ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в энергетических, химических, установках и т.п., эксплуатируемых в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества.
Известна цельносварная конструкция композиционного теплообменника из титана, стали и меди с внутренними полостями, содержащего наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, его наружную оболочку выполняют биметаллической из металлов с пониженной теплопроводностью с наружным слоем из коррозионно-стойкого металла - титана, внутренним - из аустенитной стали, при этом наружный слой соединен с внутренним сваркой взрывом по всей поверхности контакта, все медные полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности стального слоя биметаллической оболочки по кольцу и соединены между собой и со стальным слоем сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью соответствует радиусу окружности, вписанной в ее поперечное сечение. (Патент на полезную модель №97820, МПК F28D 7/00, опубл. 20.09.2010, бюл. №26).
Недостатком данной конструкции является то, что наружная оболочка теплообменника, выполненная из титана обладает высокой скоростью изнашивания в контакте потоками газов, содержащих абразивные вещества, что ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре, где требуется повышенная стойкость к изнашиванию поверхностных слоев.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция композиционного цилиндрического теплообменника с внутренними полостями из титана, стали и меди, содержащего наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, его наружную оболочку выполняют трехслойной из материалов с пониженной теплопроводностью, в которой наружный слой выполняют из коррозионно-стойкого металла - титана, внутренний - из аустенитной стали, а теплозащитный слой, расположенный между титаном и сталью - из интерметаллидов системы титан-сталь толщиной 70-80 мкм, при этом титановый слой соединен со стальным сваркой взрывом по всей поверхности соприкосновения с последующим формированием сплошного теплозащитного интерметаллидного слоя термической обработкой, все медные полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности стального слоя оболочки по кольцу и соединены с ней и между собой сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью соответствует радиусу окружности, вписанной в ее поперечное сечение.
(Патент на полезную модель №98166, МПК B23K 101/14, опубл. 10.10.2010, бюл. №28 - прототип).
Недостатком данной конструкции является то, что сплошной теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-сталь, обладающий помимо высокого термического сопротивления еще и повышенной износостойкостью, располагается между слоями из титана и коррозионно-стойкой стали и отсутствует на наружной поверхности теплообменника из-за чего у него большая скорость изнашивания наружного титанового слоя в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, что весьма ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре, где требуется повышенная износостойкость рабочих поверхностей.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой многослойной конструкции теплообменника, выполненной из интерметаллидных слоев из меди и титана, чередующихся с титановыми слоями, и медного слоя, обладающей пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с обеспечением при этом повышенной стойкости интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, высокого термического сопротивления слоев при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкого с другой, а также повышенной величиной допускаемого износа его наружных слоев.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - значительное снижение в сравнении с прототипом скорости изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с обеспечением при этом повышенной величины допускаемого износа, повышенной стойкости интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, высокого термического сопротивления слоев при направлении теплопередачи с одной ее стороны и низкого с другой ее стороны, где располагается слой с повышенной теплопроводностью.
Указанный технический результат достигается тем, что теплообменник, содержащий титановый, интерметаллидный и медный слои состоит из плоской фланцевой части и центральной - сферической, внутренний слой теплообменника выполнен из меди, наружный - в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь и титана, все интерметаллидные слои соединены с металлическими слоями по всем поверхностям контакта сваркой взрывом медных и титановых слоев с последующим формированием термической обработкой в зонах соединения меди и титана сплошных интерметаллидных слоев системы титан-медь толщиной 210-330 мкм, количество титановых слоев в теплообменнике не менее трех, при этом количество интерметаллидных слоев равно N+1, где N - количество титановых слоев.
В отличие от прототипа предлагаемая конструкция по краям состоит из плоской фланцевой части и центральной - сферической, что обеспечивает у нее повышенную прочность при значительных изгибающих нагрузках и давлениях, позволяет осуществлять надежную герметизацию сосудов высокого давления, закреплять его сваркой или иными способами на тепловых агрегатах и использовать в различных образцах энергетического и химического оборудования.
Внутренний слой теплообменника выполнен из меди, обладающей высокой теплопроводностью, что обеспечивает предлагаемому изделию низкое термическое сопротивление со стороны расположения медного слоя, как вдоль него, так и в поперечном направлении.
Наружный слой теплообменника выполнен в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь и титана. Интерметаллидные слои, состоящие из меди и титана, обладающие высокой твердостью, обеспечивают предлагаемой конструкции значительное снижение в сравнении с прототипом скорости изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества. При полном изнашивании наружного интерметаллидного слоя, некоторое время подвергается изнашиванию расположенный за ним тонкий титановый слой, затем износу подвергаются следующие за ним интерметаллидные и титановые слои, благодаря чему предлагаемый теплообменник обладает повышенной величиной допускаемого износа. Чередование твердых слоев интерметаллидов системы титан-медь и более мягких и пластичных слоев из титана обеспечивает повышенную стойкость интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, что повышает ее долговечность при эксплуатации. Интерметаллидные и титановые слои, в совокупности, обеспечивают высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек них на части толщины изделия.
В предлагаемой конструкции все интерметаллидные слои соединены с металлическими слоями по всем поверхностям контакта сваркой взрывом медных и титановых слоев с последующим формированием термической обработкой в зонах соединения меди и титана сплошных интерметаллидных слоев системы титан-медь толщиной 210-330 мкм. Сварка взрывом позволяет получать надежные соединения между разнородными металлами, которые не разрушаются при последующих операциях прокатки и формоизменения заготовки, а окончательная термическая обработка способствует формированию интерметаллидных слоев необходимой толщины с высокой износостойкостью и с требуемыми теплозащитными характеристиками, с высокой прочностью сцепления их с металлическими слоями из титана и меди по всем поверхностям контакта, а это, в свою очередь, обеспечивает изделию необходимые износостойкость, прочность и долговечность. Толщина интерметаллидных слоев менее 210 мкм приводит к нежелательному снижению их термического сопротивления, а также долговечности в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, а их толщина более 330 мкм приводит к заметному снижению стойкости интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках.
Количество титановых слоев в теплообменнике должно быть не менее трех, при этом количество интерметаллидных слоев равно N+1, где N - количество титановых слоев, что обеспечивает изделию необходимую высокую величину допускаемого износа и суммарное термическое сопротивление титановых и интерметаллидных слоев. Количество титановых и интерметаллидных слоев ниже нижнего предлагаемого предела приводит к существенному снижению величины допускаемого износа и к недостаточной величине их суммарного термического сопротивления.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 в качестве примера изображен внешний вид теплообменника, содержащего 8 титановых и 9 интерметаллидных слоев, с вырезанной для наглядности четвертью, а на фиг. 2 - расположение в его поперечном сечении интерметаллидных и металлических слоев. Теплообменник содержит плоскую фланцевую часть 1 и центральную - сферическую 2. Такая форма изделия обеспечивает у него повышенную прочность при изгибающих нагрузках. Плоская фланцевая часть позволяет осуществлять надежную герметизацию технологических отверстий химических и других аппаратов. Внутренний слой 3 теплообменника выполнен из металла, обладающего высокой теплопроводностью - из меди. Толщина этого слоя выбирается исходя из требуемых конструктивных особенностей аппаратов и иных устройств, где будет использована предлагаемая конструкция. Наружный слой теплообменника выполнен в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и титана 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Интерметаллидные слои, состоящие из меди и титана, обладающие высокой твердостью, обеспечивают предлагаемой конструкции значительное снижение в сравнении с прототипом скорости изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества. При полном изнашивании наружного интерметаллидного слоя 4, некоторое время подвергается изнашиванию расположенный за ним тонкий титановый слой 13, затем износу подвергаются следующие за ним интерметаллидные 5, 6 и т.д. и титановые слои 14, 15 и т.д., благодаря чему предлагаемый теплообменник обладает повышенной величиной допускаемого износа.
Работа теплообменника осуществляется следующим образом. Медный слой 3 изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к медному слою химического или иного аппарата для беспрепятственной передачи ему тепловой энергии, приобретаемой медным слоем 3 в результате контакта с веществами-теплоносителями, контактирующими с ним при эксплуатации изделия. Ограниченный теплообмен веществ-теплоносителей, находящихся внутри химического или иного аппарата, с окружающей средой осуществляется через его внутренний медный слой 3 и его наружный слой в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь 4, 5, 6, 7, 8, 9. 10, 11, 12 и титана 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Наружный интерметаллидный слой 4, а также и его внутренние интерметаллидные слои, например, слои 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, обеспечивают изделию пониженную скорость изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества и формируют необходимую величину допускаемого износа. Титановые слои 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, помимо обеспечения повышенного термического сопротивления, препятствуют хрупкому разрушению всех интерметаллидных слоев.
Пример исполнения 1.
заг
пр.м
пр.т
м
н
теп
с.н
с.в
теп
В качестве исходных материалов для изготовления теплообменника использовали две пластины из меди M1 толщиной 0,9 мм и одну - из титана марки BT 1-00 толщиной 9 мм. Составляли из этих пластин трехслойный пакет с размещением между медными пластинами титановой пластины и сваривали его взрывом. После горячей прокатки и порезки полученного листа получали мерные трехслойные заготовки толщиной δ=1,3 мм с толщиной каждого медного слоя в δ=0,12 мм, титанового слоя - δ=1,06 мм. Составляли многослойный пакет из 8 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1, имеющей толщину δ=12 мм и сваривали его взрывом. Затем производили формоизменение полученной многослойной заготовки, например, методом горячей штамповки, после чего отжигом формировали в зонах соединения меди и титана сплошные интерметаллидные слоев с полным переходом прокатанных медных слоев в интерметаллидные и частичным переходом в интерметаллиды титановых слоев. В результате получали многослойный теплообменник из меди и титана с наружным диаметром его фланцевой части D=200 мм, его высота H=50 мм, радиус кривизны наружной сферической поверхности теплообменника R=80 мм, радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R=57,6 мм, суммарная толщина стенки теплообменника δ=22,4 мм.
т.км
инт
м
сл
м
-6
2
-5
2
Теплообменник содержит 8 слоев из титана BT1-00 толщиной по δ=0,64 мм, 9 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δ=0,33 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δ=12 мм. Теплообменник предлагаемой конструкции обладает в сравнении с прототипом в 4-5 раз меньшей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества (в условиях близких к пескоструйному воздействию), его допускаемый износ равен 7 мм, что в 5,8-7 раз больше, чем у материала по прототипу, у которого допускаемый износ не превышает 1-1,2 мм. Предлагаемый теплообменник сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 8 интерметаллидных и 7 титановых слоев, обладает повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R=800·10 К/(Вт/м), что в 2,5-2,9 раза больше, чем у изделия по прототипу, при этом у медного слоя термическое сопротивление R=3,24·10 К/(Вт/м), то есть, он обладает в 24,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои, что способствует высокоэффективной теплопередаче в нем как в поперечном, так и в продольном направлении,
Пример исполнения 2.
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Для изготовления теплообменника использовали пластины из меди толщиной 0,85 мм, толщина пластины из титана - 7,8 мм.
заг
пр.м
пр.т
м
теп
с.в
теп
После горячей прокатки и порезки полученного листа получали мерные трехслойные заготовки толщиной δ=1,4 мм с толщиной каждого медного слоя в δ=0,11 мм, титанового - δ=1,18 мм. Сваривали взрывом многослойный пакет из 5 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1, имеющей толщину δ=10 мм. Полученный теплообменник имеет высоту H=45 мм радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R=63 мм, суммарная толщина стенки теплообменника δ=17 мм.
т.км
инт
м
сл
м
-6
2
-5
2
Теплообменник содержит 5 слоев из титана толщиной по δ=0,79 мм, 6 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δ=0,26 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δ=10 мм. Его допускаемый износ равен 5,5 мм, что в 4,6-5,5 раз больше, чем у материала по прототипу. Предлагаемый теплообменник сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 5 интерметаллидных и 4 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R=495·10 К/(Вт/м), что в 1,6-1,8 раза больше, чем у изделия по прототипу, при этом у медного слоя термическое сопротивление R=2,7·10 К/(Вт/м), то есть, он обладает в 18,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.
Пример исполнения 3.
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Для изготовления теплообменника использовали пластины из меди толщиной 0,8 мм, толщина пластины из титана - 6 мм.
заг
пр.м
пр.т
м
теп
с.в
теп
После горячей прокатки и порезки полученного листа получали мерные трехслойные заготовки толщиной δ=1,5 мм с толщиной каждого медного слоя в δ=0,1 мм, титанового - δ=1,3 мм. Сваривали взрывом многослойный пакет из 3 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1, имеющей толщину δ=8 мм. Полученный теплообменник имеет высоту H=38 мм радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R=67,5 мм, суммарная толщина стенки теплообменника δ=12,5 мм.
т.км
инт
м
сл
м
-6
2
-5
2
Теплообменник содержит 3 слоя из титана толщиной по δ=1,08 мм, 4 сплошных интерметаллидных слоя с толщиной каждого из них δ=0,21 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δ=8 мм. Его допускаемый износ около 3 мм, что в 2,5-3 раза больше, чем у изделия по прототипу. Предлагаемый теплообменник сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 3 интерметаллидных и 2 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R=333·10К/(Вт/м), что в 1,1-1,2 раза больше, чем у изделия по прототипу, при этом у медного слоя термическое сопротивление R=2,16·10 К/(Вт/м), то есть, он обладает в 15,4 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.
сл
-6
2
Теплообменник по прототипу содержит трехслойную оболочку в виде трубы с наружным слоем из титана с толщиной стенки 2,3 мм, с интерметаллидным слоем из титана и стали толщиной 70-80 мкм и со стальным слоем из коррозионно-стойкой стали толщиной 2,3-2,9 мм. Со стальным слоем контактируют расположенные внутри трехслойной оболочки медные трубчатые полостеобразующие элементы. В сравнении с предлагаемой конструкцией этот теплообменник обладает в 4-5 раз большей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, его допускаемый износ не превышает 1-1,2 мм, что в 1,1-7 раз меньше, чем у предлагаемого изделия. Кроме того, суммарное термическое сопротивление его теплозащитных слоев при теплопередаче в поперечном направлении R=(272,9-312,5)·10 К/(Вт/м), что в 1,1-2,9 раза меньше, чем у предлагаемой конструкции, что ограничивает возможные области применения изделия по прототипу в теплообменной аппаратуре, где требуется сочетание таких свойств, как высокая износостойкость, высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной стороны изделия и низкое с другой, а также необходимая для длительной эксплуатации большая величина допускаемого износа его поверхностных слоев.