RU97820U1

RU97820U1 - COMPOSITION HEAT EXCHANGER WITH INTERNAL CAVES

Info

Publication number: RU97820U1
Application number: RU2010118652/02U
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Трыков; Сергей Петрович Писарев; Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Дмитрий Юрьевич Донцов; Артём Игоревич Богданов; Вячеслав Фёдорович Казак; Екатерина Александровна Кобликова
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2010-09-20

Abstract

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. Composite heat exchanger with internal cavities, containing an outer metal shell and tubular cavity-forming elements having a cross-sectional quadrangular cross-section, characterized in that the outer shell is made of bimetallic metal with reduced heat conductivity with the outer layer of corrosion-resistant metal - titanium, the inner one - of austenitic steel, while the outer layer is connected to the internal welding by explosion over the entire contact surface, all cavity forming ele The tapes are made of copper, 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 welding by explosion on all contact surfaces by continuous welded joints, while the radius of curvature of the contact surfaces of the cavity-forming elements with the central internal cavity corresponds to the radius of the circle, inscribed in its cross section.

Description

Полезная модель относится к изделиям цилиндрической формы, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках.The utility model relates to products of cylindrical shape made by explosion welding and is intended for use in cryogenic, chemical and power plants.

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.A known design of a multi-channel cylindrical heat exchanger obtained by explosion welding (Yu.P. Trykov, S.P. Pisarev. Production of heat-exchange composite elements using explosive technologies / Welding production No. 6, 1998, S. 35), in which inside a steel shell copper cavity-forming elements are located. The connection of the steel shell with copper cavity-forming elements is formed according to the scheme of explosion welding of cylindrical billets, and the connection of the latter with the central cavity-forming element and with each other is formed due to the introduction of additional brass rods, which during heat treatment after the explosive action contribute to the formation of local permanent joints between copper cavity-forming elements.

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.The disadvantage of this design is the presence in it of a central tubular cavity-forming element, which after explosion welding remains in the product and during its operation creates additional thermal resistance during heat transfer of the coolant pumped through the central cavity of the product with substances located in adjacent cavities. Due to the lack of continuous welded joints between the walls of the cavity-forming elements, additional obstacles are created for the transfer of heat between the coolants located in adjacent channels of the product. When the product is used under cyclic loads (vibration), it is possible to destroy local welding foci both in the areas of steel-copper connection and in the areas of connection of copper cavity-forming elements to each other. The tubular shell in this design is made of steel, which, in some cases, does not provide sufficient corrosion resistance of products in an aggressive environment. All this limits the possible areas of application of this design in heat exchange equipment.

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.The closest in technical essence is the all-welded design of a composite cylindrical heat exchanger with internal cavities, obtained by explosion welding followed by heat treatment, leading to partial melting of the surface layers of bimetallic cavity-forming elements and the formation of continuous welded joints between all components of the product (RF Patent for Utility Model No. 79477, IPC B23K 101/14, B23K 20/08 published on January 10, 2009, Bulletin No. 1 - prototype) containing bimetallic tubular cavity binders elements with outer layers of brass, internal - of copper, characterized in that each element polosteobrazuyuschem layer of brass is connected to a layer of copper plating of the plasma on all the surfaces of contact. Bimetallic cavity-forming elements are located close to each other on the surface of the central steel tubular cavity-forming element in a ring, all adjacent bimetallic cavity-forming elements are interconnected and with the central steel cavity-forming element along all contact surfaces by explosive pressing followed by fusion of brass layers having a thickness of 10-30 μm . In the cross section, the bimetallic cavity-forming elements have the shape of a curved quadrangle, while the radius of curvature of the surfaces of their contact with the central steel cavity-forming element corresponds to the outer radius of the cross section of the latter, and the radius of curvature of the outer surfaces of the bimetal cavity-forming elements corresponds to the radius of the circle described around the cross section of the heat exchanger. The role of the outer metal shell in this design is played by a brass layer with a thickness of 10-30 microns.

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.The disadvantage of this design is the presence in it of a steel central tubular cavity-forming element, which remains in the product after explosion welding and, during its operation, creates significant thermal resistance during heat transfer of the heat carrier pumped through the central cavity of the product with substances located in adjacent cavities. In addition, products with this design cannot be used in equipment where a reduced heat transfer of heat-transfer substances located in the internal cavities of the product with the environment due to the low thermal resistance of metal layers, as well as in aggressive environments due to insufficiently high corrosion resistance, is required the material of the outer shell is brass in contact with the environment. All this limits the possible areas of application of such products in heat exchange equipment.

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.The objective in the development of this utility model is to create a new all-welded construction of a composite heat exchanger with internal cavities, with axial symmetry, with reduced thermal resistance of the walls of metal cavity-forming elements during heat transfer of a substance located in the central internal cavity with substances in adjacent internal cavities, while reducing heat transfer of these substances with the environment, providing high tightness of the metal cavity-forming electric cops, increased resistance to products such aggressive environments where the application of the corrosion-resistant steels impractical.

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.The technical result that is achieved in the implementation of this utility model is to obtain a structure with axial symmetry, with high-quality continuous welded joints of all metal layers in contact, without compromising the tightness of the metals being welded, reducing heat transfer of substances in the internal cavities of the product with the environment, obtaining reduced thermal resistance of the walls of metal cavity-forming elements during heat transfer of a substance located in the center internal cavity with substances in adjacent internal cavities, while ensuring increased product resistance in such aggressive environments where the use of steels is not possible due to their insufficient corrosion resistance.

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.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed design of a composite heat exchanger with internal cavities containing an outer metal shell and tubular cavity-forming elements having a cross-sectional quadrangular cross-section, the outer shell is made of bimetallic metal with reduced thermal 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 in all -th contact surface, 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 circle radius, inscribed in its cross section.

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.In contrast to the prototype, in the proposed design, the outer shell is made of bimetallic metal of low thermal conductivity with an outer layer of corrosion-resistant metal - titanium, which provides the necessary high corrosion resistance of the product in such aggressive external environments where it was impossible to use because of their fast destruction. Titanium combines high strength, ductility and corrosion resistance with low density and thermal conductivity. Since it has a 1.7 times lower density than steel, its use in this design significantly reduced its weight. Due to the high plastic properties of titanium during explosion welding, cracking does not occur in it, which reduces the tightness of the shell metal. Due to the good weldability of titanium with austenitic steel of the tubular intermediate layer, between them during explosion welding, a solid solid welded joint is formed that is resistant to fracture under conditions of increased cyclic loads. It is proposed that the inner layer of the shell be made of austenitic steel, which, like titanium, has low thermal conductivity, which, in combination with the outer titanium layer, contributes to a significant reduction in the heat transfer of heat-transfer substances located in the internal cavities of the product with the external environment. Such steel has sufficiently high plastic properties and when explosion welding at optimum conditions, crack formation does not occur in it, which reduces the quality of the product. Due to the good weldability of austenitic steel with both titanium and copper cavity forming elements, high quality welding is obtained in the resulting all-welded products.

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.In the proposed design, the outer titanium layer of the bimetallic shell is connected to the inner austenitic steel by explosion welding over the entire contact surface, which provides the necessary strength of the product under tensile and bending loads.

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.In the proposed design, 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, which gives additional strength to the proposed design, reduces the thermal resistance of the gaps between adjacent cavities.

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.In the proposed design, 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 its cross section, which ensures a smooth cylindrical surface of the central inner cavity of the product, thereby reducing hydraulic resistance when liquid or gaseous heat-transfer substances are passed through it.

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.The essence of the utility model is illustrated in the figure, which shows the appearance of the product. The composite heat exchanger with internal cavities consists of twelve copper cavity-forming elements 1 having a cross section in the form of a curved quadrangle, located adjacent to each other along a ring on the inner surface of the inner layer 2 of the bimetallic shell. This layer is made of austenitic steel with low thermal conductivity. All copper cavity-forming elements 1 are connected to each other and to the inner layer 2 of the bimetallic shell by explosion welding on all contact surfaces with continuous welded joints 3, 4. The outer layer 5 of the bimetallic shell is made of a corrosion-resistant metal - titanium, which has reduced thermal conductivity. This layer is connected to the steel inner layer 2 by explosion welding over the entire contact surface 6. The radius of curvature of the contact surfaces of the cavity-forming elements with the central inner cavity 7 corresponds to the radius R of the circle inscribed in its cross section. All internal cavities 8 of the copper cavity-forming elements 1 are located symmetrically relative to the longitudinal axis of the product. The absence in the design of this utility model of a central cavity-forming element, in comparison with the prototype, can significantly increase the efficiency of heat transfer during heat transfer of the coolant located in the central inner cavity with substances in copper cavity-forming elements.

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.The operation of the composite heat exchanger with internal cavities is as follows. The resulting product is inserted into pre-drilled holes in the walls of the chemical unit and the outer layer 5 of the bimetal shell of titanium is welded to the walls of the unit, for example by fusion welding, and then metal pipelines are welded to the copper cavity-forming elements 1 from the two ends of the product 1 for separate transmission through the central internal cavity articles 7 and through internal cavities 8 of copper cavity-forming elements 1 of liquids or heat carrier gases, as well as heated or cooled liquid or gaseous substances. Heat carrier substances are passed, for example, through the internal cavities of 8 copper cavity-forming elements, and the heat sink substance is passed through the central internal cavity 7. Heat exchange between these substances is carried out through single-layer thin walls of copper cavity-forming elements, with low thermal resistance. The bimetallic shell made of titanium and steel, which has high thermal resistance, significantly limits the unwanted heat transfer of substances in the internal cavities of the product with the environment, and helps to reduce heat loss. The external corrosion-resistant titanium layer 2 of the bimetallic shell protects the heat exchanger from the effects of aggressive environments.

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 λ_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 λ_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 λ_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.Example of execution 1. The initial materials for the manufacture of cavity-forming elements were 12 pipes made of copper M1 (GOST 859-78) with an outer diameter of D _pn = 14 mm, an internal one - D _p.v = 11.6 mm, with a wall thickness of T _p = 1.2 mm. The thermal conductivity of copper M1 λ _Cu = 410 W / (m · K). Cavity-forming elements filled with water filler removed after welding are placed on the outer surface of the central cavity-forming element removed after explosion welding with an outer diameter of 40 mm from a material that does not form welded joints with copper and is crushed during the explosive action. The resulting bundle of pipes is placed coaxially inside a steel pipe made of 12X18H10T austenitic steel (GOST 5632-72), which has reduced thermal conductivity. Its thermal conductivity coefficient λ _st = 17 W / (m · K), which is about 4 times lower than that of ordinary carbon steels. The outer diameter of the steel pipe is 75 mm, the inner is 71 mm, the length is 250 mm. The assembly thus obtained is placed coaxially inside the VT1-00 titanium pipe. Its thermal conductivity coefficient λ _Ti = 19.3 W / (m · K), that is, as low as that of austenitic steel 12X18H10T. At the same time, in terms of corrosion resistance in many aggressive environments, for example, in nitric acid, titanium surpasses many corrosion-resistant steels. The outer diameter of the titanium pipe is 80 mm, the inner is 76 mm, the length is 250 mm. Outside the titanium pipe, a cylindrical container with an explosive charge is placed and the detonation process is initiated in it using an electric detonator.

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.The parameters of the explosion welding scheme are selected so that during the explosive action a high-speed radial deformation of the titanium pipe occurs and when it collides with the wall of the steel pipe, the titanium is welded to steel, then the resulting titanium-steel bimetallic shell is jointly deformed and when it collides with the tube bundle copper cavity-forming elements are deformed, while acquiring the shape of a curved quadrangle in cross sections, the air gap is eliminated and between all cavity-forming elements and the steel layer of the bimetallic shell, while all metal layers are welded together in contact zones. The material of the crushed central cavity-forming element is removed from the central inner cavity of the welded billet, for example, using an electric vibrator. Water filler is removed from all cavities after explosive loading spontaneously when unloading a compressed system. After that, the end parts of the obtained workpiece with edge effects are removed by machining.

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:λ_Cu=0,0012:410=2.9·10^-6 К/(Вт/м²), 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/м²), через внутренний стальной слой биметаллической оболочки с толщиной Т_ст=2,3 мм с термическим сопротивлением R_cт=T_ст:λ_cт=0,0023:17=135,2·10^-6 К/(Вт/м²) и через наружный титановый слой биметаллической оболочки толщиной Т_Ti=2,3 мм с термическим сопротивлением R_Ti=T_Ti:λ_Ti=0,0023:19,3=119,2·10^-6 К/(Вт/м²). 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.The result is an all-welded product with a central inner cavity of cylindrical shape, with twelve cavities having the cross-sectional shape of a quadrangle in cross sections, without breaking axial symmetry and tightness, with reduced thermal resistance of metal layers during heat transfer of a substance located in the central inner cavity with substances in adjacent internal cavities, while providing a significant reduction in heat transfer of substances in the internal cavities of the product with the environment and increased product resistance in aggressive environments in which even corrosion-resistant steels are unsuitable. The inner diameter of the product is 40 mm, the outer is 72 mm, the wall thickness of the deformed titanium and steel layers of the bimetallic shell is the same and equal to 2.3 mm. In the obtained product during its operation, heat transfer between the heat-transfer agent located in the central internal cavity and the substances inside the copper cavity-forming elements occurs only through their copper walls with the same thickness as before deformation (T _p = 1.2 mm) with thermal resistance R _p = T _p : λ _Cu = 0.0012: 410 = 2.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 45 times less than that of the prototype. The heat exchange between the coolant inside the copper cavity-forming elements with the environment occurs through their copper walls with thermal resistance R _p = 2.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), through the inner steel layer of the bimetallic shell with a thickness of T _article = 2, 3 mm with thermal resistance R _ct = T _ct : λ _ct = 0.0023: 17 = 135.2 · 10 ^-6 K / (W / m ² ) and through the outer titanium layer of a bimetallic shell with a thickness of T _Ti = 2.3 mm with thermal resistance R _Ti = T _Ti : λ _Ti = 0.0023: 19.3 = 119.2 · 10 ^-6 K / (W / m ² ). The total thermal resistance of such a three-layer metal wall R _sum = (2.9 + 135.2 + 119.2) · 10 ^-6 = 254.4 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 65 times more than the prototype, this also provides increased resistance to aggressive products, for example, in acidic environments.

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:λ_Cu=0,0016:410=3.9·10^-6 К/(Вт/м²), 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.An example of execution 2. The same as in example 1, but the following changes. Metal cavity-forming elements in the form of pipes are made with an inner diameter of D _p.v = 10.8 mm, with a wall thickness of T _p = 1.6 mm. The initial outer diameter of the steel pipe is 76 mm, the inner is 72 mm. The outer diameter of the titanium pipe is 81 mm, the inner is 77 mm. The result is the same as in example 1, but the heat exchange between the heat carrier substance located in the central internal cavity and the substances inside the copper cavity-forming elements occurs through their copper walls with a thickness T _p = 1.6 mm with thermal resistance R _p = T _p : λ _Cu = 0.0016: 410 = 3.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 34 times less than that of the prototype. When heat transfer between the coolant located inside the copper cavity-forming elements with the environment, the total thermal resistance of the three-layer metal wall is the same as in example 1, that is, 65 times more than that of the prototype.

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.An example of execution 3. The same as in example 1, but the following changes. Metal cavity-forming elements in the form of pipes are made with an inner diameter of D _p.v = 10 mm, with a wall thickness of T _p = 2 mm. The initial outer diameter of the steel pipe is 79 mm, the inner is 74 mm. The outer diameter of the titanium pipe is 84 mm, the inner is 80 mm.

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:λ_Cu=0,002:410=4,9·10^-6 К/(Вт/м²), 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/м²), через внутренний стальной слой биметаллической оболочки с толщиной Т_ст=2,9 мм с термическим сопротивлением R_cт=T_ст:λ_cт=0,0029:17=170,6·10^-6 К/(Вт/м²) 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.The result is the same as in example 1, but the heat exchange between the heat carrier substance located in the central internal cavity and the substances inside the copper cavity-forming elements occurs through their copper walls with a thickness T _p = 2 mm with thermal resistance R _p = T _p : λ _Cu = 0.002: 410 = 4.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 27 times less than that of the prototype. Heat exchange between the heat carrier inside the copper cavity-forming elements with the environment occurs through their copper walls with thermal resistance R _p = 4.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), through the inner steel layer of the bimetallic shell with a thickness of T _article = 2, 9 mm, the thermal resistance R _CT = T _v: λ = 0.0029 _CT 17 = 170,6 · 10 ^-6 K / (W / m ²⁾ and through the outer layer of titanium bimetallic sheath thickness T mm _Ti = 2,3 with thermal resistance R _Ti = 119.2 · 10 ^-6 K / (W / m ² ). The total thermal resistance of such a three-layer metal wall R _sum = (4.9 + 170.6 + 119.2) · 10 ^-6 = 294.7 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 75 times more than the prototype.

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 λ_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:λ_лат=0,00001:108=0,092·10^-6 К/(Вт/м²). 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/м²), 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.In the prototype product, heat exchange between the heat-transfer agent located in the central inner cavity and the substances inside the metal cavity-forming elements occurs through their copper walls 0.8-1.5 mm thick, a brass coating with a thickness of T _lat and through the wall of the central cavity-forming element from 12X18H10T steel thickness T _c = 2.2 mm. The thermal resistance of such a steel layer R _article = 0.0022: 17 = 129.4 · 10 ^-6 K / (W / m ² ). When the wall thickness of the copper cavity-forming element is 0.8 mm, its thermal resistance is R _Cu = 0.0008: 410 = 1.95 · 10 ^-6 K / (W / m ² ). The coefficient of thermal conductivity of brass L63 λ _lat = 108 W / (m · K). The thermal resistance of each brass coating on copper cavity-forming elements with their thickness T _lat = 10 μm R _lat = T _lat : λ _lat = 0.00001: 108 = 0.092 · 10 ^-6 K / (W / m ² ). The total minimum thermal resistance of such a three-layer wall R _com = (1.95 + 129.4 + 0.092) · 10 ^-6 = 131.44 K / (W / m ² ), which is 27-45 times more than that of the product proposed designs. Heat transfer between the heat-transfer substances inside the copper cavity-forming elements with the environment occurs through their copper walls and through the brass coating. With a copper layer thickness of 1.5 mm and a brass layer of 30 μm, the maximum thermal resistance of such copper-brass layers is R _sum = (0.00003: 108 + 0.0015: 410) = 3.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 65-75 times less than the offered products. In addition, the prototype has significantly less resistance in aggressive, for example, in acidic environments than products of the proposed design.

Claims

Composite heat exchanger with internal cavities, containing an outer metal shell and tubular cavity-forming elements having a cross-sectional shape of a curved quadrangle in cross section, characterized in that the outer shell is made of bimetallic metal with reduced thermal conductivity with the outer layer of corrosion-resistant metal - titanium, the inner one - of austenitic steel, while the outer layer is connected to the internal welding by explosion over the entire contact surface, all cavity forming ele The tapes are made of copper, 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 welding by explosion on all contact surfaces by continuous welded joints, while the radius of curvature of the contact surfaces of the cavity-forming elements with the central internal cavity corresponds to the radius of the circle, inscribed in its cross section.