CC BY
40
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 66-965.6
ИННОВАЦИОННЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩИ
Г.В. Алексеев1, М.И. Дмитриченко2, Н. П. Михайлов3
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А
В статье рассматриваются возможности повышения эксплуатационных свойств технологического оборудования, в частности аппаратов для тепловой обработки продуктов питания, за счет улучшения теплопередачи на основе использования многослойных металлических композиций. Приведены результаты оценки напряженного состояния композиции металлов «сталь+медь+сталь» полученной сваркой взрывом при нагреве в диапазоне температур 100 ^ 300оС.
Ключевые слова: технологическое оборудование, композиция металлов, напряжение, теплопередача.
INNOVATIVE WAY AT PRODUCTION OF THE MULTILAYERED DESIGNS OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR THERMAL TREATMENT OF FOOD
G.V.Alexeev, M.I. Dmitrichenko, N. P. Mihaylov
St. -Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 A.
In article are considered possibility of increasing working characteristic flow sheet of the equipment, in particular device for heat processing the products of the feeding, to account of the improvement heat-conducting on base of the use laminated metallic composition. The Broughted results of the estimation of the tense condition to compositions metal "stali+medi+stali" got by welding by blast at heating within the range of the temperature 100 -300оС.
Keywords: technological equipment, composition metal, eyestrain, heat-conducting.
Создание новых конкурентоспособных В настоящее время бытовая техника (в
образцов бытовой техники и оборудования вы- частности посуда), предназначенная для теп-
зывает необходимость создания материалов, ловой обработки пищи чаще всего выполняют-
обладающих комплексом ценных свойств, та- ся из высоколегированных нержавеющих ста-
ких как высокая прочность, коррозионная стой- лей с антипригарным покрытием. Их недостат-
кость, теплопроводность, износостойкость и др. ком является сравнительно низкая теплопро-
Однослойные конструкционные элементы та- водность, приводящая к подгоранию пищи в
ких образцов из металлов или сплавов часто не области локального нагрева, например, газовы-
могут обеспечить требуемую гамму свойств. ми горелками. Для устранения этого недостатка
Поэтому важная роль в создании, например, целесообразно применение материалов с высо-
нового технологического оборудования со спе- кой тепло - и температуропроводностью, на-
циальными свойствами, принадлежит слоистым пример, медных сплавов, которые обеспечат
металлическим композициям. Немаловажное быстрый и равномерный нагрев рабочей по-
значение имеет и их невысокая стоимость, а верхности посуды вне зависимости от способа
значит доступность для широкого использова- и интенсивности подвода тепла. Зарубежные
ния в бытовых целях. фирмы выпускают технологическое оборудо-
вание, в частности сковороды, кастрюли и
ковши, с трех и даже пятислоиными стенками [1].
Такие стенки содержат наряду с конструкционными стальными слоями как минимум один теплораспределяющий слоИ из меди или алюминия, который частично перераспределяет тепловые потоки, делая прогрев греющей поверхности посуды более равномерным. Вместе с тем, поскольку расстояние по нормали к источнику тепла в центре днища меньше чем на периферии, а условия теплопередачи везде одинаковые, то перегрев и пригорании пищи в центе полностью не исключаются, при этом достаточный ее прогрев на периферии требует дополнительного расхода тепла. Диффузионная сварка и прокатка, с помощью которых изготавливают это технологическое оборудование достаточно энергоемки и сложны в реализации.
В настоящей работе исследована возможность замены дорогих специальных сплавов сравнительно дешевой композицией металлов «сталь+медь+сталь». При этом рассматривалась: возможность интенсификации передачи тепла медной основе через слой стали, обладающей низкой теплопроводностью, а также определялось соотношение толщины слоев композиции, обеспечивающее постоянство технологических свойств композиции металлов при воздействии высоких температур.
Одним из факторов, определяющих интенсивность теплопередачи через поверхность контакта металлов, является ее площадь. Среди известных технологий производства биметалла, позволяющих управлять поверхностью контакта, является сварка взрывом [2]. При оптимальных режимах сварки профиль сварного шва получает волнистую форму близкую к синусоиде с амплитудой волны А и длиной волны Л. Длина волны подчиняется зависимости
Л . 2 У
— = 26sm —, где У - угол соударения свари-
5 2
ваемых поверхностей (у = 8-^16°). Для оценки изменения поверхностей сварного шва от технологических параметров сварки выполнен расчет длины волны синусоиды I при возможных соотношениях — . Величина I определяЛ
лась по известным формулам расчета длины дуги плоской кривой.
На рисунке 1 приведен график измене-
I
ния относительной площади сварного шва — в
Л
зависимости от безразмерной величины А
— = 0,15 ^ 0,35. Как видно из графика (рис. 1), Л
применение сварки взрывом позволяет увеличить поверхность сварочного шва в 1,2_______1,5
раза, что обеспечивает высокую теплопередачу в биметалле «сталь+медь+сталь».
Рисунок 1. Зависимость площади контактной поверхности в биметаллах, полученных взрывной сваркой, от формы волн сварного шва
Специфическим отличием сварки взрывом является упрочнение сварочных швов композиции в результате сверхскоростного удара. Поэтому для подготовки металла к технологическим операциям штамповки, прокатки и др. необходим промежуточный отжиг. В работах [3,4] установлено, что для биметалла «сталь-медь-сталь» характерно повышение прочности сцепления слоев при увеличении температуры
отжига до 660° за счет диффузионных процессов. При этом снимаются остаточные напряжения и возрастает пластичность биметалла. Авторами [4] показано, что высокотемпературный отжиг позволяет значительно улучшить технологические свойства сталемедных композиций.
Особенностью работы биметалла в нагревательных приборах является возникновение внутренних напряжений вследствие разли-
Инновационный способ получения многослойных конструкций технологического оборудования
для тепловой обработки пищи
А/ — А/„
чия коэффициентов линейного расширения металлов. Для исследования деформаций и на- 1 2
пряжений при нагреве биметалла выбрана ком- где: А/1 и А/2 - удлинение листов меди и ста-
позиция «сталь Х18Н10Т + медь М1+ сталь г к \
^ ^ ли до сварки (в свободном состоянии);
Х18Н10Т», в которой для исключения изгиба г
слои имеют одинаковую толщину (рис.2). На А/1 и А/2 - линейное деформирование слоев
первом этапе рассматривался равномерный на- биметалла. грев по площади и сечению биметалла. Диапазон температур нагрева посуды составляет 200 — 2500С, что ниже порога рекристаллизации меди, который составляет 4400 — 4600 С . а Для оценки возможности использования биметалла в нагревательных приборах выполнен расчет напряжений при нагреве в диапазоне 200 — 3000С.
А/,
Таблица 1. Свойства металлов при высоких температурах
Характери- стики Медь М1 Сталь Х18Н10Т
Температура, 0 К СП С* СП С* СП 3 с* 3 с* 1Л 3 С* 3 с* 3 3 с* 3 с* 1Л
Предел прочности, МПа О СП О О 1Л 1Л О 1Л 6 1 1 о 1Л
Предел текучести, МПа і 1 * 1Л 1Л 1 о о 3 1 1 о о
Коэффицент линейного расширения а10-6 16,7 17,3 і> 6, ос' о, СЧ 15,5
- отожженная медь.
В расчете использовались физикомеханические свойства металлов композиции [5], приведенные в таблице 1. Схема расчета приведена на рисунке 2.
Исходя из приведенных схем свободной и совместной деформации слоев металла композиции при фиксированной температуре получено уравнение, связывающее температурные и силовые деформации слоев меди и стали.
Рисунок 2. Схема расчета температурных напряжений в биметалле: а - конструкция биметалла «сталь-медь-сталь»; Ь - деформация слоев металла до и после сварки; 1 - медь; 2 - сталь
Из уравнения следует, что при совместной деформации слоев металла на величину
А/ слои стали растягиваются на величину А/2 ', а медь сжимается на А/1 (см. рис.2б).
Таким образом, разность температурных деформаций до и после сварки компенсируется напряжениями, возникающими в слоях металла. Выражая температурные деформации через коэффициент линейного расширения, а деформации от внутренних напряжений через силы продольного сжатия в меди и растяжения стали получаем
Р / Р /
/ а ат—/а АТ=/ (м/ + ст/ ) (1)
10 10иісТ^ 10\ /ЕЕ /ЕЕ
/ ^м1 м / -чт ст
где: ам и атТ - коэффициенты линейного
расширения меди и стали; Ем и ЕСТ - модули
*
упругости металлов; 10 - начальная длина образца биметалла; АТ - температура нагрева; Рм и РСТ - усилия, действующие в слоях биметалла; FMиFСТ - площади сечений слоев металлов.
Поскольку композиция, в силу симметрии, исключает изгиб, суммарное усилие растяжения в слоях стали должно уравновешиваться усилием сжатия в меди РСТ = Рм = Р .
Из уравнения (1) получаем Р = АТ«м _ «ст )/
С1
+ У )
7^м /ЕС^СТ ’
. (2)
Вводя безразмерное отношение т = у-; (см. Рис.2.а) из решения уравнение (2), находим напряжение в слоях меди (им ) и стали (ост )
ам = = АТ(ам ~«СТ)( 1
'Е + / Е,
т/Е ); (3)
СТ
ТСТ = Р/Я = АТ(«м «СТ)( >Е т + >Е ) .
На рисунке 3 представлены графики изменения температурных напряжений в слоях меди и стали различной толщины.
Из (3) следует, что для любой заданной симметричной композиции биметалла внутренние напряжения не зависят от толщины биметалла и однозначно определяются величиной т . Это позволяет использовать формулы (3) для выбора оптимальных по прочностям свойствам соотношений слоев металла в композиции.
Из приведенных графиков (рисунок 3 ) и таблицы 1 следует, что при т > 4 напряжения в стали и меди составляют менее 0,6 предела текучести, что обеспечивает надежность работы биметалла в интервале температур 100
- 300оС .
Практическое применение композиции «сталь-медь-сталь» в технологическом оборудовании для тепловой обработки пищи может быть осуществлено после испытания опытных образцов биметаллических изделий в производственных условиях.
0 12 3
Рисунок 3. Зависимость температурных напряжений в биметалле при различных отношениях толщины слоев меди и стали
Литература
1. Каталог фирмы Ет^еп, www.predmeti.ru/luna-p-30.html, 2010.
2. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. М.: Металлургия. 1987.
3. Григорьев И.С. Физические величины. М.: Энергоиздание. 1991.
4. Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом. М.: Наука и техника. 1990
5. Лебедев В.М. Слоистые металлические композиции. М.: Металлургия. 1986.
м
м
т
1 Алексеев Геннадий Валентинович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры "Товароведение и экспертиза потребительских товаров" СПбГУСЭ, моб.:+7(921)335 07 96, е-таИ@§уа2003@ттЬ1ег.ги;
2 Дмитриченко Михаил Иванович - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой Товароведение и экспертиза потребительских товаров СПбГУСЭ, моб. +7(921) 995 03 26;
3 Михайлов Николай Павлович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры "Прикладная математика и эконометрика" СПбГУСЭ, моб. +7(911) 908 99 74.
