Схема многослойного кожухотрубчатого теплообменника с внутренними полостями для газового котла

 

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.

Многослойный теплообменник, выполненный с внутренними полостями 1, содержит трубчатые полостеобразующие элементы 2 из меди, сдефор-мированные в процессе сварки взрывом, и расположенные между медными слоями 3, 4, при этом каждый полостеобразующий элемент соединен с медными слоями сваркой взрывом по всем поверхностям контакта 5, 6, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом в зонах их контакта 7, жаростойкие интерметаллидные слои 8, 9 получены сваркой взрывом алюминиевых слоев с никелевыми 10, 11 с последующим их формированием термической обработкой с самопроизвольным удалением алюминиевых слоев с их поверхностей при охлаждении на воздухе.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении предлагаемой полезной модели: снижение в сравнении с прототипом в 4,5-6,4 раза термического сопротивления перемычек между смежными каналами, с обеспечением при этом высокой герметичности полостеобразующих элементов и возможности двустороннего контакта теплообменника со стороны его интерметаллидных слоев с окислительными газовыми средами, нагретыми до 1000°C.

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°С, поэтому ее предельно допустимая рабочая температура не превышает 400-600°С, 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 интерме-таллидный 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; В23К 20/08; В23К 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, 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 многослойного теплообменника с внутренними полостями 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.

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 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 многослойный 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, отличающийся тем, что он содержит трубчатые полостеобразующие элементы из меди, сдеформированные в процессе сварки взрывом, и расположенные между медными слоями, при этом каждый полостеобразующий элемент соединен с медными слоями сваркой взрывом, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой 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 многослойный теплообменник с внутренними полостями содержит трубчатые полостеобразующие элементы из меди, сдеформированные в процессе сварки взрывом, и расположенные между медными слоями, при этом каждый полостеобразующий элемент соединен с медными слоями сваркой взрывом по всем поверхностям контакта. Благодаря использованию трубчатых полостеобразующих элементов, каждая внутренняя полость окружена сплошным металлом без каких либо сварных соединений, 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. Полостеобразующие элементы теплообменника выполнены из меди, поскольку она обладает высокой пластичностью, что облегчает их деформирование при сварке взрывом без образования трещин, при этом медные полостеобразующие элементы легко свариваются между собой и с медными слоями, что придает теплообменнику повышенную прочность при изгибающих нагрузках. Высокая теплопроводность меди способствует интенсивному теплообмену между всеми слоями изделия и с окружающей средой.

Смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, что способствует снижению термического сопротивления перемычек между внутренними полостями, повышает прочность изделия.

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 многослойного теплообменника с внутренними полостями, где позиция 1 - внутренние полости изделия, 2 - трубчатые полостеобразующие элементы из меди, 3, 4 - медные слои, 5, 6 - зоны сварки взрывом медных слоев с полостеобразующими элементами, 7 - зоны сварки взрывом полостеобразующих элементов между собой, 8, 9 - жаростойкие интерметаллидные слои, 10, 11 - никелевые слои, 12, 13 - зоны сварки взрывом медных слоев с никелевыми.

Работа многослойного теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к трубчатым полостеобразующим элементам из меди 2 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости 1 изделия жидкостей или газов-теплоносителей. Теплообмен теплоносителей с окислительной окружающей внешней средой через медные стенки полостеобразующих элементов 2, слои из меди 3, 4 никеля 10, 11 и жаростойкие интерметаллидные слои 8, 9. Жаростойкие интерметаллидные слои обеспечивают работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°C. Теплообмен между веществами - теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через перемычки между полостями, состоящими из стенок медных трубчатых полостеобразующих элементов, которые сварены между собой на участках 7. Зоны сварки взрывом (сварные соединения) 5, 6, 7, 12, 13 обеспечивают повышенную прочность изделия к разрушению при изгибающих нагрузках, способствуют беспрепятственному теплообмену между металлическими составляющими теплообменника.

Пример исполнения 1.

Исходными материалами для изготовления полостеобразующих элементов многослойного теплообменника с внутренними полостями были 16 труб из меди М1 с наружным диаметром Dн=12 мм, внутренним - Dв=9 мм длиной 270 мм. Толщина стенки каждой трубы Tст=1,5 мм. Из труб с удаляемым наполнителем в полостях составляют плоский пакет шириной 192 мм и располагают его симметрично между двумя предварительно составленными пакетами из пластин меди, никеля и алюминия, после чего осуществляют сварку взрывом всех составляющих полученной сборки между собой. Длина всех пластин была 270 мм, ширина - 210 мм, толщина медных пластин из меди М1 - Cu=2.5 мм, толщина пластин из никеля НП1 - Ni=1 мм, соотношение толщин пластин из никеля и меди в каждом пакете Ni: Cu=1:2.5. Толщина пластины из алюминия АД1 - Al=1,5 мм. В результате совмещения операций высокоскоростного формообразования труб энергией взрыва со сваркой взрывом 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.

После обрезки у полученной заготовки боковых кромок с краевыми эффектами в результате получают цельносварной многослойный теплообменник с внутренними полостями, изображенный на фиг.1, длиной 250 мм, шириной 170 мм, толщиной около 16,5 мм, с жаростойкими слоями из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной инт=65 мкм на поверхностях никелевых слоев имеющих толщину Ni=1 мм, с промежуточными медными слоями толщиной Cu=2,5 мм, с соотношением толщин слоев Ni1: Cu=1:2,5, с 14 полостеобразующими элементами, его рабочая температура в окислительных газовых средах со стороны интерметаллидных слоев, как и у прототипа достигает 1000°С.Ширина медных перемычек между смежными каналами, равная удвоенной толщине стенки каждой трубы Bn=2·Тст=2·1, 5=3 мм. При коэффициенте теплопроводности меди М1 Cu=370 Вт/(м·К) термическое сопротивление каждой такой перемычки равно Rп=0,81·10-5 К/(Вт/м2).

У изделия, полученного по прототипу, каждая перемычка между внутренними полостями имеет ширину Вп.пр=15 мм и состоит из шести слоев: из двух никелевых с толщиной каждого Ni=Т мм, из двух медных с Cu=2,5 мм, и двух интерметаллидных с инт=70 мкм. п.пр: п=15:3=5, то есть, ширина перемычки между смежными каналами у прототипа в 5 раз больше, чем у предлагаемого теплообменника. Коэффициент теплопроводности никеля НП1 Ni=92 Вт/(м-К), интерметаллидного слоя - инт=7,5 Вт/(м-К), Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия, полученного по прототипу Rп.пр =5,2·10-5 К/(Вт/м), Rп.пр/Rп =6,4, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 6,4 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.

То же, что в примере 1, но внутренний диаметр труб Dв=8 мм, толщина стенки каждой трубы Tст =2 мм. Толщина медных пластин - Cu=2 мм, никелевых - Ni=1,1 мм, соотношение толщин пластин из никеля и меди Ni:Cu=1:1,82, толщина удаляемых при термической обработке пластин из алюминия - Al=1,3 мм. После сварки взрывом нагревают и выдерживают заготовку для выращивания между слоями алюминия и никеля сплошных интерметаллидных слоев при температуре 615°C, что на 45°C ниже температуры плавления алюминия.

В полученном многослойном теплообменнике с внутренними полостями толщина жаростойких слоев из интерметаллидов системы алюминий-никель с обеих сторон изделия инт=55 мкм, толщина никелевых слоев Ni=1,1 мм, медных - Cu=2 мм, Ni: Cu=1:1,82. Ширина перемычек между смежными каналами Вп=2·Тст=4 мм термическое сопротивление каждой такой перемычки Rп=1·10-5 K/(Вт/м 2) толщина изделия около 15,5 мм. У изделия, полученного по прототипу, при таких же толщинах никелевого и медного слоев и при толщине интерметаллидных слоев инт=60 мкм, соотношение Вп.пр:В=15:4=3,75, то есть, ширина перемычки между смежными каналами у прототипа в 3,75 раз больше, чем у предлагаемого теплообменника. Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия по прототипу Кппр =5,3·10-5 К/(Вт/м), Rп.пр/Rп =5,3, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 5,3 раза больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции.

Пример исполнения 3.

То же, что в примере 1, но внутренний диаметр труб Dв=7 мм, толщина стенки каждой трубы Tст =2,5 мм. Толщина медных пластин - Cu=1,5 мм, пластин из никеля - Ni=1,2 мм, соотношение толщин пластин из никеля и меди Ni:Cu=1:1,25, толщина удаляемых при термической обработке пластин из алюминия - Al=1,2 мм. После сварки взрывом нагревают и выдерживают заготовку для выращивания между слоями алюминия и никеля сплошных интерметаллидныхо слоев при температуре 630°C, что на 30°C ниже температуры плавления алюминия.

В полученном многослойном теплообменнике с внутренними полостями толщина интерметаллидных слоев инт=45 мкм, никелевых - 8Ni=1,2 мм, медных - Cu=1,5 мм, Ni:Cu=1:1,25. Ширина перемычек между смежными полостями Вп=2·Tст=5 мм, термическое сопротивление каждой такой перемычки равно Rп=1,3·10-5 К/(Вт/м2), толщина изделия около 15 мм.

У изделия, полученного по прототипу, при таких же толщинах никелевых и медных слоев и при толщине интерметаллидных слоев инт=50 мкм, соотношение Вп.пр п=15:5=3, то есть, ширина перемычки между смежными каналами у прототипа в 3 раза больше, чем у предлагаемого теплообменника.

Термическое сопротивление каждой перемычки у изделия, полученного по прототипу Rп.пр=5,8·10-5 К/(Вт/м2), Rп.пр/Rп=4,5, то есть у прототипа термическое сопротивление перемычек между внутренними полостями в 4,5 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 М1, 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.

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 инт=50-70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей max=9,5-11 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями min=5,5-7 мм, толщина медных слоев Cu=1,5-2,5 мм, никелевых - Ni=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 этого теплообменника ширина перемычек между смежными каналами в 3-5 раз больше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции, а термическое сопротивление этих перемычек в 4,5-6,4 раза больше.

Многослойный 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, равной 1-1,2 мм, соединенные между собой сваркой взрывом, а также жаростойкие слои из интерметаллидов системы алюминий-никель на поверхностях никелевых слоев, отличающийся тем, что он содержит трубчатые полостеобразующие элементы из меди, сдеформированные в процессе сварки взрывом и расположенные между медными слоями, при этом каждый полостеобразующий элемент соединен с медными слоями сваркой взрывом, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой 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.



 

Похожие патенты:

Схема теплообменника и производство разборных пластинчатых рекуперативных автомобильных теплообменников относиться к области теплотехники, в частности к рекуперативным теплообменным агрегатам - теплообменникам, имеющим более одного хода по одному и тому же теплоносителю, то есть многоходовым теплообменникам, а также к блокам этих теплообменников, имеющих разные теплоносители, причем теплоносителями могут быть любые среды, и может найти применение в авиационной, тракторной и автомобильной промышленности.

Регенеративно-горелочный блок к теплообменной технике, в частности к теплообменным аппаратам, работающим по принципу переключающегося регенеративного теплообменника, и может быть использован для нагрева дутьевого воздуха дымовыми газами, предпочтительно в котлах малой мощности, при их поочередном и однонаправленном движении.
Наверх