كما تعلم العديد من المصممين والمهندسين في دورات الهندسة أو دروس الفيزياء الجامعية، فإن الحرارة تنتقل بشكل طبيعي من المناطق ذات درجة الحرارة العالية إلى المناطق ذات درجة الحرارة المنخفضة. ويصبح نقل الحرارة بكفاءة ممكناً عندما نرتب المواد ونصمم الأجهزة بطرق تسمح أو تعزز هذا التدفق الحراري.
تُوفّر المبادلات الحرارية أجهزةً مُخصصةً لنقل الحرارة المُتحكّم به بين سائلين بدرجات حرارة مُختلفة. وتستخدم أسطحًا موصلة للحرارة لنقلها من وسطٍ أكثر سخونة إلى وسطٍ أكثر برودة، دون اختلاط السوائل نفسها.
تُعدّ المبادلات الحرارية ذات الألواح نوعًا شائعًا جدًا من المبادلات الحرارية، ويمكن القول إنها التطبيق الأكثر أهمية لتقنية اللحام بالنحاس. تتراوح تطبيقاتها من السيارات ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء إلى تقنيات الطاقة وتجهيزات مياه الشرب. تتميز المبادلات الحرارية ذات الألواح الملحومة بالنحاس بمزايا وخصائص أداء عالية. منتجات لا يمكن فصلها عن جودة اللحام.
بنية ومبدأ عمل المبادل الحراري الصفيحي
الهيكل الأساسي
يتكون المبادل الحراري ذو الألواح من سلسلة من الألواح المعدنية الرقيقة ذات الشكل المميز، والمكدسة بشكل متناوب. كل لوح مزخرف بنقوش أو أشكال متعرجة تُشكل مسار تدفق متعرج عند تكديسها. ثم يتم توجيه السوائل الساخنة والباردة عبر مسارات تدفق متوازية، يفصل بينها فقط الجدران الرقيقة للألواح، مما يضمن نقلًا حراريًا عالي الكفاءة.
من وجهة نظر التصنيع، تتمتع هذه المادة المصفحة بخصائص "الكتاب المعدني". تمثل الصفائح الصفحات، وتمثل المناطق الملحومة المادة اللاصقة غير المرئية ولكنها قوية للغاية والتي تربط جميع الصفحات معًا لتشكيل كتلة صلبة.
بدون اللحام، سيكون من المستحيل الحفاظ على السلامة الهيكلية في ظل ظروف التشغيل.
خيارات المواد
تختلف خيارات المواد المستخدمة في المبادلات الحرارية ذات الألواح الملحومة اختلافًا كبيرًا باختلاف بيئات التطبيق:
تطبيقات المبادلات الحرارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ:
تُستخدم هذه السبائك في مجالات متنوعة، منها تجهيزات المياه المدنية، وتكنولوجيا الأغذية، والهندسة الكيميائية. وتُعدّ أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، مثل 1.4401 (AISI 316) أو 1.4301 (AISI 304)، الأكثر شيوعًا. تتميز هذه السبائك بمقاومتها للتآكل وقوتها الميكانيكية، وقابليتها الجيدة للحام، وخصائصها الصحية. كما تتشكل طبقة أكسيد مستقرة على سطحها لمنع التنقر الموضعي، وتشققات التآكل الإجهادي، والتآكل الشقوقي.
تطبيقات المبادلات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم
تُستخدم على نطاق واسع صفائح اللحام المصنوعة من سبائك الألومنيوم AA3003 والمغطاة بطبقات حشو من الألومنيوم والسيليكون في مشعات السيارات ومبردات هواء الشحن ومبردات الزيت ووحدات التكييف المدمجة. وتتيح الكثافة المنخفضة للألومنيوم وموصليته الحرارية تصميمات مبادلات حرارية خفيفة الوزن وصغيرة الحجم.
عمليات اللحام المستخدمة في المبادلات الحرارية اللوحية
لحام الصفائح المعدنية المجوفة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بالتفريغ
في إنتاج المبادلات الحرارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، تتم عملية اللحام عادةً عند درجة حرارة تتراوح بين 1050 و1150 درجة مئوية في أفران التفريغ الصناعية. وتحدث عمليتان في وقت واحد في هذه الخطوة المدمجة:
اللحام النقي: صهر معدن الحشو (عادةً سبائك أساسها النيكل أو النحاس) لتشكيل لحامات التماس الشعرية بين الصفائح.
المعالجة الحرارية للمحلول للفولاذ المقاوم للصدأ: إن تسخين الفولاذ المقاوم للصدأ إلى درجات حرارة اللحام النموذجية (1050-1150 درجة مئوية)، والتي تتجاوز بكثير نطاق التلدين المحلول، يسمح بإذابة كربيدات الكروم المتكونة أثناء التسخين، وبالتالي استعادة مقاومة المادة الكاملة للتآكل عند التبريد السريع.
فوائد لحام المبادلات الحرارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بتقنية اللحام الفراغي:
- أسطح خالية من التدفقات والأكاسيد
- وصلات نظيفة بشكل واضح مناسبة لتطبيقات مياه الشرب والمواد الغذائية
- أقصى قوة للوصلات ومقاومة للتآكل
تركز تكنولوجيا الأفران الصناعية لمبادلات الحرارة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ على ثبات درجة الحرارة وتجانسها، بالإضافة إلى توليد واستهلاك الغلاف الجوي بدقة. ويُشكل لحام العديد من طبقات الصفائح المعدنية الرقيقة دفعة واحدة تحديات كبيرة في توزيع الحرارة على كامل الحمولة.
المعدات التي يعرفها المؤلف والتي قد تكون ذات صلة مباشرة بالقراء الذين تشمل منتجات مورديهم أفران اللحام الفراغي الصناعية لإنتاج المبادلات الحرارية. يرجى إعلامنا إذا كنتم تعرفون أيًا منها، وسنضيفها إلى القائمة.
لحام المبادلات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم في جو متحكم به
تُعدّ عملية اللحام بالقوس الكهربائي في جو مُتحكّم به، أو CAB، الطريقة السائدة لربط مبادلات الحرارة المصنوعة من صفائح الألومنيوم اليوم. وهي تتضمن ما يلي:
- ابدأ بألواح أساسية من الألومنيوم مع طبقة حشو من الألومنيوم والسيليكون مغلفة بالفعل على سطحها.
- يتم تسخين مجموعة التسخين إلى حوالي 600 درجة مئوية في فرن مملوء بغاز النيتروجين.
- انصهار وتدفق الطبقة المكسوة لتشكيل وصلات ملحومة بينما تظل المادة الأساسية صلبة.
تشمل مزايا مجلس استشارات المواطنين ما يلي:
- إنتاجية عالية
- مفاصل قابلة للتكرار باستمرار
- مناسب لتكوينات أفران الحزام المستمر
يكمن التحدي في نظام CAB في الحفاظ على درجة حرارة موحدة عبر قلب المبادل الحراري ذي الألواح. أي بقع باردة أو ساخنة ستؤدي إلى عيوب.
تطبيقات وابتكارات المعادن الحشو
أنواع معادن الحشو
أكثر أنظمة المعادن الحشو شيوعًا المستخدمة في لحام الصفائح المعدنية هي:
سبائك أساسها النيكل (سلسلة BNi):
تُستخدم هذه المواد بشكل شائع في لحام المبادلات الحرارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، وخاصة في تطبيقات مياه الشرب والمواد الكيميائية. فهي توفر قوة عالية، ومقاومة جيدة للتآكل، وخصائص ترطيب ممتازة.
سبائك النحاس (سلسلة BCu):
تُستخدم هذه المواد في بعض المبادلات الحرارية الصناعية، ولكنها أقل استحسانًا في تطبيقات مياه الشرب نظرًا لخطر التآكل وتسرب الأيونات.
سبائك الحشو من الألومنيوم والسيليكون:
يتم دمج هذه المواد كطبقات مغلفة في صفائح لحام الألومنيوم لتطبيقات CAB.
طرق ما قبل الزرع
من أجل توفير توزيع متساوٍ للمعادن الحشو على أسطح الألواح الكبيرة والمموجة، يتم استخدام الطرق المتقدمة التالية:
رقائق غير متبلورة (BNi-5b / MBF-51):
تُوضع رقائق معدنية رقيقة بين الصفائح، مما يُتيح التجميع الآلي ويُوفر وصلات نظيفة وخالية من البقايا. كما يُوفر سُمك هذه الرقائق المُوحد فجوات وصلات مُتناسقة وجودة لحام عالية.
الطباعة بالشاشة الحريرية:
تُطبع عجينة مسحوق المعدن الحشو على أسطح اللوح باستخدام شبكة. تتيح هذه التقنية تحكمًا دقيقًا في كمية المعدن الحشو وموقعه.
طريقة لف الشريط:
يتم دمج مساحيق المعادن الحشو في الأشرطة اللاصقة وتطبيقها على مناطق الوصلات، مما يجعل التعامل معها وتحديد موضعها أسهل أثناء التجميع.
تُعد هذه التقنيات بالغة الأهمية في الإنتاج بكميات كبيرة، حيث تؤثر جودة الوصلات بشكل مباشر على مقاومة الضغط وموثوقية الوصلات المُجمَّعة.
مجالات التطبيق الرئيسية للمبادلات الحرارية ذات الألواح الملحومة
تبريد غازات عادم السيارات
تُعدّ المبادلات الحرارية الملحومة بالنحاس من أكثر مجالات الاستخدام شيوعًا. ستجدها في تطبيقات مثل:
- مبردات إعادة تدوير غاز العادم
- مبردات زيت المحرك
- مبردات زيت ناقل الحركة
- أنظمة إدارة الحرارة لمرشح جسيمات الديزل
يجب أن تستوفي كل من تجميعات المبادلات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ متطلبات صارمة فيما يتعلق بإحكام منع التسرب. وهي تتعرض لإجهادات حرارية عالية، واهتزازات، وفي بعض الحالات، لغازات عادم أكالة.
أنظمة التدفئة/التبريد المدنية وخدمات الطعام
تعتبر المبادلات الحرارية الملحومة بالفولاذ المقاوم للصدأ هي المعيار الصناعي في تطبيقات مثل:
- أنظمة التدفئة/التبريد المنزلية بالماء الساخن والجليكول
- حلقات التدفئة/التبريد المركزية
- أنظمة التبريد/التسخين لمعالجة الأغذية
تُفضّل المعادن الحشوية القائمة على النيكل على تلك المحتوية على النحاس عند ملامستها لمياه الشرب المؤكسجة. إذ يمكن أن تؤدي التآكلات الشديدة أو انهيار طبقة الحماية إلى حدوث تنقر موضعي أو تفكك أنودي لوصلات النحاس. تتميز المبادلات الحرارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي تم لحامها وتخميلها بشكل صحيح، بمقاومة فائقة للتآكل وأداء صحي متميز، كما أنها تلبي بسهولة معايير الصحة والسلامة.
أنظمة الطاقة والبيئة
تُستخدم المبادلات الحرارية الملحومة بشكل متزايد في أنظمة الطاقة النظيفة عالية الكفاءة، بما في ذلك:
- مضخات الحرارة
- وحدات حرارية لخلايا الوقود
- أنظمة التبريد بثاني أكسيد الكربون
- أنظمة استعادة الحرارة المهدرة
تُعدّ طبقات العزل الحراري ضرورية بين ألواح المبادل الحراري ذي الألواح الملحومة والهيكل الخارجي. وتتيح المبادلات الحرارية ذات الألواح الملحومة تصميم مبادلات حرارية صغيرة الحجم تُحسّن مقاومة الضغط وتوفر كفاءة حرارية ممتازة.
التحديات التقنية والمحاكاة العلمية
إدارة الإجهاد المتبقي أثناء اللحام بالنحاس
تتكون المبادلات الحرارية ذات الألواح المجمعة من العديد من الصفائح المعدنية الرقيقة المتصلة حول محيطها. هذا التصميم عرضة للتشوه وتوليد إجهاد متبقٍ غير متساوٍ أثناء دورات التبريد والتدفئة. تشمل الأعطال الشائعة المرتبطة بالإجهاد ما يلي:
- تشوه كامل شبكة الكهرباء العامة
- تشققات في الوصلات الملحومة
- الفشل المبكر الناتج عن الإجهاد أثناء الخدمة
يمكن استخدام تحليل العناصر المحدودة لنمذجة ما يلي:
- توزيع درجة الحرارة أثناء دورة اللحام
- توليد الإجهاد المتبقي في الوصلات الملحومة
- تأثير سمك الصفيحة وشكل المقطع الجانبي وحجم فجوة اللحام على الإجهاد المتبقي
إن تطبيق تصميم التجميع المناسب ودورات التسخين المُحسّنة يمكن أن يقلل بشكل كبير من تشوه الصفائح بعد اللحام.
توحيد درجة الحرارة في أفران اللحام
نظراً لبنية المبادلات الحرارية ذات الطبقات المتراصة، يُعدّ تحقيق توزيع متجانس للحرارة على كامل عرض الحمولة أمراً بالغ الأهمية لضمان اتساق العملية. فدرجات الحرارة المنخفضة جداً تؤدي إلى عدم اكتمال انصهار معدن الحشو، بينما تؤدي درجات الحرارة المرتفعة جداً إلى تشوه الصفائح أو ضعف الوصلات. ومن طرق نمذجة توزيعات درجات الحرارة أثناء التسخين المؤقت ما يُعرف بنمذجة المناطق المكافئة (EZ).
انبعاث النيكل من المبادلات الحرارية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ
عند معالجة أنابيب التبادل الحراري المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ بالتخميل المناسب، لا يتسرب النحاس إلى مياه الشرب. أما النيكل فهو ناتج ثانوي لاستخدام وصلات معدنية حشو أساسها النيكل. وقد وجد الباحثون أنه عند:
- يتم التحكم في حجم الفجوة بشكل جيد أثناء التجميع
- يتم توزيع معدن حشو النيكل بالتساوي على أسطح الوصلة
- تتشكل طبقة أكسيد مستقرة واقية على أسطح الفولاذ المقاوم للصدأ
ستبقى مستويات أيونات النيكل أقل بكثير من الحد القانوني للاتحاد الأوروبي البالغ 20 ميكروغرام/لتر.
خاتمة
تُتيح تقنية اللحام بالنحاس للمصنّعين إنتاج تجميعات مانعة للتسرب ومقاومة للضغط من صفائح معدنية رقيقة. وتتعدد طرق لحام المبادلات الحرارية ذات الصفائح، بدءًا من اللحام الفراغي عالي الحرارة للفولاذ المقاوم للصدأ، وصولًا إلى اللحام بالنحاس المقوى (CAB) لقلوب الألومنيوم. وتُحدد سلامة الوصلة الموصلية الحرارية، ومعدل تحمل الضغط، ومقاومة التآكل، والعمر الافتراضي للمبادلات الحرارية ذات الصفائح الملحومة.
تُساهم علوم المواد، وتطوير معادن الحشو، وتصميم الأفران، والتحكم في العمليات، جميعها في تحديد أداء المبادل الحراري النهائي. ولا تزال المبادلات الحرارية ذات الألواح الملحومة تُستخدم على نطاق واسع في إدارة الحرارة في السيارات، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وتقنيات الطاقة النظيفة، وتطبيقات مياه الشرب، لأنها تسمح بنقل الحرارة بكفاءة وأمان من وسط إلى آخر.
اللحام بالنحاس هو المادة اللاصقة القوية التي تربط كل صفحة معًا. فهو يثبت صفحات اللوحة معًا تحت الضغط والإجهاد الحراري. والأهم من ذلك، أن اللحام بالنحاس يُنشئ طبقة واقية متصلة تسمح بمرور الملوثات الضارة، وتقلبات درجات الحرارة، أو مياه الشرب النظيفة دون أي ضرر.
بالنسبة للمصنّعين الذين يبحثون عن حلول لحام موثوقة وعالية الدقة للمبادلات الحرارية اللوحية، فإنّ الشراكة مع مزوّد تقني ذي خبرة تُحدث فرقًا كبيرًا. تقدّم شركة دودو ماشين معدات لحام وحلولًا متكاملة لتصنيع مبادلات حرارية عالية الجودة، وقد صُمّمت حلولها خصيصًا للتعامل مع الأشكال الهندسية المعقدة للألواح ومتطلبات الإنتاج بكميات كبيرة في صناعة المبادلات الحرارية اللوحية.
تعرّف على فوائد اللحام بالنحاس في جو مُتحكّم به، والحفاظ على دقة درجات الحرارة، وغير ذلك الكثير للمساعدة في تبسيط عملية اللحام بالنحاس لتحقيق قوة وصلات مثالية ومقاومة طويلة الأمد للتآكل. ماكينة دودو.
