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 конструкция шестислойного композиционного теплообменника с внутренними полостями, сформированными гидравлическим давлением, в котором внутренние слои выполнены из никеля, наружные - из алюминия, а расположенные между слоями алюминия и никеля теплозащитные слои - из интерметаллидов системы алюминий-никель, 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. (Патент РФ на полезную модель №90734, МПК B32B 15/20; B23K 20/08; B23K 101/14, опубл. 20.01.2010, Бюл. №2).
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.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция композиционного теплообменника с внутренними полостями, который содержит внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, два слоя из никеля, два слоя из интерметаллидов системы алюминий - никель, выполненный 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. Наличие двух жаростойких интерметаллидных слоев обеспечивают работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C (Патент РФ на полезную модель №122333, МПК B32B 15/20; B23K 20/08; B23K 101/14, опубл. 27.11.2012, Бюл. №33- прототип).
Недостатком данной конструкции является то, что теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях, осуществляется через широкие перемычки между полостями (не менее 15 мм), обладающими значительным термическим сопротивлением, что существенно снижает теплообмен между веществами - теплоносителями, располагаемыми в смежных внутренних полостях в процессе эксплуатации изделия. Кроме того, медь, контактирующая с внутренними полостями такого теплообменника, обладает недостаточно высокой коррозионной стойкостью, например, при использовании веществ-теплоносителей, содержащих сероводород, а это весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре с повышенной тепловой мощностью.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой конструкции теплообменника с пониженным термическим сопротивлением перемычек между смежными внутренними полостями, со сплошными жаростойкими интерметаллидными слоями оптимальной толщины, с обеспечением при этом высокой герметичности металла, окружающего внутренние полости изделия и с более высокой коррозионной стойкостью металла полостеобразующих элементов, контактирующего с веществами-теплоносителями, располагаемыми во внутренних полостях.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - значительное снижение в сравнении с прототипом термического сопротивления перемычек между смежными внутренними полостями с обеспечением при этом высокой герметичности металла полостеобразующих элементов и перемычек между смежными полостями и более высокой коррозионной стойкости металла полостеобразующих элементов, контактирующего с веществами-теплоносителями, с размещением сплошных наружных жаростойких покрытий в виде интерметаллидных слоев системы алюминий-никель оптимальной толщины на поверхностях никелевых слоев с обеих сторон изделия, подверженных воздействию агрессивных окислительных сред, за счет использования новых методов сварки взрывом для создания высокопрочных сварных соединений между однородными и разнородными металлическими слоями, а также методов формирования жаростойких покрытий на поверхностях никелевых слоев.
Указанный технический результат достигается тем, что композиционный теплообменник, выполненный с внутренними полостями, содержащий слои из никеля и меди с соотношением толщин слоев 1:(1,25-2,5) при толщине каждого слоя никеля равном 1-1,2 мм, соединенные между собой сваркой взрывом, а также жаростойкие слои из интерметаллидов системы алюминий-никель на поверхностях никелевых слоев, содержит расположенные между медными слоями биметаллические трубчатые полостеобразующие элементы, сдеформированные в процессе сварки взрывом, с внутренними слоями из латуни, наружными - из меди, при этом наружные слои всех полостеобразующих элементов соединены с расположенными с двух сторон медными слоями сваркой взрывом, медные слои смежных полостеобразующих элементов соединены между собой сваркой взрывом, в каждом полостеобразующем элементе медный слой соединен с латунным слоем сваркой взрывом, при этом жаростойкие интерметаллидные слои получены сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим их формированием термической обработкой с самопроизвольным удалением алюминиевых слоев с их поверхностей при охлаждении на воздухе.
В отличие от прототипа композиционный теплообменник с внутренними полостями содержит расположенные между медными слоями биметаллические трубчатые полостеобразующие элементы, сдеформированные в процессе сварки взрывом, с внутренними слоями из латуни, наружными - из меди, при этом наружные слои всех полостеобразующих элементов соединены с расположенными с двух сторон медными слоями сваркой взрывом. Благодаря использованию биметаллических трубчатых полостеобразующих элементов, каждая внутренняя полость окружена двумя сплошными металлическими слоями из металлов с высокой теплопроводностью, что обеспечивает высокую герметичность изделия и позволяет при этом обеспечить малую толщину перемычек между смежными полостями и тем самым существенно снизить их термическое сопротивление, что облегчает теплообмен между веществами-теплоносителями в смежных полостях при эксплуатации изделия. Наружные слои полостеобразующих элементов теплообменника выполнены из меди, поскольку она обладает высокой пластичностью, что облегчает их деформирование при сварке взрывом без образования трещин, при этом они легко свариваются между собой, а также с медными и латунными слоями, что придает теплообменнику повышенную прочность при изгибающих нагрузках. Высокая теплопроводность меди способствует интенсивному теплообмену между всеми слоями изделия и с окружающей средой. Внутренние слои полостеобразующих элементов выполнены из латуни, что обеспечивает повышенную коррозионную стойкость теплообменника при контакте с химически активными веществами-теплоносителями располагаемыми во внутренних полостях изделия.
Медные слои смежных полостеобразующих элементов соединены между собой сваркой взрывом, что способствует снижению термического сопротивления перемычек между внутренними полостями, повышает прочность изделия. В каждом полостеобразующем элементе медный слой соединен с латунным слоем сваркой взрывом, что также способствует снижению термического сопротивления перемычек между внутренними полостями.
Жаростойкие интерметаллидные слои получены сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми с последующим их формированием термической обработкой с самопроизвольным удалением алюминиевых слоев с их поверхностей при охлаждении на воздухе. Применяемый метод формирования жаростойких интерметаллидных слоев обеспечивает их получение с минимальными энергетическими затратами, при этом, благодаря пониженным температурам термической обработки, которая на 30-60°C ниже температуры плавления алюминия, при ее осуществлении не происходит существенного снижения прочности металлических составляющих теплообменника из-за рекристаллизационных процессов и значительно удешевляется процесс отделения вспомогательных алюминиевых слоев от интерметаллидных.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид композиционного теплообменника с внутренними полостями, где позиция 1 - внутренние полости изделия, 2, 3 - медные слои, 4 - внутренние слои трубчатых биметаллических полостеобразующих элементов из латуни, 5 - наружные слои полостеобразующих элементов из меди, 6, 7 - зоны сварки взрывом медных слоев с наружными слоями полостеобразующих элементов, 8 - зоны сварки взрывом наружных слоев полостеобразующих элементов между собой, 9 - зоны сварки взрывом наружных (медных) слоев трубчатых полостеобразующих элементов с внутренними (латунными), 10, 11 - жаростойкие интерметаллидные слои, 12, 13 - никелевые слои, 14, 15 - зоны сварки взрывом медных слоев с никелевыми.
Работа теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к слоям 4, 5 трубчатых биметаллических полостеобразующих элементов металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости 1 изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Теплообмен теплоносителей с окислительной окружающей внешней средой происходит через слои 4, 5 биметаллических полостеобразующих элементов, слои из меди 2, 3, никеля 12, 13 и жаростойкие интерметаллидные слои 10, 11, обеспечивающие работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C. Теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через четырехслойные перемычки между полостями, состоящие из двух латунных и двух медных слоев. Сварные соединения 6, 7, 8, 9, 14, 15 обеспечивают повышенную прочность изделия к разрушению при изгибающих нагрузках, способствуют беспрепятственному теплообмену между металлическими составляющими теплообменника.
Пример исполнения №1.
н.м
в.м
cm.м
н.л
в.л
cm.л
Исходными материалами для изготовления наружных слоев биметаллических трубчатых полостеобразующих элементов композиционного теплообменника с внутренними полостями были 14 труб из меди M1 с наружным диаметром D=14 мм, внутренним - D=10 мм длиной 270 мм. Толщина стенки каждой медной трубы T=2 мм. Внутренние слои полостеобразующих элементов в виде 14 труб с наружным диаметром D=8 мм, внутренним - D=6 мм длиной 270 мм изготавливали из латуни ЛО70-1. Толщина стенки каждой латунной трубы T=1 мм.
Cu
Ni
Ni
Cu
A1
Латунные трубы, с удаляемым наполнителем в полостях, размещают соосно внутри медных труб, а затем из полученных сборок составляют плоский пакет шириной 192 мм и располагают его симметрично между двумя предварительно сваренными взрывом пакетами из пластин меди, никеля и алюминия, после чего осуществляют сварку взрывом всех составляющих полученного сборного пакета между собой. Длина всех пластин перед сваркой была 270 мм, ширина - 210 мм, толщина медных пластин из меди M1 - δ=2.5 мм, толщина пластин из никеля НП1 - δ=1 мм, соотношение толщин пластин из никеля и меди в каждом пакете δ:δ=1:2,5. Толщина пластины из алюминия АД1 - δ=1,5 мм. В результате совмещения операций высокоскоростного формообразования труб энергией взрыва со сваркой взрывом металлических слоев получают цельносварную заготовку, которую затем нагревают, выдерживают при температуре 600°C, что на 60°C ниже температуры плавления алюминия, выращивают между слоями алюминия и никеля сплошные интерметаллидные слои требуемой толщины, а затем осуществляют охлаждение на воздухе, которое, из-за возникающих термических напряжений на межслойных границах никелевых и алюминиевых слоев, приводит к самопроизвольному их разделению по интерметаллидным слоям. После этого алюминиевые слои идут на вторичную переработку.
инт
Ni
Cu
Ni
Cu
После обрезки у полученной заготовки боковых кромок с краевыми эффектами в результате получают цельносварной теплообменник с внутренними полостями, изображенный на фиг.1, длиной 250 мм, шириной 170 мм, толщиной около 17 мм, с жаростойкими слоями из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной δ=65 мкм на поверхностях никелевых слоев имеющих толщину δ=1 мм, с промежуточными медными слоями толщиной δ=2,5 мм, с соотношением толщин слоев δ:δ=1:2.5, с 12 биметаллическими полостеобразующими элементами из меди и латуни, каждая внутренняя полость окружена двумя сплошными герметичными металлическими слоями: внутренний слой из латуни ЛО70-1, обладающий в 20-24 раза большей коррозионной стойкостью, чем медь при контакте с веществами, содержащими сероводород, наружный слой полостеобразующего элемента из меди M1 обладает высокой теплопроводностью и придает изделию дополнительную прочность и возможность создания повышенных давлений во внутренних полостях. Его рабочая температура в окислительных газовых средах со стороны интерметаллидных слоев, как и у прототипа достигает 1000°C.
Cu
лаm
n
Cu
лат
n
-5
2
В композиционном теплообменнике предлагаемой конструкции каждая перемычка между смежными полостями состоит из двух медных и двух латунных слоев. Каждый медный слой после сварки взрывом имеет толщину T=2,3 мм, латунный - Т=1 мм. Суммарная толщина такой перемычки B=6,6 мм. При коэффициенте теплопроводности меди M1 λ=370 Вт/(м·К), а у латуни ЛО70-1 λ=117 Вт/(м·К), термическое сопротивление каждой четырехслойной перемычки между смежными полостями R=3·10 К/(Вт/м).
n.np
Ni
Cu
инт
Ni
инт
n.np
n.np
n
-5
2
У изделия, полученного по прототипу, каждая перемычка между внутренними полостями имеет ширину B=15 мм и состоит из шести слоев: из двух никелевых с толщиной каждого δ=1 мм, из двух медных с δ=2,5 мм, и двух интерметаллидных с δ=70 мкм. Коэффициент теплопроводности никеля НП1 λ=92 Вт/(м·К), интерметаллидного слоя - λ=7,5 Вт/(м·К), Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия по прототипу R=5,2·10 К/(Вт/м), R/R=1,8 то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 1,8 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции, а это расширяет возможные области применения теплообменника предлагаемой конструкции в энергетических, химических и других установках.
Пример исполнения №2
в.м
cm.м
Cu
Ni
Ni
Cu
A1
инт
Ni
Cu
Ni
Cu
Cu
n
n
-5
2
То же, что в примере 1, но трубы из меди имели внутренний диаметр D=11 мм. Толщина стенки каждой медной трубы до сварки взрывом T=1,5 мм. Толщина медных пластин в каждом сваренном трехслойном пакете - δ=2 мм, пластин из никеля НП1 - δ=1,1 мм, соотношение толщин пластин из никеля и меди в каждом пакете δ:δ=1:1,82. Толщина пластины из алюминия АД1 - δ=1,3 мм. После сварки взрывом цельносварную заготовку, нагревают и выдерживают при температуре 615°C, что на 45°C ниже температуры плавления алюминия. Жаростойкие слои из интерметаллидов системы алюминий-никель на поверхностях никелевых слоев имеют толщину δ=55 мкм, толщина никелевых слоев δ=1,1 мм, медных - δ=2 мм, соотношение толщин слоев δ:δ=1:1,18. Наружный медный слой каждого полостеобразующего элемента после сварки взрывом имеет толщину T=1,85 мм. Суммарная толщина каждой перемычки между внутренними полостями B=5,7 мм, термическое сопротивление каждой четырехслойной перемычки между смежными полостями равно R=2,7·10 К/(Вт/м), толщина изделия около 15,5 мм.
n.np
δNi
Cu
инт
n.np
n.np
n
-5
2
У изделия, полученного по прототипу, каждая перемычка между внутренними полостями имеет ширину B=15 мм и состоит из шести слоев: из двух никелевых с толщиной каждого =1,1 мм, из двух медных с δ=2 мм, и двух интерметаллидных с δ=60 мкм. Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия по прототипу R=5,3·10 К/(Вт/м), R/R=1,9, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 1,9 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции.
Пример исполнения №3
н.m
в.м
cm.м
Cu
Ni
Ni
Cu
A1
инт
Ni
Cu
Ni
Cu
Cu
n
n
-4
2
То же, что в примере 1, но трубы из меди имели наружный диаметр D=14, 4 мм внутренний диаметр D=12 мм. Толщина стенки каждой медной трубы до сварки взрывом T=1,2 мм, плоский пакет из труб шириной 202 мм. Толщина медных пластин в каждом сваренном трехслойном пакете - δ=1,5 мм, пластин из никеля НП1 - δ=1,2 мм, соотношение толщин пластин из никеля и меди в каждом пакете δ:δ=1:1525. Толщина пластины из алюминия АД1 - δ=1,2 мм. После сварки взрывом цельносварную заготовку, нагревают и выдерживают при температуре 630°C, что на 30°C ниже температуры плавления алюминия. Жаростойкие слои из интерметаллидов системы алюминий-никель на поверхностях никелевых слоев имеют толщину δ=45 мкм, толщина никелевых слоев δ=1,2 мм, медных слоев - δ=1,5 мм, соотношение толщин слоев δ:δ=1:1,25. Наружный медный слой каждого полостеобразующего элемента после сварки взрывом имеет толщину T=1,5 мм. Суммарная толщина каждой перемычки между внутренними полостями B=5 мм, термическое сопротивление каждой четырехслойной перемычки между смежными полостями равно R=2,5·10 К/(Вт/м), толщина изделия около 14 мм.
n.np
Ni
Cu
инт
n.np
n.np
-5
2
У изделия, полученного по прототипу, каждая перемычка между внутренними полостями имеет ширину B=15 мм и состоит из шести слоев: из двух никелевых с толщиной каждого δ=1,2 мм, из двух медных с δ=l55 мм, и двух интерметаллидных с δ=50 мкм. Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия по прототипу R=5,8·10 К/(Вт/м), R=2,3, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 2,3 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции.
Для сравнения использовали полученный по прототипу шестислойный композиционный теплообменник с внутренними полостями. Исходными материалами для его изготовления были две пластины из меди M1, две - из никеля НП1 и две - из алюминия АД1. 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, 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=50-70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=9,5-11 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=5,5-7 мм, толщина медных слоев δ=1,5-2,5 мм, никелевых - δ=1-1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:(1,25-2,5). Длина изделия - 300 мм, ширина - 225 мм. Рабочая температура теплообменника в окислительных газовых средах достигает 1000°C. В сравнении с предлагаемым способом у такого теплообменника термическое сопротивление перемычек между смежными каналами в 1,8-2.3 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции, а коррозионная стойкость металла, окружающего внутренние полости и контактирующего с веществами, содержащими сероводород, в 20-24 раза ниже.