Формовка тонкостенных элементов плоских теплообменников

УДК 621.7.04; 621.98.011

ФОРМОВКА ТОНКОСТЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛОСКИХ

ТЕПЛООБМЕННИКОВ

И.Е. Семенов, С.А. Евсюков

Рассмотрены современные технологии производства элементов плоских теплообменников. Представлены схемы нового оборудования и показана их высокая эффективность.

Ключевые слова: пластинчатые теплообменники, рельефная формовка, локальная формовка, сверхпластическая формовка, станы локальной формовки.

В настоящее время одной из наиболее эффективных технологий в области организации передачи тепла является использование плоских (пластинчатых) теплообменников, которые имеют высокую скорость теплообмена при достаточно малых размерах. Широкое применение плоских теплообменников практически во всех областях промышленности, где требуется провести теплообменный процесс, обусловлено их уникальными качествами:

высокой эффективностью теплообмена;

надежностью и устойчивостью к внешним и внутренним воздействиям;

простотой монтажа и эксплуатации;

небольшими массой и размерами;

высокой гибкостью, т.е. возможностью изменения характеристик уже эксплуатируемого теплообменника.

На сегодняшний день основными потребителями пластинчатых теплообменников являются предприятия, работающие в таких сферах, как отопление и кондиционирование, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, нефтедобыча, машиностроение и солнечная энергетика.

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, поверхность теплообмена которых образована из тонких гофрированных пластин. Рабочие среды в теплообменнике находятся в щелевых каналах сложной формы между соседними пластинами. Гофрированная поверхность пластины усиливает турбулентность потоков рабочих сред и повышает коэффициент теплопередачи. Проведенные исследования показали, что в РФ собирают изделия почти целиком из комплектующих, изготовленных за рубежом, или выпускают пластинчатые теплообменники по зарубежным технологиям, но с учетом российского опыта производства. При этом в процессе изготовления деталей и агрегатов частично используют импортные материалы, а иногда и готовые комплектующие, такая практика находит применение на традиционных российских заводах-

34

изготовителях, которые закупают за рубежом необходимое сырье и соответствующие средства производства. Поэтому, когда сегодня остро стоит вопрос импортозамещения, особую важность приобретают наши отечественные технологии.

Разборные пластинчатые теплообменники (рис. 1) состоят из набора пластин. Теплообменные пластины навешиваются на верхнюю балку и опираются на нижнюю несущую балку.

Рис. 1. Конструкция разборного пластинчатого теплообменника

Несущие балки служат и для центровки теплообменных пластин. Эти пластины одна за другой размещаются между опорной и прижимной плитами, образуя пакет, который после этого стягивается в монолитный узел с помощью стяжных болтов. Опорная, иногда и прижимная плиты имеют отверстия, через которые осуществляются подвод и отвод теплоносителей. К пластинам приклеивают прокладки специальной формы для герметизации конструкции и организации потоков теплоносителей - теплоноситель направляют либо вдоль пластины, либо через отверстие в следующую камеру. Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме, благодаря чему мощность теплообменника может гибко настраиваться. Конструкция и конфигурация уплотняющих прокладок исключают возможность смешивания этих жидкостей. Разборные пластинчатые теплообменники отличаются интенсивным теплообменом, простотой изготовления, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа и очистки от загрязнений.

К пластинчатым теплообменникам также относятся некоторые виды радиаторов центрального отопления жилых и производственных помещений. В таких радиаторах движение теплоносителя происходит по каналам, образованным между двумя сваренными друг с другом пластинами. Через эти же пластины осуществляется передача тепла окружающей среде.

Ролвдмое Кочшккт устройство тцсш,

Неподвижна« шшп

Такие радиаторы имеют высокую эффективность и эстетичный внешний вид. Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причем гофры могут иметь разную форму и расположение.

Способы получения пластин

Рельефная формовка. Рельефная формовка представляет собой изменение формы заготовки, заключающееся в образовании местных углублений и выпуклостей за счет растяжения (утонения) материала. Следовательно, рельефная формовка является частным случаем неглубокой местной вытяжки - операции листовой штамповки, при которой материал подвергается, главным образом, растяжению. Путем рельефной формовки штампуют ребра жесткости, каналы и т. п.

Наибольшая глубина канала, которую можно получить в результате рельефной формовки деталей из алюминия, мягкой стали, латуни, может ориентировочно быть определена по эмпирической формуле

Вр  Б Нр ,

р б + 2,5

где Вр - ширина ребра, мм; б - толщина штампуемого материала, мм.

Штампы для рельефной формовки обычно содержат матрицу и пуансон, повторяющие конфигурацию штампуемого рельефа с учетом определенных зазоров в местах закруглений. В связи с достаточно высокой стоимостью штампов способ применяется только при массовом производстве.

Сверхпластическая формовка и диффузионная сварка. В мелкосерийном производстве широко применяются перспективные интерметал-лиды, которые по удельной прочности существенно превосходят многие конструкционные стали, применяемые в настоящее время [1]. Использование их для создания сложных крупногабаритных конструкций весьма перспективно, так как при этом возможно применение интегральной технологии сверхпластической формовки и диффузионной сварки (ДС). Отечественный и зарубежный опыт показывает, что эта технология наиболее эффективна при обработке малопластичных и трудно деформируемых сплавов на основе никеля, титана, железа, алюминия, магния и др., когда особое значение имеют экономия металла и снижение трудоемкости. Сверхпластическая формовка (СПФ) - это способ производства тонкостенных деталей из заготовок, находящихся в сверхпластическом состоянии, под действием небольшого давления газа. Процесс СПФ/ДС в настоящее время рассматривается как один из наиболее перспективных, поскольку СПФ/ДС - однооперационный процесс, который позволяет сократить количество сборочных элементов и промежуточных операций при традиционных видах штамповки и соответственно обеспечить снижение затрат на изготовление изделий. Снижение затрат обеспечивают также

простая форма и незначительный износ штампового инструмента. Кроме того, технология СПФ/ДС относится к новым ресурсосберегающим технологиям обработки материалов. Ее интегральное совмещение с технологией изготовления слоистых конструкций сложной формы позволяет увеличить коэффициент использования металла до 0,7...0,85; снизить температуру процесса СПФ/ДС на 150...200 °С; снизить массу на 30...40 % по сравнению с традиционными технологиями; снизить энергозатраты в 1,5 - 2 раза; повысить качество конструкций улучшением механических свойств.

В работе [1] исследована возможность использования технологии СПФ/ДС для изготовления ячеистых теплообменников, представляющих собой двухлистовые ячеистые конструкции, применяемые в контурах охлаждения от атомных реакторов до автомобильного транспорта, холодильных агрегатов и радиаторов отопительных систем. К сожалению, данная технология требует для изготовления одной панели от 3 до 10 часов и более, что ограничивает ее применение единичным либо мелкосерийным производством.

Профилирование листового металла на многовалковых машинах. При профилировании толщина исходной заготовки и ее площадь остаются практически неизменными. Форма поперечного сечения в процессе профилирования претерпевает постепенные изменения: высота сечения, как правило, увеличивается, длина исходной заготовки практически не изменяется. Деформация металла начинается перед формирующими валками значительно раньше, чем данный участок полосы придет с ними в соприкосновение. При профилировании линейные скорости валков неодинаковы, а площадь контакта между вращающимися валками и непрерывной заготовкой ограничена небольшими участками соприкосновения заготовки с валками. Кроме того, деформирование в штампах гибочного пресса не сопровождается возникновением в полосе продольных деформаций, которые появляются при профилировании. Производительность профилегибочных агрегатов очень высока и составляет от 10 до 200 тыс. тонн в год. Они имеют различный состав механизмов, обусловленный производительностью, характером работы и его назначением. В общем случае, состав оборудования следующий: разматыватель с загрузочным устройством; листо-правильная машина; ножницы гильотинные; сварочная машина; профиле-гибочный стан с несколькими рабочими клетями; устройство для разрезки профилей; укладчик. Длина различных автоматических линий составляет 30 -200 м.

Профилегибочные станы рассчитаны на условия работы в крупносерийном и массовом производстве, и непригодны для быстрой переналадки на небольшие партии в условиях мелкосерийного и единичного производства.

Формовка тонколистовых деталей эластичной средой. Особенностью процессов штамповки эластичными и жидкостными средами является то, что давление от инструмента прилагается ко всей поверхности заготовки, а не локально в зонах формообразования, как это происходит при штамповке в жестких штампах. Это приводит к более равномерному распределению напряжений в заготовке и снижению максимальных напряжений в зоне концентраторов, где происходит формообразование. Вместе с тем, распределение давления по всей поверхности заготовки приводит к увеличению силы штамповки по сравнению со штамповкой в жестких штампах. Увеличение силы штамповки ограничивает возможности подобных процессов формовкой панелей площадью не более нескольких квадратных метров.

Формовка эластичными средами является довольно перспективным и хорошо изученным процессом. Однако наличие больших сил и соответственно высокая энергоемкость процесса существенно сказывается на себестоимости получаемых изделий.

Деформирование тонколистовых заготовок на станах локальной формовки. Процессы локальной формовки в валках с эластичным покрытием подробно исследованы в работах [2 - 5]. Были разработаны и введены в эксплуатацию в ЦАГИ (г. Жуковский) специальные устройства для нанесения рельефа на поверхность тонколистового металла методом локальной формовки, где рельеф формируется при прохождении заготовки между вращающимся валом с эластичной оболочкой из полиуретана и сменной матрицей с заданным технологическим профилем. Такие устройства для производства деталей плоских теплообменников названы станами локальной формовки. Стоимость стана локальной формовки сравнима со стоимостью профилегибочного стана, однако на нём нельзя осуществить непрерывный процесс формовки. Такое оборудование эффективно в условиях мелкосерийного производства, где характерна большая номенклатура деталей, небольшие партии изделий с частой их сменяемостью, а также возникает необходимость быстрой переналадки оборудования на выпуск новых изделий. Всего за прошедшее с 1991 года время в России были изготовлены более 10 станов разных модификаций и назначения, однако сегодня из них функционируют только два, в свое время вывезенных из страны в Чехию и Финляндию.

Непрерывную формовку можно осуществить, если вместо подвижного стола применить вращающийся профилированный валок, как в клети профилегибочного стана. При этом формовка всех каналов по ширине заготовки будет осуществляться одновременно и только за счет утонения заготовки, а ширина получаемой детали будет равна ширине заготовки. В зависимости от глубины формовки может потребоваться несколько клетей для постепенного увеличения глубины каналов. Реализация процесса формовки продольных каналов на профилегибочном стане позволит значи-

тельно сократить необходимое количество клетей и уменьшить длину линии по сравнению с традиционным процессом профилирования на таком стане, а также увеличит производительность по сравнению со станом локальной формовки в несколько раз и позволит получать детали любой длины.

Для получения плоских панелей с продольными каналами авторами предлагается процесс непрерывной знакопеременной формовки в последовательных калибрах, схема которого представлена на рис.2 [5].

Верхние валки первого и третьего калибра имеют эластичную оболочку. Оба валка второго и четвертого калибров жесткие. Профили нижних валков первого и второго калибров совпадают, так же совпадают профили нижних валков третьего и четвертого калибров. На поверхности верхних валков второй и четвертой клети имеются выступы, которые увеличивают глубину каналов полученных в предыдущей клети с помощью эластичного инструмента.

1-я клеть

2-я клеть

3-я клеть

4-я клеть

Рис. 2. Схема последовательной формовки каналов в четырех калибрах

На рис.3 представлена фотография стана с экспериментальными валками.

Рис. 3. Фотография стана непрерывной формовки

Отметим, что при формовке каналов в первых двух клетях утонение листовой заготовки будет неравномерным. Утонение заготовки максимально у вершины формуемого канала и снижается до минимального значения у его основания. Чтобы максимально использовать металл заготовки, в третьем калибре реализуется процесс знакопеременной формовки. Он заключается в том, что в третьей и четвертой клетях происходит выворачивание каналов через один.

Выводы

В настоящее время в РФ разработаны высокоэффективные технологии формовки панелей плоских теплообменников, не имеющие аналогов в мире, и, видимо, отечественным производителям теплообменников следует обратить на это обстоятельство пристальное внимание.

Список литературы

1. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984. 264 с.

2. Семенов И.Е. Локальная формовка эластичной средой // Вестник машиностроения. 1997. №5. С. 19 - 21.

3. Устройство для изготовления изделий с выпукло-вогнутым рельефом из листового металла: пат. 1699345 СССР; № 4827535; заявл. 24.05.90; опубл. 15.12.91. Бюл. № 46. 34 с.

4. Стан для обработки металлического листа давлением: пат. 2268805 РФ. Опубл. 27.12.2009. Бюл. № 33.

Евсюков Сергей Александрович, д-р техн., наук, проф., зав. кафедрой, MT6EVS@yandex.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана,

Семенов Иван Еевгениевич, д-р техн., наук, проф., MT6EVS@yandex.ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана

NEW PRODUCTION TECHNOLOGY OF PLATE HEAT EXCHANGERS

S.A. Evsyukov, I.E. Semenov

The modern constructions of plate heat exchangers and new Russian technology for the manufacture of the plates these heat exchangers are considered. New hardware schemas are given and their high efficiency are shown.

Key words: heat exchangers, embossed moulding, molding, local sverhplasticheskaja forming, the local mills.

Evsyukov Sergey Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, MT6EVS@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University,

Semenov Ivan Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, MT6EVS@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University