СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОЙ ТРУБЫ Российский патент 1997 года по МПК B21C37/22 B21D53/02 B23P15/26 

Изобретение относится к области изготовления теплообменных аппаратов, которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

Для интенсификации теплообмена используются развитые поверхности, в том числе трубы с ребрами.

Известен способ изготовления теплообменной трубы, состоящий в выполнении на толстостенной трубе продольных наружных пазов и последующей накатке поперечных ребер с получением после накатки разрезных ребер или лепестков [1]
Недостатком данного способа является высокая материалоемкость и трудоемкость.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ изготовления теплообменной трубы, предусматривающий предварительное изготовление пластинчатых ребер с отбортованными отверстиями и покрытие их перед сборкой легкоплавким материалом, последующую насадку ребер на трубу, раздачу трубы для обеспечения плотного соединения с ребрами, нагрев собранных оребренных труб до температуры плавления легкоплавкого материала для получения монолитного соединения ребер с трубами и их последующее охлаждение [2]
Недостатком является то, что данный способ не обеспечивает возможности изготовления труб с высокоразвитой теплообменной поверхностью.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение технологических возможностей изготовления теплообменных труб с высокими эксплуатационными свойствами.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления теплообменной трубы, заключающимся в установке с натягом на поверхности трубы предварительно изготовленных ребер с центральным отверстием, нанесении на них металлического покрытия и нагреве полученной сборки с последующим охлаждением, ребра изготавливают из проницаемой полимерной пены, покрытия наносят после установки ребер на поверхность трубы, а нагрев ведут до температуры спекания металлического покрытия.

Применение проницаемой полимерной пены для изготовления ребер позволяет получать оребрение с высокоразвитой сетчато-ячеистой структурой, обладающее высокой проницаемостью и низким гидравлическим сопротивлением. Величина удельной поверхности такой теплообменной трубы может достигать 5000 м²/м³, что в 1,5-2,0 раза выше, чем аналогичная характеристика для известной трубы с пластинчатыми ребрами, а это дает возможность значительно интенсифицировать теплообменные процессы.

Применение проницаемой полимерной пены, например, пенополиуретана, обладающей прекрасной обрабатываемостью и высокой упругостью, позволяет изготавливать ребра достаточно произвольной конфигурации, в частности в виде спиральной ленты, колец и т.д. с требуемыми геометрическими размерами, и устанавливать их как на внешней, так и на внутренней поверхности трубы. Последнее имеет большое значение в случае, если теплоноситель с низкими теплогидравлическими свойствами (низким коэффициентом теплоотдачи) должен циркулировать внутри трубы.

Металлизацию проницаемой полимерной подложки можно проводить различными методами, например, из раствора солей химическим восстановлением, электрохимическим восстановлением или нанесением суспензии металлического порошка с последующим удалением полиуретана (органики) при спекании металлического каркаса.

На чертеже изображен высокопористый ячеистый металл (ВПЯМ), представляющий собой сетчато-стержневой каркас в виде плотно упакованных многогранных ячеек. Размер микростержней, являющихся элементами ячеек, изменяется от 0,5 до 2,5 при изменении диаметра пор ВПЯМ от 1,0 до 5,0 мм.

Диаметр пор ВПЯМ практически соответствует диаметру пор полиуретановой подложки, хотя имеется тенденция к уменьшению диаметра пор ВПЯМ по сравнению с исходной подложкой, если пористость ВПЯМ становится ниже предельного значения. Для изготовления ребер можно использовать проницаемый полимер с диаметром пор от 1 до 5 мм. Применение такого материала обеспечивает получение ВПЯМ, обладающего высокой проницаемостью для движения теплоносителя сквозь сетчато-ячеистую структуру ребра.

Статическая направленность микростержней в ВПЯМ обеспечивает проницаемую во всех направлениях структуру ребра, что дает возможность эксплуатировать изготовленные трубы в любом положении горизонтальном, вертикальном, под углом и осуществлять движение теплоносителя в любом заданном направлении.

Для обеспечения оптимальных значений коэффициента теплоотдачи, проницаемости, снижения материало- и трудоемкости изготовления труб целесообразно добиваться получения ВПЯМ с пористостью 85-95% ВПЯМ с пористостью выше 95% обладает малой механической прочностью, а получение ВПЯМ с пористостью менее 85% характеризуется высокой трудоемкостью процесса металлизации для достижения относительно высокой плотности, к тому же при высоких плотностях (П<85% ) ухудшается проницаемость и возрастает гидравлическое сопротивление металла.

Установка ребер с натягом способствует образованию переменной пористости по высоте ребра. Это может быть реализовано, например, при установке на трубу ребра в виде кольца из пенополиуретана с внутренним диаметром меньшим, чем диаметр трубы. Благодаря эластичным свойствам полиуретана при установке с натягом происходят смятие пор и уменьшение их размеров в прилегающей к трубе области, тогда как по мере удаления от трубы к вершине ребра форма пор приближается к исходной.

При последующей металлизации такого ребра области с меньшим диаметром пор более интенсивно увеличивают свою плотность, поскольку обладают более развитой поверхностью. В результате ребро из образовавшегося высокопористого ячеистого материала приобретает не только переменный диаметр пор, вызванный деформированием пенополиуретана при установке ребра на трубу, но и переменную плотность, образованную при металлизации.

Градиент структурных свойств в ребре из ВПЯМ обусловливает переменные по высоте ребра свойства: увеличивающуюся от оснований к вершине проницаемость, уменьшающиеся теплопроводность, удельную поверхность и механические свойства. Наличие указанный свойств способствует интенсификации теплообменных процессов при минимальных потерях давления.

Выполнение ребер с изменяющимся вдоль оси трубы диаметром пор обеспечивает переменный коэффициент теплоотдачи по длине трубы и переменное гидравлическое сопротивление.

Диаметр пор ребра может уменьшаться или увеличиваться вдоль длины трубы, а также иметь минимум на участке между концами трубы.

Пример 1. Из пенополиуретана (ППУ) с диаметром ячейки 0,003 м изготавливали ребро в форме пустотелого цилиндра с внутренним диаметром 0,018 м, толщиной 0,006 м. Ребро с натягом устанавливали на наружной поверхности медной трубы диаметром 0,02 м, длиной 0,4 м. Трубу с ребром из ППУ помещали в раствор химического меднения, содержащий сульфат меди, глицерин, карбонат натрия и формальдегид, и проводили осаждение меди на ребро до достижения плотности 620 кг/м³. После меднения трубу помещали в печь с восстановительной атмосферой и спекали при температуре 1200 K в течение 3,6•10³ с. При спекании происходило удаление ППУ, а осажденный на нем слой меди, имеющий идентичную с ППУ сетчато-ячеистую структуру, соединялся металлической связью с медной трубой. Сформированная таким образом на медной трубе развитая поверхность, в которой роль ребра выполняет как сам слой из ВПЯМ в целом, так и отдельные структурные элементы сетчато-ячеистого каркаса ВПЯМ, имела коэффициент проницаемости 6,7•10^-8м², компактность 930²/м³.

Пример 2. Из ППУ с диаметром ячейки 0,002 м изготавливали ребро в форме пустотелого цилиндра с наружным диаметром 0,025 и толщиной стенки 0,005 м. Ребро размещали на внутренней поверхности медной трубы с поджатием. Размеры трубы аналогичны примеру 1. Вследствие обжатия ребра в медной трубе диаметр ячейки ППУ вблизи пристеночной области уменьшился до 0,001 м. Процесс меднения проводили до достижения плотности 710 кг/м³, после чего осуществляли спекание как в примере 1.

В результате всех операций была получена медная труба с внутренним оребрением, причем по высоте слоя из ВПЯМ диаметр ячейки изменялся от 0,001 до 0,002 м. Пропорционально последнему изменялся коэффициент компактности от 2600 до 1380 м²/м³, коэффициент проницаемости от 6,9•10^-9 до 2,8•10^-8, а также коэффициент теплопроводности от 6,8 до 8,2 Вт/мК. Эти данные свидетельствуют о том, что теплогидравлические характеристики такой трубы выше, чем у трубы с ребрами из однородного по диаметру ячейки ВПЯМ, так как поверхностный слой у вершины сетчато-ячеистого ребра будут более эффективно турбулизировать теплоноситель, а процессы теплообмена будет более интенсивно осуществляться вблизи основания сетчато-ячеистого ребра.

Пример 3. На наружную поверхность медной трубы, имеющей размеры, аналогичные примеру 1, устанавливали плотно друг за другом ребра из ППУ в виде одинаковых по длине полых цилиндров с внутренним диаметром 0,018 м, наружным 0,028 м, при этом диаметр ячейки ППУ в цилиндрах составлял соответственно 0,004; 0,003; 0,002 и 0,001 м. Цилиндры располагали в порядке уменьшении диаметра ячейки ППУ. Процесс металлизации и спекания проводили аналогично примеру 1. В результате получали теплообменную оребренную трубу с изменяющимися по длине трубы теплогидравлическими характеристиками такими, как плотность, проницаемость, коэффициент теплопроводности.

Пример 4. Внутрь медной трубки, имеющей размеры как в примере 1, помещали ребра из ППУ в виде пустотелых цилиндров с одинаковыми геометрическими размерами длиной 0,1 м, наружным и внутренним диаметром соответственно 0,022 и 0,012 м, но с разными диаметрами ячейки: 0,004; 0,03; 0,002 и 0,001 м.

После химического меднения и спекания была получена теплообменная труба, внутреннее оребрение которой имело по длине переменные теплогидравлические характеристики вследствие изменяющихся в этом же направлении структурных параметров ВПЯМ.

Пример 5. На медную трубу с размерами согласно примеру 1 устанавливали модель оребрения в виде спиральной ленты и ППУ толщиной 0,005 м, расстоянием между витками 0,006 м, внутренним и наружным диаметрами 0,018 и 0,03 м. Диаметр ячейки ППУ равнялся 0,004 м.

Пример 6. Из ППУ с диаметром ячейки 0,003 м изготавливали ребро в форме пустотелого цилиндра с наружным диаметром 0,03 м и внутренним 0,018 м. Ребро пропитывали суспензией на основе мелкодисперсных порошков железа марки ЖХВ, хрома марки ПХС-1 и никеля марки ПНК-ОТЗ в 7%-ном водном растворе поливинилового спирта с соотношением порошка к суспензирующей жидкости 4:1. Пропитанное суспензией ребро насаживали с натягом на трубу из нержавеющей стали марки X18H9 диаметром 0,02 м и сушили при температуре 150^oC в течение 2 ч. Затем трубу с ребром спекали сначала в водороде при температуре 550^oC в течение 2 ч с целью удаления органических компонентов, затем в вакууме при температуре 1200^oC в течение 2 ч. В результате операций на трубе из нержавеющей стали была сформирована высокоразвитая поверхность из сетчато-ячеистой нержавеющей стали, компактность которой составила 1170 м²/м³.

Использование: в области изготовления теплообменных аппаратов. Сущность изобретения: ребра, имеющие центральное отверстие, изготавливают из проницаемой полимерной пены, после чего с натягом устанавливают на трубу. Затем на ребра наносят металлическое покрытие и нагревают полученную сборку до температуры спекания покрытия. При спекании формируется металлическая связь между сетчато-ячеистым оребрением и трубой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления теплообменной трубы, включающий установку с натягом на поверхности трубы предварительно изготовленных ребер с центральным отверстием, нанесение на них металлического покрытия и нагрев полученной сборки с последующим охлаждением, отличающийся тем, что ребра изготавливают из проницаемой полимерной пены, покрытие наносят после установки ребер на поверхность трубы, а нагрев ведут до температуры спекания металлического покрытия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ребра изготавливают с изменяющимся вдоль оси трубы диаметром пор.