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铝制板翅式换热器真空钎接下凹原因探讨
作者:朱宇龙 黄文大
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焊接设备/切割机展厅
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摘要:基于铝制板式体的基本结构,提出了板式体真空钎接下凹形成原理,并在此基础上分析了影响板式体钎接下凹的因素:材料的影响、天气的影响、板式体外形的影响及钎接温度的影响。最后针对下凹问题,提出了几点改进意见。
关键词:铝制板翅式换热器;真空钎接;下凹

中图分类号:TQ051.5 文献标识码:B 文章编号:1007-7804(20O6)01-0019-03

1 绪论

铝制板翅式换热器作为一种高效、紧凑、轻巧的换热设备,已经在石油化工、航空航天、电子、原子能、武器工业、冶金和动力机械等领域得到广泛应用,并在利用热能、回收余热、节约能源、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益。近年来,对板翅式换热器的设计理论、试验研究、制造工艺、开拓应用的研究方兴未艾,特别是一些新技术的渗透,使其进入了一个新的发展时期。

但是在铝制板翅式换热器制造生产过程中也出现了一些问题。铝制板翅式换热器组装完成后送人真空炉钎接成型,在钎接过程中部分板式体出现了不同程度的下凹,下凹最大幅度达到40 mm。本文基于铝制板翅式换热器板式体基本结构及钎接原理,对下凹形成原理进行了深入分析,并提出了几点改进建议。

2 铝制板翅式换热器板式体基本结构

2.1 板式体的基本结构

铝制板翅式换热器主体主要由隔板、翅片、封条和导流片组成,简称为板式体。隔板把翅片夹在中间,边上分别用封条挡住,前后使用导流片,这样能把翅片间的介质导出,如图1。板翅式换热器就是这样一层一层叠加到设计的高度,板翅式的排列方式有多种,常用的有单叠排列、复叠排列和混叠排列,见图2。板翅式换热器组装完成后送到真空钎接炉中高温钎接,使得隔板、翅片、封条和导流片接触部分熔合在一起成为一个整体。

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图 2 板翅式换热器单叠复叠排列示意图

2.2 下凹板式体解剖及分析

某生产厂家对20O4年度几个经常出现下凹的板式体品种进行了统计,统计结果如表1所示。从表1中可以发现,发生下凹的产品一般长宽高都比较大。

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下凹的板式体在离边界封条200 mm左右时开始出现下凹,有时中间反而会凸出-/b块,凸出高度不大,下凹最大位置不一定出现在中心。为分析下凹板式体内部真实结构,对其中下凹35 mm的板式体进行了解剖,解剖示意图如图3所示。从图中可以发现层与层之间距基本保存完好,下凹从第一层(钎接时底面为第一层)开始,慢慢向上累积,离开底板越远,该层的扭曲就越厉害。

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边界有封条支撑,封条在钎接前后没有变化,每层间有隔板把翅片分开,所以由于封条及隔板的阻力,边界不出现下凹,仍保持原有高度。在该解剖的下凹板式体中发现翅片的形状也发生了变化,由原来的U形变成V形,在板式体的最底边几层变化最大。从解剖开的板式体中可以得出翅片形状变化的过程,如图4所示。由于翅片形状改变导致翅片高度也发生变化,可以得出H1>H2>H3,这是引起板式体下凹的原因。

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3 板式体下凹形成影响因素

3.1 材料

板式体由翅片、隔板、封条和封头组成,其材料都为铝合金。材料应从正规厂家进货,对材料进行复检合格后才可以使用。翅片、隔板、封条在组装板式体前都需要经过酸洗,除去污垢油污及表层氧化膜。油污在真空高温时会分解,降低了钎接炉炉内真空度,并使翅片隔板等氧化等。铝合金表层氧化膜很致密,而且氧化膜熔化温度比其基体材料高,在钎接时不易熔化,从而影响钎接质量。

3.2 板式体外形尺寸

从表1可以看出, 出现下凹的板式体其长、宽、高的值都比较大。这是由于每个板式体都有一定的热容量,把两个长度相同但外形不同的板式体在同一较高的温度下放置相等的时间,则它们体积中心的温度及变化情况一定不同,外形较大的中心温度较低。要达到同一温度的时间比较小的要长。或者说要在同一时间段内达到同一温度,外形较大的板式体需要的环境温度更高。铝合金材料在钎接环境温度时的时间越长,则翅片越易变形。

3.3 钎接时天气状况

在钎接时,大气中的环境温度及湿度都会对板式体钎接是否下凹及下凹程度造成很大影响。在大湿度下进行板式体部装时,会有更多的水分留在翅片、隔板及封条上。将高湿度下组装的板式体放人真空炉中钎接,会释放更多的气体。板式体在钎接炉中钎接时需保持一定的真空度,故钎接时慢慢释放的气体会影响到真空度。由于水蒸汽的蒸发需要大量热量,这会影响到板式体内的温度。由于铝合金薄板在酸洗后容易被氧化,而其氧化物熔点和原材料不同,会影响钎接的质量,而环境温度的高低直接影响铝合金薄板表面的氧化程度。所以在板式体酸洗、部装及钎接前都应该保持一定的环境温度和湿度。

3.4 真空钎接温度

真空钎接铝制板式体时,真空钎接炉内温度的高低及变化对板式体钎接质量影响很大。可以分为四点进行分析:

1.钎接时达到的最高温度。板式体翅片及薄板上都有钎料,钎料熔化需要一定的温度。钎接温度不仅影响钎料的润湿性,而且影响钎焊接头的连接强度。如果温度太低,则钎料的流动性差,容易造成虚焊,钎缝内部存在气孔和夹渣,使强度降低,易产生泄漏,严重时甚至会鼓包撕裂;温度太高,钎料完全熔化,易产生气孔而且钎料氧化严重。

2.保温时间。如果能够做到真空钎接时板式体外部和中间的温度始终保持一致,即温度非常缓慢地上升到最高温度,保温后又缓慢下降,则板式体钎接质量可以得到很好的保证。但考虑到经济效益,在能够保证质量的前提下,应该尽量缩短钎接时间。

3.温度传感器数量及摆放位置。为了掌握板式体钎接时各部分的温度,需要有很多温度传感器及时测出各部分的温度,这样就可以及时直接调节钎接进程。

4.温度上升曲线及下降曲线。实践证明,不同温度在各个阶段保持时间长短对钎接质量有很大影响。图5中a和b都是一种钎接温度变化图。

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图 5 钎接温度变化图

4 解决铝制板翅式换热器下凹措施

1.订购材料时应从正规厂家进货,并保持材料性能稳定;

2.材料应该严格按照工艺程序进行切割、存放、酸洗及组装;

3.板式体部装及钎接应该在一个环境温度、湿度恒定的场所中进行,避免天气及各种不利因素的干扰;

4.板式体设计时考虑采用扁平或长瘦形状,避免大板式体出现,必要时可以由几个板式体拼装而成;

5.钎接时钎接温度严格按照预定轨迹变化,并有专人看管。

参考文献:
[1]凌祥,周帼彦,邹群彩,等.板翅式换热器新技术及应用[J].石油化工设备,2002,31(2):14.
[2]凌祥,涂善东,陆卫权.板翅式换热器的研究及应用进展[J].石油机械,2000,28(5):54-58.
[3]李建伟,戴磊.40000m /h空分设备主换热器的设计及制造[J].设计制造,2002,(3):7-9.(end)
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