Оребренная листовая панель и способ ее изготовления

Изобретения относятся к теплоэнергетике и машиностроению и могут быть использованы при изготовлении элементов теплообменников или элементов прочности. Оребренная листовая панель содержит выполненное из металлического листа основание и расположенные на его наружной стороне ребра. Ребра приварены к основанию токами высокой частоты. Основание имеет на своей обратной стороне выступы. Отношение высоты выступов к толщине основания составляет от 0,8 до 2,0. Для изготовления указанной панели производят формовку по спирали цилиндрической заготовки из металлического листа, представляющего собой основание панели. К наружной стороне основания по спирали токами высокой частоты приваривают ребра и разворачивают полученную оребренную панель до заданного радиуса кривизны. На обратной стороне основания панели образуют выступы путем продавливания ребрами в процессе их приварки к наружной стороне основания панели и/или путем штамповки. В результате обеспечивается улучшение эксплуатационных характеристик полученных панелей. 2 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к теплоэнергетике и машиностроению и может быть использовано как элемент теплообменника в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности; в авиационной, холодильной и криогенной технике, в тепловых двигателях, а также как элемент прочности - в судостроительной, авиационной, космической, упаковочной, пищевой, строительной и в других отраслях промышленности.

Известно устройство, монолитная оребренная листовая панель [1], которая изготавливается из цельной металлической заготовки каким-либо механическим способом [1] или химическим фрезерованием [2]. Известное устройство выполняется с ребрами различной геометрии, обладает развитой поверхностью теплообмена и высокой прочностью, но имеет сравнительно большой вес и невысокую гибкость, что ограничивает его применение. Недостатком механического или химического способа изготовления монолитных оребренных панелей является высокая трудоемкость и высокая стоимость их изготовления при большом количестве отходов.

Прототипом предлагаемого устройства является оребренная листовая панель [3], которая состоит из основания панели и приваренных к нему ребер. Основание панели представляет собой тонкий, в частности протяженный металлический лист, который может быть выполнен как плоским, так и с заданным радиусом кривизны, а также в виде обечайки или в виде скрученной спирали. Ребра привариваются к наружной стороне основания панели с помощью высокочастотной сварки. Устройство по прототипу имеет высокоразвитую поверхность теплообмена, малую металлоемкость и легко поддается изгибу. Недостатком устройства по прототипу следует считать то, что обратная сторона основания панели не участвует в теплообмене, представляя собой гладкую листовую поверхность, что в некоторых случаях снижает эффективность использования устройства по прототипу.

Прототипом предлагаемого способа является способ изготовления оребренных листовых панелей [4]. Способ по прототипу включает в себя формовку цилиндрической заготовки из металлического листа, представляющего собой основание панели, по спирали, приварку к наружной стороне основания панели по спирали ребер с помощью высокочастотной сварки и разворачивание полученной оребренной панели до заданного радиуса кривизны. Способ по прототипу позволяет изготавливать протяженные оребренные панели с тонкими высокими ребрами разнообразной геометрии, в частности биметаллические панели. Затраты на изготовление устройства по прототипу способом по прототипу ниже, чем при механическом или химическом способе изготовления, а отходов производства меньше, чем в вышеуказанных способах. Недостатком способа изготовления оребренных листовых панелей по прототипу является то, что он позволяет выполнить приварку ребер только к наружной стороне основания панели, что снижает эффективность использования устройства по прототипу.

В связи с указанными недостатками устройства по прототипу и способа изготовления устройства по прототипу существует задача создания устройства, имеющего более высокие эксплуатационные характеристики и позволяющего осуществить более интенсивный теплообмен, чем устройство по прототипу, а также создание способа изготовления указанного устройства.

Поставленная задача решается следующим образом.

Известное устройство, оребренная листовая панель, содержащая выполненное из металлического листа основание и расположенные на его наружной стороне ребра, приваренные к основанию токами высокой частоты, основание выполнено с расположенными на его обратной стороне выступами, отношение высоты которых к толщине основания составляет от 0, 8 до 2,0.

При этом выступы на обратной стороне основания панели выполнены рядами, например, параллельно ребрам наружной стороны основания панели по всей их длине, в частности, непосредственно под ребрами.

При этом в некоторых случаях ребра наружной стороны основания панели выполнены с расположенными по их высоте выступами, отношение высоты которых к толщине ребер составляет от 0, 8 до 2,0.

Известный способ изготовления оребренной листовой панели, в котором производится формовка по спирали цилиндрической заготовки из металлического листа, представляющего собой основание панели, приварка токами высокой частоты к наружной стороне основания по спирали ребер и разворачивание полученной оребренной панели до заданного радиуса кривизны, дополняют выполнением на обратной стороне основания панели выступов путем продавливанием основания панели ребрами в процессе их приварки к наружной стороне основания панели и/или путем штамповки.

При этом в некоторых случаях штамповку выступов на обратной стороне основания панели производят роликами.

При этом в некоторых случаях при образовании выступов продавливанием основания панели ребрами формовку по спирали цилиндрической заготовки производят на барабане, поверхность которого выполнена с винтовой канавкой, имеющей геометрические параметры, определяющие форму выступов на обратной стороне основания панели.

При этом в некоторых случаях при образовании выступов продавливанием основания панели ребрами формовку по спирали цилиндрической заготовки производят на барабане, при этом между барабаном и заготовкой устанавливают прокладку из деформируемого и/или сгораемого материала.

В некоторых случаях на ребрах в процессе приварки их к наружной стороне основания панели образуют расположенные по их высоте выступы, при этом образование выступов производят штамповкой при сдавливании ребер со стороны их боковых поверхностей, а штамповку осуществляют, например, с помощью вращающегося устройства типа пуансон-матрица.

Технический результат от применения предлагаемого устройства состоит в улучшении эксплуатационных характеристик и в повышении эффективности его применения по сравнению с устройством по прототипу.

Указанный результат достигается выполнением панели с выступами на обратной стороне ее основания. Выступы располагаются, например, рядами, в частности под ребрами наружной стороны основания панели по всей длине ребер. Наличие указанных выступов с одной стороны повышает жесткость панели как элемента прочности, а с другой стороны позволяет повысить теплообмен на обратной стороне основания панели. Создаваемые благодаря наличию выступов локальные вихревые зоны являются источником дополнительной турбулизации потока теплоносителя и интенсификации теплообмена на обратной стороне основания панели, повышая тем самым теплоотдачу панели в целом по сравнению с устройством по прототипу. При этом диапазон высот выступов в пределах от 0,8 до 2,0 толщины основания панели является необходимым для создания вихревых зон и достаточным для получения дискретной турбулизации потока при вынужденной конвекции, при котором рост теплоотдачи больше роста гидравлического сопротивления.

Указанный результат достигается также при выполнении выступов (гофр) на ребрах наружной стороны основания панели по высоте ребер, например, с помощью штамповки. При этом высота выступов составляет от 0,8 до 2,0 от толщины ребер, что позволяет получить на наружной стороне основания панели дополнительные локальные вихревые потоки, турбулизирующие пристенные потоки теплоносителя, и повысить теплоотдачу панели в целом по сравнению с устройством по прототипу.

Технический результат от применения предлагаемого способа для изготовления оребренной листовой панели заключается в том, что появляется возможность изготовления панели с рядами выступов на обратной стороне ее основания.

Указанный результат достигается дополнением способа изготовления оребренной панели по прототипу операцией продавливания основания панели ребром в процессе его приварки к наружной стороне основания панели токами высокой частоты вплоть до образования на обратной стороне выступа необходимой конфигурации. При этом использование высокочастотной сварки позволяет получить металлургически целостное соединение ребер, основания панели и выступов, что обеспечивает надежное и прочное их соединение. Указанный результат достигается также дополнением способа изготовления оребренной панели по прототипу штамповкой основания панели, например, после ее разворачивания. Благодаря тонкому основанию панели штамповка позволяет легко получить ряды выступов необходимой геометрии, а также выступы, параллельные друг другу по всей ширине и/или длине основания панели. При необходимости способ позволяет выполнять выступы на обратной стороне основания панели как штамповкой, так и продавливанием ребер. В указанном случае штамповка производится при приварке ребер или после разворачивания оребренной панели.

Указанный результат, при выполнении выступов штамповкой, достигается, например, использованием роликов, геометрические параметры которых определяют геометрию выступов. Ролики могут выполняться, например, в виде оппозитно расположенных вращающихся элементов типа пуансон-матрица.

Указанный результат достигается также в некоторых случаях при использовании для формовки по спирали цилиндрической заготовки барабана с винтовой канавкой на поверхности, для формирования выступов на обратной стороне основания панели. Канавка имеет геометрические параметры, определяющие форму выступов на обратной стороне основания панели и, таким образом, улучшает качество изготовления панели, обеспечивая повторяемость результата продавливания.

Указанный результат достигается в некоторых случаях использованием прокладки между поверхностью барабана и обратной стороной основания панели. В качестве материала прокладки используется листовой материал, который при продавливании деформируется и/или сгорает. Толщина листа прокладки соответствует высоте выступов на обратной стороне основания панели. В этом случае при продавливании прокладки, ее расплавлении или сгорании выступы упираются в поверхность барабана, обеспечивая равномерную высоту выступов по их длине.

Указанный результат достигается в некоторых случаях при выполнении выступов на ребрах наружной стороны основания панели по их высоте. Выступы выполняются с помощью штамповки при сдавливании ребер со стороны их боковых поверхностей в процессе их приварки к наружной стороне основания панели. Штамповка ребер не требует дополнительного нагрева и выполняется, в частности, с помощью какого-либо вращающегося устройства, например, типа пуансон-матрица

Сущность предлагаемого устройства и способа его изготовления заключается в следующем.

Предлагаемое устройство представляет собой оребренную с наружной стороны листовую панель с рядами выступов на ее обратной стороне. Выступы выполняются небольшой высоты, которая составляет величину от 0,8 до 2,0 толщины основания панели. Выступы, как правило, имеют плавно очерченные формы. Выступы, полученные штамповкой, располагаются рядами, в частности, параллельно друг другу по длине и/или ширине основания панели. Выступы, образованные при продавливании ребер с наружной стороны основания панели при их приварке, располагаются также рядами непосредственно под ребрами наружной стороны основания панели по всей их длине. Невысокие и плавно очерченные выступы являются дискретными турбулизаторами потока теплоносителя. Они создают организованные вихревые потоки и турбулизируют только пристенные слои потока, то есть поверхность обратной стороны панели в каналах и боковые поверхности выступов. При этом происходит интенсификация теплообмена из-за того, что рост теплоотдачи превышает рост гидравлического сопротивления. Указанный эффект интенсификации теплообмена в каналах происходит и на наружной стороне основания панели при наличии на ребрах небольших, как правило, плавно очерченных выступов по высоте ребер. Выступы образуют, так называемые, рассеченные каналы, в которых большую роль играет толщина и форма передней кромки выступов, определяющая вид, интенсивность и размеры вихрей, дополнительно турбулизующих пристенные слои обтекающего ребро потока. При этом повышается теплоотдача, особенно при поперечном течении теплоносителя, так как выступы по высоте ребер позволяют организовать вихревые зоны до и после выступов и отрывные зоны на вершинах выступов, что позволяет увеличить теплоотдачу на стенках каналов, образованных наружной стороной основания панели и поверхностью ребер с выступами. Таким образом, предлагаемое устройство с выступами на обратной стороне основания панели и с выступами на ребрах наружной стороны основания панели обеспечивает более высокую интенсивность теплообмена на единицу объема, чем устройство по прототипу, например, при одинаковой толщине основания панели и одинаковом оребрении наружной стороны основания панели.

Сущность способа изготовления оребренной листовой панели с выступами на обратной стороне основания панели состоит в том, что каждый выступ выполняется либо продавливанием ребра в процессе его приварки токами высокой частоты сквозь основание панели, либо штамповкой, причем штамповка производится как нагретого основания, например при приварке при приварке ребер, так и холодной оребренной панели, например при ее разворачивании. При этом при необходимости на одной панели могут быть выступы, выполненные как продавливанием, так и штамповкой. Получение выступов с плавными очертаниями позволяет как высокочастотный нагрев, который равномерно распределяет источники тепла по толщине основания панели, что позволяет осуществить продавливание ребер по всей толщине основания панели, так и штамповка - за счет геометрии используемого устройства, например формой роликов. При этом способ позволяет выполнить выступы необходимой высоты и геометрии на обратной стороне основания панели, например, используя при формовке по спирали цилиндрической заготовки барабан с винтовой канавкой, геометрические параметры которой определяют форму выступов, выполненных продавливанием. Для ограничения высоты выступов, выполненных продавливанием ребер, может использоваться прокладка из листового материала, которая располагается между барабаном и обратной стороной основания панели. При продавливании ребер прокладка деформируется, например, если она выполняется из термостойкой резины, сгорает, например, если она выполняется из полистирола, или одновременно продавливается и сгорает в случае использования обычной резины. Прокладка также может проплавляться продавливаемым ребром, например, если прокладка выполняется из свинца. В любом из перечисленных случаев полученный на обратной стороне основания панели выступ упирается в поверхность барабана, а высота выступа ограничивается толщиной прокладки. Предлагаемый способ изготовления оребренных панелей позволяет также выполнить выступы на ребрах, расположенных на наружной стороне основания панели, по высоте ребер. Выступы выполняются штамповкой каким-либо вращающимся устройством при сдавливании ребер со стороны их боковых поверхностей. При этом дополнительный нагрев ребер не обязателен. Способ также позволяет изготавливать оребренные панели заданного радиуса кривизны. Так предлагаемый способ позволяет изготавливать оребренную панель как в виде замкнутой обечайки, например, в виде трубы, так и в виде плоского элемента пластинчатого теплообменника при полном разворачивании оребренной панели.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Были изготовлены две плоские оребренные листовые панели по предлагаемому способу и по прототипу. Панели выполнили из нержавеющей стали с толщиной основания 1 мм, с высотой ребер, равной 10 мм, и толщиной ребер - 1 мм. На обратной стороне предлагаемой панели продавливанием и штамповкой роликами после оребрения выполнили выступы высотой около 1 мм. Выступы выполнили рядами параллельно ребрам на наружной стороне основания панели. Обе панели прошли экспериментальные испытания на прочность, которые показали, что предлагаемое устройство, выполненное в двух вариантах по предлагаемому способу, обладает более высокими прочностными характеристиками и жесткостью по сравнению с устройством по прототипу.

2. Были изготовлены две оребренные листовые панели в виде обечайки по предлагаемому способу и по прототипу. На ребрах наружной стороны основания предлагаемой панели были выполнены плавные выступы по высоте ребер высотой 1,2 мм. Обе панели устанавливали в рекуператоре в качестве элементов теплообменника. Испытания работы обеих панелей показали, что предлагаемое устройство, выполненное по предлагаемому способу, обладает более эффективной поверхностью теплообмена и более высокой теплоотдачей, чем устройство по прототипу.

Испытания показали, что любая совокупность существенных признаков предлагаемого устройства, изготовленного предлагаемым способом, обеспечивает более высокие эксплуатационные качества, чем в устройстве по прототипу, изготовленному способом по прототипу, при повышении интенсификации теплообмена, а также за счет расширения возможности применения предлагаемых оребренных панелей.

Источники информации

1. А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1971 г., с.352.

2. Патент РФ №2164856.

3. Патент РФ на полезную модель №35423.

4. Авторское свидетельство №820082.

1. Оребренная листовая панель, содержащая выполненное из металлического листа основание и расположенные на его наружной стороне ребра, приваренные к основанию токами высокой частоты, отличающаяся тем, что основание выполнено с расположенными на его обратной стороне выступами, отношение высоты которых к толщине основания составляет от 0,8 до 2,0.

2. Панель по п.1, отличающаяся тем, что выступы на обратной стороне основания панели расположены рядами, например, параллельно ребрам наружной стороны основания панели по всей их длине, в частности, непосредственно под ребрами.

3. Панель по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ребра наружной стороны основания панели выполнены с расположенными по их высоте выступами, отношение высоты которых к толщине ребер составляет от 0,8 до 2,0.

4. Способ изготовления оребренной листовой панели, включающий формовку по спирали цилиндрической заготовки из металлического листа, представляющего собой основание панели, приварку токами высокой частоты к наружной стороне основания панели по спирали ребер и разворачивание полученной оребренной панели до заданного радиуса кривизны, отличающийся тем, что на обратной стороне основания панели образуют выступы путем продавливания основания панели ребрами в процессе их приварки к наружной стороне основания и/или путем штамповки.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что штамповку выступов на обратной стороне основания панели производят роликом.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что при образовании выступов продавливанием основания панели ребрами формовку по спирали цилиндрической заготовки производят на барабане, поверхность которого выполнена с винтовой канавкой, имеющей геометрические параметры, определяющие форму выступов на обратной стороне основания панели.

7. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что при образовании выступов продавливанием основания панели ребрами формовку по спирали цилиндрической заготовки производят на барабане, при этом между барабаном и заготовкой устанавливают прокладку из деформируемого и/или сгораемого материала.

8. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что на ребрах в процессе приварки их к наружной стороне основания панели образуют расположенные по их высоте выступы, при этом образование выступов производят штамповкой при сдавливании ребер со стороны их боковых поверхностей, а штамповку осуществляют, например, с помощью вращающегося устройства типа пуансон-матрица.