К вопросу использования биметаллов в нагревательных приборах

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

УДК 621.777.001 К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИМЕТАЛЛОВ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Н. П. Михайлов1, М.И. Дмитриченко2, Э. А. Андреев3 Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

(СПбГУСЭ),

Рассмотрены возможности повышения теплопроводности в бытовых нагревательных приборах на основе использования многослойных металлических композиций. Приведены результаты оценки напряженного состояния биметалла «сталь+медь+сталь» при нагреве в диапазоне температур 100 - 300 оС.

Ключевые слова: нагревательный прибор, теплопроводность, биметалл, напряжение.

TO THE QUESTION OF USE OF BIMETALS IN HEATING

DEVICES

N. P.Mihajlov, M.LDmitrichenko, E.A.Andreev

Possibilities of increasing the heat conductivity in household heating devices on the basis of use of multilayered metal compositions are considered. Results of an estimation of a tension of bimetal «a steel+copper+a steel» are resulted at heating in a range of temperatures 100 - 300 wasps.

Keywords: the heating device, heat conductivity, bimetal, pressure.

Развитие техники, в том числе и бытовой, вызывает необходимость создания материалов, обладающих комплексом ценных свойств, таких как высокая прочность, коррозионная стойкость, теплопроводность, износостойкость и др. Отдельные металлы и сплавы часто не могут обеспечить требуемую гамму свойств. Поэтому важная роль в создании новых материалов со специальными свойствами принадлежит слоистым металлическим композициям-биметаллам.

В настоящее время для изготовления посуды применяются высоколегированные нержавеющие стали с антипригарным покрытием. Их недостатком является сравнительно низкая теплопроводность, приводящая к подгоранию пищи в области локального нагрева, напри-

мер, газовыми горелками. Для устранения этого недостатка целесообразно применение медных сплавов, плакированных нержавеющими сталями.

Цель настоящей работы состоит в исследовании возможностей замены дорогих специальных сплавов сравнительно дешевым биметаллом

«сталь+медь+сталь». При этом решались следующие задачи:

- обеспечение максимально быстрой передачи тепла медной основе через слой стали, обладающей низкой теплопроводностью;

- определение соотношения толщины слоев композиции, обеспечивающего постоянство технологических свойств биметаллов при воздействии высоких температур.

Одним из факторов, определяющих интенсивность теплопередачи через поверхность контакта металлов, является ее площадь. Среди известных технологий производства биметалла, позволяющих управлять поверхностью контакта, является сварка взрывом [1] . При оптимальных режимах сварки профиль сварного шва имеет волнистую форму, близкую к синусоиде

Применение сварки взрывом [1] позволяет при неизменной поверхности биметалла увеличить площадь сварочного шва в полтора раза, что обеспечивает чрезвычайно высокую теплопроводность в композиции «сталь+медь+сталь».

Для подготовки металла к технологическим операциям штамповки, прокатки и др. необходим промежуточный отжиг. В работах [2,3] установлено, что для металла «сталь-медь-сталь» характерно повышение прочности сцепления слоев при увеличении температуры отжига до 6600 за счет диффузионных процессов.

Особенностью работы биметалла в нагревательных приборах является возникновение внутренних напряжений вследствие различия коэффицентов линейного расширения металлов.. Для исследования деформаций и напряжений при нагреве выбрана композиция биметалла «стальX18H10T+медь

М1+стальX18H10T», в которой для исключения изгиба слои стали имели одинаковую толщину. Для оценки возможности использования биметалла в нагревательных приборах выполнен расчет температурных напряжений.

Схема деформации металлов при нагреве приведена на рис.1.

В расчете использовались физикомеханические свойства металлов композиции при высоких температурах, приведенные в работе [4].

Исходя из приведенных схем свободной и совместимой деформации слоев металла композиции при фиксированной температуре получено уравнение, связывающее температурные и силовые деформации слоев меди и стали.

А/, -А/2 = А// + А/2\

где: А1Л и А10 - удлинение листов меди и стали до сварки (в свободном состоянии); А/ - температурное удлинение биметалла; Alx и А/9 - линейное деформирование слоев, определяющее температурное напряжение в биметалле.

Рисунок 1 - Схема деформаций при нагреве металлов: а - конструкция биметалла «сталь-медь-сталь»; Ь - деформация слоев металла; 1 - медь, 2 - сталь

Из уравнения следует, что при совместной деформации слоев металла на

величину Д/ сталь растягивается на Д// , а медь сжимается на А1п' (рис. 16). Таким

образом, разность температурных деформаций до и после сварки компенсируется напряжениями, возникающими в слоях металла. Выражая температурные деформации через коэффициент линейного расширения, а деформации от внутренних напряжений через силы продольного

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕРВИСА №4 (14) 2010

27

сжатия в меди и растяжения стали получаем

Р

И1 м

/ ,а АТ-Іа АТ = 1 Ґм/ +' / 'І

'о иМш 'о“сГш 'о'. //Г /Г Т7 Т7 >

/ д

Ест^ст

где: ам и асТ - коэффициенты линейного расширения меди и стали; Ем и Ест -модули упругости металлов; /0 - начальная длина образца биметалла; АТ - температура нагрева; Рм и Гст - усилия, действующие в слоях биметалла;

Рм и ¥ст - площади сечений слоев металлов.

Поскольку композиция, в силу симметрии, исключает изгиб, суммарное усилие растяжения в слоях стали должно уравновешиваться усилием сжатия в меди Рст =РМ =Р.

Из уравнения (1) получаем Р — АТ(схм — ссст).

.

Я

Вводя безразмерное отношение т = —;

д2

и решая уравнение (2), находим напряжение в слоях биметалла

<?,, = Р/1 = АТ(ам -аг/ )( 1.

'М

'5,

Е

ж/

)

Е

^СТ

<7сг /6 а°т ^ /Е т + /Е ^

~ /М

Из (3) следует, что для любой заданной симметричной композиции биметалла внутренние напряжения не зависят от толщины биметалла и однозначно определяются величиной т.

Из приведенных графиков (Рис. 2) следует, что при т > 4 напряжения в ста-

ли и меди не превышают 0,6сг09, что

обеспечивает надежность работы биметалла в интервале температур

100...3 000С.

Рисунок 2 - Зависимость температурных напряжений в биметалле от отношения толщины слоев меди и стали

Литература

І.Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом. Минск: «Наука и техника». 1990

2.Лебедев В.М. Слоистые металлические композиции. Москва. «Металлургия». 1986 г.

3.Григорьев И.С. Физические величины. Москва. «Энергоиздание». 1991г.

4.Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Москва. Изд.1 «Металлургия» 1987 г.

m

2

И

1 Михайлов Николай Павлович, профессор, доктор технических наук, зав.каф. «Высшая математика» СПбГУСЭ, тел.: (812) 786 90 54

2

Дмитриченко Михаил Иванович, профессор, кандидат технических наук,директор института торговли и ресторанного бизнеса СПбГУСЭ, тел.: (812) 9950326

3 Андреев Эдуард Анатольевич, ст. преподаватель каф. «Высшая математика» СПбГУСЭ, тел.: (812) 786 90 54