduce the axial thermal conductivity, the rings can be installed with a gap relative to each other.

Теплообменник работает следующим образом. The heat exchanger operates as follows.

Теплоносители, проходя по смежным каналам 2 и 4, отдают тепло как стенкам каналов, так и находящейся в каналах набивке. The heat carriers passing through adjacent channels 2 and 4 give off heat both to the walls of the channels and to the packing located in the channels.

Теплообмен осуществляется через стенки каналов за счет непосредственного контакта теплоносителей со стенками и благодаря кондуктивному переносу тепла по сетчато-ячеистому каналу набивки к стенкам каналов. При движении по набивке происходит турбулизация потока теплоносителя, что способствует интенсификации теплообмена и повышению рабочих характеристик заявляемого теплообменника. Heat transfer is carried out through the walls of the channels due to direct contact of the coolants with the walls and due to the conductive transfer of heat through the mesh-cellular channel of the packing to the walls of the channels. When moving along the gasket, turbulization of the coolant flow occurs, which contributes to the intensification of heat transfer and increase the performance of the inventive heat exchanger.

Более существенной интенсификации теплообмена будет способствовать дискретный характер изменения диаметра пор набивки, а также наличие зазоров между отдельными кольцами набивки в осевом направлении канала. A more significant intensification of heat transfer will be facilitated by the discrete nature of the change in the diameter of the packing pores, as well as the presence of gaps between the individual packing rings in the axial direction of the channel.

Claims

1. A method of manufacturing a matrix heat exchanger, including the placement in the coaxial channels of the packing and passing through the channels of the chemical solution, characterized in that the packing uses a permeable polymer foam, and after passing the solution, the packing with the metal deposited on it is connected to the walls of the channels by heating to a temperature sintering of metal.

2. The method according to p. 1, characterized in that the packing is used in the form of discrete rings and placed in channels with a gap relative to each other.