КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ВНУТРЕННИМИ ПОЛОСТЯМИ

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в энергетических, химических, установках, в теплорегуляторах и т.п., эксплуатируемых в окислительных газовых средах.
Известна листовая конструкция биметаллического теплообменника, полученного локальной сваркой взрывом разнородных металлических 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).
Недостатком данной конструкции является отсутствие на ее наружных поверхностях жаростойких интерметаллидных слоев, повышенная склонность металлических слоев к коррозионному разрушению, поскольку внутренние полости таких изделий контактируют с разнородными металлами, возможность разрушения изделий по хрупким интерметаллидным прослойкам при резких перепадах давления в жидкостях - теплоносителях, пропускаемых через внутренние каналы, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для эксплуатации в окислительных газовых средах.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция шестислойного композиционного теплообменника с внутренними полостями, сформированными гидравлическим давлением, с внутренними слоями из никеля, наружными - из алюминия, а расположенные между слоями алюминия и никеля теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 15-20 мкм, которые получены сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим формированием интерметаллидных слоев термической обработкой, никелевые слои соединены между собой сваркой взрывом по всем поверхностям их соприкосновения, минимальная ширина перемычек между смежными полостями составляет 12 мм, соотношение толщин слоев алюминия и никеля составляет 1:(0,4-0,67) при толщине каждого слоя никеля 0,8-1 мм. (Патент РФ на полезную модель №90734, МПК B32B 15/20; B23K 20/08; B23K 101/14, опубл. 20.01.2010, Бюл. №2 прототип).
Недостатком данной конструкции является то, что сплошные теплозащитные слои из интерметаллидов системы никель-алюминий, обладающие помимо высокого термического сопротивления еще и весьма высокой жаростойкостью, располагаются между слоями из алюминия и никеля и отсутствуют на наружных поверхностях получаемых изделий, контактирующих с окружающей средой. Наружные слои в этой конструкции выполнены из легкоплавкого металла - алюминия с температурой плавления 660°C, поэтому ее предельно допустимая рабочая температура не превышает 400-600°C, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в окислительных газовых средах, где требуется повышенная жаростойкость.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, конструкции композиционного теплообменника с внутренними полостями сваркой взрывом со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями оптимальной толщины на наружных поверхностях изделия, обеспечивающими повышенную долговечность теплообменника в газовых средах при повышенных температурах, с однородным металлом, контактирующим с внутренними полостями изделия, с повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - более высокая в сравнении с прототипом жаростойкость в окислительных газовых средах, с обеспечением при этом однородности металлов, контактирующих с внутренними полостями изделия, и повышенной стойкости к разрушению при резких перепадах давления во внутренних полостях за счет размещения сплошных наружных жаростойких покрытий в виде интерметаллидных слоев системы алюминий-никель оптимальной толщины на поверхностях никелевых слоев, использования новых методов сварки взрывом для создания высокопрочных сварных соединений между однородными и разнородными металлическими слоями, а также нового метода формирования покрытий с удалением избыточного алюминия с поверхностей интерметаллидных слоев при температуре, превышающей температуру его плавления.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплообменник с внутренними полостями, содержащий внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, два слоя из никеля, два слоя из интерметаллидов системы алюминий - никель, выполнен с внутренними слоями из меди, с наружными жаростойкими слоями - из интерметаллидов, а расположенные между медными и интерметаллидными слоями металлические слои - из никеля, каждый жаростойкий интерметаллидный слой системы алюминий - никель толщиной 50-70 мкм получен сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим их формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине каждого слоя никеля равном 1-1,2 мм.
В отличие от прототипа композиционный теплообменник с внутренними полостями выполнен с внутренними слоями из меди, с наружными жаростойкими слоями - из интерметаллидов, а расположенные между медными и интерметаллидными слоями металлические слои - из никеля. Внутренние слои выполнены из меди, что придает изделию повышенную коррозионную стойкость при пропускании через внутренние полости веществ - теплоносителей. Кроме того, медные слои при сварке взрывом легко свариваются в широком диапазоне скоростных режимов сварки и образуют прочные и герметичные сварные соединения даже при локальной сварке на узких участках. Медь обладает повышенной теплопроводностью, а это способствует созданию надежной защиты жаростойких интерметаллидных слоев от перегрева. Никелевые слои, в первую очередь, необходимы для формирования на них интерметаллидных слоев системы алюминий - никель, придающих изделию повышенную жаростойкость. Для этого при получении изделия на поверхности никелевых слоев приваривают вспомогательные алюминиевые слои, удаляемые на заключительной стадии процесса. Кроме того, никелевые слои придают изделиям повышенную прочность при растягивающих и изгибающих нагрузках, легко свариваются в широком диапазоне скоростных режимов сварки взрывом, при этом в зонах соединения с медью не возникают нежелательные хрупкие фазы, как в процессе сварки, так и при последующих термических обработках, снижающие прочность конструкции в процессе эксплуатации.
Получение каждого жаростойкого интерметаллидного слоя системы алюминий - никель на наружных поверхностях изделия помощью сварки взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим их формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, является новым и экономически выгодным приемом нанесения таких покрытий. Толщина каждого жаростойкого интерметаллидного слоя менее 50 мкм приводит к снижению долговечности предлагаемой конструкции в окислительных газовых средах. При толщине таких покрытий более 70 мкм возникает склонность интерметаллидных прослоек к растрескиванию при резких перепадах давления во внутренних полостях изделия, что снижает их защитные свойства.
В предлагаемой конструкции все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине каждого слоя никеля равном 1-1,2 мм. Сварка взрывом является наиболее дешевым и надежным способом соединения разнородных и однородных металлических слоев без применения дорогостоящего оборудования. Соотношение толщин слоев никеля и меди равное 1:(1,25-2,5) является оптимальным, поскольку при этом создаются благоприятные условия для получения качественных сварных соединений на межслойных границах при сварке взрывом, обеспечивается экономный расход металлов в расчете на одно изделие. Толщина никелевых слоев менее 1 мм является недостаточной для обеспечения высокого качества изделия из-за возможных нарушений их сплошности при операции формирования гидравлическим давлением внутренних полостей. Их толщина более 1,2 мм является избыточной, поскольку это хоть и не ухудшает качество предлагаемой конструкции, но приводит к чрезмерному расходу дорогостоящего никеля в расчете на одно изделие.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид композиционного теплообменника с внутренними полостями, где поз.1 - внутренние полости изделия 2, 3 - медные слои, 4, 5 - жаростойкие интерметаллидные слои, 6, 7 - никелевые слои, 8 - зоны сварки взрывом медных слоев между собой, 9, 10 - зоны сварки никелевых слоев с медными.
Работа композиционного теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к медным слоям 2, 3 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 1 жидкостей или газов-теплоносителей. Теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется, в основном, через слои из меди 2, 3, никеля 6, 7 и интерметаллидные слои 4, 5. Жаростойкие интерметаллидные слои 4, 5 обеспечивают работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C. Теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через цельносварные перемычки между полостями, где медные слои 2, 3 сварены между собой на участках 8.
Пример исполнения №1.
Исходными материалами для изготовления композиционного теплообменника с внутренними полостями были пластины из меди M1, никеля НП1 и алюминия АД1. Длина каждой пластины 340 мм, ширина 265 мм. Из пластин составляли два трехслойных пакета под сварку взрывом с размещением в каждом из них между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины. После сварки взрывом пакетов на поверхность медного слоя одной из сваренных трехслойных заготовок наносят по трафарету слои противосварочного вещества в виде полос, шириной равной 25 мм, с расстояним между противосварочными полосами 15 мм, с расстояниями от краев заготовки 30 мм, толщина полос - 80-100 мкм. Составляют пакет под сварку взрывом из двух полученных трехслойных заготовок, которые располагают параллельно друг над другом, при этом пластину с нанесенными противосварочными полосами размещают внизу пакета. После сварки взрывом трехслойных пакетов между собой, обрезки боковых кромок с краевыми эффектами и термической обработки для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной шестислойной заготовки производят формирование между ее медными слоями внутренних полостей, имеющих форму, как на фиг.1 (поз.1), в специальной оснастке методом их раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой внутренней полости равна 25 мм, высота - 4 мм. Затем в электропечи производят отжиг полученной заготовки с внутренними полостями для формирования диффузионных интерметаллидных прослоек между слоями из алюминия и никеля, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия, удаляют с ее поверхностей расплавленный алюминий, выдерживают при этой температуре для превращения остатков алюминия в интерметаллиды, после чего производят охлаждение с получением при этом композиционного изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными покрытиями на его наружных поверхностях.
инт
max
min
Cu
Ni
В результате получают цельносварное композиционное изделие с пятью внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, с герметичными перемычками между полостями шириной около 15 мм, со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями на наружных поверхностях толщиной δ=70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=11 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=7 мм, толщина медных слоев δ=2,5 мм, никелевых - δ=1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:2,5. Длина изделия - 300 мм, ширина - 225 мм. Изделие обладает повышенной стойкостью к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях, его рабочая температура в окислительных газовых средах достигает 1000°C, что на 400-600°C выше, чем у изделий, по прототипу, а это позволяет использовать изделия предлагаемой конструкции в энергетических и химических установках, эксплуатируемых в окислительных газовых средах.
Пример исполнения №2.
инт
max
мин
Cu
Ni
То же, что в примере 1, но сплошные жаростойкие интерметаллидные слои на наружных поверхностях изделия имеют толщину δ=60 мкм, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=10 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=6 мм, толщина медных слоев δ=2 мм, никелевых - δ=1,1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,82.
Пример исполнения №3.
инт
max
min
Cu
Ni
То же, что в примере 1, но сплошные жаростойкие интерметаллидные слои на наружных поверхностях изделия имеют толщину δ=50 мкм, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=9,5 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=5,5 мм, толщина медных слоев δ=1,5 мм, никелевых - δ=1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,25.
А1
Для сравнения использовали полученный по прототипу шестислойный теплообменник с внутренними полостями. Исходными материалами для его изготовления были две пластины из алюминия АД1 длиной 300 мм, шириной 215 мм, толщиной каждой их них δ=1,5 мм, а также две никелевые пластины из никеля НП1, длина и ширина никелевых пластин такие же, как и алюминиевых, соотношение толщин слоев алюминия и никеля составляет 1:(0,4-0,67) при толщине каждого слоя никеля 0,8-1 мм. На одну из никелевых пластин наносят в продольном направлении полосы из противосварочного вещества шириной 25 мм, расстояние от боковых кромок пластины до противосварочных полос с обеих сторон составляло 20 мм, расстояние между противосварочными полосами - 12 мм. Пластины собирали в пакет со сварочными зазорами и сваривали взрывом. Между алюминиевыми и никелевыми слоями происходила сварка по всем поверхностям контакта, а между никелевыми - лишь на локальных участках шириной 12 мм. Затем сваренную заготовку подвергали разупрочняющей термообработке, после которой производили формирование внутренних полостей методом раздувания под действием гидравлического давления. Ширина каждой полости составляет 25 мм, высота - 4 мм, затем отформованную заготовку подвергали термической обработке - отжигу для формирования между слоями алюминия и никеля теплозащитных слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель. В результате получают композиционный теплообменник с внутренними полостями в виде сотовой панели, в котором две сплошные диффузионные теплозащитные интерметаллидные прослойки состава алюминий-никель толщиной 15-20 мкм расположены между наружными слоями из алюминия толщиной 1,5-2 мм и никеля толщиной 0,8-1 мм. Никелевые слои образуют вокруг полостей с шириной каждой из них равной 25 мм и высотой - 4 мм, замкнутые контуры. Ширина перемычек между внутренними полостями около 10-12 мм. Предельная рабочая температура таких изделий в окислительных газовых средах не превышает 400-600°C, что на 400-600°C ниже, чем у изделий предлагаемой конструкции из-за отсутствия жаростойких покрытий на его наружных поверхностях.