آلیاژهای آلومینیم در مبدل های حرارتی

آلیاژهای آلومینیم در مبدل حرارتی (Aluminium Alloys in heat exchangers) به دلیل ترکیب منحصر به فردشان به کار گرفته می شوند. این آلیاژها به یکی از کاربردی ترین و اقتصادی ترین مواد برای به کار بردن در مبدل های حرارتی تبدیل شده اند. خواصی که استفاده از آلومینیم را برای مبدل های حرارتی مناسب می کند عبارتند از:

1- سبک و با استحکام ویژه بالا. این ویژگی به طراحان مبدل حرارتی خودرو امکان طراحی مبدل های حرارتی ارزان و فشرده را نسبت به مبدل های مسی و برنجی قدیمی می دهد.

2- هدایت حرارتی بالا. هدایت حرارتی آلومینیم خالص 60 درصد مس خالص است.

3- مقاومت به خوردگی اتمسفری و محیط هایی مانند آب شیرین، آب شور و بسیاری از مواد شیمیایی و محلول های آن ها.

4- بسته به نوع تمپر، این آلیاژها می توانند به صورت گرم یا سرد شکل دهی شوند و به اشکال مختلف درآیند.

5- توانایی اتصال با جوشکاری، لحیم کاری و لحیم برنجی.

6- محصولات روکش آلومینیم آلیاژهای پایه را از خوردگی حفره دار شدن محافظت می کند.

7- آن ها چقرمگی و استحکام را حفظ کرده و هدایت حرارتی بالایی را در دماهای زیر صفر نشان می دهد. آلومینیم استحکام عالی و شکل پذیری خود را حتی در دمای 196− درجه سانتی گراد نیز حفظ می کند. هم چنین این آلیاژها هدایت حرارتی بالایی را در دماهای برودتی نشان می دهند. برای کاربردهای برودتی، آلیاژ آلومینم 3003 معمولا برای ورق های جداکننده، پره های شیاردار و میله های جانبی به کار می روند که بدنه مبدل حرارتی صفحه پره (PFHE) را تشکیل می دهند. کلگی و نازل ها از آلیاژهای آلومینیم 3003، 5154، 5083، 5086 یا 5454 استفاده می شود.

8- این آلیاژها خاصیت بهداشتی و غیر سمی دارند.

9- غیر مغناطیسی هستند و جرقه تولید نمی کنند.

10- به اشکال مختلف با قیمت مناسب در درسترس هستند.

آلومینیوم فلز فعالی است. این فلز به دلیل انتقال حرارت بالا (188 kcal/m °C h)، سبک بودن (ρ= 2.7 g/cc)، مقاومت به خوردگی و قیمت مناسب شناخته شده است. چگالی آلومینیم یک سوم فولاد است که نسبت استحکام به وزن بالایی را ایجاد می کند. آلومینیم تمپر نشده با خلوص تجاری استحکام کششی lb/in 13000) 89,622 kPa) دارد و عملیات کار سرد می تواند استحکام را دو برابر کند. خواص مکانیکی ضعیف را می توان با آلیاژسازی بهبود بخشید. عناصر آلیاژی معمولی شامل منیزیم، منگنز، روی، مس و سیلیسیم می شوند. با استفاده از کار سرد، عملیات حرارتی و پیرسازی می توان استحکام آلومینیم را تا 100,000 lb/in یا 689,476 kPa افزایش داد. با افزودن مس به اندازه 1.9%–6% (سری 2000)، خواص عملیات حرارتی از فولاد کربنی متوسط پیشی می گیرد.

آلیاژهای آلومینیم مقاومت زیادی به خورگی در بسیاری از محیط های اتمسفری، آب و بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم است. آلیاژهای آلومینیوم غیر سمی هستند و می توان آن ها را در صنایع غذایی، نوشیدنی و داروسازی به کار برد. این آلیاژها بی رنگ بوده و می توان آن را با مواد شیمایی و سایر مواد بدون نیاز به از بین بردن رنگ استفاده کرد. محصولات خوردگی آن ها خطری برای محیط زیست ندارد. قطعات آلومینیمی توسط بسیاری از فرآیندهای اتصال فلزات به یکدیگر متصل و ساخته می شوند. آلومینیم برای کاربردهای برودتی عالی است و بسیاری از آلیاژهای آلومینیم در دمای (268-212 درجه سانتی گراد) استحکام های تسلیم و نهایی بالاتری نسبت به دمای محیط دارند. سایر خواص آلومینیم و آلیاژهای آن برای کاربرهای خاص عبارتند از هدایت الکتریکی بالا، انعکاس بالا و خاصیت غیرمغناطیسی که پایداری قوس را تضمین می کند.

محدودیت های آلومینیم

محدودیت های آلومینیم عبارتند از:

1- آلومینیم و آلیاژهایش به سرعت استحکام خود را در دمای بالاتر از 100 درجه سانتی گراد از دست می دهند، آلومینیم به خوبی سایر آلیاژها در برابر آتش مقاومت نمی کند. آلومینیم در فرآیند PFHE در دماهای بالاتر از 150 درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار نمی گیرد به ویژه در کاربردهایی که فشار بالایی دارند.

2- آلومینیم به آسیب های ناشی از حمل و نقل، ارتعاش زیاد و تنش های رها نشده موضعی حساس است.

دسته بندی آلیاژهای ریختگی آلومینیم

آلیاژهای ریختگی دو نوع هستند: غیر قابل عملیات حرارتی سری های 1xxx، 3xxx ،4xxx و 5xxx، و قابل عملیات حرارتی 2xxx، 6xxx و 7xxx. در سری هایی که قابلیت عملیات حرارتی ندارند، مقاوم سازی با کرنش سختی ایجاد می شود. تمام آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی مقاومت بالایی به خوردگی عمومی دارند. آلیاژهای آلومینیم سری 1xxx نماینده آلومینیم غیر آلیاژی بوده و استحکام پایینی دارند. آلیاژهای سری 3xxx ویژگی های مطلوب مشابهی با سری 1xxx و حتی استحکام بیشتری دارند. آلیاژهای ریختگی معمول و ترکیب آن ها در جدول زیر آمده است.

ترکیب اسمی برخی از آلیاژهای ریختگی معمول آلومینیم
ترکیب (درصد)
Al	Cr	Zn	Mg	Mn	Si	Cu	نامگذاری
99% (min)	0.03	0.05	0.03	0.03	0.25	0.05	1100
باقی مانده	—	0.1	—	1.2	0.6	0.12	3003
باقی مانده	—	0.25	1.0	1.2	0.30	0.25	3004
باقی مانده	—	—	0.4	1.2	0.60	0.30	3005
باقی مانده	—	—	0.8	—	0.30	0.20	5005
باقی مانده		—	1.2	—	0.40	0.20	5050
باقی مانده	0.25	0.10	2.5	0.10	0.25	0.10	5052
باقی مانده	0.15	0.25	4.5	0.70	0.40	0.10	5083
باقی مانده	0.25	0.20	3.5	0.10	0.25	0.10	5154
باقی مانده	0.12	—	2.7	0.75	0.25	0.10	5454
باقی مانده	0.1	0.25	5.1	0.8	0.25	0.10	5456
باقی مانده	0.20	0.25	1.0	0.15	0.6	0.25	6061
باقی مانده	0.10	0.10	0.7	0.10	0.4	0.10	6063
باقی مانده	0.13	4.5	1.4	0.45	0.35	0.10	7005
	—	1.0	0.10	0.40	0.35	1.00	7072

سری xxx1 : این گرید از آلومینیم با 99 درصد خلوص مقاومت به خوردگی عالی، هدایت حرارتی و الکتریکی، شکل پذیری عالی را نشان می دهد. این آلیاژها با همه روش ها جوشکاری و لحیم کاری می شوند و عملیات حرارتی نمی شوند. افزایش ملایم استحکام می تواند با کرنش سختی به دست آید. آن ها به عنوان بدنه پره ها در مبدل های حرارتی به کار می روند.

سری xxx2 : این آلیاژها بر پایه مس هستند. مقدار مس در محدوده 1.9%–6%. قرار دارد. این آلیاژها قابلیت عملیات حرارتی داشته و نسبت به سایر آلیاژهای آلومینیم نسبت به حمله های خورنده حساس ترند. ویژگی های آلیاژهای عملیات حرارتی شده از فولاد کربن متوسط بیشتر است. جوشکاری ذوبی پیشنهاد نمی شود اما جوشکاری مقاومتی توصیه می شود.

سری xxx 3 : مهمترین عنصر آلیاژی منگنز با ماکزیمم مقدار 1.5 درصد است. این آلیاژهای قابلیت عملیات حرارتی ندارند. آن ها استحکام متوسطی داشته، مقامت به خوردگی خوب و قابلیت کارپذیری و شکل پذیری خوبی دارند و در مخازن تحت فشار و مبدل های حرارتی لحیمکاری شده استفاده می شوند. آلیاژهای 3003، 3004 و 3105 به طور گسترده به عنوان آلیاژ همه منظوره برای کاربردهای با استحکام متوسط که به شکل پذیری و کارپذیری خوبی نیاز دارند، استفاده می شوند. استحکام آلیاژ 3003 بالاتر از آلیاژ 1100 است و آلیاژ 3004 استحکام بیشتری از 3003 دارد. آلیاژ 3004 برای اندازه دانه ریز و عدم رشد بحرانی اندازه دانه شناخته شده است.

سری xxx4 : بزرگترین عنصر آلیاژی سیلیسیم است. این سری غیر قابل عملیات حرارتی هستند و اغلب برای جوشکاری و لحیمکاری به عنوان فلز پر کننده با سیلیسیم کافی برای کاهش دمای ذوب به کار می روند. به عنوان مثال 4343 حاوی 7.5 درصد سیلیسیم و 4045 حاوی 10.5 درصد سیلیسیم به عنوان ورق لحیمکاری روکش استفاده می شوند. آلیاژ پایه xxx3 یا xxx6 است.

سری xxx5: آلیاژهای سری (Al–Mg) مستحکم ترین آلیاژهای آلومینیم هستند که قابلیت عملیات حرارتی ندارند. در بسیاری از محصولات، استفاده از سری اقتصادی تر از آلیاژهای سری xxx1 و xxx3 است. آلیاژهای سری xxx5 مقاومت بالایی به خوردگی عمومی و اتمسفرهای دریایی دارند. شناخته شده ترین گریدهایی که قابلیت جوشکاری دارند عبارتند از 5083، 5052 و 5454. کاربردهای متعدد این آلیاژها در مخازن تحت فشار و کاربردهای تبریدی بوده است. این آلیاژها معمولا به شکل ورق و پلیت در دسترس هستند. آلیاژهایی با مقدار منیزیم بیش از 3.5 درصد دچار ترک گرم نمی شوند. به دلیل لایه های اکسیدی ضخیم، باید آماده سازی سطح را مد نظر داشت. این آلیاژها به خوبی لیحمکاری نمی شوند.

سری xxx6: این آلیاژها حاوی سیلیسیم و منیزیم هستند که قابلیت انجام عملیات حرارتی را به آلیاژها می دهد. در مقایسه با سایر آلیاژهای آلومینیم، این سری مقاومت زیادی در نواحی روستایی و مقاومت خوبی در نواحی صنعتی و دریایی دارند. این سری دارای مقاومت به خوردگی تنشی دارند. این آلیاژها از قابلیت شکل پذیری، ماشین کاری و جوشپذیری خوبی برخوردارند. خواص مکانیکی آلیاژهای قابل عملیات حرارتی سری xxx6 نسبت به آلیاژهای سری xxx3 برتری دارند. استحکام تسلیم سری xxx6 در مقایسه با آلیاژهای سری xxx3 پس از عملیات حرارتی چهار یا پنج برابر بیشتر است. استحکام بالاتر برای سازندگان رادیاتور مطلوب است. این ویژگی به کاهش ضخامت دیواره لوله ها و در نتیجه کاهش وزن و هزینه مواد کمک می کند. اما معایب سری xxx6 دمای ذوب پایین و حساسیت به نفوذ سیسلیم از روکش به پایه است.

آلیاژهای سری xxx6 : می تواند لحیمکاری شوند و مقاومت نقطه جوشکاری قابل قبول است. آلیاژ 6061 شناخته شده ترین آلیاژ با قابلیت جوشکاری است. T6رایج ترین عملیات حرارتی برای آلیاژ 6061 است، اگرچه عملیات حرارتی T651، T4 و F نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. آلیاژهای سری xxx6 مستعد ترک گرم هستند. اگرچه این مشکل می تواند با انتخاب فلز پر کننده و طراحی اتصال مناسب برطرف شود. توجه به طراحی اجزا و اتصالات نیز به دلیل کاهش استحکام ناحیه HAZ مورد نیاز است. استحکام ناحیه HAZ می تواند به وسیله عملیات حرارتی پس از جوش بهبود یابد.

سری xxx7: این آلیاژها حاوی 1 تا 8 درصد روی و درصد کمی از Mg، Cu و Cr هستند. این آلیاژها قابلیت عملیات حرارتی دارند. آلیاژ 7072 به طور گسترده در پوشش های آندی لوله ها و ورق های لحیم کاری از جنس 3003، 5505، 6061، 6951، 7075 و 7178 استفاده می شود.

سیستم نامگذاری تمپر آلومینیم و آلیاژهای آن

سیستم نامگذاری تمپر برای مشخص کردن شرایط محصول مورد استفاده قرار می گرفت. این سیستم بر اساس توالی عملیات مکانیکی یا حرارتی یا هر دو است که برای ایجاد عملیات تمپر مختلف به کار می رود. نامگذاری تمپر به این صورت است که نامگذاری آلیاژ ابتدا نوشته می شود و عملیات حرارتی با خط تیره از آن جدا می شود. آلیاژهای آلومینیم به 4 شکل تمپر می شوند:F، O، H و T. ارقام نشان دهنده توالی عملیات حرارتی هستند به عنوان مثال 7075–T651. نامگذاری پایه تمپر در جدول زیر نمایش داده شده است.

نامگذاری تمپرهای پایه برای آلیاژهای آلومینیم
شرایط	نامگذاری
بدون عملیات حرارتی	F
آنیل شده، نرم ترین تمپر	O
کرنش سختی شده	H
تنها کرنش سختی شده	H1
کرنش سختی و اندکی آنیل شده	H2
کرنش سختی و پایدارسازی حرارتی	H3
اشکال عملیات حرارتی: عملیات حرارتی برای ایجاد کارپذیری مورد نیاز، پایداری ابعادی و استحکام	T (T1–T12)
عملیات حرارتی محلول سازی	W

اشکال آلیاژهای آلومینیم

آلومینیم در اشکال متفاوتی تولید و در دسترس قرار می گیرد که شامل تیوب های مبدل حرارتی (ساده و پره دار)، پلیت و ورق، میله، تیر و اکستروژن می شود. برخی از مشخصات ASTM برای تیوب ها، پلیت ها و ورق ها در جدول زیر آورده شده است.

ورق ها پلیت ها و تیوب های آلیاژ آلومینیم برای مبدل حرارتی
نامگذاری UNS آلیاژها	توضیحات	مشخصات ASTM
1060, 3003, Alclad 3003, 5052, 5454, 6061, 7072	لوله های بدون درز کششی برای کندانسورها و مبدل های حرارتی	تیوب مبدل حرارتی B234
1060, 1100, 3003, Alclad 3003, 3004, Alclad 3004, 5050, 5052, 5083, 5086, 5154, 5254, 5454, 5456, 5652, 6061, Alclad 6061	ورق ها و پلیت های آلومینیم و آلیاژهای آلومینیم	ورق ها و پلیت های آلومینیم B209

اطلاعات مربوط به لوله ها، میله ها، تیرها، اکستروژن ها و فروجینگ ها در جدول زیر آورده شده است.

لوله ها، میله ها، تیرها، اکستروژن ها و فورجینگ ها
مشخصات ASME	مشخصات ASTM
SB210	لوله های بی درز کششی از آلومینیم و آلیاژ آلومینیم
SB211	سیم، میله و تیر آلومینیم و آلیاژ آلومینیم
SB221	لوله ها، اشکال، سیم ها، میله ها و تیرهای اکسترود شده آلومینیم و آلیاژ آلومینیم
SB241	لوله های اکسترود شده بی درز و اکسترودهای کشیده شده
SB247	فورجینگ های آلومینیم و آلیاژهای آن
SB308	اشکال استاندارد آلیاژ آلومینیم 6061—T6

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Heat Exchanger Design Handbook 2nd edition, Kuppan Thulukkanam, CRC Press, 2013

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است