ТЕПЛООБМЕННИК С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в энергетических, химических, установках, в теплорегуляторах и т.п., эксплуатируемых в окислительных газовых средах.
Известна конструкция шестислойного композиционного теплообменника с внутренними полостями, сформированными гидравлическим давлением, в котором внутренние слои выполнены из никеля, наружные - из алюминия, а расположенные между слоями алюминия и никеля теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-никель, 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. (Патент РФ на полезную модель №90734, МПК B32B 15/20; B23K 20/08; B23K 101/14, опубл. 20.01.2010, Бюл. №2).
Недостатком данной конструкции является то, что сплошные теплозащитные слои из интерметаллидов системы никель-алюминий, обладающие помимо высокого термического сопротивления еще и весьма высокой жаростойкостью, располагаются между слоями из алюминия и никеля и отсутствуют на наружных поверхностях получаемых изделий, контактирующих с окружающей средой. Наружные слои в этой конструкции выполнены из легкоплавкого металла - алюминия с температурой плавления 660°C, поэтому ее предельно допустимая рабочая температура не превышает 400-600°C, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в окислительных газовых средах, где требуется повышенная жаростойкость.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция композиционного теплообменника с внутренними полостями, который содержит внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, два слоя из никеля, два слоя из интерметаллидов системы алюминий - никель, выполненный с внутренними слоями из меди, с наружными жаростойкими слоями - из интерметаллидов, а расположенные между медными и интерметаллидными слоями металлические слои - из никеля, каждый жаростойкий интерметаллидный слой системы алюминий - никель толщиной 50-70 мкм получен сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим их формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине каждого слоя никеля равном 1-1,2 мм. Наличие двух жаростойких интерметаллидных слоев обеспечивают работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C. (Патент РФ на полезную модель №122333, МПК B32B 15/20; B23K 20/08; B23K 101/14, опубл. 27.11.2012, бюл. №33- прототип).
Недостатком данной конструкции является то, что теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через широкие перемычки между полостями (не менее 15 мм), обладающими значительным термическим сопротивлением, что существенно снижает теплообмен между веществами - теплоносителями, располагаемыми в смежных внутренних полостях в процессе эксплуатации изделия, а это весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре с повышенной тепловой мощностью. Кроме того, данный теплообменник обладает высокой эффективностью лишь в условиях, когда агрессивная окислительная среда находится с двух сторон изделия, а когда одной из сторон изделия располагается неагрессивная среда, то наличие с этой стороны никелевого и интерметаллидного слоев, заметно повышает термическое сопротивление стенки теплообменника, что, в свою очередь, снижает эффективность теплообмена в этом направлении, а это также ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой конструкции теплообменника с пониженным термическим сопротивлением перемычек между смежными внутренними полостями, со сплошным жаростойким интерметаллидным слоем оптимальной толщины с одной стороны изделия, подверженной воздействию агрессивной окислительной среды, и с пониженным термическим сопротивлением с другой его стороны, где такая агрессивная среда отсутствует, с обеспечением при этом высокой герметичности металла, окружающего внутренние полости изделия.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - значительное снижение в сравнении с прототипом термического сопротивления перемычек между смежными внутренними полостями с обеспечением при этом высокой герметичности металла полостеобразующих элементов и перемычек между смежными полостями с размещением сплошного наружного жаростойкого покрытия в виде интерметаллидного слоя системы алюминий-никель оптимальной толщины на поверхности никелевого слоя с одной стороны изделия, подверженной воздействию агрессивной окислительной среды, и с пониженным термическим сопротивлением с другой его стороны, где такая агрессивная среда отсутствует, за счет использования новых методов сварки взрывом для создания высокопрочных сварных соединений между однородными и разнородными металлическими слоями, а также методов формирования жаростойкого покрытия оптимальной толщины на поверхности никелевого слоя.
Указанный технический результат достигается тем, что теплообменник с внутренними полостями, содержащий слои из никеля и меди с соотношением толщин слоев 1:(1,25-2,5), при толщине слоя никеля равном 1-1,2 мм, соединенные между собой сваркой взрывом, а также жаростойкий слой из интерметаллидов системы алюминий-никель на поверхности никелевого слоя, содержит трубчатые полостеобразующие элементы из меди, сдеформированные в процессе сварки взрывом, при этом каждый полостеобразующий элемент соединен с медным слоем сваркой взрывом по всем поверхностям контакта, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, при этом жаростойкий интерметаллидный слой получен сваркой взрывом алюминиевого слоя с никелевым с последующим его формированием термической обработкой с самопроизвольным удалением алюминиевого слоя с его поверхности при охлаждении на воздухе.
В отличие от прототипа теплообменник с внутренними полостями содержит трубчатые полостеобразующие элементы из меди, сдеформированные в процессе сварки взрывом, при этом каждый полостеобразующий элемент соединен с медным слоем сваркой взрывом по всем поверхностям контакта. Благодаря использованию трубчатых полостеобразующих элементов, каждая внутренняя полость окружена сплошным металлом без каких либо сварных соединений, что обеспечивает высокую герметичность изделия и позволяет при этом обеспечить малую толщину перемычек между смежными полостями и тем самым существенно снизить их термическое сопротивление, что облегчает теплообмен между веществами-теплоносителями в смежных полостях при эксплуатации изделия. Полостеобразующие элементы теплообменника выполнены из меди, поскольку она обладает высокой пластичностью, что облегчает их деформирование при сварке взрывом без образования трещин, при этом медные полостеобразующие элементы легко свариваются между собой и с медным слоем, что придает теплообменнику повышенную прочность при изгибающих нагрузках. Высокая теплопроводность меди способствует интенсивному теплообмену поверхностных слоев изделия с окружающими средами.
Смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, что способствует снижению термического сопротивления перемычек между внутренними полостями, повышает прочность изделия.
Жаростойкий интерметаллидный слой толщиной получен сваркой взрывом алюминиевого слоя с никелевым с дальнейшим его формированием термической обработкой при температуре ниже температуры плавления алюминия с последующим охлаждением на воздухе, приводящим к самопроизвольному разделению слоев из алюминия и никеля по интерметаллидному слою с образованием при этом на поверхности никелевой пластины сплошного жаростойкого покрытия в виде слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель. Применяемый метод формирования жаростойкого интерметаллидного слоя обеспечивает его получение с минимальными энергетическими затратами, при этом, благодаря пониженным температурам термической обработки, которая на 30-60°C ниже температуры плавления алюминия, при ее осуществлении не происходит существенного снижения прочности металлических составляющих теплообменника из-за рекристаллизационных процессов и значительно удешевляется процесс отделения вспомогательного алюминиевого слоя от интерметаллидного.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид теплообменника с внутренними полостями, где позиция 1 -внутренние полости изделия, 2 - трубчатые полостеобразующие элементы из меди, 3 - медный слой, 4 - зоны сварки взрывом медного слоя с полостеобразующими элементами, 5 - зоны сварки взрывом полостеобразующих элементов между собой, 6 - жаростойкий интерметаллидный слой, 7 - никелевый слой, 8 - зона сварки взрывом медного слоя с никелевым.
Работа теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к трубчатым полостеобразующим элементам из меди 2 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости 1 изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется с одной стороны изделия, где окислительная среда - через медные стенки полостеобразующих элементов 2, слой из меди 3, никеля 7 и жаростойкий интерметаллидный слой 6, а с другой стороны изделия, предназначенной для контакта с неагрессивной средой - через медные стенки полостеобразующих элементов 2. Жаростойкий интерметаллидный слой 6 обеспечивает работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C. Теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через перемычки между полостями, состоящими из стенок медных трубчатых полостеобразующих элементов, которые сварены между собой на участках 4. Зоны сварки взрывом (сварные соединения) 4, 5, 8 обеспечивают повышенную прочность изделия к разрушению при изгибающих нагрузках, способствуют беспрепятственному теплообмену между металлическими составляющими теплообменника.
Пример исполнения №1.
н
в
cm
Cu
Ni
Ni
Cu
A1
Исходными материалами для изготовления полостеобразующих элементов теплообменника с внутренними полостями были 16 труб из меди M1 с наружным диаметром D=12 мм, внутренним - D=9 мм длиной 270 мм. Толщина стенки каждой трубы T=1,5 мм. Из труб с удаляемым наполнителем в полостях составляют плоский пакет шириной 192 мм и размещают его на основании. Над пакетом из труб располагают медную, никелевую и алюминиевую пластины и осуществляют сварку взрывом всех составляющих полученной сборки между собой. Длина всех пластин была 270 мм, ширина - 210 мм, толщина медной пластины из меди M1 - δ=2.5 мм, толщина пластины из никеля НП1 - δ=1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди δ:δ=1:2,5. Толщина пластины из алюминия АД1 - δ=1,5 мм. В результате совмещения операций высокоскоростного формообразования труб энергией взрыва со сваркой взрывом получают цельносварную заготовку, которую затем нагревают, выдерживают при температуре 600°C, что на 60°C ниже температуры плавления алюминия, выращивают между слоями алюминия и никеля сплошной интерметаллидный слой требуемой толщины, а затем осуществляют охлаждение на воздухе, которое, из-за возникающих термических напряжений на межслойной границе никелевого и алюминиевого слоев, при водит к самопроизвольному их разделению по интерметаллидному слою, после чего алюминиевый слой идет на вторичную переработку.
инт
Ni
Cu
Ni
Cu
n
ст
Cu
n
-5
2
После обрезки у полученной заготовки боковых кромок с краевыми эффектами в результате получают цельносварной теплообменник с внутренними полостями, изображенный на фиг.1, длиной 250 мм, шириной 170 мм, толщиной около 13 мм, с жаростойким слоем из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной δ=65 мкм на поверхности никелевого слоя с толщиной δ=1 мм, с промежуточным медным слоем толщиной δ=2,5 мм, с соотношением толщин слоев δ:δ=1:2.5, с 14 полостеобразующими элементами, его рабочая температура в окислительных газовых средах со стороны интерметаллидного слоя, как и у прототипа достигает 1000°C. Ширина медных перемычек между смежными каналами, равная удвоенной толщине стенки каждой трубы B=2·Т=2·1,5=3 мм. При коэффициенте теплопроводности меди M1 λ=370 Вт/(м·К) термическое сопротивление каждой такой перемычки равно R=0,81·10 К/(Вт/м).
п.пр
Ni
Cu
инт
n.np
n
Ni
инт
n.np
n.np
n
cm
cm
cm.np
cm.np
cm
-5
2
-5
2
-5
2
У изделия, полученного по прототипу, каждая перемычка между внутренними полостями имеет ширину В=15 мм и состоит из шести слоев: из двух никелевых с толщиной каждого δ=1 мм, из двух медных с δ=2,5 мм, и двух интерметаллидных с δ=70 мкм. B:B=15:3=5, то есть, ширина перемычки между смежными каналами у прототипа в 5 раз больше, чем у предлагаемого теплообменника. Коэффициент теплопроводности никеля НП1 λ=92 Вт/(м·К), интерметаллидного слоя - λ=7,5 Вт/(м·К), термическое сопротивление каждой перемычки у изделия, полученному по прототипу R=5,2·10 К/(Вт/м), R/R=6,4, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 6,4 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции. При этом у теплообменника предлагаемой конструкции с той стороны, где отсутствует жаростойкий интерметаллидный слой (предназначенной для контакта с неагрессивной средой) теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется через медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной стенки T=1,5 мм с малым термическим сопротивлением R=0,4·10 К/(Вт/м). У изделия по прототипу термическое сопротивление каждой трехслойной стенки, окружающей внутреннюю полость, при направлении теплопередачи поперек слоев R=2,8·10 К/(Вт/м), отношение R/R=7, то есть, у предлагаемого теплообменника с одной из его сторон термическое сопротивление стенок в 7 раз ниже, чем у прототипа, а это расширяет возможные области применения теплообменника предлагаемой конструкции в энергетических, химических и других установках.
Пример исполнения №2.
в
cm
Cu
Ni
Ni
Cu
A1
То же, что в примере 1, но внутренний диаметр труб D=8 мм, толщина стенки каждой трубы T=2 мм. Толщина медной пластины - δ=2 мм, пластины из никеля - δ=1,1 мм, соотношение толщин никеля и меди δ:δ=1:1,82, толщина удаляемой при термической обработке пластины из алюминия - δ=1,3 мм. После сварки взрывом нагревают и выдерживают заготовку для выращивания между слоями алюминия и никеля сплошного интерметаллидного слоя при температуре 615°C, что на 45°C ниже температуры плавления алюминия.
инт
Ni
Cu
Ni
Cu
n
cm
n
-5
2
В полученном теплообменнике с внутренними полостями толщина жаростойкого слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель с одной стороны изделия δ=55 мкм, толщина никелевого слоя δ=1,1 мм, медного - δ=2 мм, δ:δ=1:1,82. Ширина перемычек между смежными каналами B=2·T=4 мм термическое сопротивление каждой такой перемычки R=1·10 К/(Вт/м), толщина изделия около 12,5 мм.
инт
n.np
n
n.np
n.np
n
cm
cm
cm.np
cm.np
cm
-5
2
-5
2
-5
2
У изделия, полученного по прототипу, при таких же толщинах никелевого и медного слоев и при толщине интерметаллидных слоев δ=60 мкм, соотношение B:B=15:4=3,75, то есть, ширина перемычки между смежными каналами у прототипа в 3,75 раз больше, чем у предлагаемого теплообменника. Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия по прототипу R=5,3·10 К/(Вт/м), R/R=5,3, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 5,3 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции. При этом у теплообменника предлагаемой конструкции с той стороны, где отсутствует жаростойкий интерметаллидный слой (где находится неагрессивная среда) теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется через медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной стенки T=2 мм с термическим сопротивлением R=0,5·10 К/(Вт/м). У изделия по прототипу термическое сопротивление каждой трехслойной стенки, окружающей внутреннюю полость, при направлении теплопередачи поперек слоев R=2,5·10 К/(Вт/м), отношение R/R=5, то есть, у предлагаемого теплообменника с одной из его сторон термическое сопротивление стенок в 5 раз ниже, чем у прототипа.
Пример исполнения №3.
в
cm
Cu
Ni
Ni
Cu
A1
То же, что в примере 1, но внутренний диаметр труб D=7 мм, толщина стенки каждой трубы T=2,5 мм. Толщина медной пластины - δ=1,5 мм, пластины из никеля - δ=1,2 мм, соотношение толщин никеля и меди δ:δ=1:1525, толщина удаляемой при термической обработке пластины из алюминия - δ=1,2 мм. После сварки взрывом нагревают и выдерживают заготовку для выращивания между слоями алюминия и никеля сплошного интерметаллидного слоя при температуре 630°C, что на 30°C ниже температуры плавления алюминия.
инт
Ni
Cu
Ni
Cu
n
cm
n
-5
2
В полученном теплообменнике с внутренними полостями δ=45 мкм, никелевого слоя δ=1,2 мм, медного - δ=1,5 мм, δ:δ=1-1,25. Ширина перемычек между смежными каналами B=2·T=5 мм термическое сопротивление каждой такой перемычки R=1,3·10 К/(Вт/м), толщина изделия около 12 мм.
инт
n.np
n
n.np
n.np
n
cm
cm
cm.np
cm.np
cm
-5
2
-5
2
-5
2
У изделия, полученного по прототипу, при таких же толщинах никелевого и медного слоев и при толщине интерметаллидных слоев δ=50 мкм, соотношение B:B=15:5=3, то есть, ширина перемычки между смежными каналами у прототипа в 3 раза больше, чем у предлагаемого теплообменника. Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия, полученного по прототипу R=5,8·10 К/(Вт/м), R/R=4,5, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 4,5 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции. При этом у теплообменника предлагаемой конструкции с той стороны, где отсутствует жаростойкий интерметаллидный слой (где может располагаться неагрессивная среда) теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется через медные стенки полостеобразующих элементов с толщиной стенки T=2,5 мм с термическим сопротивлением R=0,64·10 К/(Вт/м). У изделия по прототипу при термическое сопротивление каждой трехслойной стенки, окружающей внутреннюю полость, при направлении теплопередачи поперек слоев R=2,4·10 К/(Вт/м), отношение R/R=3,75, то есть, у предлагаемого теплообменника с одной из его сторон термическое сопротивление стенок в 3,75 раз ниже, чем у прототипа.
Для сравнения использовали полученный по прототипу шестислойный композиционный теплообменник с внутренними полостями. Исходными материалами для его изготовления были две пластины из меди M1, две - из никеля НП1 и две - из алюминия АД1. Из пластин составляли два трехслойных пакета под сварку взрывом с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины. После сварки взрывом пакетов на поверхность медного слоя одной из сваренных трехслойных заготовок наносят по трафарету слои противосварочного вещества в виде полос, шириной равной 25 мм, с расстояним между противосварочными полосами 15 мм, с расстояниями от краев заготовки 30 мм, толщина полос - 80-100 мкм. Составляют пакет под сварку взрывом из двух полученных трехслойных заготовок, которые располагают параллельно друг над другом, при этом пластину с нанесенными противосварочными полосами размещают внизу пакета. После сварки взрывом трехслойных пакетов между собой, обрезки боковых кромок с краевыми эффектами и термической обработки для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной шестислойной заготовки производят формирование между ее медными слоями внутренних полостей, в специальной оснастке методом их раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой внутренней полости равна 25 мм, высота - 4 мм. Затем в электропечи производят отжиг полученной заготовки с внутренними полостями для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение с получением при этом композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными покрытиями на его наружных поверхностях.
инт
max
min
Cu
Ni
cm,np
-5
2
В результате получают цельносварное композиционное изделие с пятью внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, с герметичными перемычками между полостями шириной около 15 мм, со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями на наружных поверхностях толщиной δ=50-70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=9,5-11 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=5,5-7 мм, толщина медных слоев δ=1,5-2,5 мм, никелевых - δ=1-1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:(1,25-2,5). Длина изделия - 300 мм, ширина - 225 мм. Рабочая температура теплообменника в окислительных газовых средах достигает 1000°C. В сравнении с предлагаемым способом у этого теплообменника ширина перемычек между смежными каналами в 3-5 раз больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции, а термическое сопротивление этих перемычек в 4,5-6,4 раза больше. У прототипа термическое сопротивление каждой трехслойной стенки, окружающей внутреннюю полость, при направлении теплопередачи поперек слоев одинаковое с обеих сторон каждой стороны: R=(2,4-2,8)·10 К/(Вт/м), что в 3,75-7 раз больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции при направлении теплопередачи в сторону, где отсутствует жаростойкий интерметаллидный слой.