CC BY
27
УДК 532.5:621.9.044
Чирков А.М. - кандидат технических наук, доцент E-mail: techlaser@mail.ru
ООО «Вятское машиностроительное предприятие «Лазерная техника и технологии»
Адрес организации: 610002, Россия, г. Киров, ул. Молодой Гвардии, д. 14 Князева И. А. - аспирант E-mail: iraida_knyazeva@mail.ru Вятский государственный университет
Адрес организации: 610000, Россия, г. Киров, ул. Московская, д. 36 Золотоносов Я. Д. - доктор технических наук, профессор E-mail: zolotonosov@mail.ru
Багоутдинова А.Г. - кандидат технических наук, доцент E-mail: bagoutdinova@rambler.ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Адрес организации: 420127, Россия, г. Казань, ул. Дементьева, д. 1
Применение лазерной сварки для производства кожухотрубчатых теплообменных аппаратов нового поколения на базе пружинно-витых каналов
Аннотация
В данной статье рассматривается возможность применения технологии лазерной сварки для изготовления пружинно-витых каналов теплообменных аппаратов, которые являются основой для производства высокоэффективных кожухотрубчатых теплообменников нового поколения. Рассмотрены основные преимущества лазерной сварки, приведены результаты, полученные при проведении опытных работ по лазерной сварке образцов-свидетелей пружинно-витых каналов.
Ключевые слова: кожухотрубчатый теплообменный аппарат, пружинно-витой канал, лазерная сварка, преимущества.
Кожухотрубчатые теплообменники являются наиболее применяемым типом теплообменных аппаратов. Они получили широкое распространение для проведения термохимических процессов и процессов теплообмена, происходящих между различными жидкостями, парами и газами.
Кожухотрубчатые теплообменники имеют ряд существенных преимуществ перед другими типами теплообменных аппаратов. Во-первых, это простота конструкции и, следовательно, надежность аппарата, меньшая его стоимость. Во-вторых, большой набор вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:
- возможно изготовление одноходовых кожухотрубчатых теплообменных
аппаратов, когда оба теплоносителя при перемещении не меняют своего направления, или многоходовых, когда при помощи дополнительных перегородок потоки
теплоносителей меняют своё направление, что позволяет увеличивать скорость и эффективность всего теплообменника;
- удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата;
- размеры от малых до предельно больших (5000 м2);
- возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению;
- использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.;
- возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.
Значимым преимуществом, отличающим кожухотрубчатые теплообменные аппараты от менее совершенных версий теплообменного оборудования, является то, что их площадь теплообмена меняется достаточно легко.
Однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т.е. когда нет необходимости в чистке.
Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одного теплоносителя в другой. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплоносителей, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50 °С, и при сравнительно небольшой длине аппарата.
Исходя из вышеперечисленного и опираясь на современный уровень знаний, появилась возможность для модернизации существующего парка теплообменного оборудования, создания компактных теплообменных аппаратов с меньшей металлоемкостью и повышенными значениями коэффициентов теплопередач.
На рис. 1 показан кожухотрубный теплообменник [1], содержащий корпус 1 и трубные решетки 2, в которых закреплен трубный пучок 3, выполненный из теплообменных элементов типа «труба в трубе» 4. Внешние трубы теплообменных элементов пучка закреплены в дополнительных трубных решетках 5, установленных в корпусе между трубными решетками внутренних трубок теплообменного элемента пучка. Внутренние трубки могут быть или пружинно-витыми [2], или в форме витых труб [3, 4] «конфузор-диффузор» 6.
горячая холодная вода вода
конденсат
Рис. 1. Кожухотрубчатый теплообменник
Благодаря этому в стесненном кольцевом межтрубном пространстве теплообменного элемента типа «труба в трубе» 4 реализуется эффект закручивания теплоносителя на внешней стенке трубы 6, что вызывает срыв конденсатной пленки с поверхности трубок 6 и переход пленочной конденсации в «пленочно-капельную» или «капельную», вызывая рост коэффициентов теплоотдачи.
Данная конструкция может быть использована для нагрева высоковязких и аномально-вязких сред, так как быстрый разогрев среды позволяет обеспечить высокие циркуляционные токи в проточной части внутренних трубок 6, вызывая рост коэффициентов теплоотдачи от внутренней стенки трубы в ядро потока.
Рост коэффициентов теплоотдачи в аппарате способствует общему увеличению коэффициента теплопередачи в теплообменнике, что положительно отразится на его габаритных размерах и гидравлических характеристиках.
Одним из возможных вариантов исполнения внутренних трубок является прямой
А(Увеличено)
пружинно-витой канал, представляющий собой пружину круглого сечения, витки которой жестко скреплены между собой. Процесс получения таких каналов может быть реализован путем плотной намотки проволоки круглого сечения на оправку с последующим соединением витков наматываемой проволоки между собой посредством лазерной сварки. При таком методе изготовления исключается явление наклепа, имеющего место в трубах с накаткой.
Производство пружинно-витых каналов стало возможным с внедрением лазерных технологий обработки материалов, в частности, лазерной сварки в отечественную промышленность. Широкое распространение применения лазеров в промышленности обусловлено гибкостью и универсальностью лазерного излучения как технологического инструмента, благодаря чему технологии лазерной обработки материалов имеют высокую технико-экономическую эффективность.
В настоящее время сфокусированный луч лазера как сварочный источник энергии обладает самым высоким коэффициентом сосредоточенности теплового сварочного источника энергии, по сравнению с традиционными сварочными источниками энергии -газопламенными и электродуговыми. Высокий коэффициент сосредоточенности энергии позволяет в десятки раз увеличить скорость сварки, уменьшить время теплового воздействия на деталь и сварочную ванну, что определяет основные преимущества технологии лазерной сварки:
- уменьшение объема расплава сварочной ванны, что значительно снижает значения продольной и поперечной усадки в свариваемом узле, остаточных напряжений и деформаций, следовательно, способствует сохранению формы и геометрических размеров свариваемых деталей;
- высокое значение коэффициента сосредоточенности теплового сварочного источника энергии и высокая точность дозировки энергии лазерного излучения позволяют сваривать тонкостенные детали без прожогов;
- снижение времени теплового воздействия на деталь и сварочную ванну, точная дозировки энергии импульса лазерного излучения уменьшают размер зоны термического влияния;
- высокое значение коэффициента сосредоточенности позволяет выполнять сварку малогабаритных деталей, сохраняя их геометрические размеры в микронном поле допуска.
Возможность легкого управления и регулирования параметров лазерного излучения дает возможность для полного управления процессом формирования сварного шва, наиболее точного подбора режимов обработки и позволяет применять лазер для сварки материалов в широком диапазоне толщин. При обработке лазером тонких материалов используют более деликатные режимы сварки, которые обеспечивают лишь расплавление материала в зоне стыка деталей без значительного перегрева.
Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов: аргона, С02-газа, без применения вакуума, как при электронно-лучевой сварке.
Также одним из преимуществ лазерной сварки является получение равнопрочного сварного соединения. В большинстве случаев прочность сварного соединения выше прочности свариваемого материала.
На сегодняшний день проведены первые опытные работы по применению технологии лазерной сварки для изготовления пружинно-витых каналов теплообменных аппаратов с условным диаметром Бу = 25 мм из проволоки круглого сечения диаметром 2 мм. Внешний вид образца-свидетеля пружинно-витого канала показан на рис. 2.
Рис. 2. Внешний вид образца-свидетеля пружинно-витого канала
Проведение опытных работ по изготовлению образцов-свидетелей пружинно-витых каналов показало, что сварка плотно сжатых витков (без зазора) на шлифе дает значение глубины проплавления в пределах 1±0,1 мм с формированием корня шва. При уменьшении глубины проплавления до 0,7-0,8 мм качественного формирования корня шва с внутренней стороны образца-свидетеля не наблюдается. Увеличение зазора между свариваемыми витками более 0,1 мм приводит к прекращению формирования сварного шва.
На рис. 3 представлена фотография макроструктуры сварного шва, выполненного лазерной сваркой. Анализ фотографии после травления показал наличие одной зоны с четко выраженными границами.
Рис. 3. Макроструктура сварного шва после лазерной сварки
В случае серийного производства гофрированных труб способом лазерной сварки необходимо проектирование и изготовление сварочного станка, работающего в автоматическом режиме, что позволит обеспечить высокую технологическую
воспроизводимость процесса лазерной сварки.
Заключение. Описана возможность модернизации теплообменных аппаратов кожухотрубчатого типа за счет применения пружинно-витых каналов. Обосновано применение лазерной сварки для производства пружинно-витых каналов,
подтверждающееся проведенными опытными работами по сварке образцов-свидетелей. В случае серийного производства пружинно-витых способом лазерной сварки необходимо проектирование и изготовление сварочного станка с видеоконтрольной лазерной системой наведения луча лазера на стык свариваемых кромок, работающего в автоматическом режиме, что позволит обеспечить высокую технологическую
воспроизводимость процесса лазерной сварки и практически исключит возможность образования дефектов сварного соединения.
Список литературы
1. Багоутдинова А.Г., Золотоносов Я.Д., Мустакимова С.А. Энергоэффективные теплообменные аппараты на базе теплообменных элементов в виде пружинновитых каналов // Известия КГ АСУ, 2012, № 3 (21). - С. 86-95.
2. Багоутдинова АГ., Золотоносов ЯД Математическое описание и визуализация теплообменных поверхностей в форме пружинно-витых каналов и труб типа «конфузор-диффузор» // Известия вузов. Проблемы энергетики, 2012, № 7-8. - С. 80-86.
3. Багоутдинова А.Г., Золотоносов ЯД., Сулимов Н.И., Яхнев М.Н. Математическое описание теплообменных поверхностей сложных каналов типа «конфузор-диффузор» // Известия КГАСУ, 2012, № 4 (22). - С. 204-208.
4. Патент № 119452 на пол. мод. РФ. Теплообменный элемент / Золотоносов А.Я., Золотоносов ЯД., Багоутдинова А.Г., Осыка И.И. № 2012109355/06; заявл. 12.03.12.; опубл. 20.08.2012, Бюл. № 23.
Ten3iocm6±eme, eefimunauua, KOH9uuuoHupo6aiiae eosQyxa,
sasocHa6±eHue u oceetneme
Chirkov A.M. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: techlaser@mail.ru
Vyatka Machinbuilding Enterprise «Laser techniques and technologies» Ltd, Kirov
The organization address: 610002, Russia, Kirov, Molodoi Gvardii st., 14 Knyazeva I. A. - post-graduate student E-mail: iraida_knyazeva@mail.ru Vyatka State University
The organization address: 610000, Russia, Kirov, Moskovskaia st., 36 Zolotonosov Y a.D. - doctor of technical sciences, professor E-mail: zolotonosov@mail.ru
Bagoutdinova A.G. - candidate of technical sciences, associate professor E-mail: bagoutdinova@rambler.ru
Kazan State University of Architecture and Engineering
The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaia st., 1
Application of laser welding for shell and tube heat exchangers based on the new generation spring-twisted channels
Resume
The possibility of the production of heat exchangers shell and tube heat exchangers, the new generation on the basis of the developed spring-twisted using the technology of laser welding. Laser welding is used to rigidly fix the coils tightly wound spring together.
Were marked advantages of laser welding, through which it is the most effective way to industrial production of spring-twisted channels.
They are:
- high welding speed, which leads to higher productivity;
- precise adjustment of the laser radiation makes it possible to obtain defect-free welds
- a short time exposure to laser radiation for the welded materials and small footprint allow the weld pool to keep the geometric dimensions of the finished product in the dimensional tolerance, which eliminates need for subsequent machining.
The article also presents the results of experimental work on laser welding samples witnesses spring-twisted channels, demonstrating the fundamental possibility of application of this technology for industrial applications.
Necessary to consider that in the case of production of spring-twisted way of laser welding to the design and manufacture of welding machine with video control laser-guided laser beam to the joint welded edges running in automatic mode, which will provide high technological reproducibility of laser welding process and virtually eliminate the possibility of defect weld.
Keywords: shell-and-tube heat exchanger, spring-winding channel, laser welding, advantages.
References
1. Bagoutdinova A.G., Zolotonosov Ya.D., Mustakimova S.A. Energy efficient heat exchangers based on the heat exchange elements in the form of a spring-twisted channels // News of the KSUAE, 2012, № 3 (21). -P. 86-95.
2. Bagoutdinova A.G., Zolotonosov Ja.D. Mathematical description and visualization of heat-exchange surfaces in form the spring-curly channels and pipes of type «confusor-diffusor» // Proceedings of the universities. Energy problems, 2012, № 7-8. - P. 80-86.
3. Bagoutdinova A.G., Zolotonosov Ya.D., Sulimov N.I., Yakhnev M.N. Mathematical description of the heat exchange surfaces of complex channels such as «confuser-diffuser» //News of the KSUAE, 2012, № 4 (22). -P. 204-208.
4. Zolotonosov A.Ya., Zolotonosov Ya.D., Bagoutdinova A.G., Osika I.I. Heat exchanging element: Patent № 119452 on the floor, fashion. Growing up. The Federation. № 2012109355/06; Appl. 12.03.12.; publ. 20.08.2012, Byull. № 23.
