Биметаллический теплообменник с внутренними полостями
Полезная модель относится к изделиям, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках. Биметаллический теплообменник с внутренними полостями, содержит трубчатые полостеобразующие элементы и отличается тем, что полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими с внутренними слоями 1 из меди, а наружными слоями 2 из латуни, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения 3. В поперечном сечении внутренние полости 5 имеют овальную форму, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, при этом площадь каждого такого сварного соединения 4 составляет 0,14-0,16 площади наружной боковой поверхности слоя из латуни. Техническим результатом, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели является то, что, в сравнении с прототипом у предложенной конструкции цельносварного биметаллического теплообменника, благодаря двухслойному строению полостеобразующих элементов и четырехслойным перемычкам между смежными полостями, повысилась прочность изделия и непроницаемость его металла для жидкостей и газов, а овальная форма поперечных сечений внутренних каналов позволяет снизить вероятность появления трещин при эксплуатации данного теплообменника при знакопеременных нагрузках.
Полезная модель относится к изделиям, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках.
Известна листовая конструкция одноканального теплообменного устройства, выполненного из сваренного взрывом биметалла со сквозным каналом сложной формы для пропускания через него хладоносителя (Ю.П.Трыков, В.Г.Шморгун, Д.В.Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство №6, 2000 г., С.40-43). Недостатком данной конструкции является значительная нерегулярность площади поперечного сечения внутреннего канала, что создает дополнительные препятствия при транспортировке веществ через этот канал, возможность расслоения биметалла при прокачивании жидкости или газа через внутренний канал под большим давлением из-за наличия хрупкой интерметаллидной прослойки в зоне соединения металлов, малая герметичность металла, контактирующего с внутренним каналом из-за большой вероятности появления при сварке взрывом тонколистовых металлов несплошностей и других дефектов, что ограничивает их применение..
Известны конструкции многоканальных биметаллических теплообменников, изготовленных с помощью взрывных технологий (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.34-35). Одна из таких конструкций изготовлена из тонких металлических листов одинаковой толщины, а другая - из тонкого и толстого листового металла. В обеих конструкциях внутренние проходные каналы заданного профиля сформированы гидравлическим давлением в специальных приспособлениях. На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют
диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении. Общим недостатком данных конструкций является малая герметичность сварных соединений в местах расположения перемычек между смежными каналами, особенно, когда ширина перемычек менее 10-15 мм. Кроме того, велика вероятность нарушения сплошности тонколистового металла при формировании внутренних каналов, что ограничивает возможности использования таких конструкций в тепловых агрегатах ответственного назначения, особенно, когда требуется повышенная герметичность перемычек между смежными каналами.
Наиболее близкой по технической сущности является конструкция биметаллического теплообменника, полученного сваркой взрывом (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.35 - прототип), в которой полые полостеобразующие элементы прямоугольной формы соединены сваркой взрывом между собой и с плакирующей пластиной. Недостатком данной конструкции является то, что полостеобразующие элементы являются однослойными и имеют прямоугольную форму. В местах наибольших деформаций полостеобразующих элементов, в их угловых частях, при сварке взрывом происходит сильный локальный разогрев металла труб с частичным плавлением металла, что снижает их прочность и герметичность, а это ограничивает применение таких изделий в теплообменной аппаратуре ответственного назначения.
Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, более прочной и надежной конструкции теплообменника с повышенной герметичностью металлических слоев и перемычек между смежными полостями.
Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - увеличение прочности и непроницаемости для жидкостей и газов полостеобразующих элементов.
Указанный технический результат достигается тем, что полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими с наружными слоями из более прочного металла - латуни, внутренними - из менее прочной, но обладающей высокой теплопроводностью - меди, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, в поперечном сечении внутренние полости имеют овальную форму, что исключает вероятность появления обширных зон плавления металла, снижающих прочность и герметичность изделия. Смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, при этом площадь каждого такого сварного соединения составляет 0,14-0,16 площади наружной боковой поверхности слоя из латуни.
В отличие от прототипа полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими - из латуни и меди. Латунь обладает в 1,4-1,6 раза большей прочностью и твердостью, чем медь, что способствует повышению прочности сваренных взрывом изделий при растягивающих и изгибающих нагрузках, а также защищает наружные поверхности теплообменника от повреждений при повышенных контактных нагрузках. Слои из латуни и меди соединены сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, поэтому в зонах соединения слоев не возникает дополнительных термических сопротивлений, снижающих эффективность теплообмена, в связи с отсутствием в них непроваров, расслоений, трещин, пор и других дефектов.
В предлагаемой конструкции биметаллического теплообменника перемычки между смежными полостями четырехслойные, состоящие из двух слоев латуни и двух - из меди, что существенно повышает их герметичность, прочность на растяжение, изгиб и срез, благодаря чему полностью исключается возможность перемешивания и нежелательного химического взаимодействия жидкостей или газов - теплоносителей, прокачиваемых через внутренние полости при эксплуатации изделия.
В предложенной конструкции внутренние полости в поперечном сечении имеют овальную форму, что снижает внутренние напряжения в металле, контактирующем с внутренними полостями, а это, в свою очередь, уменьшает вероятность появления трещин при эксплуатации теплообменников при знакопеременных нагрузках. Кроме того, при получении изделий сваркой взрывом при такой конфигурации внутренних полостей исключена вероятность появления при сварке взрывом обширных зон плавления металла, ухудшающих прочность и герметичность изделия.
В предлагаемой конструкции полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, при этом площадь каждого сварного соединения составляет 0,14-0,16 площади боковой поверхности слоя из латуни, что обеспечивает необходимую прочность теплообменника при испытаниях на изгиб и интенсивный теплообмен между веществами, находящимися в смежных полостях. При выполнении сварных соединений с площадью, составляющей менее 0,14 площади боковой поверхности слоя из латуни, прочность теплообменника на изгиб оказывается недостаточной. Кроме того, затрудняется теплообмен между веществами, находящимися в смежных каналах. Площади сварных соединений более 0,16 площади боковой поверхности слоя из латуни нежелательны из-за слишком большой объемной доли металла перемычек между смежными полостями, что ухудшает теплопередачу в поперечном направлении теплообменника.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен внешний вид изделия. Биметаллический теплообменник с внутренними полостями состоит из соединенных сваркой взрывом полостеобразующих элементов, состоящих из медных 1 и латунных слоев 2, соединенных между собой сваркой взрывом по всем поверхностям их соприкосновения 3. Слои из латуни смежных полостеобразующих элементов соединены между собой сваркой взрывом на участках 4, причем площадь каждого сварного соединения составляет 0,14-0,16 площади боковой поверхности каждого слоя из латуни. Внутренние полости 5 имеют овальную форму.
Работа биметаллического теплообменника осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия к слоям 1, 2 приваривают, например, сваркой плавлением металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 5 жидкостей или газов - теплоносителей, а также нагреваемых или охлаждаемых жидких или газообразных веществ. Вещества-теплоносители в полостях 5 чередуются с веществами-теплоприемниками. Теплообмен между этими веществами осуществляется через четырехслойные перемычки между смежными полостями, состоящие из двух медных слоев 1 и двух латунных слоев 2, соединенных между собой сваркой взрывом на участках 3, 4.
В другом варианте использования биметаллический теплообменник с приваренными, как указано выше металлическими трубопроводами, помещают в жидкую или газообразную среду-теплоприемник, а вещество-теплоноситель пропускают через внутренние полости 5. В данном случае теплообмен с внешней средой-теплоприемником осуществляется, в основном, через двухслойные, состоящие из слоев меди 1 и латуни 2, стенки биметаллических полостеобразующих элементов.
Пример исполнения №1. Исходными материалами для изготовления биметаллического теплообменника были 10 труб из латуни Л80 (ГОСТ 15527-70) с наружным диаметром 18 мм, внутренним - 14 мм, длиной 250 мм, и столько же труб такой же длины из меди M1 (ГОСТ 859-78) с наружным диаметром 10 мм, внутренним - 6 мм. Медные трубы размещали соосно внутри латунных, а затем осуществлялась сборка плоского пакета из полученных трубных заготовок, а также вспомогательных, удаляемых после сварки материалов, и сварка его взрывом. В результате совмещения операций высокоскоростного формообразования труб энергией взрыва и сварки взрывом получали изделие, изображенное на рисунке 1 с внутренними полостями овальной формы, с качественными сварными соединениями латунных и медных, а также латунных слоев между собой, с повышенной прочностью и герметичностью полостеобразующих элементов, при этом площадь
каждого сварного соединения смежных полостеобразующих элементов между собой составляет 0,14-0,15 площади боковой поверхности слоя из латуни.
Пример исполнения №2. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. Для изготовления биметаллического теплообменника использовали 11 труб из латуни и 11 - из меди. Наружный диаметр латунных труб - 16 мм., внутренний - 12,8 мм. Результаты получения биметаллического теплообменника те же, что в примере №1, но площадь каждого сварного соединения смежных полостеобразующих элементов составляет 0,15-0,16 площади боковой поверхности слоя из латуни.
Пример исполнения №3. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. Для изготовления биметаллического теплообменника использовали 12 труб из латуни и 12 - из меди. Наружный диаметр латунных труб - 14,8 мм., внутренний - 12,4 мм. Результаты получения биметаллического теплообменника те же, что в примере №1.
В сравнении с прототипом у предложенной конструкции цельносварного биметаллического теплообменника, благодаря двухслойному строению полостеобразующих элементов и четырехслойным перемычкам между смежными полостями, повысилась прочность изделия и непроницаемость его металла для жидкостей и газов, а овальная форма поперечных сечений внутренних каналов позволяет снизить вероятность появления трещин при эксплуатации данного теплообменника при знакопеременных нагрузках.
Биметаллический теплообменник с внутренними полостями, содержащий трубчатые полостеобразующие элементы, отличающийся тем, что полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими с наружными слоями из латуни, внутренними - из меди, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, в поперечном сечении внутренние полости имеют овальную форму, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой сваркой взрывом, при этом площадь каждого такого сварного соединения составляет 0,14-0,16 площади наружной боковой поверхности слоя из латуни.
