КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН С ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТЬЮ

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 с окружающей средой неодинаков 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, в том числе из меди и алюминия, полученного локальной сваркой взрывом 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 хрупкой интерметаллидной прослойке, внутренние полости изделия контактируют с разнородными металлами, что снижает их коррозионную стойкость, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, конструкции композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью 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 внутренней полостью 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 сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев во всем объеме изделия, получение одинакового термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев, обеспечение однородности материала, контактирующего с внутренней полостью изделия, повышение стойкости изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренней полости.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплозащитный экран выполнен в виде пятислойной трубы, в которой наружный и внутренний слой 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.
В отличие от прототипа теплозащитный экран выполнен в виде пятислойной трубы, в которой сплошность всех слоев сохраняется во всем объеме изделия. Предложенная форма теплозащитного экрана позволяет закреплять его и использовать на многих образцах химического и энергетического оборудования. Наличие пяти непрерывных слоев в изделии обеспечивает у него постоянное и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Внутренний и наружный слои изделия выполняют из меди, что придает экрану повышенную прочность и коррозионную стойкость. Слой из алюминия, помимо создания дополнительного термического сопротивления, придает интерметаллидным прослойкам большую стойкость к хрупкому разрушению при резких перепадах давления во внутренней полости. При термической обработке изделия слой алюминия в контакте с медью способствует образованию теплозащитных слоев с повышенными теплозащитными свойствами. Две сплошные интерметаллидные прослойки между слоями меди и алюминия толщиной 15-20 мкм способствуют существенному повышению теплозащитных свойств экрана. При толщине прослоек менее 15 мкм термическое сопротивление изделия оказывается недостаточным. При толщине прослоек более 20 мкм возникает склонность изделия к образованию трещин в интерметаллидных прослойках.
В предлагаемой конструкции все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой. Сварка взрывом позволяет получать надежные соединения между металлами, которые не разрушаются при последующих операциях прокатки и формоизменения заготовки вытяжкой, а окончательная термическая обработка способствует формированию теплозащитных интерметаллидных слоев необходимой толщины с высокой прочностью сцепления их с металлическими слоями из меди и алюминия.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид изделия с вырезанной для наглядности четвертью. Композиционный теплозащитный экран с внутренней полостью выполнен в виде трубы и состоит из наружного 1 и внутреннего 2 медных слоев, алюминиевого слоя 3 и двух теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь 4,5. Все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом с последующим формированием теплозащитных интерметаллидных слоев термической обработкой после операций прокатки и вытяжки.
Работа композиционного теплозащитного экрана осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например, сваркой плавлением металлические трубопроводы для пропускания через внутреннюю полость изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Ограниченный теплообмен этих веществ с окружающей средой осуществляется через пятислойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением.
В другом варианте использования композиционный теплозащитный экран напрессовывают на патрубок химического или иного агрегата а вещество-теплоноситель пропускают через его внутреннюю полость. В данном случае ограниченный теплообмен с окружающей средой осуществляется через стенки патрубка и теплозащитного экрана.
1
2
1
2
из
Cu
A1
пр
пр
пр
пр
пр
Cu
Cu
А1
A1
ком
1
2
-6
2
-6
2
-6
2
-6
2
Пример исполнения №1. Исходными материалами для изготовления композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью были две пластины из меди M1 и пластина из алюминия АД1 длиной 375 мм, шириной 160 мм. Толщина каждой медной пластины была δ=3 мм, алюминиевой - δ=0,8 мм. Пластины собирали в пакет и сваривали взрывом. После сварки взрывом заготовку прокатывали, вырубали из нее диск, который подвергали формоизменению вытяжкой, затем у отформованной заготовки вырезали среднюю цилиндрическую часть, а затем полученную трубчатую заготовку подвергали отжигу для формирования между слоями меди и алюминия теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-медь. В результате получают композиционный теплозащитный экран в виде трубы, как на фиг.1, с двумя сплошными теплозащитными интерметаллидными прослойками во всем объеме изделия, с одинаковым термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев, с однородным металлом, контактирующим с внутренней полостью изделия, с повышенной стойкостью изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренней полости. Его наружный диаметр d=85 мм, внутренний - d=79 мм, высота Н=80 мм. Толщина каждого медного слоя после вытяжки δ=1,26 мм, алюминиевого - δ=0,2 мм, суммарная толщина металлических слоев S=2,72 мм. Толщина каждой интерметаллидной прослойки δ=20 мкм, коэффициент теплопроводности прослойки λ=37 Вт/(м·К), ее термическое сопротивление R=δ:λ=0,00002:37=0,54·10 К/(Вт/м). Коэффициент теплопроводности меди λ=410 Вт/(м·К). Термическое сопротивление одного медного слоя R=3,1·10 К/(Вт/м). Коэффициент теплопроводности алюминия λ=226 Вт/(м·К), термическое сопротивление алюминиевого слоя R=0,9·10 К/(Вт/м). Термическое сопротивление стенки изделия при направлении теплопередачи поперек слоев R=8,18·10 К/(Вт/м). Для сравнения у прототипа принимали δ=δ=3 мм. В сравнении с прототипом термическое сопротивление стенки изделия при направлении теплопередачи поперек слоев увеличилось на 9% при металлоемкости изделия в 2,2 раза меньшей, чем у изделия, полученного по прототипу.
1
2
1
2
Cu
A1
пр
cu
A1
пр
ком
-6
2
-6
2
-6
2
-6
2
Пример исполнения №2. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. δ=2,5 мм, δ=1 мм, длина пластин перед сваркой взрывом 375 мм, ширина - 170 мм. Размеры полученного изделия: d=80 мм, d=73 мм, толщина каждого медного слоя δ=1,375 мм, алюминиевого - δ=0,55 мм. Суммарная толщина металлических слоев S=3,3 мм, толщина каждой интерметаллидной теплозащитной прослойки δ=18 мкм, R=3,4·10 К/(Вт/м), R=2,4·10 К/(Вт/м), R=0,49·10 К/(Вт/м). При этом R=10,18·10 К/(Вт/м), что, в сравнении с прототипом, на 36% больше при металлоемкости изделия в 1,8 раза меньшей, чем у изделия, полученного по прототипу.
1
2
1
2
из
cu
A1
пр
cu
A1
пр
ком
-6
2
-6
2
-6
2
-6
2
Пример исполнения №3. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. δ=2 мм, δ=1,2 мм, ширина пластин перед сваркой взрывом - 250 мм. Размеры полученного изделия: d=75 мм, d=68 мм, Н=85 мм. Толщина каждого медного слоя δ=1,4 мм, алюминиевого - δ=0,6 мм. Суммарная толщина металлических слоев S=3,4 мм, толщина каждой интерметаллидной теплозащитной прослойки δ=15 мкм, R=3,5·10 К/(Вт/м), R=2,6·10 К/(Вт/м), R=0,4·10 К/(Вт/м), при этом R=10,4·10 К/(Вт/м), что, в сравнении с прототипом, на 39% больше при металлоемкости изделия в 1,7 раза меньшей, чем у изделия, полученного по прототипу.
В сравнении с прототипом предложенная конструкция композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью обладает повышенным и однородным термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев, более высокой стойкостью изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренней полости, обеспечивается однородность материала, контактирующего с внутренней полостью изделия.