КОМПОЗИЦИОННЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным взрывным прессованием с последующей термообработкой и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках.
Известна конструкция многоканального цилиндрического теплообменника, полученного сваркой взрывом (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.35), в которой внутри стальной оболочки располагаются медные полостеобразующие элементы. Соединение стальной оболочки с медными полостеобразующими элементами формируется по схеме сварки взрывом цилиндрических заготовок, а соединение последних с центральным полостеобразующим элементом формируется благодаря введению дополнительных латунных стержней, которые при термической обработке после взрывного воздействия способствуют образованию локальных неразъемных соединений между медными полостеобразующими элементами.
Недостатком данной конструкции является наличие стальной оболочки, которая при эксплуатации изделия весьма затрудняет теплообмен теплоносителей, прокачиваемых через внутренние каналы изделия, с окружающей средой. Из-за отсутствия сплошных сварных соединений между стенками полостеобразующих элементов создаются дополнительные препятствия для передачи тепла между теплоносителями, находящимися в смежных каналах изделия. При эксплуатации изделия в условиях циклических нагрузок (вибрации) возможно разрушение локальных очагов сварки. Кроме того, объемная доля полостей в таких изделиях невелика,
поэтому велика их металлоемкость, а это ограничивает возможные области применения данной конструкции в облегченной теплообменной аппаратуре.
Известна цельносварная конструкция композиционного теплообменника с внутренними полостями, полученного сваркой взрывом (Патент РФ на полезную модель №72432, МПК В23К 101/14, опубл. 20.04.2008, бюл. №11), при изготовлении которой используют трубчатые полостеобразующие элементы, которые выполнены биметаллическими с наружными слоями из латуни, внутренними из меди, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, в поперечном сечении внутренние полости имеют овальную форму, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой и со стальными плакирующими слоями сваркой взрывом по всей поверхности контакта, толщина стальных плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни. Недостатком данной конструкции является наличие стальных плакирующих слоев с двух сторон изделия, обеспечивающих повышенную прочность изделия при изгибающих нагрузках, но снижающих при этом эффективность теплообмена между веществами, находящимися во внутренних каналах и окружающей средой. Кроме того, толстые латунные слои, обладающие в 3,6 раза меньшей теплопроводностью, чем медь существенно затрудняют теплообмен между веществами, находящимися в смежных каналах. К недостаткам данной конструкции также можно отнести малую объемную долю полостей в изделии, не превышающую 12-16%, что ограничивает возможные области применения данной конструкции в теплообменной аппаратуре, где требуется пониженный расход металла в расчете на одно изделие.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция биметаллического теплообменника с внутренними полостями, полученного сваркой взрывом (Патент РФ на полезную модель №72433, МПК 101/14,
В23К 20/08 опубл. 20.04.2008, бюл. №11. - прототип), содержащая трубчатые полостеобразующие элементы с наружными слоями из латуни, внутренними - из меди, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, в поперечном сечении внутренние полости имеют овальную форму, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, при этом площадь каждого такого сварного соединения составляет 0,14-0,16 площади наружной боковой поверхности слоя из латуни.
Недостатком данной конструкции является значительная толщина латунных слоев от 1,2 до 2 мм, создающих большие термические сопротивления (отношение толщины слоя к коэффициенту его теплопроводности) при теплообмене между веществами во внутренних каналах и окружающей средой. Кроме того, данная конструкция обладает повышенной металлоемкостью: объемная доля внутренних полостей в изделии не превышает 17-23%, а это весьма ограничивает возможные области применения таких изделий в облегченной теплообменной аппаратуре, где требуется пониженный расход металла в расчете на одно изделие.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой конструкции с пониженным термическим сопротивлением латунных слоев биметаллических полостеобразующих элементов с сохранением при этом высокой герметичности медных слоев, снижение металлоемкости изделий за счет существенного повышения объемной доли полостей в изделии.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - понижение термических сопротивлений латунных слоев полостеобразующих элементов, снижение металлоемкости изделий,
повышение объемной доли внутренних полостей в изделии, при этом в процессе изготовления изделия не нарушается герметичность металла слоев.
Указанный технический результат достигается тем, что в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди плазменной металлизацией по всем поверхностям их соприкосновения, биметаллические полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на поверхности центрального стального трубчатого полостеобразующего элемента по кольцу, все смежные биметаллические полостеобразующие элементы соединены между собой и с центральным стальным полостеобразующим элементом по всем поверхностям контакта взрывным прессованием с последующим оплавлением латунных слоев, имеющих толщину 10-30 мкм, в поперечном сечении биметаллические полостеобразующие элементы имеют форму, криволинейного четырехугольника, при этом радиус кривизны поверхностей их соприкосновения с центральным стальным полостеобразующим элементом соответствует наружному радиусу поперечного сечения последнего, а радиус кривизны наружных поверхностей биметаллических полостеобразующих элементов соответствует радиусу окружности, описанной вокруг поперечного сечения теплообменника.
В отличие от прототипа в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди плазменной металлизацией по всем поверхностям их соприкосновения, что обеспечивает необходимую толщину латунных слоев для формирования надежных сварных соединений между всеми полостеобразующими элементами, их сплошность и прочность сцепления с медными слоями. Благодаря малой толщине латунных слоев, не превышающей 10-30 мкм (а у прототипа 1,2-2,0 мм) они практически не создают дополнительных термических сопротивлений при теплообмене веществ, находящихся во внутренних каналах изделия, с окружающей средой.
В предложенной конструкции теплообменника биметаллические полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на поверхности центрального стального трубчатого полостеобразующего элемента по кольцу. Отсутствие зазоров между полостеобразующими элементами способствует лучшему теплообмену между веществами в смежных полостях, а расположение биметаллических полостеобразующих элементов по кольцу вплотную друг к другу позволяет сконцентрировать наибольшее количество полостеобразующих элементов в минимальном объеме, что способствует повышению тепловой мощности изделия при использовании его в теплообменной аппаратуре, а также снижению металлоемкости.
Все смежные биметаллические полостеобразующие элементы соединены между собой и с центральным стальным полостеобразующим элементом по всем поверхностям контакта взрывным прессованием с последующим оплавлением латунных слоев, имеющих толщину 10-30 мкм. При взрывном прессовании биметаллические полостеобразующие элементы деформируются, исчезают промежутки между ними и центральным стальным полостеобразующим элементом, при этом происходит термодинамическая активизация латунных слоев и, благодаря этому, при последующем их оплавлении образуются сплошные сварные соединения с повышенной прочностью между всеми полостеобразующими элементами теплообменника. Толщина латунных слоев 10-30 мкм является достаточной для получения сплошных сварных соединений с повышенной прочностью. При толщине латунных слоев менее 10 мкм возможно появление участков в стыках полостеобразующих элементов, где отсутствует сварка, а это ухудшает прочностные и служебные свойства теплообменника. Толщина латунных слоев более 30 мкм является избыточной, поскольку качество изделий при этом не возрастает, но неоправданно увеличивается термическое
сопротивление латунных прослоек и энергозатраты на получение биметаллических полостеобразующих элементов.
В поперечном сечении биметаллические полостеобразующие элементы имеют форму, криволинейного четырехугольника, при этом радиус кривизны поверхностей их соприкосновения с центральным стальным полостеобразующим элементом соответствует наружному радиусу поперечного сечения последнего, а радиус кривизны наружных поверхностей биметаллических полостеобразующих элементов соответствует радиусу окружности, описанной вокруг поперечного сечения теплообменника. Это обеспечивает плотное взаимное расположение полостеобразующих элементов без зазоров, их осевую симметрию, а также цилиндрическую форму теплообменника в целом.
1
2
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где изображен внешний вид изделия. Композиционный цилиндрический теплообменник с внутренними полостями состоит из слоев меди 1 и слоев из латуни 2, которые образованы и соединены со слоями из меди плазменной металлизацией по всем поверхностям их соприкосновения 3. Биметаллические полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на поверхности центрального стального трубчатого полостеобразующего элемента 4 по кольцу, все смежные биметаллические полостеобразующие элементы соединены между собой и с центральным стальным полостеобразующим элементом по всем поверхностям контакта 5 взрывным прессованием с последующим оплавлением латунных слоев, имеющих толщину 10-30 мкм, в поперечном сечении биметаллические полостеобразующие элементы имеют форму, криволинейного четырехугольника, при этом радиус кривизны R поверхностей их соприкосновения с центральным стальным полостеобразующим элементом соответствует наружному радиусу поперечного сечения последнего, а радиус кривизны R наружных поверхностей биметаллических полостеобразующих
элементов соответствует радиусу окружности, описанной вокруг поперечного сечения теплообменника. Внутренние полости 6, 7 имеют стабильные размеры по всей длине теплообменника.
Работа композиционного цилиндрического теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например, сваркой плавлением, к медным слоям 1, а также к стальному слою 4 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 6, 7 жидкостей или газов - теплоносителей, а также нагреваемых или охлаждаемых жидких или газообразных веществ. Инертные вещества - теплоносители пропускают, например, через внутренние полости 6 биметаллических полостеобразующих элементов, а химически активное вещество - теплоприемник, например, кислоту пропускают через внутреннюю полость 7 центрального стального полостеобразующего элемента 4. Теплообмен между этими веществами осуществляется через медные 1 и латунные слои 2, а также через стальной слой 4 центрального полостеобразующего элемента.
л
1
Пример исполнения 1. Исходными материалами для изготовления биметаллических полостеобразующих элементов были 12 труб из меди Ml (ГОСТ 859-78) с наружным диаметром 12 мм, внутренним - 9 мм, длиной 280 мм. На наружные поверхности медных труб были нанесены плазменной металлизацией слои из латуни Л63 (ГОСТ 15527-70) толщиной T=10-12 мкм. Центральный стальной трубчатый полостеобразующий элемент выполняли из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72). Его наружный диаметр R=17.21 мм, внутренний - 15 мм, длина - 280 мм. Полученные биметаллические полостеобразующие элементы укладывали вплотную друг к другу на поверхности центрального стального трубчатого полостеобразующего элемента и полученную сборку в виде пучка из труб размещали внутри вспомогательной металлической трубчатой оболочки. Снаружи этой оболочки размещали кольцевой заряд взрывчатого вещества и
1
2
осуществляли взрывное прессование, благодаря которому биметаллические полостеобразующие элементы деформируются, промежутки между ними исчезают и они приобретают форму криволинейного четырехугольника. При взрывном прессовании происходит термодинамическая активация поверхностей контакта всех полостеобразующих элементов, возникают локальные очаги сварки и при последующем оплавлении латунных слоев происходит образованием сплошных неразъемных соединений по всем поверхностям контакта смежных полостеобразующих элементов. После удаления вспомогательной трубчатой оболочки получали композиционный цилиндрический теплообменник у которого в поперечном сечении биметаллические полостеобразующие элементы имеют форму криволинейного четырехугольника, радиус кривизны поверхностей соприкосновения биметаллических полостеобразующих элементов с центральным стальным полостеобразующим элементом соответствует наружному радиусу R последнего, а радиус кривизны R наружных поверхностей биметаллических полостеобразующих элементов соответствует радиусу окружности описанной вокруг поперечного сечения теплообменника. Благодаря сравнительно невысоким скоростным режимам взрывного прессования не нарушается сплошность и герметичность металла биметаллических полостеобразующих элементов. Их внутренние полости имеют гладкую поверхность постоянную форму и размеры по всей длине теплообменника. Толщина латунных слоев составляет 10-12 мкм, что в 100-200 раз меньше чем по прототипу, соответственно во столько же раз снизилось их термическое сопротивление.
Объемная доля внутренних полостей 64,2%, что в 2,9-3,8 раза больше, чем в изделиях, полученных по прототипу, при этом отсутствуют нарушения герметичности металла полостеобразующих элементов, полученное изделие обладает осевой симметрией и имеет цилиндрическую форму с наружным
радиусом 27 мм. Сплошные сварные соединения образованы по всем поверхностям контакта всех полостеобразующих элементов.
л
Пример исполнения 2. То же, что в примере 1, но толщина латунных слоев на полостеобразующих элементах Т=14-16 мкм, что в 86-143 раза меньше, чем по прототипу, поэтому во столько же раз в сравнении с прототипом, снизилось термическое сопротивление латунных слоев полостеобразующих элементов. Объемная доля внутренних полостей 64,1%, что в 2,85-3,75 раз больше, чем по прототипу. Нарушений осевой симметрии и герметичности металла полостеобразующих элементов нет. Отсутствуют участки с некачественной сваркой полостеобразующих элементов между собой.
л
Пример исполнения 3. То же, что в примере 1, но толщина латунных слоев Т=28-30 мкм, что в 40-71 раз меньше, чем в изделиях, полученных по прототипу, поэтому во столько же раз снизилось термическое сопротивление латунных слоев полостеобразующих элементов. Объемная доля внутренних полостей 63,7%, что в 2,8-3,7 раза больше, чем по прототипу. Нарушений осевой симметрии и герметичности металла полостеобразующих элементов нет. Отсутствуют участки с некачественной сваркой полостеобразующих элементов между собой.