ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва, и предназначается для использования в криогенных, химических, энергетических установках и т.п.
Известна цельносварная конструкция пятислойного композиционного теплозащитного экрана с внутренней полостью, содержащая верхнюю - фланцевую часть, центральную - в виде трубы и плоскую донную часть, наружный и внутренний слой экрана 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. Недостатком данной конструкции является наличие в ней металлических слоев из меди и алюминия, обладающих повышенной теплопроводностью и соответственно, малым термическим сопротивлением при направлении теплопередачи поперек слоев. Кроме того, теплозащитные слои из интерметаллидов системы алюминий-медь имеют малую суммарную толщину, не превышающую 30-40 мкм и, поэтому, обладают сравнительно невысоким термическим сопротивлением. Все это весьма ограничивает применение таких изделий в теплообменной аппаратуре (Патент на полезную модель №86899, МПК В23К 20/08, В23К 101/14, опубл. 20.09.2009, бюл. №26).
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция композиционного теплозащитного элемента из титанового сплава ОТ4 и алюминия АД1, полученного локальной сваркой взрывом листов одинаковой толщины. В этой конструкции внутренние проходные каналы круглого профиля сформированы гидравлическим давлением в специальном приспособлении. На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении. Недостатком данной конструкции является то, что ее теплозащитные слои имеют малую толщину, не превышающую 8 мкм, слои эти 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, суммарное термическое сопротивление такой конструкции при направлении теплопередачи поперек слоев невелико, наличие алюминиевого слоя снижает коррозионную стойкость теплозащитного элемента в агрессивных средах, все это весьма ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре (Ю.П.Трыков, В.Г.Шморгун, Д.В.Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство №6, 2000. С.40-43 - прототип).
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой многослойной конструкции теплозащитного экрана, состоящей только из титановых и сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев, обеспечивающих ее повышенное и одинаковое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев и повышенную коррозионную стойкость в условиях агрессивных сред.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - повышение термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев за счет большого числа титановых и сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев во всем объеме изделия, получение одинакового термического сопротивления при направлении теплопередачи поперек слоев с обеспечением при этом повышенной коррозионной стойкости предлагаемой конструкции в условиях агрессивных сред.
Указанный технический результат достигается тем, что теплозащитный экран, содержащий титановый и теплозащитные интерметаллидные слои из титана и алюминия, выполнен в виде пластины или диска, содержащих не менее двенадцати титановых слоев с расположенными между ними теплозащитными интерметаллидными слоями, причем все титановые слои соединены с интерметаллидными по всем поверхностям контакта путем сварки взрывом пакетов, состоящих из титановых и алюминиевых слоев, с последующим формированием между ними термической обработкой сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев толщиной 0,26-0,3 мм с их суммарной толщиной, составляющей 22-28% толщины теплозащитного экрана.
В отличие от прототипа теплозащитный экран выполнен в виде многослойной пластины или диска, содержащих не менее двенадцати титановых слоев с расположенными между ними теплозащитными интерметаллидными слоями, причем в нем как титановые, так и теплозащитные интерметаллидные слои сплошные что обеспечивает у него постоянное и высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. Отсутствие в конструкции слоев с пониженной коррозионной стойкостью обеспечивает высокую коррозионную стойкость конструкции в целом. Выполнение теплозащитного экрана в виде пластины или диска позволяет осуществлять надежную герметизацию сосудов высокого давления, закреплять его и использовать в труднодоступных местах в различных образцах химического и энергетического оборудования. Слои из титана, обладающие пониженной теплопроводностью, помимо создания дополнительного термического сопротивления, обеспечивают повышенную удельную прочность конструкции при растягивающих и изгибающих нагрузках. Количество титановых и теплозащитных интерметаллидных и слоев ниже предлагаемого предела приводит к снижению прочностных и теплозащитных свойств предлагаемой конструкции до неприемлемых пределов.
В предлагаемой конструкции все титановые слои соединены с интерметаллидными по всем поверхностям контакта путем сварки взрывом пакетов, состоящих из титановых и алюминиевых слоев, с последующим формированием между ними термической обработкой сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев. Сварка взрывом позволяет получать надежные соединения между разнородными металлами, которые не разрушаются при последующих операциях получения изделия, а окончательная термическая обработка способствует формированию теплозащитных интерметаллидных слоев необходимой толщины с высокой прочностью сцепления их с титановыми слоями по всем поверхностям контакта.
В предлагаемой конструкции сформированные термической обработкой после сварки взрывом сплошные теплозащитные интерметаллидные слои из титана и алюминия имеют толщину каждого из них 0,26-0,3 мм, при этом их суммарная толщина составляет 22-28% толщины теплозащитного экрана, что обеспечивает его повышенное термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек слоев. При толщине каждого теплозащитного интерметаллидного слоя и суммарной толщине таких слоев ниже нижнего предлагаемого предела происходит снижение термического сопротивления изделия при направлении теплопередачи поперек слоев до недопустимых пределов. При толщине каждого теплозащитного интерметаллидного слоя и суммарной толщине этих слоев в изделии выше верхних предлагаемых пределов конструкция приобретает склонность к хрупкому разрушению при знакопеременных нагрузках, а это ограничивает возможность использования таких изделий в теплообменной аппаратуре ответственного назначения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид теплозащитного экрана в виде пластины с вырезанной для наглядности частью и расположение (см. нижний рисунок на фиг.1) в его поперечном сечении металлических и теплозащитных интерметаллидных слоев, на фиг.2 - теплозащитный экран в виде диска также с вырезанной частью. Такая форма экранов обеспечивает возможность надежной герметизации сосудов высокого давления, закрепление и использование его в труднодоступных местах в различных образцах химического и энергетического оборудования. Каждый теплозащитный экран состоит из не менее двенадцати титановых слоев 1, 2 и расположенных между ними сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев 3. Титановый слой 1 является наружным облицовочным. Такой же титановый облицовочный слой расположен с другой стороны теплозащитного экрана. Все титановые слои соединены с интерметаллидными слоями по всем поверхностям контакта 4 путем сварки взрывом пакетов, состоящих из титановых и алюминиевых слоев, с последующим формированием между ними термической обработкой сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев толщиной 0,26-0,3 мм с их суммарной толщиной, составляющей 22-28% толщины теплозащитного экрана. Титановые слои совместно с теплозащитными интерметаллидными слоями, обеспечивают высокое термическое сопротивление теплозащитного экрана при направлении теплопередачи поперек его слоев. Увеличение количества титановых слоев в экране значительно выше нижнего предлагаемого предела ухудшения механических и теплозащитных свойств теплозащитного экрана не происходит, но при этом существенно усложняется технологический процесс сварки взрывом при его получении, что приводит к удорожанию получаемой продукции.
Использование теплозащитного экрана осуществляется следующим образом. Экраном закрывают технологическое отверстие химического или иного аппарата для ограничения утечки тепловой энергии в атмосферу и закрепляют его на агрегате струбциной или иным способом. Ограниченный теплообмен с окружающей средой веществ-теплоносителей, находящихся внутри химического или иного аппарата, с окружающей средой осуществляется через многослойную стенку теплозащитного экрана, обладающую повышенным термическим сопротивлением.
Пример исполнения 1.
э
э
э
-3
2
Теплозащитный экран выполнен в виде многослойной пластины. В качестве исходных материалов для его изготовления использовали титан марки ВТ1-0 и алюминий АД1. Экран состоит из двенадцати титановых слоев и расположенных между ними одиннадцати сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них равной 0,26 мм, при этом суммарная толщина теплозащитных интерметаллидных слоев составляет 22% толщины теплозащитного экрана, равной δ=13,1 мм. Термическое сопротивление его стенки R равно сумме термических сопротивлений всех слоев, входящих в его состав и рассчитывается для каждого слоя как отношение его толщины к коэффициенту теплопроводности. В данном примере термическое сопротивление, постоянное на всех участках изделия, равно R=0,9·10 К/(Вт/м), что в 15 раз больше, чем у изделия, полученного по прототипу. Длина теплозащитного экрана - 250 мм, ширина - 180 мм. Предлагаемая конструкция обладает повышенной коррозионной стойкостью в условиях агрессивных кислотных и щелочных сред.
Пример исполнения 2.
э
э
-3
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Теплозащитный экран состоит из четырнадцати титановых слоев и расположенных между ними и тринадцати сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них равной 0,28 мм, при этом суммарная толщина теплозащитных интерметаллидных слоев составляет 25% толщины теплозащитного экрана, которая равна δ=14,7 мм. Термическое сопротивление его стенки, постоянное на всех участках изделия, равно R=1,0·10 К/(Вт/м), что в 16,7 раз больше, чем у изделия, полученного по прототипу.
Пример исполнения 3.
э
э
-3
2
То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Теплозащитный экран выполнен в виде многослойного диска диаметром равным 180 мм и состоит из шестнадцати титановых слоев и расположенных между ними пятнадцати сплошных теплозащитных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них равной 0,3 мм, при этом суммарная толщина теплозащитных интерметаллидных слоев составляет 28% толщины теплозащитного экрана, которая равна δ=16,2 мм. Термическое сопротивление его стенки, постоянное на всех участках изделия, равно R=1,2·10 К/(Вт/м), что в 20 раз больше, чем у изделия, полученного по прототипу.
-3
2
Для сравнения с предлагаемым способом взята конструкция биметаллического теплозащитного элемента, изготовленного по прототипу, из титана ОТ4 и алюминия АД1, полученного локальной сваркой взрывом листов с толщиной каждого из них 1 мм, с межканальными промежутками шириной 14 мм, с интерметаллидными прослойками между слоями из титана и алюминия толщиной 8 мкм. Термическое сопротивление стенки такого теплозащитного элемента неодинаковое на различных участках изделия, на межканальных промежутках термическое сопротивление стенки наибольшее и равно 0,06·10 К/(Вт/м), что в 15-20 раз меньше, чем у теплозащитного экрана предлагаемой конструкции, кроме того, теплозащитный элемент, изготовленный по прототипу, обладает пониженной коррозионной стойкостью, особенно в щелочных средах, из-за низкой коррозионной стойкости алюминиевого слоя.