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.
Теплообменник с внутренними полостями, содержит внутренние полости 1, сформированные гидравлическим давлением, слой из никеля, слой из интерметаллидов системы алюминий-никель и отличается тем, что он выполнен пятислойным и содержит нижний стальной слой 2 в виде пластины, приваренную к нему медную пластину 3, медный 4 и никелевый 5 слои сдеформированные гидравлическим давлением и расположенный на поверхности никелевого слоя жаростойкий слой 6 из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 50-70 мкм, полученный сваркой взрывом алюминиевого слоя с никелевым с последующим его формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения 7-9 сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине слоя никеля равном 1-1,2 мм.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - на 400-600°C более высокая в сравнении с прототипом жаростойкость при одностороннем контакте с окислительными газовыми средами и в 4-7 раз большая 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.
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°С, 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 теплообменника с внутренними полостями сваркой взрывом со сплошным жаростойким интерметаллидным слоем оптимальной толщины на наружной поверхности изделия, обеспечивающим повышенную долговечность теплообменника в окислительных 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, с повышенной прочностью 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 сплошного наружного жаростойкого покрытия в виде интерметаллидного слоя системы алюминий-медь оптимальной толщины на поверхности никелевого слоя, использования новых методов сварки взрывом для создания высокопрочных сварных соединений между однородными и разнородными металлическими слоями, а также нового метода формирования жаростойкого покрытия с удалением избыточного алюминия с поверхности интерметаллидного слоя при температуре, превышающей температуру его плавления.
Указанный технический результат достигается тем, что теплообменник с внутренними полостями, содержащий внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, слой из никеля, слой из интерметаллидов системы алюминий-никель, выполнен пятислойным и содержит нижний стальной слой в виде пластины, приваренную к нему медную пластину, медный и никелевый слои сдеформированные гидравлическим давлением и расположенный на поверхности никелевого слоя жаростойкий слой из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 50-70 мкм, полученный сваркой взрывом алюминиевого слоя с никелевым с последующим его формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине слоя никеля равном 1-1,2 мм.
В отличие от прототипа теплообменник с внутренними полостями выполнен пятислойным и содержит нижний стальной слой в виде пластины, приваренную к нему медную пластину, медный и никелевый слои сдеформированные гидравлическим давлением и расположенный на поверхности никелевого слоя жаростойкий слой из интерметаллидов системы алюминий-никель. Стальной слой выполнен в виде пластины, что придает получаемому изделию высокую прочность при изгибающих нагрузках, снижает вероятность растрескивания интерметаллидного покрытия 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. Медная пластина, приваренная к стальному слою, обеспечивает в процессе эксплуатации изделия стабильность тепловых потоков при передаче тепловой энергии от веществ - теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия к стальной пластине. После сварки медной пластины со смежным медным слоем на локальных участках и формирования гидравлическим давлением внутренних полостей обеспечивается однородность металла, окружающего внутренние полости и тем самым обеспечивается повышенная коррозионная стойкость изделия при длительной эксплуатации. 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 жаростойкого интерметаллидного слоя от перегрева в процессе эксплуатации изделия. Никелевый слой необходим для формирования на его поверхности интерметаллидного слоя системы алюминий-никель, придающего изделию повышенную жаростойкость при одностороннем контакте с окислительными газовыми средами при повышенных температурах. Для этого при получении изделия на поверхность никелевого слоя приваривают вспомогательный алюминиевый слой, удаляемый на заключительной стадии процесса. Кроме того, никелевый слой придает изделию повышенную прочность при сжимающих нагрузках со стороны медного слоя, легко сваривается с медью в широком диапазоне скоростных режимов сварки взрывом, при этом в зоне соединения его с медью не возникают нежелательные хрупкие фазы, как в процессе сварки взрывом, так и при последующих термических обработках, которые могли бы снизить прочность конструкции в процессе эксплуатации.
Получение жаростойкого интерметаллидного слоя системы алюминий -никель толщиной 50-70 мкм на наружной поверхности изделия с помощью сварки взрывом алюминиевого слоя с никелевым с последующим его формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, является новым и экономически выгодным приемом нанесения таких покрытий. Толщина жаростойкого интерметаллидного слоя менее 50 мкм приводит к снижению долговечности предлагаемой конструкции в окислительных газовых средах. При толщине интерметаллидного слоя более 70 мкм у него возникает склонность к растрескиванию при резких перепадах давления во внутренних полостях изделия, что снижает его защитные свойства.
В предлагаемой конструкции все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине слоя никеля равной 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 никелевого слоя менее 1 мм является недостаточной для обеспечения высокого качества изделия из-за возможных нарушений его сплошности при операции формирования гидравлическим давлением внутренних полостей. Его 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 теплообменника с внутренними полостями, где позиция 1 - внутренние полости изделия, 2 - стальная пластина, 3 - медная пластина, 4 - сдеформированные медный 4 и никелевый 5 слои, 6 - жаростойкий интерметаллиднй слой, 7 - зоны сварки взрывом медных слоев между собой, 8 - зона сварки медной пластины со стальной, 9 - зона сварки никелевого слоя с медным.
Работа теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к медным слоям 3, 4 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 1 жидкостей или газов-теплоносителей. Теплообмен теплоносителей с окружающей внешней средой осуществляется с одной стороны изделия через слой из меди 4, никеля 5 и интерметаллидный слой 6, а с другой стороны изделия теплообмен осуществляется через медную 3 и стальную пластину 2. Жаростойкий интерметаллидный слой 6 обеспечивают работоспособность изделия в окислительных газовых средах до 1000°С. Теплообмен между веществами-теплоносителями, расположенными в смежных полостях осуществляется через цельносварные перемычки между полостями, где медные слои 3, 4 сварены между собой на участках 7. Сварные соединения 7-9 обеспечивают повышенную стойкость изделия к разрушению при резких перепадах давления в его внутренних полостях.
Пример исполнения 1.
Исходными материалами для изготовления композиционного 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 трехслойный пакет под сварку взрывом с размещением в нем между пластинами из алюминия и меди никелевой пластины. После сварки взрывом этого пакета составляют другой пакет из полученной трехслойной заготовки, медной и стальной пластины, предварительно на поверхность медной пластины 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. Свариваемые заготовки располагают параллельно друг над другом, при этом поверхность медной пластины с нанесенными противосварочными полосами располагают под медным слоем сваренной трехслойной заготовки. После сварки взрывом данного пакета, обрезки боковых кромок с краевыми эффектами и термической обработки для повышения деформационной способности металлических слоев сваренной пятитислойной 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 диффузионной интерметаллидной прослойки между слоями из алюминия и никеля, затем нагревают ее до температуры, превышающей температуру плавления алюминия, удаляют с ее поверхности 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 сплошным жаростойким интерметаллидным покрытием на его наружной поверхности.
В результате получают цельносварной теплообменник длиной - 300 мм, шириной - 225 мм с пятью внутренними полостями шириной 25 мм, высотой 4 мм, с герметичными перемычками между полостями шириной около 15 мм, со сплошным жаростойким интерметаллидным слоем на его наружной поверхности толщиной 
инт=70 мкм, внутренние полости изделия окружены однородным металлом из меди, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей max=16 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями min=12 мм, толщина стальной пластины в изделии ст=6 мм, толщина медной пластины равна толщине сдеформированного медного слоя - Cu=2,5 мм, толщина никелевого слоя - Ni=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 со стороны жаростойкого интерметаллидного слоя достигает 1000°C, что на 400-600°C выше, чем у изделий, по прототипу, с прочностью при изгибающих нагрузках в 4-5 раз большей, чем у прототипа, а это позволяет использовать изделия предлагаемой конструкции в энергетических и химических установках, эксплуатируемых в окислительных газовых средах.
Пример исполнения 2.
То же, что в примере 1, но сплошной жаростойкий интерметаллидный слой на наружной поверхности изделия имеет толщину инт=60 мкм, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей max=17 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями min=13 мм, толщина стальной пластины ст=8 мм, толщина медных слоев Cu=2 мм, толщина никелевого слоя - Ni=1,1 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,82, прочность изделия при изгибающих нагрузках в 5-6 раз больше, чем у прототипа.
Пример исполнения 3.
То же, что в примере 1, но сплошной жаростойкий интерметаллидный слой на наружной поверхности изделия имеет толщину инт=50 мкм, максимальная толщина изделия в местах расположения внутренних полостей max=18,5 мм, минимальная толщина в местах расположения перемычек между полостями min=14,5 мм, толщина стальной пластины ст=10 мм, толщина медных слоев Cu=1,5 мм, толщина никелевого слоя - Ni=1,2 мм, соотношение толщин слоев никеля и меди 1:1,25, прочность изделия при изгибающих нагрузках в 6-7 раз больше, чем у прототипа.
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 A1=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, а их прочность при изгибающих нагрузках в 4-7 раз меньше, чем у теплообменника предлагаемой конструкции.
Теплообменник с внутренними полостями, содержащий внутренние полости, сформированные гидравлическим давлением, слой из никеля, слой из интерметаллидов системы алюминий - никель, отличающийся тем, что теплообменник выполнен пятислойным и содержит нижний стальной слой в виде пластины, приваренную к нему медную пластину, медный и никелевый слои, сдеформированные гидравлическим давлением, и расположенный на поверхности никелевого слоя жаростойкий слой из интерметаллидов системы алюминий-никель толщиной 50-70 мкм, полученный сваркой взрывом алюминиевого слоя с никелевым с последующим его формированием термической обработкой с удалением избыточного алюминия при температуре, превышающей температуру его плавления, все металлические слои соединены между собой по всем поверхностям их соприкосновения сваркой взрывом, соотношение толщин слоев никеля и меди составляет 1:(1,25-2,5) при толщине слоя никеля равном 1-1,2 мм.
