RU98166U1

RU98166U1 - COMPOSITION CYLINDRICAL HEAT EXCHANGER WITH INTERNAL CAVES

Info

Publication number: RU98166U1
Application number: RU2010118650/02U
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Трыков; Сергей Петрович Писарев; Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Дмитрий Владимирович Проничев; Олег Викторович Слаутин; Дмитрий Юрьевич Донцов; Артём Игоревич Богданов; Вячеслав Фёдорович Казак
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2010-10-10

Abstract

Композиционный цилиндрический теплообменник с внутренними полостями, содержащий наружную металлическую оболочку и медные трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, отличающийся тем, что наружную оболочку выполняют трехслойной из материалов с пониженной теплопроводностью, в которой наружный слой выполняют из коррозионно-стойкого металла - титана, внутренний слой - из аустенитной стали, а теплозащитный слой, расположенный между титаном и аустенитной сталью - из интерметаллидов системы титан-сталь толщиной 70-80 мкм, при этом наружный слой из титана соединен с внутренним слоем из аустенитной стали сваркой взрывом по всей поверхности соприкосновения с последующим формированием сплошного теплозащитного интерметаллидного слоя термической обработкой, все медные трубчатые полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности внутреннего слоя из аустенитной стали оболочки по кольцу и соединены с ней и между собой сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями, а радиус кривизны поверхностей соприкосновения медных трубчатых полостеобразующих элементов с центральной внутренней полостью соответствует радиусу окружности, вписанной в ее поперечное сечение. A composite cylindrical heat exchanger with internal cavities, containing an outer metal shell and copper tubular cavity-forming elements having a cross-sectional quadrangular cross-sectional shape, characterized in that the 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 layer is made of austenitic steel, and the heat-shielding layer located between titanium and austenitic steel is from intermet of titanium-steel system leads with a thickness of 70-80 μm, while the outer layer of titanium is connected to the inner layer of austenitic steel by explosion welding over the entire contact surface with the subsequent formation of a continuous heat-protective intermetallic layer by heat treatment, all copper tubular cavity-forming elements are located on the inner surface of the inner layer of austenitic steel shell along the ring and connected to it and to each other by explosion welding on all contact surfaces by continuous welded joints, and the radius of curvature of the contact surfaces of copper tubular cavity-forming elements with a central internal cavity corresponds to the radius of a 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 cylindrical products manufactured 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 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.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 the metal from the 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 из-за их недостаточной коррозионной стойкости.The objective in developing this utility model is to create a new all-welded composite heat exchanger design with internal cavities, having 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 corrosion-resistant steel is impractical because of their insufficient corrosion resistance.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - получение конструкции, обладающей осевой симметрией, с качественными сплошными сварными соединениями трубчатой оболочки с трубчатой промежуточной прослойкой, а также между всеми полостеобразующими элементами и трубчатой промежуточной прослойкой 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 the tubular shell with the tubular intermediate layer, as well as between all cavity-forming elements and the tubular intermediate layer without compromising the tightness of the metals being welded, reducing heat transfer of substances, located in the internal cavities of the product with the environment, obtaining reduced thermal resistance of the wall to metal cavity-forming elements during heat transfer of a substance located in the central 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 цилиндрического теплообменника с внутренними полостями, содержащей наружную металлическую оболочку и трубчатые полостеобразующие элементы, имеющие в поперечном сечении форму криволинейного четырехугольника, наружную оболочку выполняют трехслойной из материалов с пониженной теплопроводностью, в которой наружный слой выполняют из коррозионностойкого 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 specified technical result is achieved by the fact that in the proposed design of a cylindrical 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 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 a heat-insulating layer located between titanium and steel - from intermetallic compounds of the titanium-steel system with a thickness of 70-80 μm, while the titanium layer is connected to 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 ring and connected to it and to each other 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 a central inner cavity corresponds to the radius of a circle inscribed in its cross section.

В отличие от прототипа в предложенной конструкции наружную оболочку выполняют трехслойной из материалов с пониженной теплопроводностью, в которой наружный слой выполняют из коррозионностойкого металла - титана, внутренний - из аустенитной стали, а теплозащитный слой, расположенный между титаном и сталью - из интерметаллидов системы титан-сталь толщиной 70-80 мкм. Наружный слой из титана 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, между ними при сварке взрывом на оптимальных режимах образуется прочное сплошное сварное соединение без непроваров, оплавов и других дефектов, снижающих качество получаемых изделий. Внутренний слой оболочки предложено выполнять из аустенитной стали, обладающей низкой теплопроводностью как и титан, 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 прочностными и пластическими свойствами и при сварке взрывом на оптимальных режимах в ней не происходит трещинообразования, снижающего качество изделия. Благодаря хорошей свариваемости аустенитной стали и с титаном и с медными полостеобразующими элементами, то этот промежуточный стальной слой обеспечивает повышенную прочность цельносварного изделия в целом.Unlike the prototype, in the proposed design, the 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 located between titanium and steel is made of intermetallic compounds of the titanium-steel system 70-80 microns thick. The outer layer of titanium provides the necessary high corrosion resistance of the product in such aggressive external environments where it has become impossible to use because of their rapid 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, between them during explosion welding at optimal conditions, a solid solid welded joint is formed without lack of fusion, fusion and other defects that reduce the quality of the products obtained. It is proposed that the inner layer of the shell be made of austenitic steel, which has low thermal conductivity like titanium, which, in combination with the outer titanium layer, contributes to a significant reduction in the heat transfer of heat-transfer substances in the internal cavities of the product with the external environment. Such steel has sufficiently high strength and plastic properties, and when explosion welding at optimal conditions, cracking 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, this intermediate steel layer provides increased strength of the welded product as a whole.

Предложено между титаном и сталью размещать теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-сталь толщиной 70-80 мкм, что обеспечивает без увеличения массы изделия дополнительное термическое сопротивление трехслойной наружной оболочки, что способствует снижению нежелательных потерь тепловой энергии при теплообмене веществ-теплоносителей, находящихся во внутренних полостях изделия с окружающей средой.It is proposed between titanium and steel to place a heat-protective layer of intermetallic compounds of the titanium-steel system with a thickness of 70-80 μm, which provides without increasing the mass of the product additional thermal resistance of the three-layer outer shell, which helps to reduce unwanted heat loss during heat transfer of heat-transfer substances located in internal cavities products with the environment.

В предлагаемой конструкции титановый слой соединен со стальным сваркой взрывом по всей поверхности соприкосновения с последующим формированием сплошного теплозащитного интерметаллидного слоя термической обработкой, что обеспечивает равномерность толщины теплозащитного слоя и высокую прочность соединения с ней обоих контактирующих с ней металлических слоев - титана и стали. Формирование теплозащитного интерметаллидного слоя с толщиной менее 70 мкм является экономически нецелесообразным из-за его недостаточного вклада в суммарное термическое сопротивление наружной оболочки при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой. Толщина такого слоя более 80 мкм является чрезмерной, поскольку при этом изделие приобретает склонность к расслаиванию в зонах соединения прослойки с титаном и сталью при циклических изгибающих нагрузках.In the proposed design, the titanium layer is connected with steel welding by explosion over the entire contact surface with the subsequent formation of a continuous heat-shielding intermetallic layer by heat treatment, which ensures uniform thickness of the heat-shielding layer and high strength of connection of both metal layers in contact with it - titanium and steel. The formation of a heat-protective intermetallic layer with a thickness of less than 70 μm is not economically feasible due to its insufficient contribution to the total thermal resistance of the outer shell during heat exchange of heat-transfer substances with the environment. The thickness of such a layer of more than 80 μm is excessive, since the product acquires a tendency to delamination in the zones of the junction of the layer with titanium and steel under cyclic bending loads.

В предложенной конструкции все медные полостеобразующие элементы расположены на внутренней поверхности стального слоя 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 shell layer in a 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 металла медных полостеобразующих элементов, контактирующего с центральной внутренней полостью изделия, тем самым снижается гидравлическое сопротивление при пропускании через нее жидких 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 metal surface of copper cavity-forming elements in contact with the central inner cavity of the product, thereby reducing hydraulic resistance when passing through it liquid coolants.

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 наружной оболочки из аустенитной стали с пониженной теплопроводностью. Все медные полостеобразующие элементы соединены между собой и с внутренним слоем 2 оболочки из аустенитной стали сваркой взрывом по всем поверхностям контакта сплошными сварными соединениями 3, 4. Наружный слой 5 оболочки выполняют из коррозионно-стойкого металла - титана, обладающего пониженной теплопроводностью. Этот слой соединен с внутренним слоем 2 оболочки теплозащитным слоем 6 из интерметаллидов системы титан-сталь сформированного после сварки взрывом термической обработкой. Радиус кривизны поверхностей соприкосновения полостеобразующих элементов 1 с центральной внутренней полостью 7 соответствует радиусу R окружности, вписанной в ее поперечное сечение. Все внутренние полости 8 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 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 the ring on the inner surface of the inner layer 2 of the outer shell of austenitic steel with reduced thermal conductivity. All copper cavity-forming elements are interconnected and with the inner layer 2 of the shell made of austenitic steel by explosion welding on all contact surfaces with continuous welded joints 3, 4. The outer layer 5 of the shell is made of a corrosion-resistant metal - titanium, which has low thermal conductivity. This layer is connected to the inner layer 2 of the shell by a heat-protective layer 6 of intermetallic compounds of the titanium-steel system formed after explosion welding by heat treatment. The radius of curvature of the contact surfaces of the cavity-forming elements 1 with the central inner cavity 7 corresponds to the radius R of the circle inscribed in its cross section. All internal cavities 8 of copper cavity-forming elements 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 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. Трехслойная наружная оболочка, состоящая из титана, стали и теплозащитного слоя из интерметаллидов системы титан-сталь, сформированный после сварки взрывом термической обработкой, обладающая высоким термическим сопротивлением, существенно ограничивает нежелательный теплообмен веществ, находящихся во внутренних полостях изделия, с окружающей средой, способствует снижению потерь тепловой энергии. Наружный слой 5 оболочки из коррозионно-стойкого металла - титана защищает композиционный цилиндрический теплообменник с внутренними полостями 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 titanium shell 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 on two end sides of the product for separate transmission through the central internal cavity of the product 7 and through internal cavities 8 of copper cavity forming elements 1 of liquids or heat carrier gases, as well as of heated or cooled liquid or gas different 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. A three-layer outer shell consisting of titanium, steel and a heat-insulating layer of intermetallic compounds of the titanium-steel system, formed after explosion welding by heat treatment, having high thermal resistance, significantly limits the unwanted heat exchange of substances in the internal cavities of the product with the environment, and helps to reduce losses thermal energy. The outer layer 5 of the shell made of corrosion-resistant metal - titanium protects the composite cylindrical heat exchanger with internal cavities 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 промежуточной прослойки - 75 мм, внутренний - 71 мм, длина - 250 мм. Полученную при этом сборку размещают 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 _pn = 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 intermediate layer is 75 mm, the inner is 71 mm, the length is 250 mm. The resulting assembly is placed inside a 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 при этом титано-стальной оболочки и при соударении ее с пучком из труб медные полостеобразующие элементы деформируются, приобретая при этом в поперечных сечениях форму криволинейого четырехугольника, ликвидируются воздушные промежутки между всеми полостеобразующими элементами и внутреннм стальным слоем 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 термической обработкой формируют между титановым и стальным слоем оболочки теплозащитный слой в виде сплошного теплозащитного интерметаллидного слоя из интерметаллидов системы титан-сталь с пониженной теплопроводностью толщиной 70 мкм. Затем механической обработкой удаляют у заготовки концевые части с краевыми эффектами.The parameters of the explosion welding scheme are selected in such a way 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, titanium is welded with steel, then joint deformation of the formed titanium-steel shell occurs and when it collides with a beam of the pipes of the copper cavity-forming elements are deformed, while acquiring the shape of a curved quadrangle in cross sections, the air gaps between EMI polosteobrazuyuschimi vnutrennm elements and the steel shell layer, the welded together in all areas of contact metal layers. 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 this, a heat-protective layer is formed between the titanium and steel sheath layers in the form of a continuous heat-shielding intermetallic layer of intermetallic compounds of the titanium-steel system with reduced thermal conductivity with a thickness of 70 μm. Then, the end parts with edge effects are removed from the workpiece by machining.

В результате получают цельносварное изделие с центральной внутренней полостью цилиндрической формы и с двенадцатью полостями имеющими в поперечных сечениях форму криволинейного четырехугольника, без нарушений осевой симметрии и герметичности металлических слоев, со сплошным теплозащитным слоем из интерметаллидов системы титан-сталь между слоями из титана и стали трехслойной наружной оболочки с толщиной Т_инт=70 мкм. Его внутренний диаметр - 40 мм, наружный - 72 мм, длина - 220 мм.The result is an all-welded product with a central inner cavity of cylindrical shape and with twelve cavities having a cross-sectional quadrangle in cross sections, without breaking axial symmetry and tightness of metal layers, with a continuous heat-protective layer of intermetallic compounds of the titanium-steel system between the layers of titanium and steel with a three-layer outer shell with a thickness of T _int = 70 microns. Its inner diameter is 40 mm, the outer is 72 mm, and its length is 220 mm.

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 в процессе 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), через внутренний стальной слой трехслойной наружной оболочки с толщиной Т_ст=2,3 мм с термическим сопротивлением R_ст=Т_ст:λ_ст=0,0023:17=135,2·10^-6 К/(Вт/м²), через теплозащитный слой из интерметаллидов с толщиной Т_инт=70 мкм с коэффициентом теплопроводности λ_инт=4,5 Вт/(м·К), с термическим сопротивлением R_инт=Т_инт:λ_инт=0,00007:4,5=15,6·10^-6 К/(Вт/м²) и через наружный слой из титана с толщиной Т_Ti=2,3 мм с термическим сопротивлением R_Ti=Т_Ti:λ_Ti=0,0023:19,3=119,2·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное термическое сопротивление такой многослойной композиционной стенки R_сум=(2,9+135,2+15,6+119,2)·10^-6=272,9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 69 раз больше, чем у изделий, полученных по прототипу, при этом также обеспечивается повышенная стойкость изделия в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах. Теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-сталь повысил суммарное термическое сопротивление R_сум при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой на 6%, что способствует существенной экономии тепловой энергии при эксплуатации изделия.In the product obtained, 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 during the explosion welding process (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 a three-layer outer shell with a thickness of T _article = 2 , 3 mm with thermal resistance R _article = T _article : λ _article = 0.0023: 17 = 135.2 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), through a heat-protective layer of intermetallic compounds with a thickness of T _int = 70 μm s thermal conductivity coefficient λ _int = 4.5 W / (m · K), with thermal resistance R _int = T _int : λ _int = 0.00007: 4.5 = 15.6 · 10 ^-6 K / (W / m ² ) and through the outside th layer of titanium with a thickness 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 multilayer composite wall R _sum = (2.9 + 135.2 + 15.6 + 119.2) · 10 ^-6 = 272.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which 69 times more than that of products obtained by the prototype, while this also provides increased resistance to aggressive products, for example, in acidic environments. The heat-protective layer of intermetallic compounds of the titanium-steel system increased the total thermal resistance R _sum during heat transfer of heat-transfer substances with the environment by 6%, which contributes to a significant saving of thermal energy during operation of the product.

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. Толщина теплозащитного слоя T_инт=75 мкм, его термическое сопротивление R_инт=T_инт:λ_инт=0,000075:4,5=16,7·10^-6 К/(Вт/м²). 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 изделия, полученного по прототипу. При теплообмене между теплоносителем, находящимся внутри медных полостеобразующих элементов с окружающей средой суммарное термическое сопротивление R_сум=(3,9+135,2+16,7+119,2)·10^-6=275,9·10^-6 К/(Вт/м²), что в 70 раз больше, чем у прототипа. Теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-сталь повысил суммарное термическое сопротивление R_сум при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой на 6,5%.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 thickness of the heat-protective layer T _int = 75 μm, its thermal resistance R _int = T _int : λ _int = 0.000075: 4.5 = 16.7 · 10 ^-6 K / (W / m ² ). 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 product obtained by the prototype. During heat transfer between the heat carrier inside the copper cavity-forming elements with the environment, the total thermal resistance R _sum = (3.9 + 135.2 + 16.7 + 119.2) · 10 ^-6 = 275.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 70 times more than the prototype. The heat-insulating layer of intermetallic compounds of the titanium-steel system increased the total thermal resistance R _sum during heat transfer of heat-transfer substances with the environment by 6.5%.

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.. Толщина теплозащитного слоя T_инт=80 мкм, его термическое сопротивление R_инт=T_инт:λ_инт=0,00008:4,5=17,8·10^-6 К/(Вт/м²). 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 трехслойной наружной оболочки с толщиной Т_ст=2,9 мм с термическим сопротивлением R_ст=Т_ст:λ_ст=0,0029:17=170,6·10^-6 К/(Вт/м²), через теплозащитный слой из интерметаллидов с толщиной Т_инт=80 мкм с термическим сопротивлением R_инт=Т_инт:λ_инт=0,00008:4,5=17,8·10^-6 К/(Вт/м²) и через наружный слой из титана с толщиной Т_Ti=2,3 мм с термическим сопротивлением R_Ti=119,2·10^-6 К/(Вт/м²). Суммарное термическое сопротивление такой многослойной композиционной стенки R_сум=(4,9+170,6+17,8+119,2)·10^-6==312,5·10^-6К/(Вт/м²), что в 80 раз больше, чем у изделий, полученных по прототипу. Теплозащитный слой из интерметаллидов системы титан-сталь повысил суммарное термическое сопротивление R_сум при теплообмене веществ-теплоносителей с окружающей средой на 6%.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 .. The thickness of the heat-protective layer T _int = 80 μm, its thermal resistance R _int = T _int : λ _int = 0,00008: 4,5 = 17.8 · 10 ^-6 K / (W / m ² ). 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 a three-layer outer shell with a thickness of T _article = 2 , 9 mm with thermal resistance R _article = T _article : λ _article = 0.0029: 17 = 170.6 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), through a heat-protective layer of intermetallic compounds with a thickness of T _int = 80 μm s thermal resistance R _int = T _int : λ _int = 0.00008: 4.5 = 17.8 · 10 ^-6 K / (W / m ² ) and through an outer layer of titanium with a thickness T _Ti = 2.3 mm s thermal oprotivleniem R _Ti = 119,2 · 10 ^-6 K / (W / m ^2). The total thermal resistance of such a multilayer composite wall R _sum = (4.9 + 170.6 + 17.8 + 119.2) · 10 ^-6 = 312.5 · 10 ^-6 K / (W / m ² ) that 80 times more than the products obtained by the prototype. The heat-insulating layer of intermetallic compounds of the titanium-steel system increased the total thermal resistance R _sum during heat exchange of heat-transfer substances with the environment by 6%.

В 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_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 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 предлагаемого изделия. 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 69-80 раз меньше, чем у изделий, предлагаемой конструкции. Кроме того, у таких изделий значительно меньшая стойкость в агрессивных, например, в кислотных окружающих средах, чем у предлагаемых изделий.In the prototype, heat transfer 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 with a thickness of 0.8-1.5 mm, a brass coating with a thickness of T _lat and through the wall of a central cavity-forming element from steel 12X18H10T with a thickness of T _t = 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 thermal conductivity coefficient of brass is L63 λ _Lath = 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 the proposed product . 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 R _sum = (0.00003: 108 + 0.0015: 410) == 3.9 · 10 ^-6 K / (W / m ² ), which is 69-80 times less than that of the products of the proposed design. In addition, such products have significantly lower resistance in aggressive, for example, in acidic environments, than the proposed products.

Claims

A composite cylindrical heat exchanger with internal cavities, containing an outer metal shell and copper tubular cavity-forming elements having a cross-sectional quadrangular cross-sectional shape, characterized in that the 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 layer is made of austenitic steel, and the heat-insulating layer located between titanium and austenitic steel is from intermet of titanium-steel system leads with a thickness of 70-80 μm, while the outer layer of titanium is connected to the inner layer of austenitic steel by explosion welding over the entire contact surface with the subsequent formation of a continuous heat-protective intermetallic layer by heat treatment, all copper tubular cavity-forming elements are located on the inner surface of the inner layer of austenitic steel shell along the ring and connected to it and to each other by explosion welding on all contact surfaces by continuous welded joints, and the radius of curvature of the contact surfaces of copper tubular cavity-forming elements with a central internal cavity corresponds to the radius of a circle inscribed in its cross section.