КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в криогенных, химических, энергетических установках и т.п.
Известна листовая конструкция теплозащитного элемента со сквозным внутренним 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 то, что теплозащитный интерметаллидный слой не является сплошным и образован лишь на межканальных (плоских) участках изделия, а на металлах, примыкающих к внутреннему каналу, теплозащитный слой отсутствует, внутренние полости изделия окружены разнородными материалами, поэтому теплообмен веществ, находящихся во внутренних полостях, с окружающей средой не одинаков на разных участках изделия. Кроме того, эти изделия обладают повышенной склонностью к расслоению при динамических нагрузках, а это весьма ограничивает применение таких изделий в теплообменной аппаратуре.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция биметаллического теплообменника, полученного локальной сваркой взрывом разнородных металлических листов одинаковой толщины. В этой конструкции внутренние проходные каналы круглого профиля сформированы гидравлическим давлением в специальных приспособлениях. На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении.
(Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий /Сварочное производство №6, 1998. С.34-37 - прототип).
Недостатком данной конструкции является то, что его теплозащитные слои сформированы лишь на межканальных участках изделия и отсутствуют на участках металлических слоев, контактирующих с внутренними каналами, термическое сопротивление на таких участках при направлении теплопередачи поперек слоев неодинаковое, при резких перепадах давления в жидкости теплоносителе, пропускаемой через внутренние каналы изделия, возможно разрушение изделия по хрупким интерметаллидным прослойкам, внутренние полости изделия контактируют с разнородными металлами, что снижает их коррозионную стойкость, а это весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, конструкции композиционного теплообменника с внутренними полостями сваркой взрывом со сплошными теплозащитными интерметаллидными слоями во всем объеме изделия, обеспечивающими его повышенные теплозащитные свойства, с одинаковым термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренней полости изделия.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение теплозащитных свойств за счет создания сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев между разнородными металлическими слоями, получение одинакового термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, обеспечение однородности материала, контактирующего с внутренней полостью изделия, с повышением при этом коррозионной стойкости металла, контактирующего с внутренними полостями, повышение стойкости изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплообменник, содержащий внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, выполнен шестислойным с внутренними слоями из никеля, наружными - из алюминия, а расположенные между слоями алюминия и никеля теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий - никель толщиной 15-20 мкм, которые получены сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим формированием интерметаллидных слоев термической обработкой, никелевые слои соединены между собой сваркой взрывом по всем поверхностям их соприкосновения, минимальная ширина перемычек между смежными полостями составляет 12 мм, соотношение толщин слоев алюминия и никеля составляет 1:(0,4-0,67) при толщине каждого слоя никеля 0,8-1 мм.
В отличие от прототипа композиционный теплообменник с внутренними полостями выполнен шестислойным. Внутренние слои выполнены из никеля, что придает изделию повышенную прочность и коррозионную стойкость при пропускании через внутренние полости веществ с повышенной химической активностью. Кроме того, никелевые слои при сварке взрывом легко свариваются в широком диапазоне скоростных режимов сварки и образуют прочные и герметичные сварные соединения даже при локальной сварке на узких участках. Кроме того, никель обладает пониженной теплопроводностью, а это способствует созданию повышенного термического сопротивления стенок изделия при направлении теплопередачи в поперечном направлении - от внутренних полостей к веществам, окружающим наружные поверхности теплообменника. Наружные слои из алюминия, обладающего пониженной плотностью, способствуют повышению удельной прочности изделия на изгиб, создают дополнительное термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Кроме того, при термической обработке слои алюминия в контакте с никелем способствуют образованию сплошных интерметаллидных прослоек, придающих теплообменнику повышенные теплозащитные свойства.
Расположенные между слоями алюминия и никеля сплошные интерметаллидные слои толщиной 15-20 мкм получены путем одновременной сварки взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим формированием интерметаллидных слоев термической обработкой. При толщине прослоек менее 15 мкм их термическое сопротивление оказывается недостаточным. При толщине прослоек более 20 мкм возникает склонность изделия к растрескиванию по интерметаллидным прослойкам при резких перепадах давления во внутренних полостях изделия.
В предлагаемой конструкции никелевые слои соединены между собой сваркой взрывом по всем поверхностям их соприкосновения, при этом минимальная ширина перемычек между смежными полостями составляет 12 мм, что обеспечивает надежную локальную сварку никелевых слоев между собой, полностью исключает химическое взаимодействие веществ, находящихся в смежных полостях.
Соотношение толщин слоев алюминия и никеля в композиционном теплообменнике составляет 1:(0,4-0,67) при толщине слоя никеля 0,8-1 мм. Указанное соотношение толщин металлических слоев является оптимальным, поскольку при этом возникают благоприятные условия для получения качественных сварных соединений в процессе и сварки взрывом при минимальном расходе дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие. При величине этого соотношения ниже нижнего предлагаемого предела при сварке взрывом возможны неконтролируемые деформации алюминиевых слоев, что ухудшает качество получаемых изделий. Величина соотношения толщин слоев алюминия и никеля выше верхнего предлагаемого предела является избыточной, поскольку это приводит к созданию неоправданно высокой объемной доли малопрочных алюминиевых слоев в объеме композиционного теплообменника, излишнему расходу алюминия в расчете на одно изделие.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид композиционного теплообменника, где позиции 1, 2 - никелевые слои, 3, 4 - алюминиевые слои, 5, 6 - теплозащитные интерметаллидные слои, 7 - зоны сварки взрывом никелевых слоев между собой, 8 - внутренние полости изделия.
Работа композиционного теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к никелевым слоям 1, 2 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 8 жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется, в основном, через цельносварные трехслойные стенки изделия, состоящие из слоев никеля 1, 2, интерметаллидных теплозащитных прослоек 5, 6 и алюминиевых слоев 3, 4. Теплообмен между веществами теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через цельносварные шестислойные перемычки между полостями, где никелевые слои 1, 2 сварены между собой на участках 7.
Пример исполнения №1.
A1
Ni
пр
пр
пр
пр
пр
A1
A1
A1
A1
Ni
Ni
Ni
Ni
ком
A1
пр
Ni
-6
2
-6
2
-6
2
-6
-6
-6
-6
2
Исходными материалами для изготовления композиционного теплообменника с внутренними полостями были две пластины из алюминия АД1 длиной 300 мм, шириной 215 мм, толщиной каждой их них δ=1,5 мм, а также две никелевые пластины из никеля НП1, длина и ширина никелевых пластин такие же, как и алюминиевых, но толщина δ=1 мм. Соотношение толщин слоев алюминия и никеля при этом составляет 1:0,67. На одну из никелевых пластин наносили в продольном направлении пять полос противосварочного вещества шириной 25 мм, расстояние от боковых кромок пластины до противосварочных полос с обеих сторон составляло 20 мм, расстояние между противосварочными полосами - 12 мм. Пластины собирали в пакет со сварочными зазорами и сваривали взрывом. Между алюминиевыми и никелевыми слоями происходила сварка по всем поверхностям контакта, а между никелевыми - лишь на локальных участках шириной 12 мм. Затем сваренную заготовку подвергали разупрочняющей термообработке, после которой производили формирование внутренних полостей методом раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой полости составляет 25 мм, высота - 4 мм, затем отформованную заготовку подвергали термической обработке - отжигу для формирования между слоями алюминия и никеля теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель. В результате получают композиционный теплообменник с внутренними полостями в виде сотовой панели с двумя сплошными интерметаллидными теплозащитными прослойками между слоями алюминия и никеля толщиной δ=15 мкм. Коэффициент теплопроводности прослойки λ=7,5 Вт/(м·К), ее термическое сопротивление R=δ:λ=0,000015:7,5=2·10 К/(Вт/м). Коэффициент теплопроводности алюминия λ=230 Вт/(м·К), термическое сопротивление каждого слоя алюминия R=δ:λ=0,0015:230=6,5·10 К/(Вт/м). Коэффициент теплопроводности никеля λ=62 Вт/(м·К), термическое сопротивление каждого никелевого слоя R=δ:λ=0,001:62=16,1·10 К/(Вт/м). Термическое сопротивление каждой трехслойной стенки изделия, отделяющей каждую внутреннюю полость от окружающей среды при направлении теплопередачи поперек слоев: R=R+R+R=6,5·10+16,1·10+2·10=24,6·10 К/(Вт/м). Таким образом, благодаря сплошной интерметаллидной прослойке между слоями алюминия и никеля термическое сопротивления каждой стенки изделия возросло на 8%, что способствует существенному снижению теплопотерь у веществ - теплоносителей, располагающихся во внутренних полостях.
В результате получают композиционный теплообменник с внутренними полостями, окруженными однородным коррозионностойким металлом - никелем, со сплошными диффузионными теплозащитными интерметаллидными прослойками между слоями алюминия и никеля, при этом обеспечивается одинаковое и повышенное, в 1,9-3,4 раза большее, чем по прототипу, термическое сопротивление стенок изделия при направлении теплопередачи поперек слоев. Кроме того, полученное изделие обладает повышенной коррозионной стойкостью по отношению к веществам - теплоносителям и повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях.
Cu
A1
A1
Cu
Cu
-6
2
-6
2
Для сравнения использовали полученный по прототипу двухслойный теплообменник с внутренними полостями из алюминия АД1 и меди M1. Толщина обоих слоев была одинаковой: δ=δ=3 мм. Длина и ширина заготовок были такие же, как в предлагаемой конструкции. Интерметаллидные слои в таком изделии располагаются только на межканальных промежутках. Термическое сопротивление алюминиевого слоя R=0,003:230=13·10 К/(Вт/м). Коэффициент теплопроводности медного слоя λ=410 Вт/(м·К), его термическое сопротивление R=0,003:410=3·10 К/(Вт/м). Таким образом, термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев весьма малое и неодинаковое: оно в 1,9 раза меньше у алюминиевой стенки, по сравнению с предлагаемой конструкцией, а у медной стенки - меньше в 3,4 раза. Полученное по прототипу изделие обладает повышенной склонностью к хрупкому разрушению по интерметаллидным прослойкам при резких перепадах давления во внутренних полостях и пониженной коррозионной стойкостью, что ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре.
Пример исполнения №2.
A1
Ni
пр
пр
A1
Ni
ком
A1
пр
Ni
-6
2
-6
2
-6
2
-6
-6
-6
-6
2
То же, что в примере 1, толщина каждой алюминиевой пластины δ=2 мм, каждой никелевой - δ=0,8 мм, соотношение толщин слоев алюминия и никеля 1:0,4. Толщина теплозащитных интерметаллидных прослоек δ=18 мкм, ее термическое сопротивление R=0,000018:7,5=2,4·10 К/(Вт/м). Термическое сопротивление каждого алюминиевого слоя R=0,002:230=8,7·10 К/(Вт/м), термическое сопротивление никелевого - R=0,0008:62=12,9·10 К/(Вт/м). Термическое сопротивление каждой трехслойной стенки композиционного изделия R=R+R+R=8,7·10+12,9·10+2,4·10=24·10 К/(Вт/м). Благодаря образованию сплошных диффузионных интерметаллидных прослоек термическое сопротивление каждой стенки изделия возросло на 10%. В сравнении с прототипом обеспечивается одинаковое и повышенное в 1,8-3,3 раза большее термическое сопротивление трехслойных стенок изделия при направлении теплопередачи поперек слоев.
Пример исполнения №3.
А1
Ni
пр
пр
A1
Ni
ком
A1
пр
Ni
ком
-6
2
-6
2
-6
2
-6
-6
-6
-6
2
То же, что в примере №1, но толщина каждой алюминиевой пластины δ=1,8 мм, каждой никелевой - δ=0,9 мм, соотношение толщин слоев алюминия и никеля 1:0,5. Толщина теплозащитных интерметаллидных прослоек δ=20 мкм, ее термическое сопротивление R=0,00002:7,5=2,7·10 К/(Вт/м). Термическое сопротивление каждого алюминиевого слоя R=0,0018:230=8,7·10 К/(Вт/м), каждого никелевого - R=0,0009:62=14,5·10 К/(Вт/м). Термическое сопротивление каждой стенки композиционного изделия R=R+R+R=7,8·10+14,5·10+2,7·10=25·10 К/(Вт/м). Благодаря диффузионным интерметаллидным прослойкам R каждой стенки повысилось на 11%. В полученном изделии, в сравнении с прототипом, обеспечивается одинаковое и повышенное в 1,9-3,4 раза большее термическое сопротивление трехслойных стенок изделия при направлении теплопередачи поперек слоев.