КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках.
Известна листовая конструкция одноканального теплообменного устройства, выполненного из сваренного взрывом биметалла со сквозным каналом сложной формы для пропускания через него хладоносителя (Ю.П.Трыков, В.Г.Шморгун, Д.В.Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство №6, 2000 г., С.40-43). Недостатком данной конструкции является значительная нерегулярность площади поперечного сечения внутреннего канала, что создает дополнительные препятствия при транспортировке веществ через этот канал, возможность расслоения биметалла при прокачивании жидкости или газа через внутренний канал под большим давлением из-за наличия хрупкой интерметаллидной прослойки в зоне соединения металлов, малая герметичность металла, контактирующего с внутренним каналом из-за большой вероятности появления при сварке взрывом тонколистовых металлов несплошностей и других дефектов, что существенно ограничивает применение таких конструкций в агрегатах ответственного назначения.
Известны конструкции многоканальных биметаллических теплообменников, изготовленных с помощью взрывных технологий (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.34-35). Одна из таких конструкций изготовлена из тонких металлических листов одинаковой толщины, а другая - из тонкого и толстого листового металла. В обеих конструкциях внутренние проходные каналы заданного профиля сформированы гидравлическим давлением в специальных приспособлениях.
На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении. Общим недостатком данных конструкций является малая герметичность сварных соединений в местах расположения перемычек между смежными каналами, особенно, когда ширина перемычек менее 10-15 мм. Кроме того, велика вероятность нарушения сплошности тонколистового металла при формировании внутренних каналов, что ограничивает возможности использования таких конструкций в тепловых агрегатах ответственного назначения, особенно, когда требуется повышенная герметичность перемычек между смежными каналами.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция биметаллического теплообменника, полученного сваркой взрывом (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление тсплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.35 - прототип), в которой полые полостеобразующие элементы прямоугольной формы соединены сваркой взрывом между собой и с двумя плакирующими пластинами. Недостатком данной конструкции является то, что полостеобразующие элементы являются однослойными и имеют прямоугольную форму. В местах наибольших деформаций полостеобразующих элементов, в их угловых частях, при сварке взрывом происходит сильный локальный разогрев металла труб с частичным плавлением металла, что снижает их прочность и герметичность, а это ограничивает применение таких изделий в теплообменной аппаратуре ответственного назначения.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, более прочной конструкции теплообменника на изгиб, с повышенной прочностью и герметичностью металлических слоев и перемычек между смежными полостями.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - увеличение прочности и непроницаемости для
жидкостей и газов полостеобразующих элементов с обеспечением при этом высокой прочности изделия в целом при изгибающих нагрузках.
Указанный технический результат достигается тем, что полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими с наружными слоями из более прочного металла - латуни, внутренними - из менее прочной, но обладающей высокой теплопроводностью - меди, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, в поперечном сечении внутренние полости имеют овальную форму, что исключает вероятность появления обширных зон плавления металла, снижающих прочность и герметичность изделия, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой и с плакирующими слоями сваркой взрывом по и всем поверхностям контакта, толщина плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни.
В отличие от прототипа полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими - из латуни и меди. Латунь обладает в 1,4-1,6 раза большей прочностью и твердостью, чем медь, что способствует повышению прочности сваренных взрывом изделий при растягивающих и изгибающих нагрузках. Слои из латуни и меди соединены сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, поэтому в зонах соединения слоев не возникает дополнительных термических сопротивлений, снижающих эффективность теплообмена в связи с отсутствием в них непроваров, расслоений, трещин, пор и других дефектов.
В предлагаемой конструкции композиционного теплообменника перемычки между смежными полостями четырехслойные, состоящие из двух слоев латуни и двух - из меди, что существенно повышает их герметичность, прочность на растяжение, изгиб и срез, благодаря чему полностью исключается возможность перемешивания и нежелательного химического взаимодействия жидкостей или газов - теплоносителей, прокачиваемых через внутренние полости при эксплуатации изделия.
В предложенной конструкции внутренние полости в поперечном сечении имеют овальную форму, что снижает внутренние напряжения в металле, контактирующем с внутренними полостями, а это, в свою очередь, уменьшает вероятность появления трещин при эксплуатации теплообменников при знакопеременных нагрузках. Кроме того, при получении изделий сваркой взрывом при такой конфигурации внутренних полостей исключена вероятность появления при сварке взрывом обширных зон плавления металла, ухудшающих прочность и герметичность изделия.
В предлагаемой конструкции полостеобразующие элементы соединены между собой и со стальными плакирующими слоями сваркой взрывом по всем поверхностям контакта, толщина плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни, что обеспечивает высокую прочность теплообменника при испытаниях на изгиб и интенсивный теплообмен между веществами, находящимися в смежных полостях.
При толщине стальных плакирующих слоев менее 1,5 толщины слоя из латуни возможно нарушение их сплошности в процессе сварки взрывом, что ухудшает служебные свойства изделия. Толщина стальных плакирующих слоев более 1,7 толщины слоя из латуни является избыточной, поскольку при эксплуатации изделия снижается эффективность теплообмена между веществами, находящимися во внутренних полостях и окружающей средой.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на рисунке 1 изображен внешний вид изделия. Композиционный теплообменник с внутренними полостями состоит из соединенных сваркой взрывом полостеобразующих элементов, состоящих из медных 1 и латунных слоев 2, соединенных между собой сваркой взрывом по всем поверхностям их соприкосновения 3. Слои из латуни смежных полостеобразующих элементов соединены между собой и с стальными плакирующими слоями 4, 5 сваркой взрывом по всем поверхностям контакта 6, 7, 8. Толщина стальных плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни. Внутренние полости 9 имеют овальную форму.
Работа композиционного теплообменника осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например, сваркой плавлением к слоям 1, 2 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 9 жидкостей или газов - теплоносителей, а также нагреваемых или охлаждаемых жидких или газообразных веществ. Вещества-теплоносители в полостях 9 чередуются с веществами-теплоприемниками. Теплообмен между этими веществами осуществляется через четырехслойные перемычки между смежными полостями, состоящие из двух медных слоев 1 и двух латунных слоев 2, соединенных между собой сваркой взрывом на участках 3, 6.
В другом варианте использования композиционный теплообменник с приваренными, как указано выше металлическими трубопроводами, помещают в жидкую или газообразную среду-теплоприемник, а вещество-теплоноситель пропускают через внутренние полости 9. В данном случае теплообмен с внешней средой-теплоприемником осуществляется, в основном, через двухслойные, состоящие из слоев меди 1 и латуни 2, стенки полостеобразующих элементов и через стальные плакирующие слои 4, 5.
лат
лат
Пример исполнения №1. Исходными материалами для изготовления композиционного теплообменника были 10 труб из латуни Л80 (ГОСТ 15527-70) с наружным диаметром 18 мм, внутренним - 14 мм, длиной 250 мм и столько же труб такой же длины из меди M1 (ГОСТ 859-78) с наружным диаметром 10 мм, внутренним - 6 мм. При указанных размерах трубных заготовок толщина каждого слоя из латуни Т=2 мм. В качестве заготовок для плакирующих слоев использовали пластины из стали 12Х18Н10Т длиной 270 мм, шириной 210 мм. Толщина плакирующих слоев Тпл=3 мм, что составляет 1,5·Т. Медные трубы размещали соосно внутри латунных, а затем осуществлялась сборка плоского пакета из плакирующих пластин и полученных трубных заготовок и сварка его взрывом. В результате совмещения операций высокоскоростного формообразования труб энергией взрыва и сварки взрывом получали изделие, изображенное на рисунке 1 с
внутренними полостями овальной формы, с качественными сварными соединениями латунных и медных, а также латунных слоев между собой и с стальными плакирующими слоями, с повышенной прочностью на изгиб, высокой прочностью и герметичностью металлических слоев и перемычек между смежными полостями.
лат
пл
лат
Пример исполнения №2. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. Для изготовления композиционного теплообменника использовали 11 труб из латуни и 11 - из меди. Наружный диаметр латунных труб - 16 мм, внутренний - 12,8 мм, Т=1,6 мм. Толщина плакирующих слоев Т=2,5 мм, что составляет 1,6·Т. Качество полученных изделий то же, что в примере №1.
лат
пл
пл
Пример исполнения №3. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. Для изготовления композиционного теплообменника использовали 12 труб из латуни и 12 - из меди. Наружный диаметр латунных труб - 14,8 мм, внутренний - 12,4 мм, Т=1,2 мм. Толщина плакирующих слоев Т=2,0 мм, что составляет 1,7·Т. Качество полученных изделий то же, что в примере №1.
В сравнении с прототипом предложенная конструкция цельносварного композиционного теплообменника имеет более благоприятную - овальную форму поперечных сечений внутренних полостей, что, в сочетании с биметаллической конструкцией полостеобразующих элементов, четырехслойными пермычками между смежными полостями и с наличием стальных плакирующих слоев, обеспечивает более высокую прочность и непроницаемость для жидкостей и газов полостеобразующих элементов, а также более высокую прочность на изгиб изделия в целом.