PL166225B1

PL166225B1 - Sposób wytwarzania wymiennika ciepla PL PL

Info

Publication number: PL166225B1
Application number: PL90286558A
Authority: PL
Inventors: Andrew John Cottone; Zalman Philip Saperstein
Original assignee: Modine Mfg Co
Priority date: 1989-09-12
Filing date: 1990-08-20
Publication date: 1995-04-28
Also published as: JP2883698B2; KR910006685A; PL286558A1; EP0417894A3; EP0417894B1; ATE193476T1; CZ285218B6; AU621507B2; AU6099090A; SK279951B6; CA2021476C; ZA906101B; CA2021476A1; DE69033556D1; KR0154979B1; DE69033556T2; CZ400990A3; IE902647A1; ES2149154T3; JPH03138076A

Abstract

1. Sposób wytwarzania wymiennika cie- pla, w którym ksztaltuje sie rury i zebra, przy czym co najmniej zebra ksztaltuje sie z alumi- nium, a na ich powierzchnie naklada sie war- stwe lutu twardego i nastepnie zestawia sie zebra z rurami, po czym laczy sie je poprzez lutowanie przy zastosowaniu topników ogrze- wajac zlacze do temperatury lutowania, zna- mienny tym, ze rury wymiennika ciepla ksztaltuje sie ze stopu zelaza, po czym naklada sie na nie powloke aluminiowa i ogrzewa sie do temperatury, w której co najmniej czesciowo stapia sie warstwe lutu twardego i powloke z aluminium, zas zestawione rury i zebra wy- miennika ciepla ogrzewa sie przez okres niewy - starczajacy do przemiany warstwy lutu twardego i powloki aluminiowej w miedzyme- taliczne zwiazki zelazo-aluminiowe. F i g . 4 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania wymiennika ciepła.

Elektrownie parowe ze skraplaczami chłodzonymi powietrzem stosowane są dopiero od trzydziestu lat. W przedsiębiorstwach na całym świecie stosuje się już skraplacze chłodzone powietrzem jako alternatywę dla innych typów skraplaczy nawet, gdy dostępna jest woda chłodząca. Wiąże się to z kosztem wody chłodzącej, który jest głównym kryterium wyboru lokalizacji elektrowni. Przykładowo zastosowanie systemu skraplaczy chłodzących powietrzem pozwoliło pobudować elektrownie Wyodak o mocy 330 MW w pobliżu Gillette W stanie Wyoming w USA w 1978 roku w rejonie pustynnym, ale bogatym w węgiel. Elektrownia ta zlokalizowana jest w zasadzie bezpośrednio na pokładzie węgla o małej zawartości siarki i nie wymaga zaopatrzenia w duże ilości wody. Elektrownia zużywa tylko około 840 dcm³ wody na minutę, głównie do instalacji wodnej zasilającej kotły.

Taki układ łatwo jest dostosować do przepisów ochrony środowiska, a nawet je przewyższyć pod względem ochrony zasobów wodnych przez unikanie niedopuszczalnego lub niepożądanego wzrostu temperatury w rzekach czy jeziorach. Poza tym unika się też oparów i opadów wody z wieży chłodniczej.

W obecnym stanie techniki skraplacze chłodzone powietrzem stosowane w znanych elektrowniach, wymagają często konstrukcji zwanej A-rurową, w której długie rury o przekroju eliptycznym są łączone w kształcie litery A. Rury zaopatrzone są w płytowe żeberka, przy czym zarówno rury jak też żebra wykonane są najczęściej ze stali lub materiałów podobnych. Niekiedy jako wymienione żebra płytowe stosuje się zwinięte spiralnie żebra aluminiowe.

Eliptyczny przekrój pozwala na ochronę przed zamarzaniem kondensatu wewnątrz rur w okresie zimowym, a ich wykonanie ze stali zapewnia niezbędną wytrzymałość, umożliwiającą zastosowanie rur o długości 5,5 m i więcej.

Jednakże w celu uzyskania wysokiej sprawności przenikania ciepła niezbędne jest, by każde ramię konstrukcji w kształcie litery A, składało się z co najmniej dwóch, a często nawet z czterech szeregów rur, zestawionych na zmianę schodkowato. Zbyteczne jest dodawać, że im większajest liczba szeregów rur, tym większa zachodzi strata ciśnienia powietrza w czasie pracy urządzenia i tym większe jest zapotrzebowanie energii na napęd wentylatorów niezbędne do

166 225 wymuszania przepływu powietrza przez chłodzony skraplacz. Prócz tego omówiona, wieloszeregowa konstrukcja nastręcza trudności w osiągnięciu równomiernego rozpływu pary między rzędami rur, co powoduje zmniejszenie sprawności cieplnej.

Inne istotne znaczenie w skraplaczach chłodzonych powietrzem ma ich trwałość. Jest konieczne, by skraplacze mogły być eksploatowane przez okres przekraczający 30, a zwykle 40 i więcej lat. Ponieważ skraplacze wystawione są na działanie otoczenia, potrzeba, by miały one dużą odporność na korozję. Znany jest sposób wytwarzania stalowych rur ze stalowymi żebrami ocynkowanych na gorąco dla uniknięcia korozji. Jest to oczywiście bardzo kosztowny proces, jeśli zważyć, że kadzie z kąpielą do cynkowania muszą być większe od długości rur, która jak to zaznaczono wyżej, wynosi często 5,5 m i więcej. Według tego sposobu wytwarzania układ rur z żebrami, rurę rdzeniową zwija się spiralnie z żebrami z czystego, miękkiego aluminium albo ze stali sprasowanej z aluminium, względnie z żebrami innego typu, w którym eliminuje się aluminium, pokrywając żebro powłoką z tworzywa sztucznego dla ochrony przed korozją. Eliminuje to jednak działanie aluminium w wytwarzaniu efektu ochrony katodowej w stosunku do pozostałego układu.

Wskutek tego, mimo możliwości dodatkowego zmniejszenia zarówno kosztu materiałów użytych do wytwarzania rur i żeber, jak tez kosztu montażu skraplaczy chłodzonych powietrzem, uzyskuje się małe tylko efekty użytkowe w stosunku do korzyści, jakie przynosi pełne zastosowanie aluminium na rury i żebra w rozwiązaniach, jakie mogą mieć zastosowanie w elektrowniach, w których żebra aluminiowe użyte zostają w celu uzyskania wyższych sprawności cieplnych, co zawsze towarzyszy użyciu aluminium w wymiennikach ciepła w celu znacznego zwiększenia przewodności cieplnej.

Według wynalazku, sposób wytwarzania wymiennika ciepła, w którym kształtuje się rury i żebra, przy czym co najmniej żebra kształtuje się z aluminium, a na ich powierzchnię nakłada się warstwę lutu twardego i następnie zestala się żebra z rurami, po czym łączy się je poprzez lutowanie przy zastosowaniu topników ogrzewając złącze do temperatury lutowania, charakteryzuje się tym, że rury wymiennika ciepła kształtuje się ze stopu żelaza, po czym nakłada się na nie powłokę aluminiową i ogrzewa się do temperatury, w której co najmniej częściowo stapia się warstwę lutu twardego i powłokę z aluminium, zaś zestawione rury i żebra wymiennika ciepła ogrzewa się przez okres niewystarczający do przemiany warstwy lutu twardego i powłoki aluminiowej w międzymetaliczne związki żelazo-aluminiowe.

Korzystnie, przed zestawieniem rur i żeber wymiennika ciepła, wstępnie spłaszcza się rury ukształtowane ze stopu żelaza. Korzystnie, żebra wymiennika ciepła kształtuje się w postaci serpentyny. Korzystnie, jako stop żelaza stosuje się stal. Korzystnie, na powłokę aluminiową rur i warstwę lutu twardego żeber stosuje się stop aluminiowo-krzemowy.

Sposób według wynalazku pozwala uzyskać mocne spojenie rury z żebrem, niespodziewane wobec znanej cechy kruchości produktów reakcji żelaza z aluminium.

Również dzięki rozwiązaniu według wynalazku połączenia rury z żebrem uzyskuje się trwale złącze, które w trakcie pracy wymiennika nie podlega działaniu płynu otaczającego zewnętrzną powierzchnię rury i żebra i w związku w tym nie ulega korozji. Złącze pozostaje pokryte warstwą substancji odpornej na korozję.

Przedmiot wynalazku jest ujawniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat szczególnie korzystnego przykładu wykonania elektrowni zawierającej wymiennik ciepła; fig. 2 - schemat elektrowni z wymiennikiem ciepła w drugim przykładzie wykonania; fig. 3 - wymiennik ciepła zawierający zespoły rur z żebrami według wynalazku w przekroju; fig. 4 - fragment jednego z zespołów rury z żebrami ukazujący tylko jedno żebro w widoku perspektywicznym; fig. 5 - żebro z żaluzjami wymiennika ciepła w przekroju wykonanym w przybliżeniu w miejscu zaznaczonym linią 5-5 na fig. 4; fig. 6 - zestawienie żebra z rurą przed zlutowaniem, pokazane schematycznie; fig. 7 - podobny schemat jak na fig. 6, ale pokazujący połączenie żebra z rurą po zlutowaniu; fig. 8 - schemat blokowy sposobu wytwarzania wymiennika ciepła, ukazujący poszczególne fazy procesu.

Na fig. 1 i 2 pokazano przykładowe rozwiązanie elektrowni, w której mogą być wykorzystane zespoły rur z żebrami. Fig. 1 przedstawia elektrownię z układem schładzania powietrznego nazywanym bezpośrednim, podczas gdy fig. 2 - elektrownię z układem schładzania powietrzne4

166 225 go zwany pośrednim. Oba układy są pokazane w uproszczony sposób z zaznaczeniem tylko tych zespołów, jakie są wymagane do zrozumienia rozwiązania układu.

Na figurze 1 parowa turbina 10 ma napędowy wał 12 dołączony do elektrycznej prądnicy 14, wytwarzającej energię elektryczną. Turbina 10 jest napędzana na parę doprowadzaną przewodem 16, wychodzącym z kotła 18. Rozprężona, czy inaczej odlotowa para opuszcza turbinę 10 przez przewód 20 dopływając do wymiennika ciepła, którym jest skraplacz 22 typu zwanego A-rurowym. Skraplacz 22 zawiera wspólną rurową komorę 24, do której przyłączone są ramiona prawe 26 i lewe 28, a te posiadają pojedynczy szereg zespołów rur z żebrami, wykonanych zgodnie z wynalazkiem. Każde z wymienionych ramion 26 i 28 kończy się w rurowej komorze 30 i są one dołączone równolegle do powrotnego przewodu 32 skroplin, które są doprowadzone do kotła 18. Jak dobrze wiadomo, między ramionami 26 i 28 skraplacza 22 umieszcza się co najmniej jeden wentylator 34 wymuszający przepływ powietrza chłodzącego przez układ ramion 26 i 28.

Podano już, że taki układ elektrowni jest właściwie nazywany układem skraplacza z bezpośrednim chłodzeniem powietrzem, ponieważ para odlotowa czy zużyta przepływa z turbiny 10 przez skraplacz 22 chłodzony powietrzem, zanim dopłynie do powrotnego przewodu 32 skroplin, a przez niego do kotła 18, gdzie podlega ponownemu odparowaniu.

Na figurze 2 części składowe podobne do poprzednich, oznaczone są tymi samymi indeksami i dla zwięzłości nie są dalej ponownie opisywane. W tym przykładzie wykonania przewód 20 odprowadzający parę odlotową dołączony jest do powierzchniowego skraplacza 36, od którego odchodzi powrotny przewód 32 skroplin. Oba przewody 20 i 32 znajdują się w połączeniu przepływowym ze sobą, co jest dobrze znane, przy czym wewnątrz skraplacza 36 znajduje się inny przepływowy przewód 38 tworzący wymiennik ciepła, który jest połączony w rurową komorą 24. Instalacja ściekowa 42, w konwencjonalnym rozwiązaniu, może być na całej długości wyposażona w odpowietrzający i osłaniający układ 44. Wreszcie, po obu stronach ramion prawego 26 i lewego 28 naprzeciwko wentylatora 34 rozmieszczone są odpowiednie żaluzje 46, za pomocą których można regulować przepływ powietrza. W czasie pracy urządzeń odlotowa parajest schładzana w wymienniku 38 ciepłą wodą lub innym czynnikiem chłodzącym, którego przepływ poprzez wymiennik 38 ciepła wewnątrz powierzchniowego skraplacza 36 jest wymuszany przez pompę 40.

Na figurze 3,4 i 5 przedstawiono szczegóły konstrukcji jednego z ramion 26 lub 28. Każde z tych ramion 26 i 28 utworzone jest przez spłaszczoną rurę 50 o płaskich, przeciwległych ścianach 52 i 54. Wężowate żebra 56 są połączone za pomocą lutu twardego z rurą 50 z jej płaskimi ścianami 52 i 54, w szczególności na każdej ze ścian 52 i 54 rury 50 jest wmocowane jedno wężowate żebro 56. Należy nadmienić, że grzbiety 58 każdego z żebra 56 w kształcie wężownicy stykają się z jedną ze ścian 52 lub 54 rury 56 i są z nią połączone twardą lutowiną 60 nałożoną w miejscu przylegania żebra 56 do odpowiedniej ściany 52 lub 54 rury 50.

Jak widać na fig.3 rury 50 z przylutowanymi wężowatymi żebrami 56 są wmontowane jedna przy drugiej w zasadzie równolegle, tak że grzbiety 62 ich żeber, które umieszczone są przeciwległe do grzbietów 58 zlutowanych z rurami 50, znajdują się blisko tych grzbietów 58 naprzeciw siebie. Zwykle odstępy między nimi są rzędu 1,6 mm.

W pewnych przypadkach żebra w kształcie wężownic muszą być zaopatrzone w żaluzje. Na fig. 5 przedstawiono przekrój żebra 56 między dwoma sąsiednimi grzbietami 58 i 62, które posiada wiele żaluzji 68, otwierających się w jednym kierunku, umieszczonych po jednej stronie żebra 56 oraz wiele żaluzji 70 otwierających się w przeciwnym kierunku - po drugiej stronie żebra 56. Żaluzje 68 i 70 mogą występować w konwencjonalnym wykonaniu na całej długości każdego żebra 56. Alternatywnie żebra 56 mogą nie mieć żaluzji i mogą być płaskie lub faliste.

Zazwyczaj rury 50 mają długość kilku metrów a często osiągają długość 5 m i więcej. Dla zapewniania wymaganej wytrzymałości mechanicznej rur 50, zwłaszcza gdy są częściowo wypełnione skroplinami i całkowicie wypełnione cieczą chłodzącą, wykonuje się je ze stali. W szczególnie korzystnym przykładzie wykonania rury o średnicy zewnętrznej 75 mm i grubości ścianek 18 mm są spłaszczone w prasie hydraulicznej do kształtu pokazanego na fig. 4. Przed spłaszczaniem rury 50 są w konwencjonalny sposób pokrywane powłoką na bazie aluminium. Powłoka taka na bazie aluminium zawiera korzystnie około 9% krzemu, ale poza tym jest

166 225 pozbawiona zanieczyszczeń w spotykanych zwykle granicach. Zaleca się w szczególnie korzystnym przykładzie wykonania, aby powłoka miała ciężar 1,25 kg/m² powierzchni rury 50, co daje zwykle grubość powłoki rzędu 0,01 mm.

Na figurze 6 pokazano podstawową rurę stalową 80 i powłokę 82 na bazie aluminium 82. Zwykle w procesie nakładania powłoki 82 na bazie aluminium na stalową rurę 80 uzyskuje się stosunkowo cienką warstwę 84 złożoną z międzymetalicznego związku lub międzymetalicznej fazy żelaza z aluminium.

Żebra 56 wykonane są z aluminiowego rdzenia 86, najlepiej z aluminium. Rdzeń 86 jest platerowany obustronnie warstwą 88 lutu twardego na bazie aluminium z lutu twardego zawierającego 6,8% - 8,2% krzemu. Korzystnie, chociaż niekoniecznie, warstwa 88 lutu twardego zawiera także 1% + 1,5% cynku.

Zgodnie ze schematem według fig. 8 sposób wytwarzania rury 50 z żebrami 56 obejmuje pierwszą fazę 90 polegającą na spłaszczaniu rury 50 powleczonej aluminium, jak opisano wyżej.

Gotowe spłaszczone rury 50 są następnie poddawane konwencjonalnej operacji odtłuszczania 92, a następnie mogą ewentualnie przejść fazę pokrywania topnikiem 94. Topnik ten ma postać miałkiego, białego proszku, złożonego z eutektycznej mieszaniny różnych związków fluo-glinianów potasu. Korzystnie jest stosować topnik przez natryskiwanie zewnętrznej powierzchni rur 50 mieszaniną zawierającą, w przybliżeniu, 69% zdejonizowanej wody, 6% izopropanolu i 25% topnika, chociaż mogą być użyte inne mieszaniny. Topnik nakłada się w ilości około 30-40 gramów na metr kwadratowy zewnętrznej powierzchni rury 50.

Żebra 56 są kształtowane w konwencjonalny sposób z opisanego wyżej materiału w fazie, zaznaczonej na schemacie z fig. 8 blokiem 96. Gotowe żebro 56 poddaje się następnie konwencjonalnej operacji odtłuszczania, jak zaznaczono w bloku 98 a następnie operacji pokrywania topnikiem jak zaznaczono w bloku 100 korzystając z podanego wyżej topnika w wymienionej ilości. Jednakże w operacji objętej tym etapem 100 tylko jedna strona żebra 56 jest pokrywana topnikiem.

Zarówno rura 50 jak i żebro 56 po powleczeniu ich topnikiem są wysuszane. Mogą być suszone, na przykład, gorącym powietrzem z pieca o temperaturze ponad 423 K - 433 K przez około 5 minut.

W tym czasie żebra 56 są łączone z rurą 50, w ogólności, żebro 56 z każdą ścianą 52 i 54 rury 50 (blok 102). Można tego dokonywać stosując odpowiedni przyrząd lub inne uchwyty do obróbki dla zapewnienia, aby wszystkie grzbiety 58 każdego żebra 56 były dociśnięte do odpowiedniej płaskiej ściany 52 lub 54 rury 50, jak pokazano na fig. 6. Ewentualnie zestaw żeber 56 i rury 50 może być składany bezpośrednio po wykonaniu fazy odtłuszczania na etapach 92 i 98. Jeśli się tak postępuje, to cały zestaw rury 50 z dociśniętymi żebrami 56 jest poddawany pokrywaniu topnikiem po złożeniu w etapie 104. Stosuje się przy tym taki sam topnik i w^takiej samej, co poprzednio ilości. Trzeba jednak zaznaczyć, że dokonując pokrycia topnikiem w etapach 94 i 100 można pominąć etap 104 następujący po zestawianiu żeber 56 z rurą 50.

Pokryty topnikiem zestaw rury 50 z żebrami 56 umieszcza się następnie w piecu do lutowania twardego, i w etapie 106 podnosi się jego temperaturę w przybliżeniu do temperatury twardego lutowania. Jeżeli piec do lutowania twardego prowadzi lutowanie twarde w próżni, należy oczywiście zastosować normalnie magnez, co jest dobrze znane i można pominąć wszystkie etapy nakładania topnika. Temperaturę zestawu rury 50 z żebrami 56 podnosi się do poziomu powyżej linii solidusu warstwy 88 lutu twardego na bazie aluminium, a poniżej punktu topnienia dla aluminium rdzenia 86. Korzystnie, gdy temperaturę układu podniesie się do wysokości tuż powyżej linii likwidusu warstwy 88 lutu twardego na bazie aluminium, lecz niższej nadal od punktu topnienia aluminiowego rdzenia 86.

Temperaturę tę utrzymuje się tylko tak długo jak to jest konieczne dla umożliwienia spłynięcia warstwy z lutu twardego w ilości dostatecznej do utworzenia lutownicy 60. Ogólnie biorąc, powoduje to pokrycie materiałem warstwy 88 lutu twardego lub spłynięcie bądź też rozprowadzenie go na powłoce 82 po zewnętrznej powierzchni rury 50 w celu utworzenia na rurze 50 warstwy ochronnej z lutu twardego.

Wykorzystywanie ciepła lutowania twardego do spajania kończy się w etapie 108 tak szybko, jak to było możliwe, zgodnie z wymienionymi wyżej kryteriami, zanim na zewnętrznej

166 225 powierzchni każdej z rur 50 utworzy się znacząca ilość związków międzymetalicznych lub międzymetalicznej fazy aluminium i żelaza. Uzyskana lutowina 60 pojawia się w ogólności, jak pokazano na fig. 7 w zasadzie tylko na stalowym podłożu 80, a na podłożu aluminiowym 86 pozostaje w zasadzie niezmieniona od ukształtowanej przed lutowaniem.

Ujmując bardziej szczegółowo bezpośrednio na stalowym podłożu 80 zamiast stosunkowo cienkiej warstwy 84 międzymetalicznego związku czy fazy żelaza i aluminium pojawia się gruba, stosunkowo bogata w żelazo, pierwsza warstwa 110 międzymetalicznego związku lub fazy żelazo-aluminiowej. Warstwa 110 zostaje z kolei pokryta drugą, stosunkowo bogatą w aluminium, warstwą 112 międzymetalicznego związku lub fazy żelazo-aluminiowej. Pierwsza warstwa 110 jest bogatsza w stal od drugiej warstwy 112.

W końcu, na omówioną drugą warstwę 112 nałożona zostaje dalsza warstwa 114 zawierająca w przeważającej mierze lut twardy na bazie aluminium, ale która może też zawierać materiał powlekający na bazie aluminium nałożony na rurę 50. Lutowina 60 utworzona zostaje z materiału warstwy 114.

Sądzi się, iż wymieniona wyżej pierwsza warstwa 110 jest podobna do warstwy 84 i może mieć grubość nie większą niż grubość warstwy 84, jaka pojawia się przy podnoszeniu się temperatury w trakcie procesu lutowania twardego. Warstwa 112 kształtuje się w wyniku powierzchniowych reakcji międzyfazowych pomiędzy pogrubiającą się warstwę 84, przekształcającą się w warstwę 110, i warstwą 88 z lutu twardego i/lub pozostałą częścią powłoki 82 po osiągnięciu temperatury końca odwracalnej krystalizacji warstwy 88. Stal w drugiej warstwie 112 międzymetalicznego związku lub fazy żelazo-aluminiowej pochodzi z warstwy 84 w przeciwieństwie do podłoża 80; a że warstwa 84 ma mniejszą zawartość stali niż podłoże 80, tłumaczy to mniejszą zawartość stali w warstwie 112 w stosunku do warstwy 110.

Odporność na korozję wykazywana przez uzyskany zespół rury 50 z żebrami 56 jest całkiem nieoczekiwana. W szczególności znane jest powstawanie międzymetalicznego związku lub fazy żelazo-aluminiowej w wyniku nagrzania stali pokrytej aluminium i podobnie wiadome jest, że taki międzymetaliczny związek lub międzymetaliczna faza są bardzo kruche. Tak więc, gdy odporność na korozję międzymetalicznego związku lub fazy może być zadowalająca dla wielu celów, zwraca się szczególnie uwagę na kruchość warstwy, mogącej się złuszczać z podłoża, jakie ma być chronione, odsłaniając go, przez co może korodować co może prowadzić do słabego połączenia takiej warstwy z podłożem.

Całkiem nieoczekiwanie przy zastosowaniu obecnego wynalazku nawet w obszarze między grzbietami 58 żebra 56 powstaje na warstwach 110 i 112 międzymetalicznego związku lub międzymetalicznej fazy warstwa 112 aluminium zabezpieczająca przed pojawieniem się złuszczeń i powodująca dużą odporność na korozję, związaną z tworzącymi się na niej tlenkami aluminium oraz zapewniając dobre spojenie rury z żebrem o nieprzewidywanej wytrzymałości.

Rzeczywistą odporność na korozję podano w następujących tabelach ilustrujących aktualne dane z badań, które porównują odporność na korozję: AJ stali powleczonej aluminium, posiadającej warstwy 80, 82 i 84 nie poddane obróbce cieplnej: B/ innej identycznej próbki, posiadającej warstwy 80,82 i 84, które nagrzewano do temperatur w sposób cykliczny, jak gdyby były poddane konwencjonalnemu cyklowi powlekania, ale bez topnika: C/ próbki posiadającej warstwy 80, 110, 12 i 114, która jest oczywiście wykonana zgodnie z wynalazkiem: oraz D/ próbki podobnej do próbki C/ ale bez zawartości od 1% do 1,5% cynku w warstwie 88 lutu twardego, przy czym próbka D/ była też wykonana zgodnie z wynalazkiem.

W badanych próbkach, zestawionych w tabeli 1, zastosowano rurę 50 stalowo-aluminiową, której powłoka aluminiowa zawierała około 9% krzemu i miała grubość odpowiadającą ciężarowi około 1,25 kg/m² . Próbki te miały w przybliżeniu 15 cm długości. Wykorzystano po dwie próbki każdego typu, w których jedna była poddana działaniu nadciśnienia wewnątrz, a druga nie. Wyniki badań nie wykazały żadnych różnic korodowania wersji poddanej działaniu nadciśnienia i nie poddanej takiemu działaniu próbki tego samego typu.

W tabeli podano czas w godzinach do pojawienia się pierwszych oznak korozji czerwonej i białej w standardowej próbce przez natryskiwanie soli. W tabeli 2 zestawiono takie same wyniki

166 225 standardowej próby przy użyciu zakwaszonego roztworu solnego miedzi. Próby te wykazują, że dodatek cynku w warstwie topnika tzn. twardego lutu znacznie podnosi odporność na korozję.

Tabela 1

Próbka nr	Czas w godzinach do pierwszego objawu korozji
czerwonej	białej
A3	792	144
A4	792	144
B3	120	-
B4	120	168
C3	/brak rdzy czerwonej po 3'312 godzinach/	792
C4	/brak rdzy czerwonej po 3‘212 godzinach/	792
D3	/brak rdzy czerwonej po 3‘312 godzinach/	792
D4	/brak rdzy czerwonej po 3‘312 godzinach/	792

Tabela 2

Próbka nr	Czas w godzinach do pierwszego objawu korozji
czerwonej	białej
A1	120	24
A2	120	24
B1	24	120
B2	24	-
C1	192	-
C2	192	-
D1	840	216
D2	840	216

W opisanym przykładowym rozwiązaniu według wynalazku, wykorzystuje się piec do lutowania twardego o działaniu ciągłym ze schładzaniem azotem, w którym wymagane lutowanie i przerwanie stosowania ciepła może być osiągnięte przez następujące działanie.

Rura 50 połączona z żebrem 56 przechodzi najpierw przez strefy o stosunkowo niskiej temperaturze w celu osuszenia. Wykorzystywać można trzy strefy, przestrzegając w każdej z nich zestaw rury 50 z żebrami 56 przez 3 do 4,5 minut. Strefy mają coraz to wyższą temperaturę 383K, 413K, 439K. Następnie półwyrób poddaje się nagrzewaniu wstępnemu w pięciu strefach, w których temperatury zmieniają się skokowo od 623K do 753K, 798K, 833K i wreszcie do 923K. Czas przetrzymywania w każdej strefie wynosi od 2,0 do 3,2 minuty.

Lutowanie twarde zachodzi w pięciu strefach, w których temperatura powinna wynosić odpowiednio od początkowej do końcowej: 883K, 893K, 898K i 888K. Czas przetrzymywania w kolejnych strefach powinien zawierać się w granicach: 5 2/3 + 8 1/2; 3 1/4 + 4 5/6; 2 3/4 + 4,2 i wreszcie 2 1/2 + 3,8 minut.

Stosuje się przepływ azotu o natężeniu 86,4 m3 na godzinę, tak by temperatura rosy wynosiła 251K, a zawartość tlenu utrzymywała się poniżej 10 części na milion.

Alternatywnie można stosować wsadową technikę lutowania twardego w programowanym piecu próżniowym.

166 225

Początkowo wytwarza się próżnię do ciśnienia 5,33P. Następnie, w celu wytworzenia wysokiej próżni utrzymuje się pracę zwykłej pompy dyfuzyjnej przez dwie minuty, aż do osiągnięcia ciśnienia rzędu 0,4Pa. Podczas wytwarzania wysokiej próżni temperaturę wewnątrz pieca podnosi się o 27K na minutę do poziomu 328K. Kiedy to nastąpi, pompę się zamyka, co kończy etap wytwarzania wysokiej próżni.

Bezpośrednio po tym piec jest ponownie napełniony azotem do ciśnienia 10,1 · 10⁴Pa. Po takim napełnienu utrzymuje się stały przepływ z prędkością około 0,25 m³/min. W tym czasie temperaturę wewnątrz pieca podnosi się o 328K na minutę aż do osiągnięcia około 808K. W przybliżeniu wymagane jest, aby taki wzrost temperatury uzyskiwać w ciągu 8,7 minut.

Począwszy od 808K temperaturę podwyższa się do 883K z prędkością 300K na minutę. W temperaturze 883K zachodzi wygrzewanie przez 5 minut, co powinno spowodować wzrost temperatury zestawu lutowanej z żebrami 56 rury 50 do około 823K.

Na koniec podwyższa się temperaturę z 883 K do maksymalnej wartości 933K z prędkością 14°C /25°F/ na minutę. Po osiągnięciu 933K wymagany jest okres końcowego wygrzewania przez około 8 minut dla podwyższenia temperatury zespołu rury 50 z żebrami 56 do około 898K. W tym momencie uruchamia się konwencjonalny cykl schładzania azotem. W czasie tego cyklu temperatura rosy wynosi około 251K.

Nieoczekiwana odporność na korozję, osiągana w takim procesie obróbczym, jest widoczna na podstawie analizy danych zawartych w tabeli 1. Dalsze badania wykazały, że uzyskiwana w tym procesie odporność na korozję rur 50 z powłoką aluminiową przy zużyciu aluminium około 1,25 kg/m² powierzchni jest równa a nawet przewyższa odporność na korozję identycznych rur powlekanych aluminium w ilości 2 kg/m2, a nawet 3 kg/m2.

Uznaje się, że tak silne spojenie i odporność na korozję wynikają w części z powlekania w zasadzie części całej konstrukcji bliskich żebrom (56), co jest rezultatem ściekania warstwy z lutu twardego z żeber (56) na zewnętrzną powierzchnię rury 50. Uznaje się też, że ochrona katodowa stali uzyskiwana jest przez użycie nie powleczonych żeber aluminiowych.

W nawiązaniu do powyższego opisu, ponieważ żebra 56 tylko po jednej stronie są spajane z rurą 50, możliwe byłoby zastosowanie warstwy 88 z lutu twardego tylko po tej stronie żeber 56, tzn. nałożenie na żebra 56 warstwy 88 lutowiny stosownie do potrzeby. Jednakże zmniejsza to ilość lutu twardego, jaki może spłynąć z żebra 56 na rurę 50; a w związku z tym uznaje się, że w razie użycia żeber żaluzjowych, obecność żaluzji 70 zwiększa ilość lutu twardego spływającego na rurę 50 z żebra 56 po stronie przeciwległej do rury 50. Inaczej mówiąc, uważa się, że warstwa 88 z lutu twardego od strony żebra 56 przeciwległej do rury 50 spływa w stronę rury 50 z boku żebra 56 i z kolei na rurę 50 poprzez żaluzje 70.

Wyznaczono, że wykorzystanie zespołów rur 50 z żebrami 56 wykonanych zgodnie z wynalazkiem, w skraplaczu powoduje wzrost o 30%ciepła odlotowego w porównaniu z konstrukcją z rur i żeber z płyt stalowych, galwanizowanych lub z rur zaopatrzonych w spiralne żebra aluminiowe. W rezultacie skraplacze wykorzystujące zespoły rur 50 z żebrami 56 według wynalazku mogą być konstruowane z pojedynczym rzędem rur zamiast dwóch lub więcej rzędów takich rur 50, co zmniejsza koszty montażu. Ponadto zastosowanie pojedynczego rzędu rur 50 z żebrami 56 zmniejszy stratę ciśnienia powietrza chłodzącego, a przez to zmniejszy koszty energii zużywanej przez wentylatory, takie jak pokazany wentylator 34.

Chociaż wynalazek został opisany w odniesieniu do spłaszczonych rur 50 i wężowatych żeber 56, należy rozumieć, że może mieć też zastosowanie do rur okrągłych lub o innym kształcie i żeber płytowych czy spiralnych w celu uzyskania zwiększonej odporności na korozję i nadspodziewanie mocnego spojenia na lut twardy stali z aluminium według wynalazku.

Wreszcie nadmienia się, iż zespoły rur z żebrami według wynalazku mogą być zastosowane w wymiennikach ciepła pracujących w wielu rożnych środowiskach wymagających ich odporności na korozję i nie ogranicza się to do skraplaczy zastosowanych w wytwarzaniu elektrowni.

166 225

FiG. 4

166 225

FiG. 7

166 225

Fi.. 8

166 225

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania wymiennika ciepła, w którym kształtuje się rury i żebra, przy czym co najmniej żebra kształtuje się z aluminium, a na ich powierzchnię nakłada się warstwę lutu twardego i następnie zestawia się żebra z rurami, po czym łączy się je poprzez lutowanie przy zastosowaniu topników ogrzewając złącze do temperatury lutowania, znamienny tym, że rury wymiennika ciepła kształtuje się ze stopu żelaza, po czym nakłada się na nie powłokę aluminiową i ogrzewa się do temperatury, w której co najmniej częściowo stapia się warstwę lutu twardego i powłokę z aluminium, zaś zestawione rury i żebra wymiennika ciepła ogrzewa się przez okres niewystarczający do przemiany warstwy lutu twardego i powłoki aluminiowej w międzymetaliczne związki żelazo-aluminiowe.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed zestawieniem rur i żeber wymiennika ciepła, wstępnie spłaszcza się rury ukształtowane ze stopu żelaza.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że żebra wymiennika ciepła kształtuje się w postaci serpentyny.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako stop żelaza stosuje się stal.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na powłokę aluminiową rur i warstwę lutu twardego żeber stosuje się stop aluminiowo-krzemowy.