СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА Российский патент 2003 года по МПК B22F3/24 C22C1/08 F28F21/08 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при изготовлении теплообменных аппаратов для систем охлаждения и нагрева сред.

Известен способ изготовления теплообменников для печей, включающий формирование внутри корпуса каналов для движения сред посредством того, что межканальное пространство в корпусе заливают расплавленными металлургическими шлаками и одновременно с заливкой осуществляют продувку каналов отработанными горячими газами [1].

Недостатками данного способа являются:
- наличие большого количества замкнутых пор в шлаке после его охлаждения, которые существенно уменьшают теплоотдачу теплообменника;
- хрупкость пористого материала из шлака и его разрушение при вибрационных нагрузках;
- нет возможности точного задания требуемой проницаемости и структуры пористого материала.

Известен метод изучения структуры порового пространства пористого металла наполнением пор жидким веществом. После отвердения этого вещества и удаления основного материала (растворением, травлением и т.п.) остается твердая губка, точно воспроизводящая поровое пространство. Исследование этой губки позволяет определить форму и размеры пор, шероховатость их поверхности и некоторые другие параметры порового пространства [2].

Данный метод дает хорошие результаты при изучении и анализе структуры порового пространства, но в нем нет прямых предпосылок для изготовления пористого металла и, тем более, теплообменных аппаратов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ, согласно которому изготовлен автомобильный теплообменник для охлаждения масла, в котором масло подается по трубкам, запрессованным в слой пористого металла, через который под давлением протекает вода и охлаждает масло до заданной температуры [3].

Недостатками этого способа являются:
- нарушение структуры пористого металла при запрессовывании в него трубок, если оно производится после его спекания, так как при запрессовывании трубок нарушается структура перового пространства не только в области запрессовывания трубок, но и в смежных областях теплообменника из-за передачи механических напряжений по скелету пористого металла;
- при запрессовывании трубок перед спеканием пористого металла или при прессовании пакета с трубками возможны деформации трубок при спекании или прессовании пакета;
- большое тепловое сопротивление на границе между стенками трубок и пористым металлом при запрессовывании трубок, что уменьшает теплопередачу;
- малая механическая прочность такого теплообменного аппарата.

Целью изобретения является:
- повышение механической прочности и теплопередающей способности теплообменных аппаратов;
- снижение трудоемкости изготовления теплообменных аппаратов.

Указанная цель достигается тем, что пространство между трубками, по которым протекает охлаждаемая жидкость, боковыми стенками и передней и задней поверхностями изготавливаемого теплообменного аппарата заполняют пористым металлом, чередуя со сквозными зазорами, незаполненными пористым металлом, полученным из расплавленного компактного металла, который согласно изобретению изготавливают в следующей последовательности: между указанными трубками устанавливают перегородки и оставшееся упомянутое пространство сначала заполняют зернистым материалом, температура плавления которого, как и температура плавления материала перегородок, выше температуры плавления требуемого пористого металла, затем нагревают зернистый материал, перегородки и трубки до температуры, близкой к температуре плавления компактного металла, заполняют полости между зернами этим металлом, находящимся в расплавленном состоянии, и после охлаждения зернистый материал и материал перегородок удаляют вытравливанием, растворением или иным способом.

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются:
1. Способ размещения в пористом металле трубок, по которым протекает охлаждаемая (нагреваемая) жидкость, и перегородок путем заполнения упомянутого объема пористым металлом, чередуя со сквозными зазорами, незаполненными пористым металлом, полученным из расплавленного компактного металла.

2. Последовательность изготовления теплообменного аппарата: устанавливают трубки и перегородки между ними и оставшееся упомянутое пространство сначала заполняют зернистым материалом, температура плавления которого, как и температура плавления материала перегородок, выше температуры плавления требуемого пористого металла, затем нагревают зернистый материал, перегородки и трубки до температуры, близкой к температуре плавления металла, из которого должен быть изготовлен пористый металл, после чего заполняют полости между зернами этим металлом, находящимся в расплавленном состоянии, а после охлаждения зернистый материал и материал перегородок удаляют (вытравливанием, растворением или иным способом).

В заявляемом техническом решении отличительные признаки проявляют в отдельности известные в других областях техники свойства, а взятые в совокупности с признаками прототипа, проявляют свойства, которые позволяют повысить механическую прочность и теплопередающую способность теплообменного аппарата, снизить трудоемкость его изготовления, что указывает на соответствие технического решения критерию "существенные отличия".

Предлагаемый способ поясняют чертежи.

На фиг. 1 изображен схематический чертеж, поясняющий реализацию предлагаемого способа изготовления теплообменного аппарата.

На фиг. 2 изображен схематический чертеж, поясняющий реализацию способа изготовления теплообменного аппарата с турбулизирующими элементами внутри упомянутых трубок, по которым протекает охлаждаемая (нагреваемая) жидкость.

На схематических чертежах (фиг. 1, 2) показаны элементы, материалы и вспомогательное оборудование, необходимые для реализации предлагаемого способа: тонкостенные трубки 1, установленные в изложнице 2, изготовленной из тугоплавкого металла или керамики, зернистый материал 3, заполняющий изложницу 2 до верхней кромки, перегородки 4, установленные между трубками 1, литник 5 изложницы 2, в пространство 6 которого заливают расплавленный компактный металл, поступающий в рабочее пространство изложницы 2 через узкое вертикальное щелевое отверстие 7. Кроме того, на схематическом чертеже фиг.2 показаны турбулизирующие элементы 8, например, уменьшающие внутренний диаметр (d) трубок 1 до (0,8-0,5)d через расстояние (3-5)d.

Ниже приводится описание вариантов реализации предлагаемого способа изготовления теплообменных аппаратов.

Вариант изготовления теплообменного аппарата, представленный на фиг.1, осуществляется следующим образом. На дно изложницы 2 насыпают до определенной высоты зернистый материал 3, на который укладывают трубки 1, устанавливают перегородки 4, впрессовав их в зернистый материал до дна изложницы, и засыпают этим материалом изложницу 2 до верхней кромки. Если рядов трубок несколько, то делают установку перегородок 4, засыпку зернистого материала 3 и установку трубок 1 последовательно ряд за рядом, засыпая зернистый материал до верхней кромки изложницы 2. Затем изложницу 2 с трубками 1, перегородками 4 и зернистым материалом 3 помещают в нагревательную печь и нагревают их до температуры, близкой к температуре плавления компактного металла, из которого должен быть изготовлен пористый металл. Когда температура изложницы 2, трубок 1, перегородок 4 и зернистого материала 3 станет близкой к температуре плавления компактного металла, в пространство 6 литника 5 изложницы 2 заливают расплавленный компактный металл, который через вертикальное щелевое отверстие 7 поступает в пространство изложницы 2, заполненное трубками 1, перегородками 4 и зернистым материалом 3. Полости между зернами зернистого материала 3 заполняются расплавленным металлом до верхней кромки изложницы 2, не закрывая зернистый материал 3 и перегородки 4. Дают остыть изложнице 2 и извлекают ее содержимое, после этого зернистый материал 3 и материал перегородок 4 удаляют вытравливанием, растворением или иным способом, а также обрезают литниковый наплыв застывшего металла. Если в пористом металле, обращенном к дну изложницы, образовалась сплошная металлическая пленка, то ее удаляют фрезерованием перед растворением или травлением зернистого материала и материала перегородок. При необходимости в донной части изложницы 2 делают каналы для облегчения заполнения пространства между зернами зернистого материала 3. Образовавшиеся наплывы компактного металла также удаляют фрезерованием перед травлением и растворением.

При варианте реализации, представленном на фиг.2, в дополнение к описанному, в трубках 1 перед укладкой в изложницу 2 делают турбулизирующие элементы 8, например механическую накатку, уменьшающую внутренний диаметр (d) трубки 1 до (0,8-0,5)d через каждые (3-5)d по ее длине.

Третий вариант реализации заявляемого способа изготовления теплообменных аппаратов не представлен на фиг.1 и 2, но он - очевиден. Так, если упомянутым перегородкам придать форму, обеспечивающую турбулизацию воздушного потока, например, выполнить их в виде волнового участка или участка с последовательными сужениями и расширениями по ходу движения воздуха, то теплоотдача такого теплообменного аппарата естественно увеличится из-за турбулизации проходящего воздушного потока.

Четвертый вариант реализации заявляемого способа изготовления теплообменных аппаратов также не представлен на фиг.1 и 2, но он также очевиден. Если упомянутые перегородки разместить при изготовлении под углом к боковым стенкам или к передней и задней поверхностям теплообменного аппарата, то длина каналов, незаполненных пористым металлом, увеличится. Следовательно, увеличится время, в течение которого продуваемый воздух контактирует с секциями пористого металла теплообменного аппарата, что обеспечивает повышение теплоотдачи теплообменного аппарата.

Теплоотдачу в теплообменном аппарате, изготовленном указанным способом при рассмотренных вариантах реализации, можно также увеличить, если варьировать проницаемость пористого метала по его объему, изменяя ее по мере удаления от трубок 1, по которым протекает охлаждаемая (нагреваемая) жидкость, таким образом, чтобы тепловое сопротивление между трубками 1 и пористым металлом было минимальным и в то же время сохранялась возможность для относительно свободного прохождения продуваемого через пористый металл воздуха.

По сравнению с прототипом [3] предлагаемый способ позволяет повысить механическую прочность и теплопередающую способность теплообменных аппаратов, а также снизить трудоемкость их изготовления и себестоимость.

Это подтверждается следующими доводами.

Высокая механическая прочность, виброустойчивость и жесткость конструкции в теплообменном аппарате, изготовленном по предлагаемому способу, обеспечивается тем, что пористый металл, полученный из расплавленного компактного металла, образует вместе с трубками 1 единую структуру, подобную структуре армированных железобетонных конструкций, но в отличие от них данная структура практически однородна и она проницаема для воздуха, так как имеет многочисленные извилистые каналы и сквозные зазоры, по которым продувается воздух.

Теплообменные аппараты, изготовленные по предлагаемому способу, обладают также увеличенной теплопередающей способностью по сравнению с аналогичными теплообменными аппаратами, изготовленными по известным способам. Это обеспечивается следующим. Во-первых, тем, что тепловое сопротивление между пористым металлом и стенками трубок, по которым протекает охлаждаемая (нагреваемая) жидкость, становится минимальным ввиду практического исчезновения границы между внешней поверхностью трубок и пористым металлом из-за образования фактически единой кристаллической структуры металла указанных трубок и пористого металла. Во-вторых, тем, что длина извилистых каналов в пористом металле, по которым продувается воздух, в основном значительно больше толщины пористого металла, так как эти каналы образованы пустотами в металле, имеющими самое разное соединение друг с другом и, следовательно, продуваемый воздух совершает извилистый путь при своем движении через теплообменный аппарат и, контактируя более длительное время с пористым металлом, забирает у него (или отдает) больше тепловой энергии. В-третьих, тем, что продуваемый через пористый металл теплообменного аппарата воздух совершает в нем турбулентное движение, так как каналы, составленные чередующимися пустотами, имеют сужения и расширения, которые турбулизируют продуваемый воздух и, тем самым, способствуют увеличению теплоотдачи. В-четвертых, тем, что, регулируя или задавая пористость пористого металла и толщину, количество и величину сквозных зазоров перегородок при изготовлении теплообменного аппарата, можно регулировать или задавать аэродинамическое сопротивление пористого металла и теплообменного аппарата в целом продуваемому через него воздуху и обеспечить оптимальный режим по массовому расходу продуваемого воздуха, при котором обеспечивается наибольшая теплоотдача.

Простота конструкции и технологии изготовления теплообменного аппарата, изготовленного по предлагаемому способу, отсутствие пайки и сварки значительно снижает трудоемкость его изготовления, а использование относительно дешевых и широко распространенных металлов и материалов при изготовлении данных теплообменных аппаратов существенно снижает их себестоимость. Исходными материалами для изготовления наиболее простого теплообменного аппарата по предлагаемому способу являются алюминиевые или дюралюминиевые тонкостенные трубки в качестве трубок, по которым протекает охлаждаемая (нагреваемая) жидкость, алюминиевые слитки в качестве компактного металла, из которого изготавливается пористый металл, поваренная соль в качестве зернистого материала и обычное или кварцевое стекло - в качестве перегородки, а растворителем может быть вода, холодная или подогретая - для поваренной соли и плавиковая кислота - для стекла. Эти материалы и металлы пригодны для изготовления большинства теплообменных аппаратов, применяемых в автомобилях и в стационарных устройствах кондиционирования воздуха. Понятно, что себестоимость таких теплообменных аппаратов значительно ниже, чем аналогичных аппаратов, изготовленных по традиционной технологии. В принципе перегородки могут быть изготовлены и из поваренной соли в компактной форме.

В тех случаях, где предъявляются более жесткие требования, должны быть применены другие соответствующие металлы, материалы и вещества для растворения или травления.

Возможности увеличения теплоотдачи теплообменного аппарата, изготовленного по предлагаемому способу, с варьированием пористости пористого металла можно объяснить следующим.

Теплопроводность тел из пористого металла при изменении их пористости можно определить по формуле [2]:
λ = λ_к(1-1,5П), (1)
где λ и λ_к - теплопроводность пористого и компактного металлов, соответственно; П - пористость пористого металла.

Формула (1) получена для статистических смесей и действительна лишь при пористости до 0,66. Для более пористых тел этим выражением пользоваться нельзя, так как расчетные значения теплопроводности обращаются в ноль или становятся отрицательными.

Гидравлическое или аэродинамическое сопротивление пористых металлов (σ) для проходящих через них сред тем меньше, чем больше пористость, т.е.

где k - коэффициент пропорциональности.

Следовательно, для повышения теплопроводности и соответственно теплоотдачи теплообменного аппарата, изготовленного из пористого металла, необходимо согласно формуле (1) уменьшать его пористость (П), а для улучшения отвода тепла при прохождении охлаждающей среды, например воздуха, надо согласно формуле (2) уменьшать гидравлическое или аэродинамическое сопротивление, то есть увеличивать пористость пористого металла. Эти два противоречащих друг другу требования свидетельствуют о том, что имеется оптимальное значение пористости, при котором теплоотдача будет максимальной. Вариация пористости по объему теплообменного аппарата по мере удаления от трубок также способствует интенсификации теплообмена.

Введение сквозных зазоров, образованных удаленными перегородками, чередующихся с секциями из пористого металла, позволяет в некоторых пределах регулировать теплоотдачу теплообменного аппарата: во-первых, из-за возможности регулирования аэродинамического сопротивления продуваемому воздуху, во-вторых, за счет существенного увеличения поверхности обдува секций пористого металла, определяемой количеством и поперечным сечением сквозных зазоров, и, в-третьих, благодаря тепловому насосу, образующемуся вследствие градиента температур между температурой на поверхности трубок и температурой на поверхности секций из обдуваемого пористого металла и относительно низкого теплового сопротивления скелета пористого металла. В первом приближении теплоотдачу (q) этого теплообменного аппарата можно определить по приближенной формуле
q=q_п(l+f), (3)
где q_п - теплоотдача теплообменного аппарата, выполненного из пористого металла без сквозных зазоров; f - коэффициент, зависящий от соотношения суммарной площади сквозных зазоров и площади теплообменного аппарата по продуваемому воздуху и от турбулизационных процессов в каналах, образованных удаленными перегородками.

Очевидно и в этом случае имеет место принцип оптимальности, определяемый аэродинамическим сопротивлением, турбулизацией воздушного потока и теплопроводностью пористого металла, связанной также и с указанным градиентом температур.

Необходимо отметить, что перегородки могут быть установлены и параллельно трубкам, а также образовывать секции пористого металла на трубках и зазоры, незаполненные пористым металлом, расположенные параллельно трубкам и перпендикулярно им.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авторское свидетельство СССР 1585627, кл. F 23 L 15/04. - Бюллетень изобретений 30, 1990 г.

2. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - М.: изд-во "Машиностроение", 1976, с.50.

3. В книге "Новое в порошковой металлургии". Перевод с английского -М.: изд-во "Металлургия", 1970, с.168-179.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при изготовлении теплообменных аппаратов. Предложен способ изготовления теплообменного аппарата, включающий заполнение пористым металлом пространства между трубками для протекания охлаждаемой или нагреваемой жидкости и стенками теплообменного аппарата. Перед заполнением между трубками устанавливают перегородки и засыпают зернистый материал. Температуру плавления зернистого материала и температуру плавления материала перегородок выбирают выше температуры плавления пористого металла. После засыпки нагревают зернистый материал, трубки и перегородки до температуры, близкой к температуре плавления пористого металла. Заливают металлом в расплавленном состоянии, а после охлаждения удаляют зернистый материал перегородок с получением пористого металла, чередующегося со сквозными зазорами. Внутри трубок и в зазорах дополнительно выполняют турбулизирующие элементы. Зазоры могут располагать под углом к направлению продуваемого воздуха, а пористость могут получать изменяющуюся по объему. Техническим результатом изобретения является повышение механической прочности и теплопередающей способности аппаратов. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления теплообменного аппарата, включающий заполнение пористым металлом пространства между трубками для протекания охлаждаемой или нагреваемой жидкости и стенками теплообменного аппарата, отличающийся тем, что перед заполнением пространства между трубками устанавливают перегородки и засыпают зернистый материал, при этом температуру плавления зернистого материала и температуру плавления материала перегородок выбирают выше температуры плавления пористого металла, затем нагревают зернистый материал, трубки и перегородки до температуры, близкой к температуре плавления пористого металла, заливают металлом в расплавленном состоянии полости между зернами зернистого материала, а после охлаждения удаляют зернистый материал и материал перегородок с получением пористого металла, чередующегося со сквозными зазорами.2. Способ изготовления теплообменного аппарата по п.1, отличающийся тем, что внутри трубок для протекания охлаждаемой или нагреваемой жидкости выполняют или устанавливают турбулизирующие элементы.3. Способ изготовления теплообменного аппарата по п.1, отличающийся тем, что перегородки выполняют такой формы, которая обеспечивает турбулизацию воздушного потока, проходящего через зазоры, образованные при удалении материала перегородок.4. Способ изготовления теплообменного аппарата по любому из пп.1, 3, отличающийся тем, что зазоры располагают под углом к направлению продуваемого воздуха.5. Способ изготовления теплообменного аппарата по п.1, отличающийся тем, что заполнение пространства между трубками для протекания охлаждаемой или нагреваемой жидкости и стенками теплообменного аппарата осуществляют пористым металлом с величиной пористости, изменяющейся по объему.