Có thể chế tạo các tấm trao đổi nhiệt bằng phương pháp khắc hóa học không?

Đúng vậy. Khắc hóa học có thể sản xuất các tấm trao đổi nhiệt phẳng được chọn lọc với các kênh có độ sâu một phần, lỗ xuyên, cổng, ống góp và các đặc điểm căn chỉnh. Điều này đặc biệt phù hợp với các tấm trao đổi nhiệt mạch in, các lớp vi kênh và các thành phần tấm làm mát nhỏ gọn. Tuy nhiên, tấm được khắc vẫn phải được ghép nối và kiểm định như một phần của bộ trao đổi nhiệt hoàn chỉnh; chỉ khắc thôi không tạo ra một cụm lắp ráp chịu áp suất.

Đối với bản vẽ tấm hiện có, việc xem xét bằng dịch vụ khắc hóa học có thể đánh giá vật liệu, độ dày và hình dạng kênh. Việc tính toán kích thước nhiệt, kiểm định mối nối và phê duyệt áp suất vẫn là các nhiệm vụ riêng biệt.

Các nội dung chính

• Khắc hóa học phù hợp với các hoa văn phức tạp trên tấm kim loại phẳng, nhưng không phải mọi tấm trao đổi nhiệt đều như vậy.
• Khắc một phần tạo ra các kênh hở; khắc xuyên suốt tạo ra các cổng, lỗ và các đường viền bên ngoài.
• Chiều rộng kênh, chiều sâu, chiều rộng dây chằng và thành còn lại phải được thiết kế đồng thời.
• Cần sử dụng phương pháp hàn khuếch tán, hàn thiếc hoặc hàn điện để biến các tấm hở thành các đường dẫn kín.
• Dung sai khắc trên tấm không quyết định định mức áp suất của bộ trao đổi nhiệt hoàn chỉnh.

Khắc hóa học có ý nghĩa gì đối với tấm trao đổi nhiệt?

Ở đây, khắc hóa học có nghĩa là khắc quang hóa, còn được gọi là gia công quang hóa hoặc khắc ảnh. Chất cản quang bảo vệ các khu vực được chọn trong khi chất ăn mòn loại bỏ kim loại bị lộ ra. Khắc một phần tạo ra các đường lõm; khắc xuyên suốt tạo ra các lỗ và đường viền của tấm. Hướng dẫn quy trình khắc ảnh giải thích các giai đoạn sản xuất.

Ba cấp độ sản xuất phải được tách biệt: một tấm khắc hở, một lõi ghép nối với các đường dẫn kín và một bộ trao đổi nhiệt hoàn chỉnh với các đầu nối, tính toán cơ khí và các thử nghiệm cần thiết.

Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho mô tả các tấm trao đổi vi kênh được khắc và sau đó hàn khuếch tán vào lõi hoàn toàn bằng kim loại. Các khối lõi liên kết sau đó có thể được hàn lại với nhau để cung cấp khả năng lưu lượng cần thiết. Trình tự này cho thấy chính xác nơi quá trình khắc hóa học kết thúc và quá trình sản xuất thiết bị áp suất bắt đầu.

Những loại tấm trao đổi nhiệt nào có thể được chế tạo bằng phương pháp khắc hóa học?

Các ứng cử viên sáng giá nhất là các lớp phẳng có chức năng xuất phát từ mô hình hai chiều hoặc rãnh lõm được kiểm soát.

Thuật ngữ “vách ngăn” cần được xem xét trong ngữ cảnh. Sổ tay ASHRAE nêu rõ rằng các vách ngăn phía vỏ có thể đỡ các ống và điều hướng dòng chảy. Một bộ phân phối mỏng có thể phù hợp với quá trình khắc; một vách ngăn đỡ dày không chỉ đơn giản là một tấm kim loại được khắc.

Để tìm hiểu sâu hơn về các kênh nhỏ và lõi nhiều lớp, hãy xem phần "Khắc quang hóa cho bộ trao đổi nhiệt vi kênh".

Quá trình khắc hóa học tạo ra các kênh, cổng và đường ống như thế nào?

Quá trình sản xuất bắt đầu với hợp kim, độ dày và bản vẽ CAD. Tấm kim loại được làm sạch, phủ lớp, chiếu xạ, xử lý và khắc. Sau đó, tấm được loại bỏ lớp phủ, làm sạch và kiểm tra. Một thiết kế có thể kết hợp các rãnh lõm, lỗ xuyên, lỗ định vị và hình dạng bên ngoài của nó.

Khắc hóa học loại bỏ kim loại theo hướng xuống và sang hai bên. Vết cắt này có thể tạo ra các thành tròn hoặc vát thay vì mặt cắt hình chữ nhật được phay.

Một nghiên cứu trong lĩnh vực Kỹ thuật và Thiết kế Hạt nhân cho thấy nồng độ, nhiệt độ, áp suất phun và thời gian ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn, xói mòn ngang và độ nhám. Các kênh thép không gỉ có kích thước 0.5–2.0 mm trong nghiên cứu này là các hình dạng thử nghiệm, chứ không phải là giới hạn chung của nhà cung cấp.

Bản vẽ cần xác định rõ chiều rộng trên cùng, chiều rộng dưới cùng, độ sâu, độ dốc, đường nối, tường còn lại và vị trí đo – không chỉ là vị trí mở của tác phẩm nghệ thuật.

Độ dày tấm, kích thước rãnh và dung sai nào là phù hợp trong thực tế?

Không có độ dày hoặc dung sai nào phù hợp với mọi tấm. Các rãnh sâu hơn sẽ loại bỏ vật liệu nâng đỡ, trong khi các mối nối hẹp hơn sẽ làm giảm diện tích tiếp xúc và hàn kín. Các tấm mỏng cũng có thể khó thao tác và giữ phẳng hơn.

Trang chuyên dụng về khắc quang hóa của TMNetch hiện liệt kê phạm vi vật liệu chung từ 0.02–1.5 mm, các chi tiết nhỏ đến 0.05 mm đối với các hình dạng phù hợp và dung sai quan trọng chặt chẽ đến ±0.025 mm. Trang về khả năng khắc hóa học rộng hơn của TMNetch liệt kê kích thước chi tiết lên đến 600 × 1500 mm. Đây là các phạm vi quy trình chung, không phải là thông số kỹ thuật được đảm bảo cho mọi tấm trao đổi nhiệt.

Nhà cung cấp vẫn phải xem xét hợp kim, độ sâu, mật độ hoa văn, độ phẳng và kiểm tra. Dung sai tuyến tính ±0.025 mm không tự động bao gồm độ sâu, độ phẳng và sự khớp nối trước-sau. Hướng dẫn về dung sai khắc quang hóa giải thích mối quan hệ với độ dày và phương pháp đo.

Những kim loại nào có thể được sử dụng cho các tấm trao đổi nhiệt được khắc?

Việc lựa chọn vật liệu bắt đầu bằng việc xem xét cả chất lỏng, nhiệt độ, áp suất, khả năng chống ăn mòn và chu kỳ nhiệt. Khả năng chống ăn mòn chỉ là một điều kiện; vật liệu cũng phải duy trì được độ phù hợp sau khi ghép nối.

Viện Niken khuyến nghị nên xem xét đồng thời thành phần hóa học của chất lỏng, hoạt động, bảo trì và thiết kế bộ trao đổi nhiệt. Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho cũng đã nghiên cứu các tấm hợp kim 617 được khắc và liên kết khuếch tán , đồng thời lưu ý rằng các thông số liên kết và giao diện cần được xác định đặc tính.

Khả năng ăn mòn là một yếu tố sàng lọc trong sản xuất, chứ không phải là tiêu chí lựa chọn vật liệu cho mục đích sử dụng. Loại vật liệu cuối cùng phải được lựa chọn dựa trên thành phần hóa học của chất lỏng, nhiệt độ thiết kế, áp suất, dung sai ăn mòn, khả năng chịu mỏi, chu kỳ hàn nối và quy chuẩn xây dựng hiện hành.

TMNetch cung cấp thông tin sản xuất riêng biệt cho thép không gỉ , titan , nhôm , đồng và niken . Việc phê duyệt cuối cùng luôn phải dựa trên mác thép và bản vẽ chính xác.

Các tấm khắc được ghép nối với nhau thành lõi bộ trao đổi nhiệt như thế nào?

Đối với nhiều lõi PCHE hoàn toàn bằng kim loại, liên kết khuếch tán là phương pháp ghép nối quan trọng nhất. Các cụm truyền nhiệt khắc khác có thể sử dụng hàn chân không, hàn laser, hàn TIG, cấu trúc có gioăng hoặc phương pháp ghép nối đạt tiêu chuẩn khác, tùy thuộc vào vật liệu, kích thước kênh, công suất và yêu cầu chứng nhận. Tiêu chuẩn ISO/TR 25901-3 định nghĩa đây là phương pháp hàn áp suất sử dụng tiếp xúc, nhiệt độ và thời gian được kiểm soát để tạo ra sự khuếch tán trên giao diện. Việc chuẩn bị bề mặt và chu kỳ liên kết phải phù hợp với hợp kim và hình dạng.

Hàn thiếc đưa kim loại phụ vào, kim loại này sẽ hóa lỏng tại mối nối. Trong lõi có kênh nhỏ, dòng chảy của kim loại phụ không được làm tắc nghẽn các đường dẫn.

Phương pháp hàn thông thường có thể dùng để nối các cặp tấm, đầu nối, vòi phun hoặc các khối liên kết. Cần xem xét khả năng tiếp cận mối hàn, độ biến dạng và chiều dài mối hàn. Phương pháp hàn phụ thuộc vào vật liệu, áp suất, nhiệt độ và các quy tắc cấu tạo.

TMNetch công khai các tài liệu về khắc hóa học và một số công việc hàn tấm mỏng. Việc liên kết khuếch tán, hàn chân không hoặc cung cấp bộ trao đổi nhiệt hoàn chỉnh chịu áp suất chỉ nên được nêu là khả năng của công ty sau khi phạm vi dự án và tuyến cung ứng đủ điều kiện đã được xác nhận.

Có thể sử dụng các tấm được khắc bằng hóa chất trong bộ trao đổi nhiệt chịu áp suất không?

Đúng vậy, nhưng đánh giá đó thuộc về bộ trao đổi nhiệt hoàn chỉnh. Thiết kế cơ khí phải tính đến các mối nối, thành còn lại, độ bền vật liệu ở nhiệt độ, các khớp nối, ống góp, dung sai ăn mòn, chu kỳ nhiệt và mỏi vật liệu.

Các tiêu chuẩn phải phù hợp với thiết bị. Tiêu chuẩn ISO 15547-1 bao gồm các bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và khung có gioăng, bán hàn và hàn. Tiêu chuẩn ISO 15547-2 bao gồm các bộ trao đổi nhiệt dạng tấm và cánh tản nhiệt bằng nhôm hàn cho ngành dầu khí, hóa dầu và khí tự nhiên.

Giới hạn kỹ thuật: Khắc hóa học xác định hình dạng tấm. Nó không xác định định mức áp suất, nhiệt độ cho phép hoặc tuổi thọ được chứng nhận của bộ trao đổi nhiệt cuối cùng.

Khi nào thì phương pháp khắc hóa học không phù hợp?

Khắc hóa học là một quy trình áp dụng cho tấm phẳng. Gia công cơ khí, khoan, tạo hình, cắt laser hoặc dập có thể phù hợp hơn cho các phần dày, hốc sâu, ren, vách đứng hoặc các đường gợn sóng sâu. Các tấm ống dày và vách ngăn chịu lực cũng cần các phương pháp khác.

Quá trình khắc cũng trở nên khó khăn hơn khi các lỗ rất nhỏ được kết hợp với vật liệu tương đối dày. Cần phải loại bỏ nhiều kim loại hơn, trong khi hiện tượng ăn mòn ngang tiếp tục làm rộng thêm chi tiết. Hướng dẫn của TMNetch về những hạn chế của quá trình khắc quang hóa giải thích lý do tại sao kích thước, độ dày, độ sâu và khoảng cách của các chi tiết phải được xem xét cùng nhau.

Nhiệm vụ của bộ trao đổi nhiệt cũng có thể loại bỏ một thiết kế ngay cả khi tấm trao đổi nhiệt có thể chế tạo được. Các đường dẫn hẹp được liên kết vĩnh viễn có thể không phù hợp với các dòng chảy có chứa hạt, bị bám bẩn nặng hoặc cần làm sạch cơ học thường xuyên. Do đó, việc lựa chọn bộ trao đổi nhiệt phải xem xét cả tính khả thi trong sản xuất và hoạt động lâu dài.

Những thông tin nào cần được bao gồm trong yêu cầu báo giá (RFQ)?

Một yêu cầu báo giá hữu ích bao gồm hợp kim và độ cứng, độ dày, kích thước và số lượng. Bản vẽ cần xác định chiều rộng, chiều sâu, bước ren, đường nối, độ dày thành còn lại, các cổng, ống góp, lỗ định vị, độ phẳng và dung sai quan trọng của kênh.

Cung cấp thêm thông tin về quy trình ghép nối, chất lỏng, nhiệt độ, áp suất, độ giảm áp suất cho phép và yêu cầu kiểm tra. Điều này giúp nhà cung cấp xác định rủi ro trong sản xuất mà không cần phải chịu trách nhiệm hoàn toàn về thiết kế nhiệt hoặc áp suất.

TMNetch có thể xem xét các bản vẽ cho các tấm dẫn dòng khắc tùy chỉnh, lớp phân phối, miếng đệm và các vách ngăn mỏng được chọn. Vui lòng gửi bản vẽ và các yêu cầu vận hành thông qua trang liên hệ của TMNetch để được xem xét khả năng sản xuất ban đầu.

Câu Hỏi Thường Gặp

Có thể khắc axit các tấm trao đổi nhiệt bằng thép không gỉ không?

Đúng vậy. Thép không gỉ đã được sử dụng cho các tấm PCHE được khắc bằng hóa chất, nhưng tính khả thi phụ thuộc vào loại thép, độ dày, độ sâu rãnh và yêu cầu ghép nối. Khả năng chống ăn mòn phải được đánh giá dựa trên cả chất lỏng làm việc và chu kỳ nhiệt cuối cùng.

Có thể tạo rãnh bằng phương pháp khắc hóa học sâu đến mức nào?

Không có độ sâu tối đa chung cho tất cả các trường hợp. Nhà cung cấp phải xem xét độ sâu cùng với chiều rộng lỗ mở, độ lõm, độ dày tấm, độ dày thành còn lại và dung sai độ sâu. Một rãnh sâu và hẹp khó kiểm soát hơn một rãnh nông và rộng.

Khắc hóa học có tốt hơn dập khuôn không?

Khắc hóa học phù hợp hơn với các hoa văn phẳng phức tạp và những thay đổi thiết kế thường xuyên. Dập khuôn thường phù hợp hơn với các rãnh sâu và có thể mang lại chi phí đơn vị thấp hơn cho sản lượng ổn định, rất cao sau khi việc chế tạo khuôn được chứng minh là hợp lý.

Có thể khắc axit lên các vách ngăn của bộ trao đổi nhiệt không?

Các bộ phân phối và làm thẳng dòng chảy có lỗ nhỏ có thể phù hợp. Các vách ngăn dạng ống và vỏ dày dùng để đỡ ống hoặc chịu tải trọng kết cấu thường yêu cầu gia công, khoan, cắt laser hoặc quy trình phù hợp khác.

Liệu quá trình khắc hóa học có làm cho tấm kim loại chịu được áp lực không?

Không. Quá trình khắc axit quyết định hình dạng tấm. Khả năng chịu áp suất phụ thuộc vào toàn bộ vật liệu, thành, mối nối, đầu nối, hệ thống kiểm tra và thử nghiệm được sử dụng trong bộ trao đổi nhiệt hoàn chỉnh.

Kết luận

Các tấm trao đổi nhiệt được lựa chọn có thể được chế tạo bằng phương pháp khắc hóa học khi chức năng của chúng đòi hỏi các đặc điểm phức tạp trên tấm kim loại phẳng. Những ứng cử viên sáng giá nhất là các tấm dẫn dòng PCHE, các lớp vi kênh, ống góp, bộ phận phân tách, miếng đệm và một số bộ phân phối dòng chảy mỏng được lựa chọn.

Để sản xuất thành công, cần phải phát triển hình dạng tấm, hợp kim, phương pháp ghép nối và lộ trình thiết kế áp suất như một hệ thống thống nhất. Bắt đầu với bản vẽ hoàn chỉnh và các yêu cầu vận hành, sau đó sử dụng đánh giá khả năng sản xuất cụ thể cho từng dự án trước khi hoàn thiện thông số kỹ thuật cuối cùng của tấm.