Диффузионно-сварные печатные теплообменники для суровых условий эксплуатации

Компактные теплообменники с печатной платой превосходят альтернативы в экстремальных условиях.

Традиционные пластинчатые или кожухотрубные теплообменники уже давно используются в перерабатывающих отраслях. Однако сегодня, когда появилось множество новых применений, связанных с высокими давлениями, температурами и воздействием агрессивных сред, все больше производителей обращаются к компактным теплообменникам с печатными платами (PCHE).

PCHE представляет собой многослойный теплообменник, состоящий из тонких плоских металлических пластин, в каждом слое которых химически вытравлены микроканалы для потока жидкости, образующие сложную картину потока. Затем слои соединяются диффузионным способом, чтобы создать плотный теплообменник с превосходными свойствами воздушного потока и теплопередачи.

При такой конструкции теплообменник может быть на 85% меньше и легче, чем традиционные пластинчатые или кожухотрубные конструкции. Кроме того, PCHE не требуют чрезмерной прокладки трубопроводов, рам или других связанных с ними структурных элементов, что еще больше снижает затраты.

«Высококачественный PCHE с диффузионной сваркой может выдерживать очень высокое давление в сотни бар и экстремальные температуры, превышающие 800°C. В результате PCHE хорошо подходят для широкого спектра требовательных применений, включая нефть и газ, водородные заправочные станции для автомобилей и аэрокосмическую промышленность», — сказал д-р Удо Бройх, управляющий директор PVA Industrial Vacuum Systems GmbH, Веттенберг, Германия.

Доктор Бройх, написавший докторскую диссертацию по технологии соединения, в течение 25 лет занимался вакуумной пайкой и диффузионной сваркой. PVA TePla AG — мировой производитель промышленных печей и систем азотирования PulsPlasma.

В течение многих лет диффузионная сварка использовалась для соединения высокопрочных и тугоплавких металлов, соединение которых другими способами либо затруднительно, либо невозможно. Этот процесс включает в себя воздействие высокой температуры и давления на склеиваемую часть в горячем прессе с высоким вакуумом, подобном тем, которые предлагает PVA TePla; это приводит к тому, что атомы на твердых металлических поверхностях перемещаются и соединяются.

На окончательной детали будет мало или вообще не будет линий или полосок на границе раздела, если материалы одинаковы; интерфейс одного материала переходит в другой, и наоборот. Тот же результат может быть достигнут с использованием разнородных материалов при правильном оборудовании, подготовке материала и процессе.

Ключом к этому процессу является использование диффузионной сварки для соединения слоев по сравнению с другими альтернативами, такими как вакуумная пайка. Хотя пайка широко используется для соединения металлов в нормальных условиях, ее может оказаться недостаточно в условиях высокой температуры, давления или коррозии.

Пайка — это процесс соединения, при котором два или более металлических предмета соединяются друг с другом путем плавления и заливки присадочного металла в соединение. Присадочный металл течет в зазор между слоями за счет капиллярного действия.

При правильном выборе присадочного материала и параметров процесса пайка также позволяет создавать высокопрочные и термостойкие соединения. Однако, по словам доктора Бройха, поскольку присадочный металл всегда имеет химический состав, отличный от материалов соединяемых деталей, свойства паяных компонентов обычно не могут достичь свойств твердой детали.

«В случае пайки PCHE инженеры должны учитывать еще одну проблему: во время пайки расплавленный присадочный металл может проникнуть в микроканалы и затвердеть, блокируя каналы, необходимые для потока воздуха. Это может сделать PCHE совершенно неэффективным», — сказал доктор Бройх. «Поскольку диффузионная сварка не требует присадочного металла и представляет собой процесс твердотельного соединения, микроканалы остаются неповрежденными».

«Когда слои PCHE соединяются диффузией, конечный продукт сохраняет механические, химические и термические свойства исходного материала. Учитывая высокую прочность и целостность материала, PCHE могут выдерживать очень суровые условия эксплуатации», — пояснил доктор Бройх.

Существенным преимуществом диффузионно-связанных PCHE является то, что они значительно уменьшают размеры теплообменника.

«PCHE имеют примерно на 85% меньшую массу и объем, чем традиционные теплообменники, а микроканалы обеспечивают большую площадь поверхности для теплообмена», — сказал доктор Бройх. «Для достижения той же скорости теплопередачи со стандартной конструкцией [пластинчатого или кожухотрубного теплообменника] требуется гораздо больше массы и объема».