КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

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 В32В 15/20; В23К 20/08; В23К 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°С, поэтому ее предельно допустимая рабочая температура не превышает 400-600°C, малая прочность изделия при изгибающих нагрузках из-за наличия в его конструкции малопрочных алюминиевых слоев и малой толщины перемычек между полостями, что весьма ограничивает возможные области использования таких изделий в теплообменной аппаратуре, предназначенной для длительной эксплуатации в окислительных газовых средах, где требуется повышенная жаростойкость и прочность при изгибающих нагрузках.
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 повышенной прочностью при изгибающих нагрузках, 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, повышенная прочность теплообменника при изгибающих нагрузках 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, размещения стальной пластины в центральной части теплообменника, способствующей существенному повышению его прочности при изгибающих нагрузках, 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, содержащий внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, два слоя из никеля, два слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель, выполнен девятислойным и содержит стальной слой в виде пластины, расположенный между приваренными к нему с двух сторон медными пластинами, медные и никелевые слои сдеформированные гидравлическим давлением и расположенные на поверхностях никелевых слоев два жаростойких слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 50-70 мкм, полученные 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, внутренние полости в теплообменнике располагаются симметрично с двух сторон стального слоя.
В отличие от прототипа композиционный теплообменник выполнен девятислойным и содержит стальной слой в виде пластины, расположенный между приваренными к нему с двух сторон медными пластинами, медные и никелевые слои сдеформированные гидравлическим давлением и расположенные на поверхностях никелевых слоев два жаростойких слоя из интерметаллидов системы алюминий-никель. Стальной слой выполнен в виде пластины, что придает изделию высокую прочность при изгибающих нагрузках, снижает вероятность растрескивания интерметаллидных покрытий при эксплуатации изделия, расширяет возможности монтажа изделий с применением сварки плавлением при изготовлении стальных корпусов химических и тепловых агрегатов. Предельная толщина данной стальной пластины не ограничена. Медные пластины, приваренные к стальному слою, обеспечивают в процессе эксплуатации изделия стабильность тепловых потоков при передаче тепловой энергии от веществ - теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия к стальной пластине. После сварки медных пластин со смежными медными слоями на локальных участках и формирования гидравлическим давлением внутренних полостей обеспечивается однородность металла, окружающего внутренние полости с обеих сторон изделия и тем самым обеспечивается его повышенная коррозионная стойкость при длительной эксплуатации. Кроме того, медные слои при сварке взрывом легко свариваются между собой 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 в процессе эксплуатации изделия. Никелевые слои необходимы для формирования на их поверхностях интерметаллидных слоев системы алюминий - никель, придающих изделию повышенную жаростойкость при двустороннем контакте с окислительными газовыми средами при повышенных температурах. Для этого при получении изделия на поверхности никелевых слоев приваривают вспомогательные алюминиевые слои, удаляемые на заключительной стадии процесса. Кроме того, никелевые слои придают стенкам изделия повышенную прочность при сжимающих нагрузках в местах расположения внутренних полостей, со стороны изделия с медным слоем, легко свариваются со сталью и медью в широком диапазоне скоростных режимов сварки взрывом, при этом в зонах соединения не возникают нежелательные хрупкие фазы, которые могли бы снизить прочность конструкции в процессе эксплуатации, как в процессе сварки взрывом, так и при последующих термических обработках.
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.
Внутренние полости в теплообменнике располагаются симметрично с двух сторон стального слоя, что в процессе эксплуатации изделия обеспечивает равенство тепловых потоков от веществ - теплоносителей к стальной пластине, повышает эффективность теплообмена.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид многослойного теплообменника с внутренними полостями, где позиция 1 - стальная пластина, 2, 3 - медные пластины, 4, 5 - сдеформированные медные слои, 6, 7 - сдеформированные никелевые слои, 8, 9 - жаростойкие интерметаллидные слои, 10, 11 - зоны сварки взрывом медных слоев между собой, 12, 13 - зоны сварки медных пластин со стальной, 14, 15 - зоны сварки никелевых слоев с медными, 16, 17 - внутренние полости изделия.
Работа теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к медным слоям 2, 4 и 3, 5 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 16-17 жидкостей или газов - теплоносителей. Теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется через сдеформированные слои из меди 4, 5, никеля 6, 7 и жаростойкие интерметаллидные слои 8, 9, а со стальной пластиной 1 теплообмен теплоносителей осуществляется через медные пластины 2, 3. Жаростойкие интерметаллидные слои 8, 9 обеспечивают работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C. Теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через цельносварные перемычки между полостями из меди, никеля и стали. Сварные соединения 10-15 обеспечивают повышенную стойкость изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях.
Пример исполнения №1.
Исходными материалами для изготовления многослойного теплообменника с внутренними полостями были пластины из меди Ml, никеля НП1, стали 12Х1МФ 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 эти пакеты располагают симметрично с двух сторон стальной пластины, в промежутках между ними размещают медные пластины, на поверхности которых предварительно 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 наносимых полос - 80-100 мкм. Свариваемые заготовки располагают вертикально параллельно друг другу, при этом поверхности медных пластин с нанесенными противосварочными полосами располагают так, чтобы они были обращены к медным слоям сваренных трехслойных заготовок. Сварку взрывом полученного пакета осуществляют с помощью двух одинаковых зарядов взрывчатого вещества с одновременным инициированием в них процессов детонации. После сварки взрывом данного пакета, обрезки боковых кромок с краевыми эффектами и термической обработки для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной семислойной заготовки производят формирование между ее медными слоями внутренних полостей, имеющих форму, как на фиг.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 изделия с внутренними полостями со сплошными жаростойкими интерметаллидными покрытиями на его наружных поверхностях.
инт
max
min
min
Cu
Ni
В результате получают цельносварной композиционный теплообменник длиной - 300 мм, шириной - 225 мм с десятью внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, по пять полостей симметрично расположенных с каждой стороны стальной пластины, с герметичными перемычками между полостями шириной около 15 мм, со сплошными интерметаллидными жаростойкими слоями на его наружных поверхностях толщиной δ=70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=22 мм, минимальная средняя толщина в местах расположения перемычек между полостями δ =18 мм, толщина стальной пластины в изделии δ=6 мм, толщина каждой медной пластины равна толщине каждого сдеформированного медного слоя - δ=2,5 мм, толщина каждого никелевого слоя - δ=1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:2,5.
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, его прочность при изгибающих нагрузках в 7,5-8,5 раз 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
min
ст
Cu
Ni
То же, что в примере 1, но сплошные жаростойкие интерметаллидные слои на наружной поверхности изделия имеют толщину δ=60 мкм, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=22,2 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=18,2 мм, толщина стальной пластины δ=8 мм, средняя толщина медных слоев δ=2 мм, никелевых слоев - δ=1,1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,82, прочность изделия при изгибающих нагрузках в 8-9 раз выше, чем у изделий по прототипу.
Пример исполнения №3.
инт
max
min
ст
Cu
Ni
То же, что в примере 1, но сплошные интерметаллидные жаростойкие слои на наружных поверхностях изделия имеют толщину δ=50 мкм, максимальная средняя толщина изделия в местах расположения внутренних полостей δ=22,4 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями δ=18,4 мм, толщина стальной пластины δ=10 мм, средняя толщина медных слоев δ=1,5 мм, никелевого слоя - δ=1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,25, прочность изделия при изгибающих нагрузках в 9-10 раз выше, чем у изделий по прототипу.
A1
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. Прочность изделий при изгибающих нагрузках в 7,5-10 раз ниже, чем у изделий предлагаемой конструкции.