RU136550U1

RU136550U1 - HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: RU136550U1
Application number: RU2013135316/02U
Authority: RU
Inventors: Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Сергей Петрович Писарев; Юрий Павлович Трыков; Дмитрий Владимирович Проничев; Олег Викторович Слаутин; Артём Игоревич Богданов; Вячеслав Фёдорович Казак; Роман Евгеньевич Новиков
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2014-01-10

Abstract

Теплообменник, выполненный в виде многослойной оболочки из титановых, интерметаллидных и медного слоев, отличающийся тем, что оболочка состоит из плоской фланцевой части и центральной - сферической, при этом ее внутренний слой выполнен из меди, а наружный - из слоистого композиционного материала с чередованием слоев титана и интерметаллидов системы титан-медь толщиной 210-330 мкм, причем количество титановых слоев не менее трех, а количество интерметаллидных слоев равно N+1, где N - количество слоев титана.A heat exchanger made in the form of a multilayer shell made of titanium, intermetallic and copper layers, characterized in that the shell consists of a flat flange part and a central spherical one, while its inner layer is made of copper and the outer one is of a layered composite material with alternating layers of titanium and intermetallic compounds of the titanium-copper system with a thickness of 210-330 microns, with the number of titanium layers not less than three, and the number of intermetallic layers equal to N + 1, where N is the number of titanium layers.

Description

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным с помощью энергии взрыва и предназначается для использования в энергетических, химических, установках и т.п., эксплуатируемых в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества.The utility model relates to products made with the help of explosion energy and is intended for use in power, chemical, installations, etc., operated in contact with gas streams containing abrasive substances.

Известна цельносварная конструкция композиционного теплообменника из титана, стали и меди с внутренними полостями, содержащего наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, его 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. (Патент на полезную модель №97820, МПК F28D 7/00, опубл. 20.09.2010, бюл. №26).Known all-welded construction of a composite heat exchanger made of titanium, steel and copper with internal cavities, containing an outer metal shell and tubular cavity-forming elements having a cross-sectional quadrangular cross-section, its outer shell is made of bimetallic metal with reduced heat conductivity with an outer layer of corrosion-resistant metal - titanium, the inner - of austenitic steel, while the outer layer is connected to the internal welding by explosion over the entire surface of the con cycle, all copper cavity-forming elements are located on the inner surface of the steel layer of the bimetallic shell along the ring and are connected to each other and to the steel layer by explosion welding on all contact surfaces by continuous welded joints, the radius of curvature of the contact surfaces of the cavity-forming elements with the central inner cavity corresponds to the radius of the circle inscribed in the circle its cross section. (Utility Model Patent No. 97820, IPC F28D 7/00, published on September 20, 2010, Bulletin No. 26).

Недостатком данной конструкции является то, что наружная оболочка теплообменника, выполненная из титана обладает высокой скоростью изнашивания в контакте потоками газов, содержащих абразивные вещества, что ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре, где требуется повышенная стойкость к изнашиванию поверхностных слоев.The disadvantage of this design is that the outer shell of the heat exchanger made of titanium has a high wear rate in contact with the flow of gases containing abrasive substances, which limits the possible applications of such products in heat exchange equipment, which require increased wear resistance of the surface layers.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция композиционного цилиндрического теплообменника с внутренними полостями из титана, стали и меди, содержащего наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, его наружную оболочку выполняют трехслойной из материалов с пониженной теплопроводностью, в которой наружный слой выполняют из коррозионно-стойкого металла - титана, внутренний - из аустенитной стали, а теплозащитный слой, расположенный между титаном и сталью - из интерметаллидов системы титан-сталь толщиной 70-80 мкм, при этом титановый слой соединен со стальным сваркой взрывом по всей поверхности соприкосновения с последующим формированием сплошного теплозащитного интерметаллидного слоя термической обработкой, все медные полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности стального слоя оболочки по кольцу и соединены с ней и между собой 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.The closest in technical essence is the design of a composite cylindrical heat exchanger with internal cavities of titanium, steel and copper, containing an outer metal shell and tubular cavity-forming elements having a cross-sectional quadrangle in cross section, its outer shell is made of a three-layer material with reduced thermal conductivity, in which the outer layer is made of corrosion-resistant metal - titanium, the inner one is made of austenitic steel, and the heat-insulating layer is laid between titanium and steel - from intermetallic compounds of the titanium-steel system with a thickness of 70-80 microns, while the titanium layer is connected with steel welding by explosion over the entire contact surface with the subsequent formation of a continuous heat-protective intermetallic layer by heat treatment, all copper cavity-forming elements are located on the inner surface of the steel the shell layer along the ring and connected to it and to each other by explosion welding on all contact surfaces by continuous welded joints, the surface curvature radius The contact of the cavity-forming elements with the central internal cavity corresponds to the radius of the circle inscribed in its cross section.

(Патент на полезную модель №98166, МПК B23K 101/14, опубл. 10.10.2010, бюл. №28 - прототип).(Utility Model Patent No. 98166, IPC B23K 101/14, published on 10/10/2010, Bulletin No. 28 - Prototype).

Недостатком данной конструкции является то, что сплошной теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-сталь, обладающий помимо высокого термического сопротивления еще и повышенной износостойкостью, располагается между слоями из титана и коррозионно-стойкой стали и отсутствует на наружной поверхности теплообменника из-за чего у него большая скорость изнашивания наружного титанового слоя в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, что весьма ограничивает возможные области применения таких изделий в теплообменной аппаратуре, где требуется повышенная износостойкость рабочих поверхностей.The disadvantage of this design is that a continuous heat-protective layer of titanium-steel system intermetallic compounds, which, in addition to high thermal resistance, also has increased wear resistance, is located between the layers of titanium and corrosion-resistant steel and is absent on the outer surface of the heat exchanger due to which it has a large the wear rate of the outer titanium layer in contact with gas streams containing abrasive substances, which greatly limits the possible applications of such products in heat transfer hydrochloric apparatus which require high wear resistance of working surfaces.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой многослойной конструкции теплообменника, выполненной из интерметаллидных слоев из меди и титана, чередующихся с титановыми слоями, и медного слоя, обладающей пониженной скоростью изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с обеспечением при этом повышенной стойкости интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, высокого термического сопротивления слоев при направлении теплопередачи с одной его стороны и низкого с другой, а также повышенной величиной допускаемого износа его наружных слоев.The task in developing this utility model is to create a new multilayer heat exchanger design made of intermetallic layers of copper and titanium, alternating with titanium layers, and a copper layer having a reduced wear rate under conditions of prolonged use in contact with gas streams containing abrasive substances, with while providing increased resistance of the intermetallic layers to brittle fracture under bending loads, high thermal resistance of the layers in the direction of heat transmission on one side and low on the other, as well as an increased amount of allowable wear of its outer layers.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - значительное снижение в сравнении с прототипом скорости изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, с обеспечением при этом повышенной величины допускаемого износа, повышенной стойкости интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, высокого термического сопротивления слоев при направлении теплопередачи с одной ее стороны и низкого с другой ее стороны, где располагается слой с повышенной теплопроводностью.The technical result that is achieved by the implementation of this utility model is a significant reduction in comparison with the prototype of the wear rate in conditions of prolonged use in contact with gas streams containing abrasive substances, while providing increased allowable wear, increased resistance of the intermetallic layers to brittle fracture bending loads, high thermal resistance of the layers in the direction of heat transfer on one side and low on the other side, where aspolagaetsya layer with high thermal conductivity.

Указанный технический результат достигается тем, что теплообменник, содержащий титановый, интерметаллидный и медный слои состоит из плоской фланцевой части и центральной - сферической, внутренний слой теплообменника выполнен из меди, наружный - в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь и титана, все интерметаллидные слои соединены с металлическими слоями по всем поверхностям контакта сваркой взрывом медных и титановых слоев с последующим формированием термической обработкой в зонах соединения меди и титана сплошных интерметаллидных слоев системы титан-медь толщиной 210-330 мкм, количество титановых слоев в теплообменнике не менее трех, при этом количество интерметаллидных слоев равно N+1, где N - количество титановых слоев.The specified technical result is achieved in that the heat exchanger containing titanium, intermetallic and copper layers consists of a flat flange part and the central is spherical, the inner layer of the heat exchanger is made of copper, the outer one is in the form of a layered composite material of alternating layers of titanium-copper and titanium intermetallic systems , all intermetallic layers are connected to metal layers on all contact surfaces by explosion welding of copper and titanium layers with subsequent formation by heat treatment in the zones of copper and titanium joining of the continuous intermetallic layers of the titanium-copper system with a thickness of 210-330 μm, the number of titanium layers in the heat exchanger is at least three, while the number of intermetallic layers is N + 1, where N is the number of titanium layers.

В отличие от прототипа предлагаемая конструкция по краям состоит из плоской фланцевой части и центральной - сферической, что обеспечивает у нее повышенную прочность при значительных изгибающих нагрузках и давлениях, позволяет осуществлять надежную герметизацию сосудов высокого давления, закреплять его сваркой или иными способами на тепловых агрегатах и использовать в различных образцах энергетического и химического оборудования.Unlike the prototype, the proposed design at the edges consists of a flat flange part and a central - spherical part, which provides it with increased strength under significant bending loads and pressures, allows for reliable sealing of pressure vessels, fix it by welding or other methods on thermal units and use in various samples of energy and chemical equipment.

Внутренний слой теплообменника выполнен из меди, обладающей высокой теплопроводностью, что обеспечивает предлагаемому изделию низкое термическое сопротивление со стороны расположения медного слоя, как вдоль него, так и в поперечном направлении.The inner layer of the heat exchanger is made of copper with high thermal conductivity, which provides the proposed product with low thermal resistance from the location of the copper layer, both along it and in the transverse direction.

Наружный слой теплообменника выполнен в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь и титана. Интерметаллидные слои, состоящие из меди и титана, обладающие высокой твердостью, обеспечивают предлагаемой конструкции значительное снижение в сравнении с прототипом скорости изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества. При полном изнашивании наружного интерметаллидного слоя, некоторое время подвергается изнашиванию расположенный за ним тонкий титановый слой, затем износу подвергаются следующие за ним интерметаллидные и титановые слои, благодаря чему предлагаемый теплообменник обладает повышенной величиной допускаемого износа. Чередование твердых слоев интерметаллидов системы титан-медь и более мягких и пластичных слоев из титана обеспечивает повышенную стойкость интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках, что повышает ее долговечность при эксплуатации. Интерметаллидные и титановые слои, в совокупности, обеспечивают высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи поперек них на части толщины изделия.The outer layer of the heat exchanger is made in the form of a layered composite material of alternating layers of intermetallic compounds of the titanium-copper system and titanium. Intermetallic layers consisting of copper and titanium, having high hardness, provide the proposed design with a significant decrease in comparison with the prototype wear rate under conditions of prolonged use in contact with gas streams containing abrasive substances. When the outer intermetallic layer is completely worn out, the thin titanium layer located behind it undergoes wear for some time, then the subsequent intermetallic and titanium layers undergo wear, due to which the proposed heat exchanger has an increased value of allowable wear. The alternation of hard layers of the titanium-copper system intermetallic compounds and softer and more flexible titanium layers provides increased resistance of the intermetallic layers to brittle fracture under bending loads, which increases its durability during operation. The intermetallic and titanium layers, in the aggregate, provide high thermal resistance in the direction of heat transfer across them to part of the thickness of the product.

В предлагаемой конструкции все интерметаллидные слои соединены с металлическими слоями по всем поверхностям контакта сваркой взрывом медных и титановых слоев с последующим формированием термической обработкой в зонах соединения меди и титана сплошных интерметаллидных слоев системы титан-медь толщиной 210-330 мкм. Сварка взрывом позволяет получать надежные соединения между разнородными металлами, которые не разрушаются при последующих операциях прокатки и формоизменения заготовки, а окончательная термическая обработка способствует формированию интерметаллидных слоев необходимой толщины с высокой износостойкостью и с требуемыми теплозащитными характеристиками, с высокой прочностью сцепления их с металлическими слоями из титана и меди по всем поверхностям контакта, а это, в свою очередь, обеспечивает изделию необходимые износостойкость, прочность и долговечность. Толщина интерметаллидных слоев менее 210 мкм приводит к нежелательному снижению их термического сопротивления, а также долговечности в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, а их толщина более 330 мкм приводит к заметному снижению стойкости интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках.In the proposed design, all intermetallic layers are connected to metal layers on all contact surfaces by explosion welding of copper and titanium layers with the subsequent formation of continuous intermetallic layers of a titanium-copper system with a thickness of 210-330 μm in the zones of copper and titanium joints. Explosion welding makes it possible to obtain reliable joints between dissimilar metals that do not deteriorate during subsequent rolling and shaping operations of the workpiece, and the final heat treatment contributes to the formation of intermetallic layers of the required thickness with high wear resistance and the required heat-shielding characteristics, with high bond strength with metal layers of titanium and copper on all contact surfaces, and this, in turn, provides the product with the necessary wear resistance, Nosta and durability. The thickness of the intermetallic layers less than 210 μm leads to an undesirable decrease in their thermal resistance, as well as the durability in contact with the flows of gases containing abrasive substances, and their thickness more than 330 μm leads to a noticeable decrease in the resistance of the intermetallic layers to brittle fracture under bending loads.

Количество титановых слоев в теплообменнике должно быть не менее трех, при этом количество интерметаллидных слоев равно N+1, где N - количество титановых слоев, что обеспечивает изделию необходимую высокую величину допускаемого износа и суммарное термическое сопротивление титановых и интерметаллидных слоев. Количество титановых и интерметаллидных слоев ниже нижнего предлагаемого предела приводит к существенному снижению величины допускаемого износа и к недостаточной величине их суммарного термического сопротивления.The number of titanium layers in the heat exchanger must be at least three, while the number of intermetallic layers is N + 1, where N is the number of titanium layers, which provides the product with the required high allowable wear and the total thermal resistance of titanium and intermetallic layers. The number of titanium and intermetallic layers below the lower proposed limit leads to a significant reduction in the amount of allowable wear and to an insufficient value of their total thermal resistance.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 в качестве примера изображен внешний вид теплообменника, содержащего 8 титановых и 9 интерметаллидных слоев, с вырезанной для наглядности четвертью, а на фиг. 2 - расположение в его поперечном сечении интерметаллидных и металлических слоев. Теплообменник содержит плоскую фланцевую часть 1 и центральную - сферическую 2. Такая форма изделия обеспечивает у него повышенную прочность при изгибающих нагрузках. Плоская фланцевая часть позволяет осуществлять надежную герметизацию технологических отверстий химических и других аппаратов. Внутренний слой 3 теплообменника выполнен из металла, обладающего высокой теплопроводностью - из меди. Толщина этого слоя выбирается исходя из требуемых конструктивных особенностей аппаратов и иных устройств, где будет использована предлагаемая конструкция. Наружный слой теплообменника выполнен в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и титана 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Интерметаллидные слои, состоящие из меди и титана, обладающие высокой твердостью, обеспечивают предлагаемой конструкции значительное снижение в сравнении с прототипом скорости изнашивания в условиях длительной эксплуатации в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества. При полном изнашивании наружного интерметаллидного слоя 4, некоторое время подвергается изнашиванию расположенный за ним тонкий титановый слой 13, затем износу подвергаются следующие за ним интерметаллидные 5, 6 и т.д. и титановые слои 14, 15 и т.д., благодаря чему предлагаемый теплообменник обладает повышенной величиной допускаемого износа.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, where in FIG. 1 shows, by way of example, the appearance of a heat exchanger containing 8 titanium and 9 intermetallic layers, with a quarter cut out for clarity, and in FIG. 2 - the location in its cross section of the intermetallic and metal layers. The heat exchanger contains a flat flange part 1 and a central spherical part 2. This shape of the product provides it with increased strength under bending loads. The flat flange part allows for reliable sealing of technological holes of chemical and other devices. The inner layer 3 of the heat exchanger is made of metal having high thermal conductivity - of copper. The thickness of this layer is selected based on the required design features of the apparatus and other devices where the proposed design will be used. The outer layer of the heat exchanger is made in the form of a layered composite material of alternating layers of intermetallic compounds of the titanium-copper system 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 and titanium 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. The intermetallic layers, consisting of copper and titanium, having high hardness, provide the proposed design with a significant reduction in comparison with the prototype wear rate in conditions of prolonged use in contact with gas streams containing abrasive substances. With the complete wear of the outer intermetallic layer 4, the thin titanium layer 13 located behind it undergoes wear for some time, then the subsequent intermetallic 5, 6, etc. are subjected to wear. and titanium layers 14, 15, etc., due to which the proposed heat exchanger has an increased amount of allowable wear.

Работа теплообменника осуществляется следующим образом. Медный слой 3 изделия приваривают, например аргонодуговой сваркой, к медному слою химического или иного аппарата для беспрепятственной передачи ему тепловой энергии, приобретаемой медным слоем 3 в результате контакта с веществами-теплоносителями, контактирующими с ним при эксплуатации изделия. Ограниченный теплообмен веществ-теплоносителей, находящихся внутри химического или иного аппарата, с окружающей средой осуществляется через его внутренний медный слой 3 и его наружный слой в виде слоистого композиционного материала из чередующихся слоев интерметаллидов системы титан-медь 4, 5, 6, 7, 8, 9. 10, 11, 12 и титана 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Наружный интерметаллидный слой 4, а также и его внутренние интерметаллидные слои, например, слои 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, обеспечивают изделию пониженную скорость изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества и формируют необходимую величину допускаемого износа. Титановые слои 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, помимо обеспечения повышенного термического сопротивления, препятствуют хрупкому разрушению всех интерметаллидных слоев.The heat exchanger is as follows. The copper layer 3 of the product is welded, for example, by argon-arc welding, to the copper layer of a chemical or other apparatus for the unhindered transfer to it of the thermal energy acquired by the copper layer 3 as a result of contact with heat-transfer substances that come into contact with it during operation of the product. Limited heat transfer of heat transfer substances inside a chemical or other apparatus with the environment is carried out through its inner copper layer 3 and its outer layer in the form of a layered composite material from alternating layers of intermetallic compounds of the titanium-copper system 4, 5, 6, 7, 8, 9. 10, 11, 12 and titanium 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. The outer intermetallic layer 4, as well as its inner intermetallic layers, for example, layers 5, 6, 7, 8, 9 , 10, 11, provide the product with a reduced wear rate in contact with abrasive gas streams These substances also form the necessary amount of allowable wear. The titanium layers 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, in addition to providing increased thermal resistance, prevent brittle fracture of all intermetallic layers.

Пример исполнения 1.Execution example 1.

В качестве исходных материалов для изготовления теплообменника использовали две пластины из меди M1 толщиной 0,9 мм и одну - из титана марки BT 1-00 толщиной 9 мм. Составляли из этих пластин трехслойный пакет с размещением между медными пластинами титановой пластины и сваривали его взрывом. После горячей прокатки и порезки полученного листа получали мерные трехслойные заготовки толщиной δ_заг=1,3 мм с толщиной каждого медного слоя в δ_пр.м=0,12 мм, титанового слоя - δ_пр.т=1,06 мм. Составляли многослойный пакет из 8 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1, имеющей толщину δ_м=12 мм и сваривали его взрывом. Затем производили формоизменение полученной многослойной заготовки, например, методом горячей штамповки, после чего отжигом формировали в зонах соединения меди и титана сплошные интерметаллидные слоев с полным переходом прокатанных медных слоев в интерметаллидные и частичным переходом в интерметаллиды титановых слоев. В результате получали многослойный теплообменник из меди и титана с наружным диаметром его фланцевой части D_н=200 мм, его высота H_теп=50 мм, радиус кривизны наружной сферической поверхности теплообменника R_с.н=80 мм, радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R_с.в=57,6 мм, суммарная толщина стенки теплообменника δ_теп=22,4 мм.As starting materials for the manufacture of the heat exchanger, two 0.9 mm thick M1 copper plates and one 9 mm thick BT 1-00 titanium plate were used. A three-layer bag was made of these plates with a titanium plate placed between the copper plates and explosion welded. After hot rolling and cutting of the obtained sheet, we obtained dimensional three-layer billets with a thickness of δ _zag = 1.3 mm and a thickness of each copper layer of δ _sp.m = 0.12 mm, of a titanium layer - δ _sp.t = 1.06 mm. A multilayer bag of 8 three-layer blanks and a copper plate made of copper grade M1, having a thickness of δ _m = 12 mm, was made and welded by explosion. Then, the resulting multilayer billet was shaped, for example, by hot stamping, after which annealing formed continuous intermetallic layers in the zones of copper and titanium joining with a complete transition of the rolled copper layers to intermetallic and a partial transition to intermetallic titanium layers. The result was a multilayer copper and titanium heat exchanger with an outer diameter of its flange part D _n = 200 mm, its height H _heat = 50 mm, the radius of curvature of the outer spherical surface of the heat exchanger R _s.n = 80 mm, the radius of curvature of its inner spherical surface R _st.v = 57.6 mm, the total wall thickness of the heat exchanger δ _tep = 22.4 mm

Теплообменник содержит 8 слоев из титана BT1-00 толщиной по δ_т.км=0,64 мм, 9 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δ_инт=0,33 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δ_м=12 мм. Теплообменник предлагаемой конструкции обладает в сравнении с прототипом в 4-5 раз меньшей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества (в условиях близких к пескоструйному воздействию), его допускаемый износ равен 7 мм, что в 5,8-7 раз больше, чем у материала по прототипу, у которого допускаемый износ не превышает 1-1,2 мм. Предлагаемый теплообменник сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 8 интерметаллидных и 7 титановых слоев, обладает повышенной стойкостью интерметаллидных слоев к хрупкому разрушению при изгибающих нагрузках. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R_сл=800·10^-6 К/(Вт/м²), что в 2,5-2,9 раза больше, чем у изделия по прототипу, при этом у медного слоя термическое сопротивление R_м=3,24·10^-5 К/(Вт/м²), то есть, он обладает в 24,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои, что способствует высокоэффективной теплопередаче в нем как в поперечном, так и в продольном направлении,The heat exchanger contains 8 layers of titanium BT1-00 with a thickness of δ _t.km = 0.64 mm, 9 continuous intermetallic layers with a thickness of each of them δ _int = 0.33 mm, one of which is located on the outer surface, and a copper layer with a thickness of δ _m = 12 mm. The heat exchanger of the proposed design has in comparison with the prototype 4-5 times lower wear rate in contact with gas flows containing abrasive substances (under conditions close to sandblasting), its allowable wear is 7 mm, which is 5.8-7 times more than the material of the prototype, in which the allowable wear does not exceed 1-1.2 mm The proposed heat exchanger maintains its operability even with the complete wear of 8 intermetallic and 7 titanium layers, has an increased resistance of intermetallic layers to brittle fracture under bending loads. The thermal resistance of the intermetallic and titanium layers during heat transfer in the transverse direction R _SL = 800 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 2.5-2.9 times more than that of the product according to the prototype, while copper thermal resistance of the layer R _m = 3.24 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), that is, it has 24.7 times lower thermal resistance than the intermetallic and titanium layers, which contributes to highly efficient heat transfer in it as in transverse and in the longitudinal direction,

Пример исполнения 2.Execution example 2.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Для изготовления теплообменника использовали пластины из меди толщиной 0,85 мм, толщина пластины из титана - 7,8 мм.The same as in example 1, but the following changes. For the manufacture of the heat exchanger, 0.85 mm thick copper plates were used, and a titanium plate thickness was 7.8 mm.

После горячей прокатки и порезки полученного листа получали мерные трехслойные заготовки толщиной δ_заг=1,4 мм с толщиной каждого медного слоя в δ_пр.м=0,11 мм, титанового - δ_пр.т=1,18 мм. Сваривали взрывом многослойный пакет из 5 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1, имеющей толщину δ_м=10 мм. Полученный теплообменник имеет высоту H_теп=45 мм радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R_с.в=63 мм, суммарная толщина стенки теплообменника δ_теп=17 мм.After hot rolling and cutting of the obtained sheet, we obtained dimensional three-layer billets with a thickness of δ _zag = 1.4 mm and a thickness of each copper layer of δ _sp.m = 0.11 mm, of a titanium one - δ _sp.t = 1.18 mm. An explosion-welded multilayer bag of 5 three-layer blanks and a copper plate made of copper grade M1, having a thickness of δ _m = 10 mm. The resulting heat exchanger has a height H _heat = 45 mm, the radius of curvature of its inner spherical surface R _s.v = 63 mm, the total wall thickness of the heat exchanger δ _heat = 17 mm.

Теплообменник содержит 5 слоев из титана толщиной по δ_т.км=0,79 мм, 6 сплошных интерметаллидных слоев с толщиной каждого из них δ_инт=0,26 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δ_м=10 мм. Его допускаемый износ равен 5,5 мм, что в 4,6-5,5 раз больше, чем у материала по прототипу. Предлагаемый теплообменник сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 5 интерметаллидных и 4 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R_сл=495·10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,6-1,8 раза больше, чем у изделия по прототипу, при этом у медного слоя термическое сопротивление R_м=2,7·10^-5 К/(Вт/м²), то есть, он обладает в 18,7 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.The heat exchanger contains 5 layers of titanium with a thickness of δ _t.km = 0.79 mm, 6 continuous intermetallic layers with a thickness of each of them δ _int = 0.26 mm, one of which is located on the outer surface, and a copper layer with a thickness of δ _m = 10 mm. Its allowable wear is 5.5 mm, which is 4.6-5.5 times more than the material of the prototype. The proposed heat exchanger maintains its operability even with the complete wear of 5 intermetallic and 4 titanium layers. The thermal resistance of the intermetallic and titanium layers during heat transfer in the transverse direction R _SL = 495 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 1.6-1.8 times greater than that of the product of the prototype, while copper layer thermal resistance R _m = 2.7 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), that is, it has 18.7 times lower thermal resistance than intermetallic and titanium layers.

Пример исполнения 3.Execution example 3.

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Для изготовления теплообменника использовали пластины из меди толщиной 0,8 мм, толщина пластины из титана - 6 мм.The same as in example 1, but the following changes. For the manufacture of the heat exchanger, 0.8 mm thick copper plates were used, and a titanium plate thickness was 6 mm.

После горячей прокатки и порезки полученного листа получали мерные трехслойные заготовки толщиной δ_заг=1,5 мм с толщиной каждого медного слоя в δ_пр.м=0,1 мм, титанового - δ_пр.т=1,3 мм. Сваривали взрывом многослойный пакет из 3 трехслойных заготовок и медной пластины из меди марки M1, имеющей толщину δ_м=8 мм. Полученный теплообменник имеет высоту H_теп=38 мм радиус кривизны его внутренней сферической поверхности R_с.в=67,5 мм, суммарная толщина стенки теплообменника δ_теп=12,5 мм.After hot rolling and cutting of the obtained sheet, we obtained dimensional three-layer billets with a thickness of δ _zag = 1.5 mm and a thickness of each copper layer of δ _sp.m = 0.1 mm, of a titanium one - δ _sp.t = 1.3 mm. An explosion-welded multilayer package of 3 three-layer blanks and a copper plate made of M1 copper with a thickness of δ _m = 8 mm. The resulting heat exchanger has a height H _heat = 38 mm, the radius of curvature of its inner spherical surface R _s.v. = 67.5 mm, the total wall thickness of the heat exchanger δ _heat = 12.5 mm.

Теплообменник содержит 3 слоя из титана толщиной по δ_т.км=1,08 мм, 4 сплошных интерметаллидных слоя с толщиной каждого из них δ_инт=0,21 мм, один из которых расположен на наружной поверхности, и медного слоя толщиной δ_м=8 мм. Его допускаемый износ около 3 мм, что в 2,5-3 раза больше, чем у изделия по прототипу. Предлагаемый теплообменник сохраняет свою работоспособность даже при полном изнашивании 3 интерметаллидных и 2 титановых слоев. Термическое сопротивление интерметаллидных и титановых слоев при теплопередаче в поперечном направлении R_сл=333·10^-6К/(Вт/м²), что в 1,1-1,2 раза больше, чем у изделия по прототипу, при этом у медного слоя термическое сопротивление R_м=2,16·10^-5 К/(Вт/м²), то есть, он обладает в 15,4 раза меньшим термическим сопротивлением, чем интерметаллидные и титановые слои.The heat exchanger contains 3 layers of titanium with a thickness of δ _t.km = 1.08 mm, 4 continuous intermetallic layers with a thickness of each of them δ _int = 0.21 mm, one of which is located on the outer surface, and a copper layer with a thickness of δ _m = 8 mm. Its allowable wear is about 3 mm, which is 2.5-3 times more than that of the prototype product. The proposed heat exchanger maintains its operability even with the complete wear of 3 intermetallic and 2 titanium layers. The thermal resistance of the intermetallic and titanium layers during heat transfer in the transverse direction R _SL = 333 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 1.1-1.2 times more than that of the product of the prototype, while copper layer thermal resistance R _m = 2.16 · 10 ^-5 K / (W / m ² ), that is, it has 15.4 times less thermal resistance than intermetallic and titanium layers.

Теплообменник по прототипу содержит трехслойную оболочку в виде трубы с наружным слоем из титана с толщиной стенки 2,3 мм, с интерметаллидным слоем из титана и стали толщиной 70-80 мкм и со стальным слоем из коррозионно-стойкой стали толщиной 2,3-2,9 мм. Со стальным слоем контактируют расположенные внутри трехслойной оболочки медные трубчатые полостеобразующие элементы. В сравнении с предлагаемой конструкцией этот теплообменник обладает в 4-5 раз большей скоростью изнашивания в контакте с потоками газов, содержащих абразивные вещества, его допускаемый износ не превышает 1-1,2 мм, что в 1,1-7 раз меньше, чем у предлагаемого изделия. Кроме того, суммарное термическое сопротивление его теплозащитных слоев при теплопередаче в поперечном направлении R_сл=(272,9-312,5)·10^-6 К/(Вт/м²), что в 1,1-2,9 раза меньше, чем у предлагаемой конструкции, что ограничивает возможные области применения изделия по прототипу в теплообменной аппаратуре, где требуется сочетание таких свойств, как высокая износостойкость, высокое термическое сопротивление при направлении теплопередачи с одной стороны изделия и низкое с другой, а также необходимая для длительной эксплуатации большая величина допускаемого износа его поверхностных слоев.The prototype heat exchanger contains a three-layer shell in the form of a pipe with an outer layer of titanium with a wall thickness of 2.3 mm, with an intermetallic layer of titanium and steel with a thickness of 70-80 μm and with a steel layer of corrosion-resistant steel with a thickness of 2.3-2, 9 mm. Copper tubular cavity-forming elements located inside the three-layer shell are in contact with the steel layer. Compared with the proposed design, this heat exchanger has a 4-5 times higher wear rate in contact with gas streams containing abrasive substances, its allowable wear does not exceed 1-1.2 mm, which is 1.1-7 times less than that of the proposed product. In addition, the total thermal resistance of the heat-shielding layers in its heat transfer in the transverse direction R _cl = (272,9-312,5) · 10 ^-6 K / (W / m ^2), that in 1,1-2,9 times smaller than the proposed design, which limits the possible areas of application of the product according to the prototype in heat exchange equipment, where a combination of properties such as high wear resistance, high thermal resistance in the direction of heat transfer on the one side of the product and low on the other, as well as large tolerance value emogo wear of its surface layers.

Claims

A heat exchanger made in the form of a multilayer shell made of titanium, intermetallic and copper layers, characterized in that the shell consists of a flat flange part and a central spherical one, while its inner layer is made of copper and the outer one is of a layered composite material with alternating layers of titanium and intermetallic compounds of the titanium-copper system with a thickness of 210-330 microns, with the number of titanium layers not less than three, and the number of intermetallic layers equal to N + 1, where N is the number of titanium layers.