КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва, и предназначается для использования в криогенных, химических, энергетических установках и т.п.
Известна цельносварная конструкция пятислойного композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, содержащая верхнюю - фланцевую часть, центральную - в виде трубы и плоскую донную часть, наружный и внутренний слой экрана выполнены из меди, средний - из алюминия, а расположенные между слоями меди и алюминия теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-медь толщиной 15-20 мкм, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой. Недостатком данной конструкции является наличие в ней металлических слоев из меди и алюминия, обладающих повышенной теплопроводностью и, соответственно, малым термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев. Кроме того, теплозащитные слои из интерметаллидов системы алюминий-медь имеют малую суммарную толщину, не превышающую 30-40 мкм и, поэтому, обладают сравнительно невысоким термическим сопротивлением. Все это весьма ограничивает применение таких изделий в теплообменной аппаратуре (Патент на полезную модель №86899, МПК В23К 20/08, В23К 101/14, опубл. 20.09.2009, бюл. №26).
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция биметаллического теплообменника, в том числе из титана и стали, полученного локальной сваркой взрывом листов одинаковой толщины. В этой конструкции внутренние проходные каналы круглого профиля сформированы гидравлическим давлением в специальном приспособлении. На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении. 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, суммарное термическое сопротивление такой конструкции при направлении теплопередачи поперек слоев невелико, внутренние полости изделия контактируют и разнородными металлами, что снижает коррозионную стойкость теплообменника в агрессивных средах, все это весьма ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий /Сварочное производство №6, 1998. С. 34-37 - прототип).
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой многослойной конструкции композиционного теплозащитного экрана, состоящей из стальных, титановых и сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев, обеспечивающих ее повышенное и одинаковое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев и повышенную коррозионную стойкость в условиях агрессивных сред.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев за счет большого числа сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев во всем объеме изделия, получение одинакового термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости конструкции в условиях агрессивных сред.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран, содержащий стальной и титановый слои с расположенным между ними теплозащитным интерметаллидным слоем из титана и стали, выполнен многослойным из чередующихся слоев коррозионно-стойкой стали, теплозащитных интерметаллидных и титановых слоев, состоит из верхней части сферической формы и нижней - цилиндрической, количество титановых слоев в теплозащитном экране не менее двадцати четырех, количество теплозащитных интерметаллидных слоев равно 2·N, где N - количество титановых слоев, при этом наружные слои выполнены из коррозионно-стойкой стали, все стальные слои соединены с титановыми по всем поверхностям контакта сваркой взрывом с последующим формированием между ними термической обработкой сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев из титана и стали толщиной 0,2-0,3 мм, при этом их суммарная толщина составляет 36,4-48% толщины композиционного теплозащитного экрана.
В отличие от прототипа композиционный теплозащитный экран выполнен многослойным из чередующихся слоев коррозионно-стойкой стали, теплозащитных интерметаллидных и титановых слоев, причем в нем как металлические, так и теплозащитные интерметаллидные слои сплошные, что обеспечивает у него постоянное и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Применение в конструкции коррозионно-стойких материалов для формирования металлических и теплозащитных интерметаллидных слоев обеспечивает высокую коррозионную стойкость конструкции в целом.
Предлагаемая конструкция содержит верхнюю часть сферической формы и нижнюю - цилиндрическую. Такая форма теплозащитного экрана обеспечивает у него повышенную прочность при значительных изгибающих нагрузках и давлениях, позволяет осуществлять надежную герметизацию сосудов высокого давления, закреплять его и использовать в различных образцах химического и энергетического оборудования.
В предлагаемой конструкции количество титановых слоев в теплозащитном экране не менее двадцати четырех, количество теплозащитных интерметаллидных слоев равно 2·N, где N - количество титановых слоев, при этом наружные слои выполнены из коррозионно-стойкой стали, что, в совокупности, обеспечивает повышенное и постоянное во всем объеме изделия высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Наружные слои из коррозионно-стойкой стали обеспечивают повышенную коррозионную стойкость конструкции при непосредственном контакте с агрессивными средами как снаружи, так и внутри изделия. Слои из коррозионно-стойкой стали и титана, помимо создания дополнительного термического сопротивления, повышают прочность и стойкость изделия к хрупкому разрушению при знакопеременных нагрузках. Количество титановых и теплозащитных интерметаллидных и слоев ниже нижнего предлагаемого предела приводит к снижению прочностных и теплозащитных свойств предлагаемой конструкции.
В предлагаемой конструкции все стальные слои соединены с титановыми по всем поверхностям контакта сваркой взрывом с последующим формированием между ними сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев из титана и стали. Сварка взрывом позволяет получать надежные соединения между разнородными металлами, которые не разрушаются при последующих операциях прокатки и формоизменения заготовки, а окончательная термическая обработка способствует формированию теплозащитных интерметаллидных слоев необходимой толщины с высокой прочностью сцепления их с металлическими слоями из коррозионно-стойкой стали и титана по всем поверхностям контакта.
В предлагаемой конструкции сформированные термической обработкой после сварки взрывом сплошные теплозащитные интерметаллидные слои из титана и стали имеют толщину 0,2-0,3 мм, при этом их суммарная толщина составляет 36,4-48% толщины композиционного теплозащитного экрана, что обеспечивает его повышенное термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. При толщине каждого теплозащитного интерметаллидного слоя и их суммарной толщине в изделии ниже нижнего предлагаемого предела происходит снижение термического сопротивления изделия при направлении теплопередачи поперек слоев. При толщине каждого теплозащитного интерметаллидного слоя и их суммарной толщине в изделии выше верхних предлагаемых пределов получаемая конструкция приобретает склонность к хрупкому разрушению при знакопеременных нагрузках, а это ограничивает возможность использования таких изделий в теплообменной аппаратуре ответственного назначения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид композиционного теплозащитного экрана с вырезанной для наглядности четвертью и расположение в его поперечном сечении металлических и теплозащитных интерметаллидных слоев. Композиционный теплозащитный экран содержит верхнюю часть 1 сферической формы и нижнюю - цилиндрическую 2. Такая форма экрана обеспечивает его повышенную прочность при изгибающих нагрузках. Цилиндрическая часть позволяет осуществлять надежную герметизацию технологических отверстий химических и других аппаратов. Композиционный теплозащитный экран выполнен многослойным из чередующихся слоев коррозионно-стойкой стали, теплозащитных интерметаллидных и титановых слоев, при этом слои сгруппированы в 12-16 одинаковых сваренных между собой девятислойных пакетов. В каждом таком пакете три стальных слоя 3-5, два титановых 6, 7 и четыре расположенных между стальными и титановыми слоями сплошных теплозащитных интерметаллидных слоя 8-11. Стальной слой 3 является наружным, облицовочным. Такой же стальной облицовочный слой расположен внутри теплозащитного экрана. Все смежные девятислойные пакеты соединены между собой сваркой взрывом стальных слоев, например, слоев 5, 12 по всем поверхностям контакта 13. Такие сваренные между собой стальные слои придают теплозащитному экрану повышенную прочность при растягивающих и изгибающих нагрузках. Количество титановых слоев N в теплозащитном экране не менее двадцати четырех, количество теплозащитных интерметаллидных слоев равно 2·N, при этом наружные слои выполнены из коррозионно-стойкой стали. Все стальные слои соединены с титановыми по всем поверхностям контакта сваркой взрывом с последующим формированием между ними сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев из титана и стали термической обработкой. Суммарная толщина теплозащитных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них равной 0,2-0,3 мм составляет 36,4-48% толщины композиционного теплозащитного экрана. Стальные и титановые слои, совместно с теплозащитными интерметаллидными слоями, обеспечивают высокое термическое сопротивление теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек его слоев.
Использование композиционного теплозащитного экрана осуществляется следующим образом. Экраном закрывают технологическое отверстие химического или иного аппарата для ограничения утечки тепловой энергии в атмосферу и закрепляют его на агрегате струбциной или иным способом. Ограниченный теплообмен с окружающей средой веществ-теплоносителей, находящихся внутри химического или иного аппарата, с окружающей средой осуществляется через многослойную стенку композиционного теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением.
Пример исполнения 1.
э
э
н
в
э
с.н.
с.в.
ц
-3
2
В качестве исходных материалов для изготовления композиционного теплозащитного экрана использовали коррозионно-стойкую сталь 12Х18Н10Т и титан марки ВТ1-0. Экран состоит из шестнадцати сваренных между собой девятислойных пакетов и содержит титановые слои в количестве N=32, сплошные теплозащитные интерметаллидные слои в количестве 2·N=64 с толщиной каждого из них равной 0,3 мм и 48 слоев из стали 12Х18Н10Т, при этом суммарная толщина теплозащитных интерметаллидных слоев составляет 48% толщины композиционного теплозащитного экрана, которая в данном примере равна δ=40 мм. Термическое сопротивление его стенки Rэ равно сумме термических сопротивлений всех слоев, входящих в его состав, и рассчитывается для каждого слоя как отношение его толщины к коэффициенту теплопроводности. В данном примере R=5,6·10 К/(Вт/м) постоянное на всех участках изделия и в 18,7 раз больше, чем у изделия, полученного по прототипу. Наружный диаметр цилиндрической части композиционного теплозащитного экрана D=210 мм, внутренний - D=130 мм, высота экрана Н=115 мм, радиус кривизны наружной сферической поверхности экрана R=110 мм, радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R=70 мм, высота цилиндрической части Н=30 мм. Предлагаемая конструкция обладает повышенной коррозионной стойкостью в условиях агрессивных кислотных, щелочных и других сред. Стальные и титановые слои совместно с теплозащитными интерметаллидными слоями, обеспечивают высокое термическое сопротивление теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек его слоев.
Пример исполнения 2.
э
э
в
с.в.
-3
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Композиционный теплозащитный экран состоит из четырнадцати сваренных между собой девятислойных пакетов и содержит титановые слои в количестве N=28, теплозащитные интерметаллидные слои в количестве 2·N=56 с толщиной каждого из них равной 0,25 мм и 42 слоя из стали 12Х18Н10Т, при этом суммарная толщина теплозащитных интерметаллидных слоев составляет 42% толщины композиционного теплозащитного экрана, δ=33.6 мм. Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R=4,6·10К/(Вт/м), что в 15,3 раза больше, чем у изделия, полученного по прототипу. Внутренний диаметр цилиндрической части теплозащитного экрана - D=142,8 мм, радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R=76,4 мм.
Пример исполнения 3.
э
э
в
с.в
-3
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Композиционный теплозащитный экран состоит из двенадцати сваренных между собой девятислойных пакетов и содержит титановые слои в количестве N=24, теплозащитные интерметаллидные слои в количестве 2·N=48 с толщиной каждого из них равной 0,25 мм и 36 слоев из стали 12Х18Н10Т, при этом суммарная толщина теплозащитных интерметаллидных слоев составляет 36,4% толщины коррозионно-стойкого теплозащитного экрана, δ=26,4 мм. Термическое сопротивление стенки композиционного теплозащитного экрана R=3,2·10 К/(Вт/м), что в 10,7 раза больше, чем у изделия, полученного по прототипу. Внутренний диаметр цилиндрической части теплозащитного экрана - D=157,2 мм, радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R=83,6 мм.
-3
2
Для сравнения с предлагаемым способом взята конструкция биметаллического теплообменника, изготовленного по прототипу, из титана ВТ1-0 и стали 12Х18Н10Т, полученного локальной сваркой взрывом листов с толщиной каждого из них 2 мм, с межканальными промежутками шириной 12 мм, с интерметаллидными прослойками между слоями из титана и стали толщиной 0,3 мм. Термическое сопротивление стенки такого биметаллического теплообменника неодинаковое на различных участках изделия, на межканальных промежутках термическое сопротивление стенки наибольшее и равно 0,3·10 К/(Вт/м ), что в 10,7-15,7 раз меньше, чем у композиционного теплозащитного экрана предлагаемой конструкции.