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换热器焊接工艺现状及其发展趋势探讨
[原创 2010-05-07 18:07:32]
摘 要:综合介绍了国内外各种换热器的类型及其焊接工艺的{zx1}发展,并就各自的焊接工艺的特点、应用情况及发展前景进行了分析与总结.
换热器是广泛应用于汽车、航空、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工、食品、工程机械等行业的一种通用设备.
按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型、板型和其他形式换热器.
而板型换热器可分为螺旋型、和板翅式、板壳式换热器.
其他形式的换热器是为了某一特殊的要求而出现的换热器,如回转式换热器、热管等.
换热器是一种压力容器,对焊接质量的要求很高.
随着换热器应用的推广,其材料的日新月异,对焊接也提出了更高的要求.
板翅式换热器首先应用在航空和汽车行业,现在空分设备绝大多数采用板翅式换热器.
其历史可以追溯到上个世纪30年代,由英国马尔斯顿.艾克歇尔瑟公司生产出了{dy}台铜质钎焊的板翅式换热器,40年代出现了铝质钎焊的板翅式换热器,50年xx始应用于空分装置,而我国是60年xx始研制的.
目前,就板翅式换热器而言,基本上全部采用铝合金制造,主要由封头和芯子组成.
封头由5A02即LF02制造,芯子由3A21即LF21制造.
封头和芯子之间根据顾客需要采用法兰连接或焊接.
如果采用法兰连接还要添加垫子,由石棉橡胶制成,防止渗漏,要注意跑、冒、滴、漏的发生.
由于铝具有良好的低温韧性,故空分装置,绝大多数采用铝制板翅式换热器.
但由于其承受压力不高,且受钎焊炉的尺寸的限制,板翅式单元尺寸不能做的太大,故只有在高压或特大容量的空分设备换热器的选型中,才有考虑采用其他类型换热器,当然也可以采用拼接的办法将几个小的换热器组装成一个大的换热器.
其适用范围一般在250℃以下这是因为铝的熔点比较底,温度再高其强度得不到保证.
设计换热器时,翅片的选择也非常重要.
对于换热器而言,在满足顾客要求的情况下,压降越低越好.
这样能减少能耗,降低运行成本.
对于油-气系统,其压降一般为0.1Mpa,气-气系统,其压降0.01Mpa.
工程机械中的换热器,其介质为油-气,用多孔的翅片形式比较好,因为如果用锯齿型翅片,翅形复杂加上油的黏度大,相应的阻力也大,在进行水压试验时,容易出现换热器涨破的现象,质量得不到保证.
封头一般采用氩狐焊,可以是手工的,也可以是半自动的;其芯子部分采用真空钎焊,改变了传统的由盐浴的老工艺.
克服了容易局部脱焊,污染严重的缺点,真空钎焊能xx控制温度,加热均匀,变形小的特点,因而其质量、效率得到大大提高,成为目前国内厂家的{sx}.
不同的厂家,由于设备、资金、人力的不同,因而翅片类型也不一样,一般有波纹的、锯齿的、多孔的、平直的等等.
国内厂家可分为三个类型和层次,一类是国有大中型企业,如河南开封空分设备厂,杭州制氧机厂、兰州石油机械研究所.
他们曾为我国换热器的国产化,作出了突出贡献.并研制开发了具有独立自主产权的换热器,打破了我国换热器长期依赖进口的局面,填补了我国在这这一领域的空白.
第二类是随着改革开放的深入,在东南一些发达的省份,如江苏、浙江,山东,其乡镇企业发达,数量众多,成为生产换热器的一支生力军.
其一开始是为主机公司生产配件,其技术也源于主机厂,到后来成为其竞争的对手,通过聘用离、退休人员,来加强自己的技术力量.
这类厂子规模从数十人到数百人不等,通常以一个村为单位.
第三类,就是从乡镇企业分流出去的一部分人,他们要么有技术,要么有资金,要么有市场,自己创办的私营企业.
他们由于规模较小,往往能够为顾客量体裁衣,也赢得了一定的市场份额,从而稳步发展.
同一类产品在国外,如英格索兰、阿特拉斯、舒瑞浦,瑞典的阿法拉伐.
而对石油工业中某些大型、高压、有相变的多股流板翅式换热器的设计、制造,由于过去这些大型石化设备基本上都是进口,国内行业没有机遇进行研制,所以这方面有待于研发.
1878年德国人发明了,经过一个多世纪的发展,已经得到了广泛的应用和推广,成为紧凑、高效的换热设备之一,与螺旋板式和板翅式共称为紧凑式换热器.
由薄金属片压制组装而成,按其板片材质的不同,可以分为铜、不锈钢、镍、石墨.
按拆装方式分可以分为可拆卸式、半焊接式、全焊接式、双壁式、大间隙式等类型.
上世纪七十年代末期,阿法拉伐发明了铜钎焊,为暖通空调及制冷的设计理念带来了一场革命,在那以后,铜钎焊得到迅猛的发展,以其高效、紧凑和密封迅速占领了许多传统换热器的领地.
但在其发展过程中,也遇到了禁区.
作为他的替代物,镍钎焊诞生了.
但由于镍与不锈钢的亲和性远不如铜,因此镍钎焊承压较低,在高压或温度波动时寿命较短,应用受到制约.
且镍钎焊成本高,加工困难,始终未成为主流.
现有的激光焊接有很好的性能(尤其是阿法拉伐的激光半焊式换热器优异的抗冻性能),然而在小负荷的情况下,由于其加工成本高,不具有适用性.
目前,在汽车、柴油机行业,用不锈钢比较多,冷却介质为水,以全钎焊式为主,采用真空钎焊,质量比较好,更换率低.
就单板面积而言,国外的面积比较国内的大.
设计压力也比国内较大.
目前国内厂家设计换热器流行的方法是对数平均温差法和NTU法.
在计算机没有普及的时候,各个厂家大多采用计算参数近似估算和流速-总传热系数曲线估算方法.
目前,越来越多的厂家采用计算机计算,这样,的工艺计算变得快捷、方便、准确.
目前还出现了一种新型复合流程系列换热设备.
此系列换热器专门用来处理对密封垫有侵蚀性的介质.
双板的组合体由激光焊接(或普通焊接)的通道和传统的垫片通道相间组成.侵蚀性的介质流入焊接的通道内,与一对焊接板板间的两个圆形孔道垫片相接触.这些孔道垫片由非常耐久的人造橡胶或其它如PTFE等非弹性材料制造,非侵蚀性介质以传统的橡胶垫片双壁适用于两种换
热介质互混后会发生有害的反应情况,以双板代替单板.
双板之上穿孔会使介质漏到板间中,从而在板间中流出外面.
两种介质保证无法互混.
对于多管式热交换器,双路中间冷却器,间接加热式线圈等所适用的场合都适用于双板式热交换器.
其用途广泛,如变压器油的冷却、饮料的加热、化学、生物学、食品、医药等各种场合密封.这种换热器可适用于用氨作为冷却剂的冷冻机,溶可适用于温度和压力有激烈变化的高温高压过程及对密封垫有侵蚀的流体.其用途广泛,例如:重复加热、冷却多种化学物质的化学工厂及医药品工厂,还有石油、瓦斯精制工厂的加热、冷却、凝聚、蒸发.
采用耐腐蚀性高的石墨替代金属,可达到优异的耐腐蚀性.对于一般金属材料不能适应的介质,如盐酸、硫酸、氢氟酸、磷酸等,石墨的效率比其它形式的石墨换热器效率大幅度提高,而且使用于高温高压下操作.
针对有些流体含有纤维或小颗粒以及高粘度的特点,而开发出来的热交换器,适用于制糖、发酵、酒精、造纸、纸浆工业.
大间隙提供畅通的通道进行热交换,可保证流体达到高紊流性和高传热效率.
这种换热器的使用时间及两次清洗间隔的时间都比管壳式换热器的更长.
同时,板的表面也很容易人工清洗.
板式蒸发器/冷凝器是{wy}能将蒸发器和冷凝器两种工况结合在一个换热器完成的.
它是由一组激光焊接和传统的垫片密封通道交替组成.
特点是通道宽,蒸汽角孔大,可养活压力降,适合真空和低压蒸发及冷凝.
除用于糖液的浓缩外,其用途范围还包括酒精的蒸发,沉淀物的浓缩等.
可在食品、医药行业时里用于流体的加热和冷却.
其框架和接管可根据工艺流程的需要被设计成多种流体在一台换热器内运行.
换热器的每个零部件,包括橡胶密封垫都严格按食品卫生的标准精心制作.
另外它还可根据用户的要求加盖保护板、保护套、3A要求抛光等等.
1930年瑞典“ROSENBLAD”公司首先提出了螺旋的的结构,并很快投入了生产.
以后西方各国相继设计了制造了同类产品.
我国是在二战后50年xx始在化工领域内使用螺旋,并进行了仿照.
管式换热器是一种传统的标准换热设备而在许多工业部门得到保证.
特点是适应性强、清洗方便、生产成本低、选材广.
材料为低碳钢、低合金钢以及不锈钢.
有的为了降低成本,且满足顾客对耐蚀性的要求,换热管采用不锈钢,而筒体采用碳钢,达到了降本增效的目的.
随着微型加工技术的发展,微型换热器也得到了迅猛的发展.
由于微型换热器占地面积小,传热特性好,效率高.
微型换热器可用于液-液、气-气、气-液等多相体系.
奥大利压的Heatric公司在1986年开发了印刷线路,这是{dy}个推向市场成为产品换热器.
美国也已研制了冷却通道宽25um,200um导热片厚度为15um的微型换热器,设计能承受的局部热量大于1Kw/Cm,固定面与工作液体之间的温差为10~20,可用于卫星的温度控制系统.
1999年7月,美国哥伦比亚号航天飞机携带了30个这样的微型换热器.
为连续、高速检测提供了可靠的保证.
由于现代社会快速发展,对能源的需求越来越多,而一直作为主流的石化能源是不可再生资源,在造成了人类生存环境的极大污染的同时也在加速着自身的枯竭.
热能是能源的主要表达形式之一.
在热能利用中,约有80%通过换热器转化为不同用途.
如果能提高换热器的传热效率,将大大提高能源利用率.
换热器在我国有着广阔的市场.
仅山东省每年的换热器生产就有5万台左右,但这些类型的换热器不仅缺乏技术上的创新,也缺乏常规产品的自主知识产权.
在一些应用性技术中,我国与国际先进水平相比有很大的差距,以化工换热设备传热系数进行比较,我国目前设备的传热系数一般只及国外发达国家同类设备的1/5~1/2.
因此在加强传热学方面的研究外,主要要考虑从生产制造方面提高产品的质量.
(1)材料方面.在满足顾客要求的同时,选用合适的材料,{zd0}限度的保证强度和传热系数.
也就是说,要选择传热性好的材料,要敢于尝试新的材料.
要对产品进行可追溯性的记录.
(2)制造方面,选择优良的工艺方法,保证产品和图纸一致,能够{zd0}限度的体现设计的优势.
工艺要分出主次,根据产品的重要程度选择恰当的工艺,保证每一道工序,最终提高整个产品的性能和寿命.
在焊接之前,母材要注意清洗干净,不得有油污、铁锈、氧化物,如果有,一定要打磨清洗干净.
焊条要烘干,不用时放在保温箱中保存.
一定要根据材质制定恰当的工艺,必要时,先进行试制,试制工艺,时间不能超过三个月,当合格后,要组织相关人员进行工艺验证,验证合格后,试制工艺才能转变为正式的工艺文件.
(3)要有质量意识.
要使质量理论深入人心,让每个人都参与到质量管理的行列中来,把被动转化成一种主动.
随着产品的国际化的增强,各个厂家都非常重视质量问题,通用的采用ISO9001认证,使得产品质量得到有效的控制.
随着焊接技术的快速发展,换热器的质量也得到飞速的发展.
采用自动生产线,不仅效率得到大大提高,而且焊缝成型美观,质量有保证,焊接接头少,焊缝宽度均匀,减少了工人的劳动,提高了工人的健康水平.
(4)生产过程要有记录,作好数据分析和控制,保持产品的可追溯性.
据统计表明,我国焊接工作量已达到世界焊接强国的水平[1],而焊接技术与世界发达国家还存在着很大的差距.
因此,在我国,焊接技术发展的空间还很大,需要锲而不舍的努力.
因此,提高焊接生产效率和焊接质量,减少焊接缺陷存在的高效焊接方法和科学的焊接工艺是我们追求的目标.
目前大量高效焊接方法和不同焊接工艺的组合都已应用于换热器的生产过程中,一方面是为了降低焊接成本,另一方面提高了效率,改善了职工的劳动条件,使得企业的技术提高了一个层次.
但一味的提高效率、提高熔敷速度意味着热输入的增加,对于采用单一电弧焊接而言,为了防止由于热输入增加而引起的焊接变形,一般采用提高焊接速度.
但因焊接速度的提高易产生未焊透、焊道不连续、咬边等缺陷,应用双弧焊可避免上述缺陷的产生[5].
目前,从国内外对双弧焊接工艺方法研究的现状来看,按电弧的种类与位置来分,其研究主要集中在三个方面:单面双弧焊、复合双弧焊、双面双弧焊.
因此,焊接技术的发展推动了换热器的工艺更新换代,同时,换热器的发展也对焊接提出了更高的要求
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