СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2009 года по МПК B23P15/26 

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре, в частности к способу изготовления пластинчатых теплообменников из тонколистового материала, используемых в энергетических установках, работающих в средах высокой температуры (600°С) и высокого давления (25 МПа).

Известен способ изготовления пластинчатых теплообменников, предусматривающий формирование из тонколистового материала гофрированных пластин, затем пластины собирают попарно и по своим противоположным кромочным участкам соединяются с помощью первых сварных швов, образовав при этом канал для одной среды. Далее полученные пары пластин собираются в пакет путем их наложения друг на друга и соединения вторыми сварными швами по противоположным кромкам с образованием каналов для другой среды. Собранный пакет пластин герметично соединяют с корпусом теплообменника с помощью третьих сварных швов, образуя при этом объединенные входные и выходные магистрали для теплоносителей (см. авт. свид. СССР №1798099, МПК В23Р 15/26, 28.02.93 г.). Это техническое решение принимаем за аналог предлагаемого изобретения. Недостаток аналога в том, что этот способ применим к изготовлению пластинчатых теплообменников, работающих при низких давлениях сред (до 3 МПа). Такие теплообменники применяются в качестве автотранспортных радиаторов, водомаслоохладителей и т.д.

Из технической литературы известен способ изготовления пластинчатых теплообменников. Способ предусматривает формирование гладких и гофрированных теплообменных пластин и их сборку в пакет. Для этого между плоскими пластинами устанавливают гофрированные пластины, вершины которых отполированы. Припой в виде фольги толщиной 0,05÷0,15 мм прокладывают между гладкими пластинами и вершинами гофр гофрированных пластин. После этого пакет из гладких и гофрированных пластин стягивают с помощью зажимного устройства, а затем заключают в технологический контейнер. Пайку производят твердым припоем в защитной среде. В качестве твердых припоев применяют припои на серебряной или медной основе (см. книгу Н.В.Барановский, Л.М.Коваленко и др. "Пластинчатые спиральные теплообменники", Москва, Машиностроение, 1973 г., с.248-253). Это техническое решение принимаем за прототип предлагаемого изобретения.

Недостаток прототипа в том, что сложно обеспечить плотный контакт между гладкими пластинами и вершинами гофр гофрированных пластин. Механическое прижимное устройство не рассчитано на автоматическое поджатие пакета пластин в процессе пайки. В конструкции прототипа сначала осуществляется пайка пакета теплообменных элементов, а затем осуществляется изготовление коллекторов подвода и отвода теплоносителей. Кроме того, очень сложно обеспечить герметизацию пакета теплообменника с двух сторон. Этот способ применим для изготовления теплообменников, работающих при низких давлениях.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения - создание технологии изготовления пластинчатых теплообменников, позволяющей достичь высокой механической прочности паяного пакета оребренных пластин и пластинчатого теплообменника в целом.

Эта задача решена за счет того, что способ изготовления пластинчатого теплообменника предусматривает пайку теплообменных пластинчатых элементов, имеющих каналы для протока теплоносителей, герметизацию пакета с использованием корпусных деталей и соединение его с коллекторами подвода и отвода теплоносителей, причем теплообменные элементы выполнены в виде дисков, имеющих центральное отверстие, плоскую и оребренную стороны, при этом на оребренной стороне выполнены концентрические каналы, ограниченные ребрами, и прорези для подвода и отвода теплоносителя, которые отделены друг от друга радиальным ребром, а на периферийных цилиндрических поверхностях дисков выполнены кольцевые проточки, кроме того, изготавливают корпус в виде отдельных конструкций - цилиндрической обечайки и двух днищ, причем внешний диаметр пакета дисков и днищ на 0,1÷0,15 мм больше внутреннего диаметра цилиндрической обечайки корпуса, кроме того, в цилиндрической обечайке корпуса выполняют коллекторные полости для подвода теплоносителей к прорезям каждого диска, а на внутренних торцевых поверхностях днищ выполняют концентрические каналы, аналогичные каналам, выполненным в дисках, и кольцевые проточки на периферийных цилиндрических поверхностях, причем внешний диаметр этих днищ равен внешним диаметрам дисков, далее собирают пакет дисков вместе с днищами, причем при сборке пакета дисков и днищ к плоским сторонам дисков прикрепляют фольгу из припоя, а в цилиндрические проточки днищ вставляют ленточный припой, кроме того, между одним из днищ и соседним с ним диском размещают плоский диск, с двух сторон покрытый фольгой из припоя, используя при этом технологическое приспособление, и собранную конструкцию помещают внутрь цилиндрической обечайки, предварительно разогретой до температуры, при которой ее внутренний диаметр будет больше внешнего диаметра пакета дисков и днищ, далее одно из днищ соединяют сварными швами с цилиндрической обечайкой и втулкой, а другое днище соединяют с цилиндрической обечайкой и втулкой через металлические компенсаторы линейных перемещений, затем эту конструкцию помещают в печь, заполненную инертным газом, с давлением 0,05 МПа, а внутренний объем конструкции вакуумируют до давления 10^-2 мм рт. ст., при этом пайку производят как по торцевым поверхностям пакета дисков и днищ, так и по цилиндрическим поверхностям пакета диска и днищ и цилиндрической обечайки корпуса, после пайки конструкции компенсаторы линейных перемещений срезают, а это место соединяют сварными швами.

Другими отличиями предлагаемого изобретения являются:

- при сборке пакета диски двух теплоносителей чередуют между собой, при этом оребренные стороны дисков контактируют с плоскими сторонами соседних дисков;

- пайку теплообменника осуществляют с применением металлических компенсаторов линейных перемещений в виде полугофр;

- пайку теплообменника осуществляют медно-марганцевым припоем марки ПМ17;

- пластинчатые диски и цилиндрический корпус выполняют из жаростойкого никелевого сплава марки ЭИ435.

Технический результат от использования изобретения состоит в повышении надежности конструкции пластинчатого теплообменника и использовании его для теплообмена между тремя и более теплоносителями, давления которых отличаются между собой в десятки раз.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен пластинчатый теплообменник для двух теплоносителей в разрезе.

На фиг.2 представлен диск пластинчатого теплообменника (вид сверху).

На фиг.3 представлено сечение по А-А.

На фиг.4 представлен пластинчатый теплообменник для двух теплоносителей в разрезе перед пайкой.

Пример реализации изобретения

Пластинчатый теплообменник 1 (фиг.1) для двух теплоносителей содержит пакет дисков 2, который сверху закрыт днищем 3, а снизу - днищем 4. Пакет дисков 2 с днищами 3 и 4 вставлен в цилиндрическую обечайку 5 и герметично соединен с ней. Диски 2 имеют плоскую сторону 6 и оребренную сторону 7 (фиг.2, фиг.3). На оребренной стороне 7 диска 2 выполнены концентрические каналы 8 для прохода теплоносителей. Каналы 8 ограничены ребрами 9 и имеют кольцевую форму. На оребренной стороне 7 выполнены прорези 10 подвода теплоносителя к ограниченному количеству каналов 8 и прорези 11 отвода теплоносителя из каналов 8. Прорези 10 и 11 отделены друг от друга радиальным ребром 12. Диски 2 имеют центральное отверстие 13 и периферийные поверхности цилиндрической формы 14. На этих поверхностях выполнены кольцевые проточки 15, в которые вставлен припой в виде лент 16. К плоским сторонам 6 дисков 2 прикреплен припой в виде фольги 17 толщиной 0,1÷0,15 мм. Днища 3 и 4 также имеют центральное отверстие, диаметр которого равен диаметру отверстия в дисках. Внутренние торцевые поверхности днищ 3 и 4 имеют концентрические каналы, аналогичные каналам, выполненным на оребренных сторонах дисков 2. На периферийных цилиндрических поверхностях днищ 3 и 4 выполнены кольцевые проточки 18 для крепления в них ленточных припоев. Между днищем 3 и последним диском 19 размещен промежуточный плоский диск 20 (фиг.1). К плоским сторонам этого диска прикреплен припой в виде фольги (не показано). Оребренные стороны 7 дисков 2 прочно соединяются с плоскими сторонами 6 соседних дисков посредством пайки. Соединение пакета дисков 2 и днищ 3 и 4 с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 5 осуществляется пайкой с использованием ленточного припоя, размещенного в кольцевых проточках 16 дисков 2 и проточках 18 днищ 3 и 4. Диски 2 для двух теплоносителей чередуются между собой. В корпусе 5 выполнены коллекторные полости 21 и 22 для подвода (отвода) двух теплоносителей к прорезям 10 дисков 2. Эти коллекторные полости отделены друг от друга кольцевой перегородкой 23. Внутренний диаметр D₁ цилиндрической поверхности обечайки 5 меньше внешнего диаметра D₂ цилиндрической поверхности пакета дисков 2 и днищ 3 и 4 на 0,1÷0,15 мм. Это сделано для того, чтобы обеспечить радиальное поджатие указанных поверхностей между собой в процессе пайки. Для сборки пакета дисков 2 и днищ 3 и 4 применяется технологическое приспособление, состоящее из втулки 24 и гаек 25.

В целях обеспечения работоспособности данной конструкции (теплообменника) при давлениях (до 25 МПа) и температурах (до 600°С) все конструктивные элементы выполнены из жаростойкого хромоникелевого сплава марки ЭИ435.

Способ изготовления конструкции.

Изготавливают диски 2, днища 3 и 4 и цилиндрическую обечайку 5. В дисках 2 и днищах 3 и 4 выполняют центральное отверстие 13 одинакового диаметра. Далее плоские стороны дисков 2 и плоские внутренние поверхности днищ 3 и 4 шлифуют. После этого на одной из плоских сторон дисков 2 и плоских внутренних сторонах днищ 3 и 4 выполняют оребрения 7 и концентрические каналы 8. На периферийных цилиндрических поверхностях 14 дисков 2 выполняют кольцевые проточки 15, а на цилиндрических поверхностях днищ 3 и 4 выполняют кольцевые проточки 18. Затем к плоским сторонам дисков 2 прикрепляют припой в виде фольги 17, а в кольцевые проточки 15 дисков 2 и проточки 18 днищ 3 и 4 прикрепляют припой в виде лент. В качестве припоя используют припой на медной основе, например, марки ПМ17. Далее производят сборку пакета дисков 2 вместе с днищами 3 и 4 с использованием технологического приспособления - втулки 24 и гаек 25. Следует заметить, что при сборке между днищем 3 и последним диском 2 устанавливают промежуточный диск 20, с двух сторон покрытый припоем. Это сделано для того, чтобы компенсировать термические напряжения при соединении днища 3 с последним диском 2. Затем собранную конструкцию помещают внутрь разогретой цилиндрической обечайки 5. Эту цилиндрическую обечайку разогревают до температуры, при которой ее внутренний диаметр D₁ будет больше диаметра D₂ цилиндрической поверхности пакета дисков 2 и днищ 3 и 4. После охлаждения конструкции днище 3 соединяют с цилиндрической обечайкой 5 и втулкой 24 с помощью сварных швов 26, а днище 4 соединяют с цилиндрической обечайкой 5 и втулкой 24 через компенсаторы линейных перемещений 27, выполненные в виде полугофр. Далее эту конструкцию помещают в печь для пайки. Пайку проводят в печи в инертной газовой среде, с давлением ˜0,05 МПа. При этом внутренний объем конструкции вакуумируют до давления 10^-2 мм рт. ст.

Применение компенсатора линейных перемещений обеспечивает автоматическое осевое поджатие дисков 2 и днищ 3 и 4 в процессе пайки. Такое поджатие указанных деталей осуществляется силой, обусловленной действием давления газовой среды на внешнюю поверхность "подвижного" днища 4.

После окончания пайки компенсаторы 27 срезают, а днище 4 соединяют с цилиндрической обечайкой 5 и втулкой 24 с помощью сварных швов 28 (показано пунктирной линией на фиг.4).

Автоматическое осевое поджатие пакета дисков и днищ и радиальное термическое поджатие сопрягаемых цилиндрических поверхностей пакета дисков, днищ и цилиндрической обечайки в процессе пайки конструкции обеспечивает получение высокого качества паяных соединений.

Предлагаемый способ изготовления пластинчатого теплообменника позволяет достичь хорошей механической прочности паяных соединений и создать конструкцию, в которой можно осуществлять теплообмен между двумя и более теплоносителями, давления которых отличаются между собой в десятки раз.

Промышленная применимость

Применение данного способа изготовления пластинчатого теплообменника возможно во многих областях техники. Особенно этот способ найдет применение в ракетной технике, где возникает необходимость газифицировать жидкий гелий, используемый для наддува баков ракеты с жидким топливом.

Изобретение относится к теплообменной аппаратуре, в частности к способу изготовления пластинчатых теплообменников из тонколистового материала, используемых в энергетических установках, работающих в средах высокой температуры (600°С) и высокого давления (25 МПа). Способ изготовления пластинчатого теплообменника включает формирование пакета дисков с оребренными поверхностями и каналами для прохода теплоносителей с одной стороны и с плоскими поверхностями с другой стороны. Сборку дисков в пакет осуществляют в технологическом приспособлении с контактом оребренных поверхностей одних дисков с плоскими поверхностями соседних дисков. В процессе сборки к плоской поверхности дисков прикрепляют припой в виде фольги. В качестве припоя применяют медно-марганцевый сплав марки ПМ17. Пакет дисков сверху и снизу закрыт днищами, которые имеют оребрения и каналы для протока теплоносителей. Собранную конструкцию помещают в цилиндрическую обечайку корпуса теплообменника, которую предварительно нагревают до температуры, при которой внутренний диаметр цилиндрической обечайки корпуса будет больше внешнего диаметра пакета дисков на 0,1÷0,15 мм. Затем верхнюю крышку приваривают к цилиндрической обечайке и втулке, а нижнюю крышку соединяют с цилиндрической обечайкой и втулкой через компенсаторы линейных перемещений, выполненные в виде металлических полугофр. Пайку собранной конструкции осуществляют в печи, заполненной инертным газом с давлением ˜0,05÷0,06 МПа. Все детали теплообменника выполнены из жаростойкого хромоникелевого сплава марки ЭИ435. В результате достигается высокая механическая прочность паяного пакета оребренных пластин и пластинчатого теплообменника в целом. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления пластинчатого теплообменника, включающий пайку теплообменных пластинчатых элементов, имеющих каналы для протока теплоносителей, герметизацию полученного в результате пайки пакета с использованием корпусных деталей и соединение его с коллекторами подвода и отвода теплоносителей, отличающийся тем, что используют теплообменные элементы в виде дисков с центральным отверстием, плоской и оребренной сторонами, на последней из которых выполнены концентрические каналы, ограниченные ребрами, и прорези для подвода и отвода теплоносителя, отделенные друг от друга радиальным ребром, а на периферийных цилиндрических поверхностях дисков выполнены кольцевые проточки, изготавливают корпус в виде отдельных цилиндрической обечайки и двух днищ, причем внешний диаметр пакета дисков и днищ на 0,1÷0,15 мм больше внутреннего диаметра цилиндрической обечайки корпуса, в которой выполняют коллекторные полости для подвода и отвода теплоносителей к прорезям каждого диска, а на внутренних торцевых поверхностях днищ выполняют концентрические каналы, аналогичные каналам, выполненным в дисках, и кольцевые проточки на периферийных цилиндрических поверхностях, причем внешний диаметр днищ равен внешнему диаметру дисков, затем производят сборку пакета дисков вместе с днищами, при которой к плоским сторонам дисков прикрепляют фольгу из припоя, а в цилиндрические проточки дисков и днищ вставляют ленточный припой, между одним из днищ и соседним с ним диском размещают плоский диск, с двух сторон покрытый фольгой из припоя, с использованием технологического приспособления, собранную конструкцию помещают внутрь цилиндрической обечайки, предварительно разогретой до температуры, при которой ее внутренний диаметр будет больше внешнего диаметра пакета дисков и днищ, далее одно из днищ соединяют сварным швом с цилиндрической обечайкой, с которой другое днище соединяют через металлические компенсаторы линейных перемещений, затем указанную собранную конструкцию помещают в печь, внутренний объем которой заполнен инертным газом с давлением ˜0,05 МПа, и производят пайку по торцевым поверхностям пакета дисков и днищ и по цилиндрическим поверхностям пакета диска, днищ и цилиндрической обечайки корпуса, а после пайки компенсаторы линейных перемещений срезают, а днище с цилиндрической обечайкой в этом месте соединяют сварными швами.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при сборке пакета диски для двух теплоносителей чередуют между собой, при этом обеспечивают контакт оребренных сторон дисков с плоскими сторонами соседних дисков.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического компенсатора линейных перемещений используют полугофры.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве припоя используют медно-марганцевый сплав марки ПМ17.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что диски, днища и цилиндрическую обечайку выполняют из жаростойкого никелевого сплава марки ЭИ435.