ТЕПЛООБМЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F28F1/40 

Группа изобретений предназначена для применения в теплотехнике, относится к конструкции теплообменных элементов, способу и устройству их изготовления, и может быть использована в химической, нефтехимической, машиностроительной, теплоэнергетической и других отраслях промышленности с целью обеспечения эффективного теплообмена между различными средами.

Известен способ получения развитой штырьковой теплообменной поверхности, включающий операции двухпроходного подрезания и отгибку поверхностных слоев в несовпадающих направлениях, при этом второй проход осуществляется в направлении, противоположном наклону ребер, полученных на первом проходе (Патент РФ №2679815 С1, дата приоритета 28.12.2017, дата опубликования 13.02.2019, авторы: Зубков Н.Н. и Битюцкая Ю.Л., RU).

Недостатками известного способа являются: образование ворсистости лепестковых ребер в результате их подрезания, деформация лепестков при воздействии высоких температур, снижающая надежность, необходимость изготовления специального режущего инструмента, а также трудоемкость проведения очистных мероприятий.

Из существующего уровня техники известен теплообменный элемент и способ его изготовления. Теплообменный элемент выполнен в виде плоской трубы с определенной толщиной стенки, с внутренним и внешним оребрением, причем труба с двух внешних боковых продольных сторон имеет стенки треугольной формы и продольные канавки определенной глубины, а внутреннее оребрение выполнено в виде продольных канавок прямоугольного сечения. На продольных горизонтальных стенках продольных канавок прямоугольного сечения выполнены низкие ребра, внешнее оребрение выполнено в виде поперечных лепестковых ребер на внешних горизонтальных плоскостях трубы. Поперечные лепестковые ребра выполнены ромбовидной формы наклоненными к горизонтальной плоскости трубы в поперечном направлении и размещенными между продольными канавками. Способ включает подрезание слоя материала на поверхности теплообменника и отгибание образующихся ребер с постоянным углом отгибания и скоростью подрезания (Патент РФ №2279618 С2, дата приоритета 28.07.2004, дата опубликования 10.07.2006, автор Митюхин Ф.П., RU).

Основным недостатком известного теплообменного элемента и способа его изготовления является нарушение поверхности металла при его резании и отгибе, в результате чего при его работе образуются неравномерные термические напряжения, которые в свою очередь приводят к деформациям, к тому же, при таком способе изготовления требуются дополнительные доводочные операции.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является теплообменный элемент, способ его изготовления и устройство для его осуществления. Теплообменный элемент состоит из трубчатой основной части и увеличивающих ее поверхность теплообмена ребер, выполненных в виде складчатых или волнистых ребристых листов, приваренных в нескольких местах прилегания к основной части. Способ изготовления вышеописанных теплообменных элементов заключается в сматывании листов с барабана, которым перед нанесением на основную часть с помощью профилирующего устройства придают складчатую или волнистую форму, полученные ребристые листы прижимают к поверхности основной части и сваривают в нескольких точках их соприкосновения с основной частью. Устройство для осуществления способа содержит опору для теплообменного элемента и прижимную конструкцию, выполненную в виде двух прижимных плит, на которых укреплены сварочное и приводное устройства (Патент РФ №2095719 С1, дата приоритета 10.12.1992, дата опубликования 10.11.1997, авторы Подхорски М. и др., DE, прототип).

Недостатком прототипа теплообменного элемента является малая высота и форма, отличная от формы правильного полого цилиндра, ввиду чего требуются дополнительные операции и способы фиксации при необходимости установки в теплообменных аппаратах большой высоты. Известный способ характеризуется такими недостатками, как многослойное «сэндвич» соединение основания и ребристых листов, при котором происходит снижение интенсивности теплообмена, а также применение лазерной сварки ввиду ее дороговизны. К недостатку устройства для изготовления теплообменного элемента можно отнести необходимость изготовления профилирующих устройств, что приводит к ресурсоемкости производства продукции.

Технической проблемой, решаемой предлагаемым групповым изобретением, является необходимость расширения арсенала теплообменных элементов и технологий их изготовления с целью достижения регуляризации поверхности теплообменного элемента и стабилизации теплообменных процессов за счет применения новой технологии листового поверхностно-пластического деформирования и формирования многослойных, многофункциональных, адаптивных, теплоконтактных поверхностей; снижения термических напряжений; технологичности изготовления на основе сборной конструкции инструмента, обеспечивающей многократное использование профильных формообразующих плашек и возможности применения данной технологии на существующих универсальных станках.

Для решения технической проблемы предложен теплообменный элемент, содержащий трубчатую основу с закрепленным на ее поверхности рельефным слоем, увеличивающим поверхность теплообмена. Новым является то, что трубчатая основа имеет цилиндрическую форму в виде трубы с микрорельефом на внутренней поверхности, на которой с помощью клеевого соединения закреплен листовой теплообменный элемент в виде обечайки с внутренней рельефной теплообменной поверхностью, образующей со стенкой трубчатой основы и клеевым слоем комбинированный теплообменный слой.

В теплообменном элементе, согласно изобретению, его внутренняя рельефная теплообменная поверхность содержит последовательно расположенные на ней выступы или в виде полусфер, или в виде цилиндров, или эвольвентно-зубчатой формы, или в виде конусов.

В теплообменном элементе, согласно изобретению, в качестве трубчатой основы могут быть использованы трубы теплообменных аппаратов.

В теплообменном элементе, согласно изобретению, клеевой слой содержит эпоксидный клей на основе алюминиевой пудры или нитрата бора.

Для решения технической проблемы предложен способ изготовления теплообменного элемента, при котором на трубчатой основе в продольном направлении образуют теплообменную поверхность путем формирования рельефа на листовом материале и закрепления его на трубчатой основе. Новым является то, что формирование рельефа теплообменной поверхности на листовом материале осуществляют путем поверхностно-пластического деформирования листового материала с помощью воздействующего на него секционного барабана с профильными плашками на рельефообразующей поверхности, вращение которого осуществляют путем непрерывной подачи листового материала, расположенного в опорном лотке на его упругом основании с возможностью фиксации продольными бортами, после поверхностно-пластического деформирования листу на листогибочном оборудовании придают форму обечайки с внутренней рельефной теплообменной поверхностью, причем обечайку выполняют с возможностью установки и закрепления в трубе, используемой в качестве трубчатой основы, для этого внутреннюю поверхность трубы обрабатывают при помощи устройства с приводным барабаном, при этом на внутренней поверхности трубы с помощью игольчатого инструмента, установленного на приводном барабане, формируют микрорельеф, наносят на него клей на основе алюминиевой пудры или нитрата бора, устанавливают обечайку на клеевой слой, с помощью которого закрепляют обечайку в трубе и формируют комбинированный теплообменный слой.

В способе, согласно изобретению, поверхностно-пластическое деформирование листового материала осуществляют на продольно-строгальном станке, а формирование микрорельефа на внутренней поверхности трубы и клеевого слоя осуществляют на радиально-сверлильном или вертикально-фрезерном станках.

Для решения технической проблемы и осуществления заявленного способа предложено устройство для изготовления теплообменного элемента, характеризующееся тем, что одна часть устройства, предназначенная для формирования на листе рельефа теплообменной поверхности при осуществлении поверхностно-пластического деформирования листового материала, содержит профилированный барабан, состоящий из установленных на полом валу секций, снабженных закрепленными на их поверхности профильными плашками, при этом секции барабана соединены между собой направляющими штифтами, секции зафиксированы на полом валу с помощью прижимных тарелок, причем с одной стороны тарелка жестко соединена с полым валом, а с другой стороны тарелка прижата установленной на валу гайкой, полый вал барабана установлен на подшипниках в П-образной державке с перекладиной, параллельной оси барабана, державка соединена с закрепленной в инструментодержателе фиксирующей пластиной, снабженной жестко закрепленной на ней осью, пропущенной через опорную втулку и центральное отверстие в перекладине и имеющей резьбовой конец с гайками, фиксирующими державку, кроме того, на подвижном столе станка зафиксирован опорный лоток, предназначенный для расположения на нем листового материала и взаимодействия его с барабаном при перемещении опорного лотка, при этом опорный лоток содержит упругое основание, в продольном сечении которого расположены компенсирующие вставки, и боковые упоры, другая часть устройства, предназначенная для обработки внутренней поверхности трубы перед установкой в ней обечайки, содержит приводной барабан, установленный на полом валу, причем на барабане с помощью ригелей закреплены корпуса с игольчатым инструментом для формирования микрорельефа на внутренней поверхности трубы, а также на барабане закреплены патрубки для подачи клея, сообщенные с полостью вала.

В устройстве, согласно изобретению, профильные плашки, закрепленные на поверхности секций барабана, выполнены или в виде полусфер, или в виде цилиндров, или эвольвентно-зубчатой формы, или в виде конусов, причем каждая профильная плашка снабжена цилиндрическим основанием, утопленным в выполненные в секциях радиальные отверстия, между которыми выполнено смежное коническое отверстие, в котором установлен распорный конус с фиксирующим винтом.

В устройстве, согласно изобретению, П-образная державка имеет возможность поперечной регулировки относительно листового материала.

В устройстве, согласно изобретению, профилированный барабан имеет возможность регулировки угла прокатки.

На фиг. 1 изображен теплообменный элемент на конечном этапе его изготовления, продольный разрез; на фиг. 2 показано сечение комбинированного теплообменного слоя, образованного в теплообменном элементе; на фиг. 3 - перспективное изображение первой части предлагаемого устройства для осуществления предлагаемого способа изготовления теплообменного элемента; на фиг. 4 показан фрагмент крепления смежных профильных плашек в секции барабана; на фиг. 5 - фрагмент соединения между собой секций барабана; на фиг. 6 схематично изображена вторая часть предлагаемого устройства для осуществления предлагаемого способа изготовления теплообменного элемента: а - положение устройства в начале формирования микрорельефа на внутренней поверхности трубы, 6 - положение устройства для продолжения формирования микрорельефа в противоположном направлении и нанесения клеевого слоя; на фиг. 7 показаны возможные формы профильных плашек для формирования рельефа теплообменной поверхности.

Теплообменный элемент содержит трубчатую основу 1, выполненную в виде цилиндрической трубы с микрорельефом на внутренней поверхности, на которой с помощью клеевого соединения закреплен листовой теплообменный элемент 2 в виде обечайки с внутренней рельефной теплообменной поверхностью (фиг. 1). Обечайка образует со стенкой трубчатой основы и клеевым слоем толщиной S комбинированный теплообменный слой. При этом листовой теплообменный элемент 2 предпочтительно выполнен из стали, а диаметр полученной из него обечайки меньше внутреннего диаметра трубчатой основы 1 с учетом толщины клеевого слоя S (фиг. 2).

Устройство для осуществления способа изготовления теплообменного элемента состоит из двух частей (фиг. 3-5, фиг. 6). Первая часть устройства (фиг. 3-5) предназначена для формирования на листе рельефа теплообменной поверхности при осуществлении поверхностно-пластического деформирования листового материала и содержит профилированный барабан 3, состоящий из установленных на полом валу 4 секций 5, снабженных закрепленными на их поверхности с помощью распорного конуса 6 и фиксирующего винта 7 профильными плашками 8. При этом каждая профильная плашка 8 снабжена цилиндрическим основанием 9, утопленным в выполненные в секциях радиальные отверстия, между которыми выполнено смежное коническое отверстие, в которое установлен конус 6 (фиг. 4), а секции 5 барабана 3 соединены между собой направляющими штифтами 10 (фиг. 5). К тому же, секции 5 барабана 3 зафиксированы на полом валу 4 с помощью прижимных тарелок 11, 12, причем с одной стороны тарелка 11 жестко соединена с полым валом 4, а с другой стороны тарелка 12 прижата установленной на валу гайкой 13. Полый вал барабана 4 установлен на подшипниках 14 в П-образной державке 15 с параллельной оси барабана 3 перекладиной 16, имеющей возможность регулировки расстояния между стойками в поперечном направлении (условно не показано). Державка 15 соединена с закрепленной в инструментодержателе 17 фиксирующей пластиной 18, снабженной жестко закрепленной на ней осью 19, пропущенной через опорную втулку 20 и центральное отверстие в перекладине, а также имеющей резьбовой конец с гайками 21, фиксирующими державку 15 и позволяющими изменять угол расположения барабана 3 относительно листового материала 2. Кроме того, на подвижном столе используемого в примере продольно-строгального станка зафиксирован опорный лоток 22, предназначенный для расположения на нем листового материала 2 и взаимодействия его с барабаном 3 при перемещении опорного лотка 22. При этом опорный лоток содержит упругое основание 23, в продольном сечении которого расположены компенсирующие вставки 24, и боковые упоры 25. Вторая часть устройства (фиг. 6), предназначенная для обработки внутренней поверхности трубы перед установкой в ней обечайки с помощью используемых в примере радиально-сверлильного или вертикально-фрезерного станков, содержит приводной барабан 26, установленный, как и барабан 3, на полом валу 4 и закрепленный с помощью тарелок 11 и 12 и гайки 13. При этом на барабане 26 с помощью ригелей 27 закреплены корпуса 28 с игольчатым инструментом 29 для формирования микрорельефа на внутренней поверхности трубы. Кроме того, на барабане 26 закреплены патрубки 30 для подачи клея, сообщенные с полостью вала 4.

Устройство для изготовления теплообменного элемента работает следующим образом.

С помощью первой части устройства листовой элемент 2 располагают на продольно-строгальном станке в опорном лотке 22, снабженном упругим основанием 23 с компенсирующими вставками 24. С помощью боковых упоров 25 производят регулировку ширины лотка 22 под заданную ширину листового материала 2. Посредством инструментодержателя 17, в котором закреплена фиксирующая пластина 18 происходит передача силы нажима через опорную втулку 20 на П-образную державку 15 с перекладиной 16. В свою очередь, приложенная сила равномерно распределяется по стойкам державки 15 и передается через подшипники 14 на полый вал 4, на котором установлен барабан 3, состоящий из секций 5 и профильных плашек 8. Далее при осуществлении непрерывной подачи листового материала 2, расположенного в лотке 22 на упругом основании 23, происходит вращение барабана 3, в результате чего осуществляется поверхностно-пластического деформирования листового материала 2 с помощью воздействующего на него секционного барабана 3 с профильными плашками 8 на рельефообразующей поверхности.

Державка 15 имеет возможность регулировки в поперечном положении, например, с помощью раздвижных концов перекладины 16 со стойками относительно расположенного в лотке 22 листового материала 2 с целью формирования теплообменной поверхности на листах большей, либо меньшей ширины и, как следствие, возможность влиять на увеличение или уменьшение количества секций 5 барабана 3. С помощью оси 19 и гаек 21 можно производить регулировку угла прокатки барабана 3 относительно листового материала 2 и, как следствие, формировать местоположение рельефа теплообменной поверхности теплообменного элемента. Для удобства монтажа и ремонтопригодности тарелка 11 жестко закреплена на валу 4, например, с помощью сварки, тарелка 12 прижата установленной на валу гайкой 13, а профильные плашки 8 закреплены на поверхности барабана 3 с помощью распорных конусов 6 и фиксирующих винтов 7 для исключения возможности их смещения от вибраций.

По завершении формирования на листе теплообменной поверхности, листу на листогибочном оборудовании придают форму обечайки 2 с внутренней рельефной поверхностью, причем обечайку 2 выполняют с возможностью установки и закрепления в трубе 1, используемой в качестве трубчатой основы.

С помощью второй части устройства осуществляют обработку внутренней поверхности трубы 1 перед установкой и закреплением в ней обечайки, причем обработку осуществляют, например, на радиально-сверлильном или вертикально-фрезерном станках. Для обработки используют установленный на полом валу 4 приводной барабан 26, который фиксируют с помощью тарелок 11 и 12 и гайки 13. На барабане 26 с помощью ригелей 27 закрепляют корпуса 28 с игольчатым инструментом 29 для взаимодействия с внутренней поверхностью трубы 1, а под ними на барабане закрепляют патрубки 30 для подачи клея через полость вала 4.

При вращательно-поступательном движении устройства с барабаном 26 сверху вниз с помощью игольчатого инструмента 29 формируется микрорельеф на внутренней поверхности трубы 1, а при обратном вращательно-поступательной движении устройства снизу вверх продолжается формирование микрорельефа в противоположном направлении, и с помощью патрубков 25 наносится клеевой слой на внутреннюю поверхность трубы 1.

После обработки внутренней поверхности трубы 1 с помощью клеевого слоя толщиной S осуществляется установка и фиксация в ней обечайки, представляющей собой листовой теплообменный элемент 2, образующий со стенкой трубчатой основы 1 и клеевым слоем комбинированный теплообменный слой, обладающий улучшенными эксплуатационными характеристиками, обеспечивающими стабилизацию теплообменных процессов при разнообразии теплообменных поверхностей.

Преимуществом изобретения также является технологичность изготовления ввиду сборной конструкции инструмента, обеспечивающей многократное использование профильных формообразующих плашек и их комбинаций, а также возможности применения данной технологии на существующих универсальных станках, в частности, на продольно-строгальном, радиально-сверлильном или вертикально-фрезерном, в зависимости от выполняемой операции.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в расширении арсенала теплообменных элементов и технологий их изготовления, в регуляризации поверхности теплообменного элемента и стабилизации теплообменных процессов, благодаря применению новой технологии листового поверхностно-пластического деформирования и формированию многослойных, многофункциональных, адаптивных, теплоконтактных поверхностей, а также в снижении термических напряжений за счет образования специфической формы рельефной теплообменной поверхности.

Группа изобретений предназначена для применения в теплотехнике, относится к конструкции теплообменных элементов, способу и устройству их изготовления и может быть использована в химической, нефтехимической, машиностроительной, теплоэнергетической и других отраслях промышленности с целью обеспечения эффективного теплообмена между различными средами. Технический результат заключается в расширении арсенала теплообменных элементов и технологий их изготовления, в регуляризации поверхности теплообменного элемента и стабилизации теплообменных процессов, благодаря применению новой технологии листового поверхностно-пластического деформирования и формированию многослойных, многофункциональных, адаптивных, теплоконтактных поверхностей, а также в снижении термических напряжений за счет образования специфической формы рельефной теплообменной поверхности. Теплообменный элемент содержит трубчатую основу цилиндрической формы в виде трубы (1) с микрорельефом на внутренней поверхности, на которой с помощью клеевого соединения закреплен листовой теплообменный элемент в виде обечайки (2) с внутренней рельефной теплообменной поверхностью, образующей со стенкой трубчатой основы и клеевым слоем комбинированный теплообменный слой. Способ изготовления теплообменного элемента включает формирование рельефа теплообменной поверхности на листовом материале, которое осуществляют путем поверхностно-пластического деформирования листового материала (2) с помощью воздействующего на него секционного барабана (3) с профильными плашками (8) на рельефообразующей поверхности. Вращение барабана осуществляют путем непрерывной подачи листового материала (2), расположенного в опорном лотке (22) на его упругом основании (23) с фиксацией с помощью бортов (25). Листу на листогибочном оборудовании придают форму обечайки с внутренней рельефной теплообменной поверхностью, причем обечайку выполняют с возможностью установки и закрепления в трубе (1). До установки внутреннюю поверхность трубы обрабатывают при помощи устройства с приводным барабаном (26), оснащенным игольчатым инструментом (29) и патрубками подачи клея (30), с помощью которых формируют микрорельеф и наносят на него клей на основе алюминиевой пудры или нитрата бора. Обечайку (2) устанавливают на клеевой слой, с помощью которого закрепляют обечайку в трубе и формируют комбинированный теплообменный слой. Для осуществления способа могут быть использованы универсальные станки. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Теплообменный элемент, содержащий трубчатую основу с закрепленным на ее поверхности рельефным слоем, увеличивающим поверхность теплообмена, отличающийся тем, что трубчатая основа имеет цилиндрическую форму в виде трубы с микрорельефом на внутренней поверхности, на которой с помощью клеевого соединения закреплен листовой теплообменный элемент в виде обечайки с внутренней рельефной теплообменной поверхностью, образующей со стенкой трубчатой основы и клеевым слоем комбинированный теплообменный слой.

2. Теплообменный элемент по п. 1, отличающийся тем, что его внутренняя рельефная теплообменная поверхность содержит последовательно расположенные на ней выступы или в виде полусфер, или в виде цилиндров, или эвольвентно-зубчатой формы, или в виде конусов.

3. Теплообменный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве трубчатой основы могут быть использованы трубы теплообменных аппаратов.

4. Теплообменный элемент по п. 1, отличающийся тем, что клеевой слой содержит эпоксидный клей на основе алюминиевой пудры или нитрата бора.

5. Способ изготовления теплообменного элемента, при котором на трубчатой основе в продольном направлении образуют теплообменную поверхность путем формирования рельефа на листовом материале и закрепления его на трубчатой основе, отличающийся тем, что формирование рельефа теплообменной поверхности на листовом материале осуществляют путем поверхностно-пластического деформирования листового материала с помощью воздействующего на него секционного барабана с профильными плашками на рельефообразующей поверхности, вращение которого осуществляют путем непрерывной подачи листового материала, расположенного в опорном лотке на его упругом основании с возможностью фиксации продольными бортами, после поверхностно-пластического деформирования листу на листогибочном оборудовании придают форму обечайки с внутренней рельефной теплообменной поверхностью, причем обечайку выполняют с возможностью установки и закрепления в трубе, используемой в качестве трубчатой основы, для этого внутреннюю поверхность трубы обрабатывают при помощи устройства с приводным барабаном, при этом на внутренней поверхности трубы с помощью игольчатого инструмента, установленного на приводном барабане, формируют микрорельеф, наносят на него клей на основе алюминиевой пудры или нитрата бора, устанавливают обечайку на клеевой слой, с помощью которого закрепляют обечайку в трубе и формируют комбинированный теплообменный слой.

6. Способ изготовления теплообменного элемента по п. 5, отличающийся тем, что поверхностно-пластическое деформирование листового материала осуществляют на продольно-строгальном станке, а формирование микрорельефа на внутренней поверхности трубы и клеевого слоя осуществляют на радиально-сверлильном или вертикально-фрезерном станках.

7. Устройство для осуществления способа изготовления теплообменного элемента по пп. 5, 6, характеризующееся тем, что одна часть устройства, предназначенная для формирования на листе рельефа теплообменной поверхности при осуществлении поверхностно-пластического деформирования листового материала, содержит профилированный барабан, состоящий из установленных на полом валу секций, снабженных закрепленными на их поверхности профильными плашками, при этом секции барабана соединены между собой направляющими штифтами, секции зафиксированы на полом валу с помощью прижимных тарелок, причем с одной стороны тарелка жестко соединена с полым валом, а с другой стороны тарелка прижата установленной на валу гайкой, полый вал барабана установлен на подшипниках в П-образной державке с перекладиной, параллельной оси барабана, державка соединена с закрепленной в инструментодержателе фиксирующей пластиной, снабженной жестко закрепленной на ней осью, пропущенной через опорную втулку и центральное отверстие в перекладине и имеющей резьбовой конец с гайками, фиксирующими державку, кроме того, на подвижном столе станка зафиксирован опорный лоток, предназначенный для расположения на нем листового материала и взаимодействия его с барабаном при перемещении опорного лотка, при этом опорный лоток содержит упругое основание, в продольном сечении которого расположены компенсирующие вставки, и боковые упоры, другая часть устройства, предназначенная для обработки внутренней поверхности трубы перед установкой в ней обечайки, содержит приводной барабан, установленный на полом валу и закрепленный с помощью тарелок и гайки, причем на барабане с помощью ригелей закреплены корпуса с игольчатым инструментом для формирования микрорельефа на внутренней поверхности трубы, а также на барабане закреплены патрубки для подачи клея, сообщенные с полостью вала.

8. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что профильные плашки, закрепленные на поверхности секций барабана, выполнены или в виде полусфер, или в виде цилиндров, или эвольвентно-зубчатой формы, или в виде конусов, причем каждая профильная плашка снабжена цилиндрическим основанием, утопленным в выполненные в секциях радиальные отверстия, между которыми выполнено смежное коническое отверстие, в котором установлен распорный конус с фиксирующим винтом.

9. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что П-образная державка имеет возможность поперечной регулировки относительно листового материала.

10. Устройство по п. 7, характеризующееся тем, что профилированный барабан имеет возможность регулировки угла прокатки.