Способ изготовления теплообменной трубы с внутренним оребрением

 

Изобретение предназначено для применения при производстве оребренных труб холодильных аппаратов или контейнеров для хранения отработавшего топлива ядерных реакторов. Заявленный способ изготовления теплообменной трубы включает ввод внутрь трубчатой заготовки сердечника и ребер, причем на внутренней поверхности заготовки и внешней поверхности заранее выполненного полым сердечника выполняют продольные пазы, а ребра, выполненные отдельно от сердечника, изготавливают изогнутыми, затем сердечник фиксируют, а трубчатую заготовку ориентируют относительно сердечника так, чтобы их продольные пазы были установлены относительно друг друга со смещением на угол α, далее вводят ребра в пазы заготовки и сердечника, поворачивают заготовку до полной выборки угла α, при этом угол α определяют из условия где R₁ - наружный радиус сердечника; r₁ - радиус паза на наружной поверхности сердечника; R₂ - внутренний радиус заготовки; r₂ - радиус паза на внутренней поверхности заготовки; L - расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, после чего заготовку фиксируют относительно сердечника, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. Заявленное изобретение позволяет добиться создания упругих деформаций в ребрах, обеспечивающих отсутствие зазоров между сердечником и трубчатой заготовкой, что позволяет создать необходимую тепловую проводимость между контактирующими деталями, способствующую эффективной передаче тепла, а также позволяет повысить технологичность изготовления, снизить трудоемкость и затраты. 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при производстве оребренных труб, холодильных аппаратов или контейнеров, предназначенных для хранения отработавшего топлива ядерных реакторов, а также других материалов или объектов, являющихся мощными источниками тепла.

Известен способ изготовления оребренной поверхности (патент РФ 2141615 от 14.04.98, F 28 F 3/02, опубликован 20.11.99, Бюл. 32). Способ включает укладывание дисков оребрения в кондуктор, предварительное охлаждение трубы в среде жидкого азота, затем введение ее во внутренние отверстия дисков оребрения и нагрев теплом окружающей среды, после чего оребренную поверхность вынимают из кондуктора в виде готового изделия.

При нагреве трубы теплом окружающей среды происходит ее тепловое расширение, в результате чего обеспечивается необходимый контакт между трубой и ребрами.

Недостатками данного способа являются: 1) существенные технологические трудности, возникающие при охлаждении жидким азотом крупногабаритных труб (диаметром порядка 1...3 м и длиной 2... 4 м); 2) невозможность изготовления трубы с продольными ребрами.

Известен способ изготовления теплообменной трубы с внутренним оребрением (а. с. 1250827 от 25.02.85, F 28 F 1/40, В 21 С 37/22, опубликован 15.08.86, Бюл. 30). По данному способу внутрь трубчатой заготовки вводят оребренный сердечник с диаметром описанной окружности, превышающим внутренний диаметр заготовки. Предварительно сердечник охлаждают жидким азотом до 100-140 К, а заготовку нагревают до 570-1130 К. После введения сердечника внутрь заготовки последнюю фиксируют в зажимах и выдерживают до выравнивания температур, в результате чего происходит термическая деформация, обеспечивающая необходимый контакт между сердечником и трубчатой заготовкой.

Недостаткми данного способа являются: 1) существенные технологические трудности, возникающие при охлаждении жидким азотом до 100-140 К и нагревании до 570-1130 К крупногабаритных труб (диаметром порядка 1...3 м и длиной 2...4 м); 2) ограничение времени сборки (не более 30 с), вызванное выравниванием температур сердечника и заготовки.

Способ изготовления теплообменной трубы с внутренним оребрением по а. с. 1250827 выбран в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эффективного теплоотвода в крупногабаритных трубах с внутренним оребрением с одновременным упрощением технологии их изготовления.

Технический результат выражается в создании упругих деформаций в ребрах, обеспечивающих отсутствие зазоров между сердечником и трубчатой заготовкой. Этим самым обеспечивается необходимая тепловая проводимость между контактирующими деталями, способствующая эффективной передаче тепла. Способ создания упругих деформаций в ребрах, обеспечиваемый поворотом трубчатой заготовки относительно сердечника, позволяет повысить технологичность изготовления, снизить трудоемкость и затраты.

Технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления теплообменной трубы путем ввода внутрь трубчатой заготовки сердечника и ребер, на внутренней поверхности заготовки и внешней поверхности заранее выполненного полым сердечника выполняют продольные пазы, а ребра, выполненные отдельно от сердечника, изготавливают изогнутыми, затем сердечник фиксируют, а трубчатую заготовку ориентируют относительно сердечника так, чтобы их продольные пазы были установлены относительно друг друга со смещением на угол α, далее вводят ребра в продольные пазы заготовки и сердечника, поворачивают заготовку до полной выборки угла α, при этом угол α определяют из условия где R₁ - наружный радиус сердечника,
r₁ - радиус паза на наружной поверхности сердечника,
R₂ - внутренний радиус заготовки,
r₂ - радиус паза на внутренней поверхности заготовки,
L - расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой,
после чего заготовку фиксируют относительно сердечника, а первоначальную фиксацию сердечника снимают.

Выборка зазоров между сопрягаемыми деталями и создание в ребрах упругих деформаций, обеспечиваемых за счет придания изогнутой формы ребрам, выполнения продольных пазов на внешней поверхности сердечника и внутренней поверхности трубчатой заготовки, фиксации сердечника, ориентации трубчатой заготовки относительно сердечника со смещением продольных пазов на угол α, введения ребер в пазы, поворота заготовки до полной выборки угла α с последующей фиксацией заготовки относительно сердечника и снятием первоначальной фиксации последнего позволяет создать необходимую тепловую проводимость, обеспечивающую эффективный теплообмен между сердечником и заготовкой, и повысить технологичность изготовления оребренной трубы.

Наличие отличительных признаков от прототипа говорит о соответствии предлагаемого решения критерию изобретения "новизна".

Заявляемое уплотнительное устройство соответствует и критерию "изобретательский уровень", так как не выявлено источников известности, где был бы описан технический результат, достигаемый предложенной совокупностью признаков.

На фиг.1 изображен первый этап сборки теплообменной трубы, где:
1 - сердечник полый,
2 - ребро,
3 - трубчатая заготовка,
4 - продольный паз на внешней поверхности сердечника,
5 - продольный паз на внутренней поверхности заготовки,
6 - зазор между сердечником и ребром,
7 - зазор между заготовкой и ребром,
8, 9 - крайние точки ребра в поперечном сечении, соприкасающиеся с сердечником и заготовкой.

На фиг.2 изображена теплообменная труба после сборки.

Теплообменную трубу с внутренним оребрением изготавливают из трубчатой заготовки 3, сердечника 1 и ребер 2. При этом расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, выбирают из условия

где модули значений предельных отклонений размеров R₁, R₂, r₁, r₂, L, соответственно,
Δ_П - модуль значения предельного отклонения взаимного расположения сердечника и заготовки,
K_Н - коэффициент, учитывающий гарантированную упругую деформацию ребер после сборки (К_Н≥1).

Процесс изготовления теплообменной трубы выполняют в следующей последовательности.

Предварительно устанавливают трубчатую заготовку 3. Затем вводят внутрь заготовки 3 сердечник 1, который фиксируют в этом положении. Далее ориентируют трубчатую заготовку 3 относительно сердечника 1 так, чтобы их продольные пазы 4 и 5 находились относительно друг друга со смещением на угол α. Затем вводят в пазы ребра 2 и поворачивают заготовку 3 до полной выборки угла α. После этого фиксируют заготовку 3 относительно сердечника 1, а первоначальную фиксацию сердечника снимают. При повороте заготовки 3 исчезают зазоры 6 и 7 между ребрами 2, сердечником 1 и заготовкой 3 и происходит упругая деформация ребер, обеспечивающая необходимый контакт и тепловую проводимость между сопрягаемыми деталями.

В качестве подтверждения промышленной применимости рассмотрим пример теплообменной трубы с внутренним оребрением.

Материал сердечника 1 и трубчатой заготовки 3 - сталь 12ХН10Т.

Материал ребер 2 - алюминиевый сплав АЛ-19.

Значения размеров деталей и модулей предельных отклонений:
R₁ = 1150 мм,
R₂ = 1300 мм,
r₁ = r₂ = 5 мм,
ΔR₁ = 2,5 мм
ΔR₂ = 2,5 мм,
Δr₁ = Δr₂ = 0,16 мм,
ΔL = 0,6 мм,
ΔП = 2,5 мм.

Коэффициент, учитывающий гарантированную упругую деформацию ребер после сборки, был принят равным К_Н=1,05.

Расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой, было равно
L=(1300-1150+5+5+2,5+2,5+0,16+0,16+0,6+2,5)•1,1=176,8 мм.

Вычисленное значение угла между пазами сердечника и заготовки составило α=3,53^o.

В конструкции трубы с внутренним оребрением было использовано 74 ребер толщиной 5 мм, установленных с шагом 50 мм. Ребра представляли собой часть цилиндра ⊘201,3 мм, причем их края в поперечном сечении имели скругления радиусом 5 мм. Длина всей конструкции - 2,4 м.

Момент, необходимый для поворота трубчатой заготовки, составил ~5,7•10⁵ Н•м на 1 м длины оребренной трубы.

Выполнение описанных выше операций позволило создать эффективную тепловую проводимость между сердечником и трубчатой заготовкой. При этом существенно упростилась технология, что привело к снижению трудоемкости и затрат изготовления оребренной трубы.

Формула изобретения

Способ изготовления теплообменной трубы путем ввода внутрь трубчатой заготовки сердечника и ребер, отличающийся тем, что на внутренней поверхности заготовки и внешней поверхности заранее выполненного полым сердечника выполняют продольные пазы, а ребра, выполненные отдельно от сердечника, изготавливают изогнутыми, затем сердечник фиксируют, а трубчатую заготовку ориентируют относительно сердечника так, чтобы их продольные пазы были установлены относительно друг друга со смещением на угол α, далее вводят ребра в пазы заготовки и сердечника, поворачивают заготовку до полной выборки угла α, при этом угол α определяют из условия

где R₁ - наружный радиус сердечника;
r₁ - радиус паза на наружной поверхности сердечника;
R₂ - внутренний радиус заготовки;
r₂ - радиус паза на внутренней поверхности заготовки;
L - расстояние в поперечном сечении между крайними точками ребра, соприкасающимися с сердечником и заготовкой,
после чего заготовку фиксируют относительно сердечника, а первоначальную фиксацию сердечника снимают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2