RU97821U1 - Биметаллический теплообменник с внутренними полостями - Google Patents

Abstract

Биметаллический теплообменник с внутренними полостями, содержащий наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, отличающийся тем, что все медные полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на внутренней поверхности стальной оболочки из коррозионно-стойкой стали с пониженной теплопроводностью по кольцу и соединены между собой и со стальной оболочкой 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.

Description

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

Известна конструкция многоканального цилиндрического теплообменника, полученного сваркой взрывом (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.35), в которой внутри стальной оболочки располагаются медные полостеобразующие элементы. Соединение стальной оболочки с медными полостеобразующими элементами формируется по схеме сварки взрывом цилиндрических заготовок, а соединение последних с центральным полостеобразующим элементом и между собой формируется благодаря введению дополнительных латунных стержней, которые при термической обработке после взрывного воздействия способствуют образованию локальных неразъемных соединений между медными полостеобразующими элементами.

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

Наиболее близкой по технической сущности является цельносварная конструкция композиционного цилиндрического теплообменника с внутренними полостями, полученного сваркой взрывом с последующей термической обработкой, приводящей к частичному оплавлению поверхностных слоев биметаллических полостеобразующих элементов и образованию при этом сплошных сварных соединений между всеми составляющими изделия (Патент РФ на полезную модель №79477, МПК В23K 101/14, В23K 20/08 опубл. 10.01.2009, бюл. №1 - прототип), содержащая биметаллические трубчатые полостеобразующие элементы с наружными слоями из латуни, внутренними - из меди, отличающийся тем, что в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди плазменной металлизацией по всем поверхностям их соприкосновения. Биметаллические полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на поверхности центрального стального трубчатого полостеобразующего элемента по кольцу, все смежные биметаллические полостеобразующие элементы соединены между собой и с центральным стальным полостеобразующим элементом по всем поверхностям контакта взрывным прессованием с последующим оплавлением латунных слоев, имеющих толщину 10-30 мкм. В поперечном сечении биметаллические полостеобразующие элементы имеют форму, криволинейного четырехугольника, при этом радиус кривизны поверхностей их соприкосновения с центральным стальным полостеобразующим элементом соответствует наружному радиусу поперечного сечения последнего, а радиус кривизны наружных поверхностей биметаллических полостеобразующих элементов соответствует радиусу окружности, описанной вокруг поперечного сечения теплообменника. Роль наружной металлической оболочки в этой конструкции выполняет латунный слой толщиной 10-30 мкм.

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

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой цельносварной конструкции биметаллического теплообменника с внутренними полостями 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 и повышенной стойкости изделия в агрессивных окружающих средах, с сохранением при этом их осевой симметрии.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - получение качественных сплошных сварных соединений между всеми полостеобразующими элементами и трубчатой оболочкой без нарушений герметичности свариваемых металлов, обеспечение осевой симметрии изделия, 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 агрессивных окружающих средах.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции биметаллического теплообменника с внутренними полостями, содержащей наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, все медные полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на внутренней поверхности стальной оболочки из коррозионно-стойкой стали с пониженной теплопроводностью по кольцу и соединены между собой и со стальной оболочкой сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью соответствует радиусу окружности, вписанной в ее поперечное сечение.

В отличие от прототипа в предложенной конструкции все медные полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на внутренней поверхности стальной оболочки из коррозионно-стойкой стали с пониженной теплопроводностью по кольцу, что способствует повышению прочности изделия при растягивающих и изгибающих нагрузках, дает возможность использования его в агрессивных окружающих средах, способствует снижению нежелательного теплообмена веществ-теплоносителей во внутренних полостях изделия с окружающей средой. Поскольку в данной конструкции отсутствует центральный полостеобразующий элемент, то это позволяет существенно снизить термическое сопротивление металлических слоев при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости с веществами в смежных с ней внутренних полостях, способствует также снижению металлоемкости изделий.

В предложенной конструкции все медные полостеобразующие элементы соединены между собой и со стальной оболочкой сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, что обеспечивает повышенные прочностные свойства изделия, способствует лучшему теплообмену между веществами-теплоносителями в смежных полостях, полностью устраняет возможность нежелательного проникновения химически активных и иных веществ в зоны соединения металлических слоев.

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 жидкостей-теплоносителей.

Сущность полезной модели поясняется рисунком, где изображен внешний вид изделия. Биметаллический 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 стальной оболочки 2 из коррозионно-стойкой стали с пониженной теплопроводностью. Все медные полостеобразующие элементы соединены между собой и со стальной оболочкой сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями 3, 4. Радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью 5 соответствует радиусу R окружности, вписанной в ее поперечное сечение. Все внутренние полости 6 медных полостеобразующих элементов 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, находящимися в медных полостеобразующих элементах. Стальная оболочка из коррозионно-стойкой стали с пониженной теплопроводностью позволяет использовать биметаллический теплообменник в агрессивных окружающих средах, способствует снижению нежелательного теплообмена веществ-теплоносителей во внутренних полостях медных полостеобразующих элементов с окружающей средой.

Работа биметаллического теплообменника с внутренними полостями осуществляется следующим образом. Вставляют полученное изделие в заранее просверленные отверстия в стенках химического агрегата и сваривают стальную оболочку 2 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 5 и через внутренние полости 6 медных полостеобразующих элементов 1 жидкостей или газов-теплоносителей, а также нагреваемых или охлаждаемых жидких или газообразных веществ. Вещества-теплоносители пропускают, например, через внутренние полости 6 медных полостеобразующих элементов, а вещество-теплоприемник пропускают через центральную внутреннюю полость 5. Теплообмен между этими веществами осуществляется через однослойные стенки медных полостеобразующих элементов.

Теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов 1 с окружающей средой происходит через их медные стенки и через стенку стальной оболочки 2. Из-за пониженной теплопроводности материала оболочки она обладает повышенным термическим сопротивлением, благодаря чему существенно снижаются потери тепла в окружающую среду. Высокая коррозионная стойкость материала оболочки обеспечивает возможность использования теплообменника предлагаемой конструкции в агрессивных окружающих средах.

Пример исполнения 1. Исходными материалами для изготовления полостеобразующих элементов были 12 труб из меди M1 (ГОСТ 859-78) с наружным диаметром - 14 мм, внутренним - 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 оболочки из коррозионно-стойкой 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 оболочки - 76 мм, внутренний - 70 мм. Снаружи стальной оболочки размещают цилиндрический контейнер с зарядом взрывчатого вещества и осуществляют сварку взрывом. Параметры схемы сварки взрывом подобраны таким образом, что в процессе взрывного воздействия, при соударении стальной оболочки с медными полостеобразующими элементами, происходит их совместное высокоскоростное деформирование, полостеобразующие элементы приобретют при этом в поперечных сечениях форму криволинейного четырехугольника, ликвидируются воздушные промежутки между всеми полостеобразующими элементами и стальной оболочкой, при этом образуются сплошные сварные соединения в местах контакта всех металлических слоев. Специальным вибрационным инструментом раздробленный слой из материала центрального полостеобразующего элемента легко удаляют с внутренней поверхности сваренной заготовки. Водный наполнитель удаляется из полостей самопроизвольно. Затем механической обработкой удаляют у заготовки концевые части с краевыми эффектами.

В результате получают цельносварное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы, с двенадцатью полостями имеющими в поперечных сечениях форму криволинейного четырехугольника, без нарушений осевой симметрии и герметичности, с пониженным термическим сопротивлением металлических слоев при теплообмене вещества, находящегося в центральной внутренней полости с веществами в смежных с ней внутренних полостях, при этом обеспечивается существенное снижение теплообмена веществ, находящихся во внутренних каналах изделия с окружающей средой и повышенная стойкость изделия в агрессивных окружающих средах. Его внутренний диаметр - 40 мм, наружный - 69,5 мм, толщина стенки стальной оболочки, длина 220 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 сварки взрывом (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) и через стальную оболочку с толщиной стенки Т_о=3,3 мм с термическим сопротивлением R_o=T_o:λ_Cu=0,0033:17=194,1·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное термическое сопротивление такой двухслойной биметаллической стенки R_сум=(2,9+194,1)10^-6=197·10^-6 К/(Вт/м²), что в 50 раз больше, чем у прототипа, при этом также обеспечивается повышенная стойкость изделия в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах.

Пример исполнения 2. То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Металлические полостеобразующие элементы в виде труб изготавливают с внутренним диаметром 10,8 мм, с толщиной стенок Т_п=1,6 мм. Наружный диаметр стальной оболочки - 77 мм, внутренний - 70 мм. Результат тот же, что в примере 1, но у полученного изделия наружный диаметр - 70,6 мм, толщина стенки стальной оболочки - 3,8 мм. 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. Теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов с окружающей средой происходит через их медные стенки и через стальную оболочку с толщиной стенки Т_о=3,85 мм с термическим сопротивлением R_o=0,00385:17=226,4·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное термическое сопротивление такой двухслойной биметаллической стенки R_сум=(3,9+226,4)10^-6=230,3·10^-6 К/(Вт/м²), что в 59 раз больше, чем у прототипа.

Пример исполнения 3. То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Металлические полостеобразующие элементы в виде труб изготавливают с внутренним диаметром 10 мм. Наружный диаметр стальной оболочки - 79 мм, внутренний - 71 мм. Результат тот же, что в примере 1, но у полученного изделия наружный диаметр - 70,6 мм, толщина стенки стальной оболочки - 4,5 мм. 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=4,8·10^-6 К/(Вт/м²), что в 27 раз меньше, чем у изделия, полученного по прототипу. Теплообмен между веществом-теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов с окружающей средой происходит через их медные стенки и через стальную оболочку с толщиной Т_о=4,5 мм с термическим сопротивлением R_o=0,0045:17=264,7·10^-6 К/(Вт/м). Суммарное термическое сопротивление такой двухслойной стенки из меди и стали R_cyм=(4,8+264,7)10^-6=269,5·10^-6 К/(Вт/м²), что в 69 раз больше, чем у изделий, полученных по прототипу.

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, через 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_лaт=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 термическое сопротивление такой биметаллической 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, полученного по предлагаемому способу. 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 термическое сопротивление таких медно-латунных слоев R_сум=(0,00003:108+0,0015:410)=3,9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 50-69 раз меньше, чем у изделий предлагаемой конструкции. Кроме того, у прототипа значительно меньшая стойкость в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах, чем у предлагаемой конструкции теплообменника.

Claims (1)

1. Биметаллический теплообменник с внутренними полостями, содержащий наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, отличающийся тем, что все медные полостеобразующие элементы расположены вплотную друг к другу на внутренней поверхности стальной оболочки из коррозионно-стойкой стали с пониженной теплопроводностью по кольцу и соединены между собой и со стальной оболочкой 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.