Композиционный теплообменник с внутренними полостями

Полезная модель относится к изделиям цилиндрической формы, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках. Композиционный теплообменник с внутренними полостями содержит наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы 1, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника и отличается тем, что наружную оболочку выполняют биметаллической из металлов с пониженной теплопроводностью с наружным слоем 5 из коррозионно-стойкого металла - титана, внутренним 2 - из аустенитной стали, при этом наружный слой соединен с внутренним сваркой взрывом по всей поверхности контакта 6, все медные полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности стального слоя биметаллической оболочки по кольцу и соединены между собой и со стальным слоем сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями 3, 4, радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью 7 соответствует радиусу окружности R, вписанной в ее поперечное сечение. Внутренние полости 8 расположены симметрично относительно продольной оси изделия. Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - высокое качество сварки и герметичность всех металлических слоев, снижение в 27-45 раз, в сравнении с прототипом, термического сопротивления медных слоев при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости с веществами в смежных с ней внутренних полостях, снижение в 65-75 раз теплообмена веществ, находящихся во внутренних каналах изделия с окружающей средой и более высокая, чем у сталей, стойкость его в агрессивных окружающих средах.

Полезная модель относится к изделиям цилиндрической формы, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках.

Известна конструкция многоканального цилиндрического 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), в которой внутри стальной оболочки располагаются медные полостеобразующие элементы. Соединение стальной оболочки с медными полостеобразующими элементами формируется по схеме сварки взрывом цилиндрических заготовок, а соединение последних с центральным полостеобразующим элементом и между собой формируется благодаря введению дополнительных латунных стержней, которые при термической обработке после взрывного воздействия способствуют образованию локальных неразъемных соединений между медными полостеобразующими элементами.

Недостатком данной конструкции является наличие в ней центрального трубчатого полостеобразующего элемента, который после сварки взрывом остается в изделии и при его эксплуатации создает дополнительное термическое сопротивление при теплообмене теплоносителя, прокачиваемого через центральную полость изделия с веществами, находящимися в смежных полостях. Из-за отсутствия сплошных сварных соединений между стенками полостеобразующих элементов создаются дополнительные препятствия для передачи тепла между теплоносителями, находящимися в смежных каналах изделия. При эксплуатации изделия в условиях циклических нагрузок (вибрации) возможно разрушение локальных очагов сварки как в зонах соединения стали с медью, так и в зонах соединения медных полостеобразующих элементов между собой. Трубчатая оболочка в данной конструкции выполняется из стали, что, в ряде случаев, не обеспечивает достаточной коррозионной стойкости изделий в агрессивной окружающей среде. Все это ограничивает возможные области применения данной конструкции, в теплообменной аппаратуре.

Наиболее близкой по технической сущности является цельносварная конструкция композиционного цилиндрического теплообменника с внутренними полостями, полученного сваркой взрывом с последующей термической обработкой, приводящей к частичному оплавлению поверхностных слоев биметаллических полостеобразующих элементов и образованию при этом сплошных сварных соединений между всеми составляющими изделия (Патент РФ на полезную модель 79477, МПК В23K 101/14, В23K 20/08 опубл. 10.01.2009, бюл. 1 - прототип), содержащая биметаллические трубчатые полостеобразующие элементы с наружными слоями из латуни, внутренними - из меди, отличающийся тем, что в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди плазменной металлизацией по всем поверхностям их соприкосновения. Биметаллические полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на поверхности центрального стального трубчатого полостеобразующего элемента по кольцу, все смежные биметаллические полостеобразующие элементы соединены между собой и с центральным стальным полостеобразующим элементом по всем поверхностям контакта взрывным прессованием с последующим оплавлением латунных слоев, имеющих толщину 10-30 мкм. В поперечном сечении биметаллические полостеобразующие элементы имеют форму, криволинейного четырехугольника, при этом радиус кривизны поверхностей их соприкосновения с центральным стальным полостеобразующим элементом соответствует наружному радиусу поперечного сечения последнего, а радиус кривизны наружных поверхностей биметаллических полостеобразующих элементов соответствует радиусу окружности, описанной вокруг поперечного сечения теплообменника. Роль наружной металлической оболочки в этой конструкции выполняет латунный слой толщиной 10-30 мкм.

Недостатком данной конструкции является наличие в ней стального центрального трубчатого полостеобразующего элемента, который остается в изделии после сварки взрывом и, при его эксплуатации, создает значительное термическое сопротивление при теплообмене теплоносителя прокачиваемого через центральную полость изделия с веществами, находящимися в смежных полостях. Кроме того, изделия с такой конструкцией нельзя использовать в аппаратуре, где требуется пониженный теплообмен веществ-теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия, с окружающей средой из-за низкого термического сопротивления металлических слоев, а также в агрессивных средах из-за недостаточно высокой коррозионной стойкости материала наружной оболочки - латуни, контактирующего с окружающей средой. Все это ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой цельносварной конструкции композиционного теплообменника с внутренними полостями, обладающего осевой симметрией, с пониженным термическим сопротивлением стенок металлических полостеобразующих элементов при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости с веществами в смежных с ней внутренних полостях, с одновременным снижением теплообмена этих веществ с окружающей средой, с обеспечением высокой герметичности металла полостеобразующих элементов, повышенной стойкости изделия в таких агрессивных окружающих средах где применение коррозионно-стойких сталей нецелесообразно.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - получение конструкции, обладающей осевой симметрией, с качественными сплошными сварными соединениями всех контактирующих между собой металлических слоев, без нарушений герметичности свариваемых металлов, снижение теплообмена веществ, находящихся во внутренних полостях изделия с окружающей средой, получение пониженного термического сопротивления стенок металлических полостеобразующих элементов при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости с веществами в смежных с ней внутренних полостях, с обеспечением при этом повышенной стойкости изделия в таких агрессивных окружающих средах, где применение сталей не представляется возможным из-за их недостаточной коррозионной стойкости.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции композиционного теплообменника с внутренними полостями, содержащей наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, наружную оболочку выполняют биметаллической из металлов с пониженной теплопроводностью с наружным слоем из коррозионно-стойкого металла - титана, внутренним - из аустенитной стали, при этом наружный слой соединен с внутренним сваркой взрывом по всей поверхности контакта, все медные полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности стального слоя биметаллической оболочки по кольцу и соединены между собой и со стальным слоем сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью соответствует радиусу окружности, вписанной в ее поперечное сечение.

В отличие от прототипа в предложенной конструкции наружную оболочку выполняют биметаллической из металлов с пониженной теплопроводностью с наружным слоем из коррозионно-стойкого металла - титана, что обеспечивает необходимую высокую коррозионную стойкость изделия в таких агрессивных внешних окружающих средах, где стали применять нельзя из-за их быстрого разрушения. У титана сочетаются высокая прочность, пластичность и коррозионная стойкость с низкой плотностью и теплопроводностью. Поскольку он обладает в 1,7 раза меньшей плотностью, чем сталь, то применение его в данной конструкции позволило значительно снизить ее массу. Благодаря высоким пластическим свойствам титана при сварке взрывом в нем не происходит трещинообразования, снижающего герметичность металла оболочки. Благодаря хорошей свариваемости титана с аустенитной сталью трубчатой промежуточной прослойки, между ними при сварке взрывом образуется прочное сплошное сварное соединение, стойкое к разрушению в условиях повышенных циклических нагрузок. Внутренний слой оболочки предложено выполнять из аустенитной стали, обладающей как и титан, пониженной теплопроводностью, что, в сочетании с наружным титановым слоем, способствует существенному снижению теплообмена веществ-теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия с внешней окружающей средой. Такая сталь обладает достаточно высокими пластическими свойствами и при сварке взрывом на оптимальных режимах в ней не происходит трещинообразования, снижающего качество изделия. Благодаря хорошей свариваемости аустенитной стали как с титаном, так и с медными полостеобразующими элементами, обеспечивается высокое качество сварки в получаемых цельносварных изделиях.

В предложенной конструкции наружный титановый слой биметаллической оболочки соединен с внутренним из аустенитной стали сваркой взрывом по всей поверхности контакта, что обеспечивает необходимую прочность изделия при растягивающих и изгибающих нагрузках.

В предложенной конструкции все медные полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности стального слоя биметаллической оболочки по кольцу и соединены между собой и со стальным слоем сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, что придает дополнительную прочность предлагаемой конструкции, снижает термическое сопротивление промежутков между смежными полостями.

В предложенной конструкции радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью соответствует радиусу окружности, вписанной в ее поперечное сечение, благодаря чему обеспечивается гладкая цилиндрическая поверхность центральной внутренней полости изделия, тем самым снижается гидравлическое сопротивление при пропускании через нее жидких или газообразных веществ-теплоносителей.

Сущность полезной модели поясняется рисунком, где изображен внешний вид изделия. Композиционный теплообменник с внутренними полостями состоит из двенадцати медных полостеобразующих элементов 1, имеющих в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, расположенных вплотную друг к другу по кольцу на внутренней поверхности внутреннего слоя 2 биметаллической оболочки. Этот слой изготавливают из аустенитной стали, обладающей пониженной теплопроводностью. Все медные полостеобразующие элементы 1 соединены между собой и с внутренним слоем 2 биметаллической оболочки сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями 3, 4. Наружный слой 5 биметаллической оболочки выполняют из коррозионно-стойкого металла - титана, обладающего пониженной теплопроводностью. Этот слой соединен со стальным внутренним слоем 2 сваркой взрывом по всей поверхности контакта 6. Радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью 7 соответствует радиусу R окружности, вписанной в ее поперечное сечение. Все внутренние полости 8 медных полостеобразующих элементов 1 расположены симметрично относительно продольной оси изделия. Отсутствие в конструкции данной полезной модели центрального полостеобразующего элемента, в сравнении с прототипом, позволяет существенно повысить эффективность теплопередачи при теплообмене теплоносителя, находящегося в центральной внутренней полости с веществами в медных полостеобразующих элементах.

Работа композиционного теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. Вставляют полученное изделие в заранее просверленные отверстия в стенках химического агрегата и сваривают наружный слой 5 биметаллической оболочки из титана со стенками агрегата, например сваркой плавлением, а затем с двух торцевых сторон изделия приваривают к медным полостеобразующим элементам 1 металлические трубопроводы для раздельного пропускания через центральную внутреннюю полость изделия 7 и через внутренние полости 8 медных полостеобразующих элементов 1 жидкостей или газов-теплоносителей, а также нагреваемых или охлаждаемых жидких или газообразных веществ. Вещества-теплоносители пропускают, например, через внутренние полости 8 медных полостеобразующих элементов, а вещество-теплоприемник, пропускают через центральную внутреннюю полость 7. Теплообмен между этими веществами осуществляется через однослойные тонкие стенки медных полостеобразующих элементов, с малым термическим сопротивлением. Биметаллическая оболочка из титана и стали, обладающая высоким термическим сопротивлением, существенно ограничивает нежелательный теплообмен веществ, находящихся во внутренних полостях изделия, с окружающей средой, способствует снижению потерь тепловой энергии. Наружный коррозионно-стойкий титановый слой 2 биметаллической оболочки защищает теплообменник от воздействия агрессивных окружающих сред.

Пример исполнения 1. Исходными материалами для изготовления полостеобразующих элементов были 12 труб из меди M1 (ГОСТ 859-78) с наружным диаметром D_п.н=14 мм, внутренним - D_п.в=11,6 мм, с толщиной стенок Т_п=1,2 мм. Коэффициент теплопроводности меди M1 _Cu=410 Вт/(м·К). Заполненные водным наполнителем, удаляемым после сварки, полостеобразующие элементы располагают на наружной поверхности удаляемого после сварки взрывом центрального полостеобразующего элемента с наружным диаметром 40 мм из материала, не образующего сварных соединений с медью и дробящегося в процессе взрывного воздействия. Полученный пучок из труб размещают соосно внутри стальной трубы из аустенитной стали 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), обладающей пониженной теплопроводностью. Ее коэффициент теплопроводности _ст=17 Вт/(м·К), что примерно в 4 раза ниже, чем у обычных углеродистых сталей. Наружный диаметр стальной трубы - 75 мм, внутренний - 71 мм, длина - 250 мм. Полученную при этом сборку размещают соосно внутри трубы из титана ВТ1-00. Его коэффициент теплопроводности _Ti=19,3 Вт/(м·К), то есть такой же низкий, как у аустенитной стали 12Х18Н10Т. В то же время по коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, например, в азотной кислоте, титан превосходит многие коррозионно-стойкие стали. Наружный диаметр титановой трубы - 80 мм, внутренний - 76 мм, длина - 250 мм. Снаружи титановой трубы располагают цилиндрический контейнер с зарядом взрывчатого вещества и производят инициирование в нем процесса детонации с помощью электродетонатора.

Параметры схемы сварки взрывом подобраны таким образом, что в процессе взрывного воздействия происходит высокоскоростная радиальная деформация титановой трубы и при ее соударении со стенкой стальной трубы титан сваривается со сталью, затем происходит совместное деформирование образовавшейся титано-стальной биметаллической оболочки и при соударении ее с пучком из труб медные полостеобразующие элементы деформируются, приобретая при этом в поперечных сечениях форму криволинейного четырехугольника, ликвидируются воздушные промежутки между всеми полостеобразующими элементами и стальным слоем биметаллической оболочки, при этом свариваются между собой в зонах контакта все металлические слои. Извлекают из центральной внутренней полости сваренной заготовки материал раздробленного центрального полостеобразующего элемента, например, с помощью электровибратора. Водный наполнитель удаляется из всех полостей после взрывного нагружения самопроизвольно при разгрузке сжатой системы. После этого удаляют механической обработкой торцевые части полученной заготовки с краевыми эффектами.

В результате получают цельносварное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы, с двенадцатью полостями имеющими в поперечных сечениях форму криволинейного четырехугольника, без нарушений осевой симметрии и герметичности, с пониженным термическим сопротивлением металлических слоев при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости с веществами в смежных с ней внутренних полостях, при этом обеспечивается существенное снижение теплообмена веществ, находящихся во внутренних полостях изделия с окружающей средой и повышенная стойкость изделия в агрессивных окружающих средах, в которых даже коррозионностойкие стали оказываются непригодными. Внутренний диаметр изделия - 40 мм, наружный - 72 мм, толщина стенок сдеформированного титанового и стального слоев биметаллической оболочки одинаковая и равна 2,3 мм. В полученном изделии в процессе его эксплуатации теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости, и веществами внутри медных полостеобразующих элементов происходит только через их медные стенки с такой же толщиной, как до деформирования (Т_п=1,2 мм) с термическим сопротивлением R_п=T_п:_Cu=0,0012:410=2.9·10^-6 К/(Вт/м ²), что в 45 раз меньше, чем у прототипа. Теплообмен между теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов с окружающей средой происходит через их медные стенки с термическим сопротивлением R_п=2.9·10^-6 К/(Вт/м ²), через внутренний стальной слой биметаллической оболочки с толщиной Т_ст=2,3 мм с термическим сопротивлением R_cт=T_ст:_cт=0,0023:17=135,2·10^-6 К/(Вт/м ²) и через наружный титановый слой биметаллической оболочки толщиной Т_Ti=2,3 мм с термическим сопротивлением R _Ti=T_Ti:_Ti=0,0023:19,3=119,2·10^-6 К/(Вт/м ²). Суммарное термическое сопротивление такой трехслойной металлической стенки R_сум=(2,9+135,2+119,2)·10 ^-6=254,4·10^-6 К/(Вт/м²), что в 65 раз больше, чем у прототипа, при этом также обеспечивается повышенная стойкость изделия в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах.

Пример исполнения 2. То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Металлические полостеобразующие элементы в виде труб изготавливают с внутренним диаметром D_п.в=10,8 мм, с толщиной стенок Т_п =1,6 мм. Исходный наружный диаметр стальной трубы - 76 мм, внутренний - 72 мм. Наружный диаметр титановой трубы - 81 мм, внутренний - 77 мм. Результат тот же, что в примере 1, но теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости и веществами внутри медных полостеобразующих элементов происходит через их медные стенки толщиной Т_п=1,6 мм с термическим сопротивлением R_п=T_п:_Cu=0,0016:410=3.9·10^-6 К/(Вт/м ²), что в 34 раза меньше, чем у прототипа. При теплообмене между теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов с окружающей средой суммарное термическое сопротивление трехслойной металлической стенки такое же, как в примере 1, то есть в 65 раз больше, чем у прототипа.

Пример исполнения 3. То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Металлические полостеобразующие элементы в виде труб изготавливают с внутренним диаметром D_п.в=10 мм, с толщиной стенок Т_п=2 мм. Исходный наружный диаметр стальной трубы - 79 мм, внутренний - 74 мм. Наружный диаметр титановой трубы - 84 мм, внутренний - 80 мм.

Результат тот же, что в примере 1, но теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости и веществами внутри медных полостеобразующих элементов происходит через их медные стенки толщиной Т_п=2 мм с термическим сопротивлением R_п=T_п:_Cu=0,002:410=4,9·10^-6 К/(Вт/м ²), что в 27 раз меньше, чем у прототипа. Теплообмен между теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов с окружающей средой происходит через их медные стенки с термическим сопротивлением R_п=4.9·10^-6 К/(Вт/м ²), через внутренний стальной слой биметаллической оболочки с толщиной Т_ст=2,9 мм с термическим сопротивлением R_cт=T_ст:_cт=0,0029:17=170,6·10^-6 К/(Вт/м ²) и через наружный титановый слой биметаллической оболочки толщиной Т_Ti=2,3 мм с термическим сопротивлением R _Ti=119,2·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное термическое сопротивление такой трехслойной металлической стенки R_сум=(4,9+170,6+119,2)·10^-6=294,7·10 ^-6 К/(Вт/м²), что в 75 раз больше, чем у прототипа.

В изделии-прототипе теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся в центральной внутренней полости и веществами внутри металлических полостеобразующих элементов происходит через их медные стенки толщиной 0,8-1,5 мм, латунное покрытие толщиной Т_лат и через стенку центрального полостеобразующего элемента из стали 12Х18Н10Т толщиной Т_ц=2,2 мм. Термическое сопротивление такого стального слоя R_ст=0,0022:17=129,4·10 ^-6 К/(Вт/м²). При толщине стенки медного полостеобразующего элемента 0.8 мм ее термическое сопротивление R_Cu=0,0008:410=1,95·10 ^-6 К/(Вт/м²). Коэффициент теплопроводности латуни Л63 _лат=108 Вт/(м·К). Термическое сопротивление каждого латунного покрытия на медных полостеобразующих элементах при их толщине Т_лат=10 мкм R_лат=Т_лат :_лат=0,00001:108=0,092·10^-6 К/(Вт/м ²). Суммарное минимальное термическое сопротивление такой трехслойной стенки R_ком=(1,95+129,4+0,092)·10 ^-6=131,44 К/(Вт/м²), что в 27-45 раз больше, чем у изделия предлагаемой конструкции. Теплообмен между веществами-теплоносителями, находящимися внутри медных полостеобразующих элементов с окружающей средой происходит через их медные стенки и через покрытие из латуни. При толщине медного слоя 1,5 мм и латунного 30 мкм максимальное термическое сопротивление таких медно-латунных слоев R_сум =(0,00003:108+0,0015:410)=3,9·10^-6 К/(Вт/м ²), что в 65-75 раз меньше, чем у предлагаемых изделий. Кроме того, у прототипа значительно меньшая стойкость в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах, чем у изделий предлагаемой конструкции.

Композиционный теплообменник с внутренними полостями, содержащий наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, отличающийся тем, что наружная оболочка выполнена биметаллической из металлов с пониженной теплопроводностью с наружным слоем из коррозионно-стойкого металла - титана, внутренним - из аустенитной стали, при этом наружный слой соединен с внутренним сваркой посредством взрыва по всей поверхности контакта, все полостеобразующие элементы выполнены из меди, расположены на внутренней поверхности стального слоя биметаллической оболочки по кольцу и соединены между собой и со стальным слоем сваркой посредством взрыва по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, при этом радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью соответствует радиусу окружности, вписанной в ее поперечное сечение.