Способ изготовления матричного теплообменника

 

Использование: в криогенной технике, теплотехнике. Сущность изобретения: способ изготовления матричного теплообменника включает размещение в коаксиальных каналах набивки и пропускание через каналы химического раствора. В качестве набивки используют проницаемую полимерную пену, а после пропускания раствора набивку с осажденным на ней металлом соединяют со стенками каналов путем нагрева до температуры спекания металла. Набивку используют в виде дискретных колец и размещают в каналах с зазором относительно друг друга. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к теплообменникам, в частности к способам изготовления матричных теплообменников, и может быть использовано в криогенной технике, теплотехнике.

Известен способ изготовления рекуператора, используемого при производстве жидкого кислорода, включающий изготовление набивки в виде спирально навитой медной ленты, размещение ее между концентрическими медными кольцами и последующее соединение набивки и колец [1] Недостатками способа являются ограниченные технологические возможности, в частности, при получении набивки с переменным вдоль оси рекуператора коэффициентом теплоотдачи и в обеспечении надежного контакта между набивкой и кольцами.

Известен способ изготовления матричного теплообменника, включающий размещение в коаксиальных каналах набивки в виде проволочной спирали, пропускание через каналы химического растворителя с частичным вытравливанием поверхностного слоя набивки [2] Недостатком данного способа является неэффективность использования применяемого химического растворителя, переводящего металл (проволоки) в его соль. Кроме того данный способ не обеспечивает удовлетворительного коэффициента теплоотдачи между частями теплообменника в перпендикулярном каналам направлении.

Заявляемый способ изготовления матричного теплообменника позволяет расширить технологические возможности известных способов, обеспечить надежный металлический и тепловой контакт между набивкой и кольцами, а также получать набивку с переменным диаметром пор и связанными с ним переменной пористостью, удельной поверхностью, теплопроводностью и гидравлическим сопротивлением.

Предлагаемый способ изготовления матричного теплообменника, включающий размещение в коаксиальных каналах набивки и пропускание через каналы химического раствора, отличается тем, что в качестве набивки используют проницаемую полимерную пену, а после пропускания раствора набивку с осажденным на нее металлом соединяют со стенками каналов путем нагрева до температуры спекания металла. Набивку целесообразно использовать в виде дискретных колец и размещать в каналах с зазором относительно друг друга.

Предлагаемый способ формирования набивки позволяет обеспечить высокую регулярность ее металлической сетчато-ячеистой структуры, заложенную изначально в исходной полиуретановой пене. Возможность варьирования у последней диаметра пор от десятых долей до нескольких миллиметров позволяет получать аналогичные параметры у металлической набивки. Диаметр пор набивки определяет такие ее характеристики, как проницаемость, изменяющуюся от 310^-9 до 110^-7 м² при увеличении диаметра пор от 0,8 до 4,5 мм, удельную поверхность, которая для определенного диапазона пор изменяется от 4000 до 800 м²/м³.

В процессе химического меднения пенополиуретана скорость увеличения массы набивки прямо пропорциональна удельной поверхности или обратно пропорциональна диаметру пор исходного пенополиуретана, т.е. за одинаковый промежуток времени набивка с меньшим диаметром пор наберет большую плотность и пористость ее будет меньше. Пористость определяет механические (прочность, модуль упругости) и теплофизические (коэффициент теплопроводности, теплоемкость) характеристики набивки, которые возрастают с ее уменьшением.

Взаимосвязь структурных (пористость и диаметр пор) и теплофизических характеристик набивки с учетом особенностей процесса химической металлизации (меднения) позволяет получать в едином технологическом цикле матричный теплообменник с изменяющимися по длине каналов и в поперечном направлении (в смежных коаксиальных каналах) пористостью, диаметром пор, удельной поверхностью и обусловленными последними теплогидравлическими характеристиками.

Для этого пустоты в коаксиальных каналах заполняют пенополиуретановыми кольцами (или стаканами), у которых в зависимости от условий эксплуатации теплообменника диаметр пор изменяется либо по длине теплообменника, либо от кольца к кольцу в соседних каналах.

С целью обеспечения теплового контакта между частями матричного теплообменника пенополиуретановые кольца должны иметь такие размеры (диаметр), чтобы устанавливаться с натягом на внутреннюю тонкостенную трубу и поджиматься по боковой поверхности наружной (следующей) трубой и так далее.

В процессе химического меднения происходит осаждение меди не только на исходную пенополиуретановую набивку с образованием медного покрытия с сетчато-ячеистой структурой, но и на стенки труб и места контакта последних набивкой.

Образующиеся металлические связи между сетчато-ячеистым медным покрытием на пенополиуретановой набивке и стенками труб сохраняются после удаления полимера. Достигаемый при этом уровень механических и теплофизических свойств в зоне контакта металлической набивки и труб соответствует уровню аналогичных свойств собственно набивки.

На фиг.1 изображен предлагаемый матричный теплообменник, продольный разрез; на фиг.2 то же, но с переменным комплексом свойств в направлении движения теплоносителя; на фиг.3 микрофотография зоны контакта набивки из сетчато-ячеистой меди со стенкой канала.

Способ изготовления матричного теплообменника состоит в размещении набивки из пенополиуретановых колец в коаксиальных каналах 2, 4 и т.д. между медными трубками 1, 3, 5 и т.д. с натягом по внутренней и поджатием по внешней боковой поверхности кольца. После сборки через набивку из пенополиуретана пропускают раствор химического меднения, в результате чего на набивке осаждается слой меди. Процесс металлизации продолжается до достижения требуемой толщины слоя меди, которая определяет последующую получаемую пористость (или плотность) металлической набивки и связанный с ней комплекс теплофизических и механических свойств. Гидравлические свойства набивки определяются исходным диаметром пор пенополиуретана. При последующей термической обработке происходит удаление пенополиуретана из заготовки теплообменника одновременно со спеканием металлической набивки и ее припеканием к металлическим стенкам труб.

Набивка может быть выполнена с переменными структурными и теплогидравлическими характеристиками, например с уменьшающимся в канале 2 в направлении движения теплоносителя диаметром пор и увеличивающимися пористостью, удельной поверхностью, теплопроводностью и гидравлическим сопротивлением. Закон изменения комплекса свойств в смежном канале 4 противоположен, чем в канале 2, однако в обоих случаях изменение носит дискретный характер из-за того, что исходная полимерная набивка в каждом канале выполняется из отдельных колец. С целью снижения осевой теплопроводности кольца могут устанавливаться с зазором относительно друг друга.

Теплообменник работает следующим образом.

Теплоносители, проходя по смежным каналам 2 и 4, отдают тепло как стенкам каналов, так и находящейся в каналах набивке.

Теплообмен осуществляется через стенки каналов за счет непосредственного контакта теплоносителей со стенками и благодаря кондуктивному переносу тепла по сетчато-ячеистому каналу набивки к стенкам каналов. При движении по набивке происходит турбулизация потока теплоносителя, что способствует интенсификации теплообмена и повышению рабочих характеристик заявляемого теплообменника.

Более существенной интенсификации теплообмена будет способствовать дискретный характер изменения диаметра пор набивки, а также наличие зазоров между отдельными кольцами набивки в осевом направлении канала.

Формула изобретения

1. Способ изготовления матричного теплообменника, включающий размещение в коаксиальных каналах набивки и пропускание через каналы химического раствора, отличающийся тем, что в качестве набивки используют проницаемую полимерную пену, а после пропускания раствора набивку с осажденным на нее металлом соединяют со стенками каналов путем нагрева до температуры спекания металла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что набивку используют в виде дискретных колец и размещают в каналах с зазором относительно друг друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3