автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Разработка и исследование конструкций биметаллических корпусов аппаратов с каналами охлаждения

На правах рукописи

РГб од

^ г

С ' ' , /

БОГУШ Владимир Анатольевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОРПУСОВ АППАРАТОВ С КАНАЛАМИ ОХЛАЖДЕНИЯ

Специальность 05.04.09 - Машины и агрегаты нефтеперерабатывающих и

химических производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов 2000

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете.

Научные руководители: член-корреспондент ИА РФ, к.т.н., профессор

Артемов Николай Степанович; к.т.н., доцент Ткачев Алексей Григорьевич. Официальные оппоненты: д.т.н., профессор

Чайников Николай Александрович; к.т.н. Колдин Владимир Александрович. Ведущее предприятие: ОАО "Первомайск Химмаш".

Защита диссертации состоится "'-У " ь&ШлЯ_ 2000 года в (5

часов на заседании специализированного совета К 064.20.02 Тамбовского государственного технического университета по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Ленинградская, 1, ауд. 60.

Отзывы на автореферат, скрепленные гербовой печатью, направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "{в " СЬП^ЦиЛ 2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета, профессор

А. С. Клинков

Л ЛА- Г) Л г->

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перед разработчиками, вновь создаваемых машин и аппаратов ставится задача всемерно использовать очевидные преимущества многослойных материалов, к которым относятся биметаллы.

• Важность решения этой задачи особенно проявляется для оборудования,, выпускаемого на предприятиях химического машиностроения, в силу того, что оно часто эксплуатируется в условиях агрессивных сред, высокой температуры, давления или вакуума, имеет сложную форму корпусных деталей и, значительные габариты. Использование многослойных материалов при изготовлении корпусов аппаратов позволяет существенно сократить энергозатраты на изготовление и материалоемкость изделий, повысить прочность конструкции, обеспечить заданные режимы эксплуатации. Однако, применение в этом случае биметаллических материалов, созданных на основе традиционных технологий (совместной прокаткой или литьем, наплавкой, взрывом и т.п.),. представляется нецелесообразным из-за необходимости осуществления деформирующих методов обработки, наличия большого количества сварных швов и применения малоэффективных наружных систем охлаждения корпусов аппаратов. ...

Актуальным является более прогрессивный подход ксоздавдю и исследованию новых биметаллических, конструкций корпусных деталей. химических аппаратов и других изделий с внутренними каналами охлаждения (нагревания), основанный на изготовлении их методом вакуумно-диффузионной сварки (ВДС)..

Для этих целей предлагается использовать, современное оборудование для ВДС крупногабаритных (4000 х 2100 мм) многослойных корпусных изделий, разработанное на Тамбовском ОАО "Завод.Комсомолец", (

Цель работы. Разработать новые конструкции круцногабаритных, биметаллических (сталь-медь) корпусных изделий с внутренними каналами для охлаждения и провести их комплексные исследования. ...,

Научная новизна работы: . •.' .

1 Теоретическое и экспериментальное обоснование рациональности и эффективности применения внутренних каналов охлаждения в многослойных корпусах крупногабаритных химических аппаратов..

2 Математическая модель процесса теплообмена в аппаратах с канальной системой охлаждения биметаллического корпуса.

. 3 Решение задачи расчета на прочность элементов многослойных аппаратов с внутренними каналами охлаждения в условиях избыточного давления в, канале.

4 Методика, средства и результаты комплексного экспериментального исследования влияния термокинетических и конструктивно-технологических факторов на. эффективность изготовления и эксплуатации биметаллических корпусных изделий с каналамилэхлаждения.

Практическую ценность составляют: .

• методика и программы'теплового и прочностного расчетов корпусных аппаратов с внутренними каналами охлаждения;

• практические рекомендации по конструированию и изготовлению серийно выпускаемых Тамбовским ОАО "Завод Комсомолец" химических аппаратов;

• принципиально новые конструктивные решения и технологическая оснастка, используемые при изготовлении водоохлаЖдаемых корпусных деталей резонатора изохронного циклотрона тяжелых ионов У-400М для Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна), ускорительной камеры циклотрона МПЦ-10 для института атомной энергии им. И. И: Курчатова (г. Москва) и других изделий подобного назначения. '

Область применения объекта исследования в промышленности существенно расширилась за счет возможности использования новых конструкций (патенты РФ № 2087285, ■■ 2087286), технологической оснастки (патент № 2123917) и режимов ВДС (а, с. СССР № 1799705), предложенных по результатам работы. '■

Автор защищает рациональность применения новых конструкций корпусных деталей с внутренними каналами и технологии их изготовления, подтвержденные результатом исследования и практического использования; математическую модель процесса теплообмена в аппаратах с корпусом/ имеющим внутренние каналы для охлаждения (нагревания) и методику расчета на1 прочность элементов таких корпусов; методику проведения, средства и результаты комплексного экспериментального исследования влияния геометрических, технологических и экспериментальных параметров на эффективность работы исследуемых аппаратов.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XII и XIII Всесоюзных научно-технических конференциях "Достижения и перспективы развития диффузионной сварки" (Москва, 1987, 1990 гг.), отраслевой научно-практической конференции "Роль молодых конструкторов и исследователей в ускорении научно-технического прогресса" (Рига, 1989 г.), на IV Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов (Мариуполь, 1990 г.), на Международном конгрессе "ХИСА-96" (Прага, Чехия, 1996 г.), на II Израильской конференции по переработке и транспортировке сыпучих материалов (Иерусалим, Израиль, 1997 г.), на II и III научных конференциях . ТГТУ (Тамбов, 1997, 1998 гг.). ' ■

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 3 патента РФ и 1 авторское свидетельство СССР.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,'выводов, списка использованных источников из 99 наименований и приложений. Работа изложена на 173 страницах, содержит 61 рисунок. Документы, подтверждающие практическое использовании результатов работы, прилагаются.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено краткое содержание работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и основные положения,' выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ известных способов принудительного охлаждения (нагревания) корпусных деталей химических аппаратов и оборудова-

ния других отраслей промышленности. Отмечено, что применяемые в настоящее время наружные тегогообменные устройства (рубашки, змеевики и т.п.) имеют низкую эффективность из-за удаленности теплоносителя от реакционной зоны, а также высокого термического сопротивления материала корпуса.

Анализ известных конструктивных решений систем охлаждения корпусных изделий позволил сделать вывод о перспективности использования для этой цели биметаллических материалов и, в частности, композиций сталь-медь.

Подробный обзор методов получения биметаллов, анализ их преимуществ и недостатков дал возможность выделить вакуумно-диффузионную сварку (ВДС), как наиболее рациональный способ изготовления многослойных корпусных деталей химических аппаратов.

Установка для проведения ВДС крупногабаритных деталей, которой располагает ОАО "Завод Комсомолец", имеет технические возможности для изготовления корпусных водоохлаждаемых элементов,аппаратов. Однако отсутствие необходимого объема теоретических и экспериментальных исследований не позволило широко использовать эту, безусловно, Перспективную технологию, в практике отечественного аппаратостроения.

Данная, глава завершается формулированием задач исследования.

Вторая глава посвящена аналитическому исследованию тепловых процессов в биметаллических корпусах аппаратов с внутренними каналами охлаждения и расчету на прочность элементов исследуемой конструкции. . ,,.

В начале главы, на основе исследований, проведенных в работе, и рбобще-ния опыта изготовления промышленного оборудования из биметалла на ОАО "Завод Комсомолец" разработаны рекомендации по рациональному месторасположению каналов внутри водоохлаждаемого, биметаллического корпуса аппарата. Оптимальной с точки зрения процессов теплоотдачи и технологичности изготовления следует считать конструкцию канала, образованного за счет перекрытия плакирующим слоем "прямоугольной (квадратной) полости, выполненной в основном металле (рис. 1, 5). , • 1 . .,,.

В качестве объекта для решения задачи определения температурного поля, тепловых потоков, требуемой площади теплообмена каналов охлаждения, их геометрии, расхода и температур теплоносителя был выбран биметаллический аппарат (реактор, теплообменник), схема которого представлена на рис. 1.

Предполагалось, что в нем осуществляется процесс, требующий подвода тепла через стенку корпуса, или, наоборот, принудительного охлаждения реакционной зоны. Для осуществления этих процессов в основном металле корпуса 1 выполнены каналы 2, расположенные вдоль образующей непосредственно под плакирующим слоем 3. Подача теплоносителя в эти каналы осуществлялась через кольцевые коллекторы 4 входа и выхода, расположенные, соответственно, в нижней и верхней частях корпуса.

Учитывая, что, как правило, радиус кривизны Я в диаметральном сечении и высота аппарата Ь значительно больше толщины стенки корпуса 5, элемент (модуль) корпуса, ограниченный по обеим сторонам (по образующим) каналами охлаждения, представлен в виде бесконечного бруса.

ж.

щ ~ ■ 0 У

Т-"! 1 < 1 \ 1.11 ( 1,1 1 • г • 1 1 III. 1' .' 1

! !! ! ! \И

I !: 1 111 1 "Г:—т—г—п 1,11 1 • 1 III 1 III

1 1 1 1 III 1 1 ^ 1 _ - .1 1 III ' III 1.....J / /

-IV

у

Тг ,«г

АттА

" ' /

ОД; \. у/

'У//?',-", < -.'А/, 'У^/УУ^УУ, Гз ,«з

Г| .я 1

' Рис. 1 Исходный объект и схема теплового расчета

Эксплуатация аппаратов в химической промышленности чаще всего ведется в непрерывном режиме, поэтому рассматривалась стационарная задача. Температура теплоносителя в пределах рассматриваемого элемента корпуса аппарата В расчете принималась постоянной, а термическим сопротивлением плакирующего слоя, имеющего высокий (Хси= 350 ———) по сравнению со сталями

Вт

м '-°С '

•) коэффициент теплопроводности, пренебрегали.

<^=17-'40моС

Для описания стационарного двухмерного температурного поля в однородной плоской пластине без внутренних тепловых источников использовали уравнение Лапласа:

д2т(х,у) , д2Т(х,у) 0 : ,

. - дх

при следующих граничных условиях:

ду'

... . у , о, х^М+а1(Г(х,0) - 711) = 0;

' 'У - 6, + а4(г(х,0) - Г4) = 0;

(1)

(2)

(3)

(4)

Для решения был применен метод конечных интегральных преобразований, использующий следующий оператор

/

'00=J T{x,y)P{x)dx, (6)

о

где Ну) - изображение, соответствующее оригиналу 1\х, у)-, Р(х) - ядро интегрального преобразования. •

Решение получено в стандартном виде

Т(Х,У) = У^-Р(х), (7)

fc\ N

где N - нормирующий коэффициент.

Определение с помощью разработанной математической модели и программы расчета характера распределения температуры в заданной области стенки корпуса (температурного поля) позволило:

• рассчитать значение температур там, где они не могут быть определены экспериментально;

• зафиксировать перепады температуры по объему (толщине) корпуса аппарата, что позволяет установить внутренние тепловые потоки и температурные напряжения;

• оценить степень изменения теплофизических характеристик материала, зависящих от температуры, по объему образца таких как теплоемкость, теплопроводность, плотность, а 1гакже коэффициент объемного расширения;

• значительно уточнить расчёт тепловЬгх балансов.

Адекватность расчетного температурного поля неограниченного бруса оценивалась сравнением с результатами йкейеримента: При этом в качестве исходных данных для расчета использовались геьметрйчёские параметры экспериментального модуля (глава 3) и конкретные условия проведения испвгганий: диапазон температур, характеристики теплоносителя и условия теплообмена с окружающей средой.

Значения коэффициентов теплоотдачи а от образца к окружающему воздуху выбирались такими, чтобы перекрывался весь диапазон возможных его-зна-

„ : ,'п Вт ,п Вт

чений ОТ ttmin = 30 —у- ДО (Хтах = 60 -., • -

М2;°С. . .. М2°С . о,

Сравнение графической интерпретации (рис;'"2) результатов расчета

(заштрихованная область) и данных эксперимента (2 ) позволяет сделать вывод об их удовлетворительном совпадении, а значит и о приемлемости использования разработанной математической модели в практических целях. ,

Для описания работы предлагаемой системы охлаждения реактора разработана математическая модель, включающая аналитическое решение' указанной стационарной задачи теплопроводности для неограниченного бруса С различными граничными условиями 3-го рода, ряд уравнений теплового баланса и критериальных уравнений. ' '

. в узловых точках ,,, . . ., ,

Зависимости для расчета теплопроводности, вязкости и критерия Рг жидкости получены путем аппроксимации табличных данных с использованием компьютерной системы "Арргох". ■'"'.„■

• На основе данной математической модели была подготовлена программа теплового расчета реактора на С++ для PS IBM. Программа, была реализована для расчета контактного аппарата (гидротатора), представляющего собой вертикальную колонну диаметром 1400 мм, высотой рабочего, объема около 10 ООО мм и толщиной стенки биметаллического (сталь-медь) корпуса, равной 21 мм. Учитывая, что реакция гидратации этилена является экзотермической (выделяемое тепло - 50 кДж/моль), целесообразно изготовление корпуса с каналами охлаждения для отвода тепла реакции.

В результате проведенного расчета получены следующие данные:

• температ^а,внутренней и наружной поверхностей корпуса реактора;

• конечная температура охлаждающей.воды;

,, • коэффициент теплоотдачи для воды и воздуха;

• распределение^ .температур в стенке корпуса (между каналами охлаждения);

• общий теплосъем га зоны реакции; ...

• количество тепла, отдаваемое в окружающую среду;

• количество тепла, отводимое охлаждающей водой.

Располагая этими значениями, а также имея в качестве исходного параметра конкретный критерий оптимизации, которыми могут быть минимизация

эксплуатационных энергозатрат, металлоемкость корпуса аппарата и т.д., можно определить оптимальные геометрические, гидродинамические и другие характеристики канальной системы охлаждения (нагревания) корпуса любого аппарата, в том числе и биметаллического.

Разработанная методика й программа расчета позволят также прогнозировать возможные последствия критических отклонений от заданных эксплуатационных режимов. Например, изменение температурного поля корпуса аппарата при нарушении подачи охлаждающей воды или аварийном повышении температуры внутри реактора.

При разработке модели была предусмотрена возможность ее использования в системах компьютерного контроля и автоматического регулирования реальных технологических процессов.

Приведенный в данной главе аналитический расчет прочности элементов канальной системы охлаждения биметаллического корпуса носит проверочный характер. Он предназначен для определения геометрических размеров канала охлаждения, при которых максимальное усилие отрыва Ртр плакирующего слоя будет меньше заданной прочности соединения слоев биметалла. .

Расчетная схема в виде балки на упругом основании- была выбрана с учетом результатов предварительных экспериментов (глава 3) и была реализована для случая работы аппарата под вакуумом (рис. 3). Именно в этом случае соединение биметалла подвергается наибольшей опасности потери прочности.

Расчет выполнен по методу Б. М. Жемочкина - А. П. Синицына с заменой смешанного способа решения статически неопределимой расчетной схемы на метод сил.

За начало отсчета была принята точка В (рис. 3), которая считалась неподвижной (вместе со стальным основанием длиной а/2), и все перемещения определялись по отношению к этой точке. Было принято, что между медной балкой квадратного сечения с высотой h и шириной а и стальным упругим основанием на равных расстояниях а помещены 10 абсолютно жестких связей - стержней.

Через &кт обозначается взаимное смещение точки системы. Первый индекс при 8 соответствует направлению перемещения, второй - силе, вызывающей это перемещение. ...

А[р, А2Р, ..., Люр - перемещения под действием внешней силы Р,

Xi, Xj, ..., - неизвестные силы.

Для решения задачи составлены канонические уравнения метода сил, число которых определяется тем, что рассматривается десять раз статически неопределимая система:

xi i,i + h. i,2 + • -• i,io.+ Jh,P =0»

■ X12.I+X2 2,2;+-- • +*10.2,10 + D2,p= 0, (8)

......................

Х\ io,i + Xi 10,2 + . *. + Aío 10,10 + Dio, p = 0.

Каждое из канонических уравнений метода сил выражает условие равенства ■ нулю суммарного перемещения по направлению какой-либо''силы

Xi¡(k = 1,10) от совместного действия давления Р, всех сил X и смещения опор (за счет податливости-упругости опор). Силы были приняты равномерно распределенными по длине и ширине, равной а.

В этом случае перемещение '(коэффициенты канонического уравнения метода сил) по направлению силы Х^ от действия единичной силы Хт — 1 слагается из двух составляющих:

- осадки основания (И^) в точке А" от. единичной силы, приложенной в точке/и; . .."

- прогиба балки (У/^т) от действия этой силы.

медь

Ш Ж j ii 1 и ~i 1 1 1 1 г у' \4n I/

21

Расчетная схема

о) fc-

Xt Хг Xt Xi Х$ Jit X/ X» Xt Хю

Основная схема SJi^fr--

1/2

Эквивалентная схема Р

XfXiXsXiXsXfX/XsXtXte

rnH??HHif

. Рис. 3,..Схема расчета на прочность стенки корпуса с каналами охлаждения

Таким образом, имеем ...,.■■

bknhWhn+Vb,,. (9)

Определение значений этих величин было выполнено по классическим правилам сопротивления материалов, а для осадки упругого полупространства Щт использовался метод Б. М. Жемочкина. ■!. ■

Решение системы канонических уравнений находилось с помощью программы, составленной для PC IBM. Были получены эпюры изгибающих моментов, перерезывающих сил и сил отрыва.

Приняв разницу между расчетными и экспериментально полученными значениями усилий отрыва (глава 3) в качестве запаса прочности, сделан вывод о приемлемости использования разработанной методики расчета для установления максимально возможных значений ширины канала и давления охлаждающей жидкости, исходя из заданной прочности соединения биметалла.

Третья глава диссертации посвящена описанию средств, методик и результатов комплексных экспериментальных исследований, которые проводились в несколько этапов.

На первом этапе была осуществлена экспериментальная проверка методики и аналитических зависимостей для определения температуры корпуса аппарата, имеющего каналы охлаждения, полученных в предыдущей главе.

Созданная для этих целей оригинальная установка включала устройства размещения исследуемого фрагмента (модуля) корпуса аппарата, систем^ подготовки и распределения теплоносителя, тепловизионной системы и системы управления экспериментом (рис. 4).

Исследуемый модуль был выполнен в виде плоского фрагмента корпуса аппарата из нержавеющей стали (Х18Н10Т) размером 600 х 80 мм и толщиной 35 мм. По периметру образца были изготовлены каналы, в виде приваренных полутруб 0 32 х 3 из того же материала. Ввод и вывод теплоносителя (воды) осуществлялся через штуцеры, расположенные, соответственно, в нижней и верхней части образца. Выбор материала основывался на обеспечении максимальной наглядности результатов, что возможно при его большом термическом

Вт ...

сопротивлении Яоавншт = ^ -~ • Система подготовки теплоносителя была

м°С

построена на базе универсального термостата ЦТи-2/27.

Рис. 4 Структурная схема экспериментальной установки < для исследования тепловых процессов в корпусе водоохлаждаемого аппарата

Измерение температурных полей производилось с помощью тепловизионной системы "Радуга", принцип действия которой основан на регистрации'теплового излучения объекта и восстановления по полученной информации его температурного поля.

Данная система' обеспечивает'реализацию следующих функций: непосредственное цифровое управление тепловизионной системой, программно-логическое управление исполнительными механизмами, клапанами управления

потоками теплоносителя, контроль параметров задающих и управляющих сигналов в цифровом и'квазианалоговом видах, определение температур агеплоно-сителя на входе и выходе, определение температуры поверхности образца в зоне гегоювизионного контроля, измерение расхода теплоносителя, измерение температуры окружающей среды и скорости омывающего объект, потока газа, организация связи с ЭВМ первого уровня (IBM PC 486).

Эксперименты проводились при различных температурах теплоносителя (воды) - 30 ч 75 °С, скоростях обтекания стенки модуля воздухом 0-13 м/с и усло виях конвекции - естественной и вынужденной.■

Для обеспечения 'максимально возможной точности бесконтактных изменений температурных полей панели модуля было проведено чернение ее поверхности и Коррекция матрицы изображения температурного поля, основанная на полиномиальной аппроксимации зависимости истинной температуры от : регистрируемого 'локального значения. В результате отличие значений относительно измеренной температуры 67'-=-—-100 % во всем диапазоне рабочих

температур не превышало 1 %. •

Для обработки большого массива данных (108 байт) использовались двухмерные алгоритмы скользящего среднего и медианной фильтрации. Используемая апертура - 25-элементный квадрат (5 х 5).

Данные- экспериментов представлялись в виде многоцветных термограмм и таблиц численных значений температур в 55 точках модуля. ■ ч-."

Проведенный анализ полученных численных и расчетных значений температурных; полей для . межканального пространства водоохлаждаемого корпуса (рис. 2) позволил сделать вывод об их удовлетворительном совпадении.

, Следующий этап экспериментальных исследований имел своей целью определение оптимальных, с точки зрения технологии изготовления, параметров каналов охлаждения и их взаимного расположения в биметаллическом корпусе аппарата! .

. Было установлено, что в процессе ВДС, осуществляемой в условиях высокой температуры Та = 900 - 930 °С, давления Рсъ = 4,0 МПа и вакуума Рост = 0,133 И/и2, плакирующий слой пластически деформируется в направлении полости канала, существенно уменьшая при этом площадь его поперечного сечения или даже полностью его заполняя. Это явление возникает при использовании в качестве шакирующих легкодеформируемых материалов, например, меди и ее сплавов.

Исследования проводились на образцах, изготовленных в виде цилиндрической обечайки (Сг. 3) с наружным диаметром 320;мм, толщиной - 9 мм и длиной - 800 мм. На наружной поверхности образца выполнялись каналы прямоугольной формы глубиной 5 мм, шириной Ь = 3 - 24 мм и расстоянием между каналами / = 3 - 28 мм. Плакирование осуществляли медью МЗр толщиной # мм, предварительно свальцованной и обработанной р минимальным зазором относительно наружного диаметра образца.

В качестве технологической рубашки, обеспечивающей вакуумирование зоны сварки, использовали тонкостенную (2-мм) обечайку, привариваемую к торцевым поверхностям стальной части образца.

Вакуумно-диффузионную сварку образцов проводили с помощью промышленной установки, основным элементом которой. является электрическая компрессионная печь ЭПК-40, позволяющая вести сварку изделий с габаритами 2000 х 4000 мм. ..'.'.

В результате ВДС плакирующий слой перекрывает полоста в основном металле, образовывая при этом закрытые каналы.

Методика оценки размеров канала после сварки предусматривала .расчет коэффициента свободного сечения ^согласно схеме (рис. 5).

Рис.5 Схема измерения размеров каналов после ВДС

Ксс = ад, • ■ (10)

где /о = Ыг - исходная площадь сечения канала, мм2; Рк - площадь сечения .канала после сварки.

- (А+А1+А2+Л3),

(И)

Обработка экспериментальных данных (рис. 6) позволила определить ширину каналов (линия 1), при которых Асе принимает значения до 0,8, что можно считать допустимым уровнем изменения свободного сечения (А = 10 - 12 мм). Установлено, что расстояние между каналами t практически не оказывает влияния на Ксс при значениях / > Ь, поэтому с точки зрения обеспечения максимальной поверхности теплообмена его необходимо выбирать минимальным

Ясс

0,8

0,6

0,4

0.2

о- Г--, к

\ О \ \

< . 2 к

\

- к V - Ч—-

О

4

ь,

8 12 16 20 24 Рис. б Зависимость Асс от ширины каналов Ь:

1 - цилиндрические образцы; 2 - плоские образцы В следующей серии опытов использовали образцы размером 200 х 50 мм из тех же материалов и толщиной обоих слоев - 20 мм. При ВДС плакирующий медный слой контактировал с монтажной плитой, а основной - с теКнологиче-

ской рубашкой. Таким образом имитировался процесс внутреннего плакирования с применением технологической рубашки высокой жесткости. Диапазон изменения ширины каналов Ь = 10 - 24 мм выбирался с учетом результатов предыдущей серии опытов. Установлено существенное влияние наличия жесткой технологической рубашки на сохранение свободного сечения каналов. Как следует из графика (рис. 6, линия 2) ширина канала может в таком случае выбираться до значений Ъ— 16-18 мм, что способствует повышению эффективности охлаждения корпуса.

Экспериментально доказана нецелесообразность изготовления каналов охлаждения в плакирующем материале, т.к. за счет его пластической деформации под действием температуры и давления ВДС происходит значительное искажение исходной (прямоугольной) формы каналов и уменьшение площади их поперечного сечения. Так, при ширине каналов Ь— 10 мм значение коэффициента свободного сечения К^ составило всего 0,25 - 0,4.

Призматические образцы с выполненными в них каналами различной ширины Ь использовали также для определения прочности сварного соединения. Для этого применялись стандартная методика и "образцы-стаканчики", используемые радом авторов для оценки прочности на отрыв ав слоев биметаллического материала. Испытания большого количества образцов, вырезанных из межканальных перегородок биметалла, позволили сделать заключение о том, что с ростом площади каналов ^ наблюдается'существенное увеличение прочности соединения (рис. 7, линия 1). Это объясняется уменьшением фактической площади контакта между слоями биметалла, что в свою очередь вызывает рост удельного усилия сжатая поверхностей при ВДС.

Полученные результаты, которые хорошо согласуются с результатами исследований Н. Ф. Казакова, позволили уточнить режимные параметры ВДС, в частности, время сварки гсв. Для определения этого параметра получена зависимость

тсв= 253 -33,3-^2-4-- (12)

Го-Рк

__.

' ИПа Г Г

1

300 -------:— '

1 • . . '

250 ------- '

' , ^^ у '

200 -----

150 —-------

. 'Hi".'ш: ; ••: I • ,

100 ——-1—--——1——

*. 1Г1.-. ,". 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 П,Т.

Рис. 7 Зависимость прочности на отрыв сгв от площади каналов FK:

1 - для образцов из межканальной области биметалла; 2 - для образцов из граничной с каналом Ьбласти биметалла

... ( 1

1-

К'

-А-—" -..г-

:i Г! ■¡и: 1 • t •■

Результаты серии экспериментов по оценке прочности биметалла в области, граничащей с каналами, позволили установить,'что прочность сварки (ст„) в этой части конструкции'практически та же, что й Для других участков поверхности биметалла. . • ■■ •■■>••

В рамках данной работы были также Проведены экспериментальные исследования влияния термического воздействия, возникающего при сварке плавлением, на прочность биметалла (сталь-медь). В качестве объекта для испытаний была выбрана биметаллическая трубная решетка с толщиной основного слоя 16 мм, а плакирующего - 4 мм.

В результате установлено, что соединение сваркой плавлением толстостенных элементов по основному слою не оказывает существенного влияния на прочность соединения слоев биметалла. Это объясняется тем, что температура в зоне термического влияния не достигает значений, вызывающих нарушение прочности диффузионного соединения. Для исследуемой конструкции эта величина составляет 340 - 360 °С.

В то же время присоединение элементов конструкции со стороны плакирующего слоя в режиме термоциклирования приводит к уменьшению прочности сцепления слоев биметалла на 35 - 40 %. В работе даны практические рекомендации по совершенствованию режимных параметров сборки теплообменной аппаратуры из биметалла.

В четвертой главе представлены различные рекомендации по практической реализации результатов работы.

В рамках данной работы предложен ряд принципиально новых конструкций, способов изготовления и технологической оснастки, повышающих эффективность систем охлаждения корпусных изделий и технологичность их изготовления. ' .'„

В частности предложено:

• изготавливать плакирующий слой в виде обечайки с незамкнутым по образующей контуром, причем начальный зазор между продольными кромками 8 следует определять по следующей зависимости

Это позволяет обеспечить требуемый контакт плакирующего и основного слоев и, как следствие, повысить качество ВДС;

• плакирующий слой изготавливать с выступами высотой А/== (0,1 - 0,3)й различной формы и расположения, что повышает жесткость конструкции, снижает ее металлоемкость и эффективность теплообмена за счет турбулизации потока теплоносителя;

• использовать арочную конструкцию-плакирующего слой, перекрывающего каналы охлаждения, и технологию ее получения; ''

• приспособление для надежной герметизации технологической рубашки, которое также используется для ее удаления после ВДС;

• применять при серийном выпуске корпусных цилиндрических деталей из биметалла принципиально новую конструкцию технологической рубашки многократного использования;

(13)

■ .на стадии выхода параметров процесса ВДС на заданный режим создать в печи предварительное давление Рпр. Начало этого технологического приема должно соответствовать моменту достижения остаточного.¡давления в сборке нижнего предела рабочего диапазона применяемого течеискателя. Это позволяет зафиксировать нарушение герметичности технологической рубашки еще до начала нагрева, Циклограмма предложенного технологического .процесса ВДС обечайки диаметром 1000 мм, высотой'.Д500 мм, толщиной стенки 28 мм показана на рис. 8. Величина Рпр составляла 4 МПа при Рсп = 3,9 МПа.

Т„р

1 ~ г

, Рис. 8Циклограмма предложенного технологического процесса ВДС

Работа завершается описанием конкретных примеров использования методик расчета, рекомендаций по конструированию и технологии изготовления химической аппаратуры, а также специального оборудования, для проведения физических исследований и медицинской техники.

Р

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Разработаны новые, конструкции водоохлаждаемых биметаллических корпусов аппаратов различного назначения и получены теоретические и экспериментальные зависимости, связывающие режимные параметры ВДС с геометрическими параметрами, расположением и количеством каналов охлаждения в этих конструкциях, что позволяет существенно повысить эффективность 1епло-обмена и сократить энергозатраты при изготовлении и эксплуатации корпусов.

2 Разработана, математическая модель процесса теплообмена в аппаратах с канальной системой охлаждения биметаллического корпуса, которая совместно с уравнениями теплового баланса и критериальными уравнениями позволяет определить рациональные конструктивные размеры и эксплуатационные характеристики корпусов с внутренними каналами. .. .

' 3 Разработана методика расчета на прочность элементов биметаллического корпуса с каналами охлаждения, исходя из заданной прочности соединения составляющих ! биметалла, позволяющего обеспечить работоспособность этих элементов.

4 На основании анализа экспериментальных исследований получена зависимость, устанавливающая время" процесса ВДС при обеспечении заданной прочности, что позволяет снизить энергозатраты на 12 - 15 %.

5 Создана оригинальная экспериментальная'установка с использованием тепловизионной системы "Радуга", позволяющая на основе дбстоверной и наглядной информации (термограммы) о термокинетических'п^Ьцессах и в условиях имитации реальных параметров водоохлаждаемого корпуса аппарата,.подтвердить полученные результаты теплового расчета.

6 Экспериментально установлено,' что для получения', работоспособной-конструкции при изготовлении корпусных деталей из биметалла (сталь-медь) методом ВДС с использованием жесткой (Ар > 6 мм) , технологической рубашки ширина канала Ь не должна превышать 16 - 18 Йм, а межканальное расстояние t должно быть не менее Ь.

7 Разработаны и рекомендованы к внедрены на ОАО "Завод'Комсомолец" новые конструкции, приспособления и способы изготовления биметаллических изделий с применением ВДО, признанные изобретениями (патенты РФ № 2087285, 2087286, 2123917; а.с. СССР № 1799705)..

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ' ;>

b, h, I - ширина; глубина и длина канала охлаждения, соответственно, мм; tj - расстояние между каналами, мм;

D/ - диаметр аппарата, мм; . -

Аосн. Лпл - толщина основного и плакирующего слоев биметалла, мм; ТСВ;РСЪ, тсв, Рост - температура, давление, время достаточное давление.вакуума при ВДС, соответственно; .,'/ ''

Р - давление внутри канала, Па; ,

Р01р - усилие отрыва, Па;

0„. - прочность биметалла на отрыв, Па; '

см, П2, «з. «4 - коэффициенты теплоотдачи от стенки корпуса и окружающей

среды, к теплоносителю и реакционной среде, соответственно, —— ;

м -ЧС .

7ь 7'г. 7з> Та - температуры, соответственно, окружающей среды, теплоносителя и внутри аппарата, °С;

• Вт

X , - коэффициент теплопроводности, -^рг-

М * V*.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ

1 Артемов Н. С., Богуш В. А. Изготовление крупногабаритных биметаллических и триметаллических аппаратов диффузионной сваркой // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки: Тез. докл. XII Всесоюз. науч.-техн. конф. - Москва, 1987. - С. 40 - 44. '

2 Артемов Н. С., Богуш В. А Технология изготовления криогенных насо-соа // Роль молодых конструкторов и исследователей в отрасли насосостроения и реализации задач ускорения научно-технического прогресса: Тез. докл. отрасл. науч.-практич. конф. - Рига, 1989. - С. 26.

.... ■ . ' v>

3 Артемов H. С., Колесов И. В., Богуш,В. А. Гульбекян Г. Г. Разработка конструкции и технологии изготовления' баков и штоков резонаторов изохронного циклотрона тяжелых ионов У-400. М / Сообщ. объединенного ин-та ядерных исслед. - Дубна, 1989. - 8 с.

4 Артемов Н. С., Богуш В. А.| Першин В. Ф. Разработка конструкции и .технология изготовления системы охлаждения толстостенных биметаллических аппаратов диффузионной сваркой // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки: Тез. докл. XIII Всесоюз. науч.-техн. конф. - Москва, 1990. - С. 61 - 63.

5 Артемов Н. С., Богуш В. А., Ткачев А. Г. Исследование влияния термических циклов сварки правлением на качество биметаллических трубных решеток // IV Всесоюз. конф. По сварке цветных металлов: Тез. докл. - Мариуполь, 1990. - С. 8485;

6 Артемов Н. С., Богуш В. Д., Ткачев А Г. Совершенствование технологии диффузионной сварки при изготовлении крупногабаритной биметаллической аппаратуры // Достижения' и перспективы развития диффузионной сварки: Тез. докл. ХП1 Всесоюзной научно-технической конференции. - Москва, Д990. С. 63 - 65.

' 7 Артемов Н: С., Богуш В. А., Васильев А. А и др. Разработка магншной и резонансной систем специализированного медицинского циклотрона МПЦ-10 // Сообщение института им. В. И. Курчатова. - Москва, 1990. - 28 с.

8 Богуш В. А, Горбунов Г. В., Карыев Л. Г., Федоров В. А Пайка меда и нержавеющей стали низкотемпературным припоем с использованием малокомпонентного флюса. - Москва, 1991. - 7 с. - деп. во ВНИИТЭМР, № 196 - мщ 90.

9 Артемов Н. С., Богуш В. А., Ткачев А. Г. Влияние термического воздействия на качество трубных решеток из биметаллов. Химическое и нефтяное машиностроение, 1992.-№ 8. - С. 33 - 34.

10 Артемов Н. С., Богуш В. А, Ткачев А. Г. Совершенствование технологии изготовления биметаллических трубных решеток. // II научная конференция ТГТУ: Тез. докл. - Тамбов, 1995. - С. 126.

11 Богуш В. А, Ткачев А Г. Рекомендации по конструированию и изготовлению аппаратов // П1 научная конференция ТГГУ: Тез. докл. - Тамбов, 1996. - С. 125.

12 Bogush V. A., Artemov N. S., Peishin V. Е., Tkachev¡A. G. The metods of design and calculations of reactors made ofcompozite metal with inside channels for cooling // '12-th Internationale Congress of Chimical and Process Engineering. • Praha, Crech Republic, 1996. - V 5. - P. 113.

13 BogiJch V. A., Negrov V. L, Barishnikova S. V., Peishin V. F. The metods of calculation of drum dryers //Proceedings of-the Second Israel Confeianse for Conveying and Handing of Particulate Solids. - Jerusalem Israel, 1997. - G 1260 - 1264.

14 A.c. № 1799705 СССР, МКИ B23K 20/00. Способ изготовления диффузионной сваркой биметаллических сосудов // Н. С. Артемов, В. А. Богуш, А. Г, Ткачев. - Опубл. Б.И. 1993, Na 9. -

15 Патент № 2087285 Росрия, МКИ В23К 20/00. Способ изготовления биметаллических сосудов / Н. С. Артемов, В. А. Богуш, В. Ф. Першин, А. Г. Ткачев. - Опубл. Б.И. 1997, № 23. - ' -

16 Патент № 2087286 Россия, МКИ В23К 20/00. Способ изготовления биметаллических сосудов / Н. С. Артемов, В. А. Богуш, В. Ф. Першин, А. Г: Ткачев. - Опубл. Б.И. 1997, № 23.

17 Патент № 2123917 Россия» МКИ В23К 20/00. Способ изготовления биметаллических сосудов / Н. С. Артемов, В. А. Богуш, В! Ф. Першин, А. Г. Ткачев. - Опубл. Б.И. 1998,ф|Ь 36-

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Использование биметаллов в химическом машиностроении и других отраслях промышленности.

1.2. Анализ известных способов принудительного охлаждения (нагревания) корпусных деталей оборудования

1.3. Анализ методов получения биметаллов.

1.4. Получение биметаллических изделий методом вакуумно-диффузионной сварки.

1.5. Выводы и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОРПУСА АППАРАТА.

2.1. Обоснование конструкции и формы каналов охлаждения биметаллического корпуса.

2.2. Разработка математической модели и методики теплового расчета системы охлаждения биметаллического корпуса аппарата.

2.2.1. Математическое моделирование процесса переноса тепла и решение стационарной задачи теплопроводности для неограниченного бруса.

2.2.2. Разработка методики и программы расчета теплообмена реактора с водоохлаждаемым корпусом.

2.3. Расчет на прочность и жесткость элементов биметаллического корпуса с каналами терморегулирования

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ

ТЕРМОКИНЕТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНО -ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ АППАРАТОВ С КАНАЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ (НАГРЕВА

НИЯ) КОРПУСА.

3.1. Экспериментальные исследования тепловых процессов в корпусе аппарата с внутренними каналами охлаждения.

3.1.1. Описание экспериментальной установки и объекта исследования.

3.1.2. Методика проведения и обработки экспериментальных данных.

3.1.3. Анализ результатов экспериментов и выводы.

3.2. Экспериментальные исследования влияния конструктивных и технологических факторов на качество биметаллических изделий с каналами охлаждения.

3.2.1. Описание опытно-промышленной установки для проведения ВДС.

3.2.2. Методика проведения и результаты исследования.

3.3. Экспериментальные исследования прочности сварного соединения сталь-медь.

3.4. Экспериментальные исследования влияния термического воздействия на качество биметалла (сталь-медь).

ГЛАВА 4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ ВДС.

4.1. Новые конструктивные решения и способы изготовления элементов канальной системы охлаждения.

4.2. Рекомендации по совершенствованию технологической оснастки для ВДС.

4.3. Оптимизация режимных параметров ВДС.

4.4. Практическое использование результатов исследований.

Важной особенностью развития машиностроительных отраслей промышленности на современном этапе является необходимость создания нового, высокоэффективного оборудования с использованием современных технологий и материалов.

Учитывая все возрастающую стоимость конструкционных материалов, перед разработчиками вновь создаваемых машин и аппаратов ставится задача всемерно использовать очевидные преимущества многослойных материалов, например, биметаллов.

Не менее важно, с точки зрения экономии энергоресурсов и обеспечения заданных режимов работы оборудования, разработать новые конструктивные решения систем охлаждения (нагревания) корпусных деталей машин и аппаратов, основанные на использование биметалла в качестве оптимального конструкционного материала.

Актуальность решения этой задачи особенно проявляется для оборудования, являющегося объектом химического машиностроения, в силу того, что оно часто эксплуатируется в условиях агрессивных сред, высокой температуры, давления или вакуума, имеет сложную форму корпусных деталей и их значительные габариты.

Применение в этом случае биметаллических материалов, созданных на основе традиционных технологий - совместной прокаткой или литьем, наплавкой, взрывом и т.п., представляется малоэффективным из-за необходимости проведения деформирующих методов обработки (вальцовка, штамповка, резка и др.), наличия большого количества сварных швов и, как следствие, низкого качества получаемых изделий.

В этой связи большой интерес представляет использование широких возможностей для создания крупногабаритного биметаллического оборудова8 ния способа вакуумно-диффузионной сварки (ВДС), разработанного и освоенного на Тамбовском АО «Комсомолец» [1,2].

Уникальная по своим техническим возможностям установка для изготовления биметаллических и триметалличееких крупногабаритных аппаратов (до 4000 х 2100 мм) с помощью диффузионного соединения различных материалов в вакууме, используется в настоящее время для: изготовления теплооб-менного и другого химического оборудования; создания специальных биметаллических корпусных изделий для электрофизических установок, например, резонаторов линейных ускорителей протонов и медицинских циклотронов, водо-охлаждаемых деталей металлургического производства.

Использование технологии ВДС позволяет осуществить принципиально новые конструктивные решения в создании биметаллического оборудования, требующего принудительного охлаждения (нагревания) корпусных деталей.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике используется весьма ограниченное количество различных систем регулирования температуры корпуса аппаратов, конструкции которых в течении ряда лет не претерпевали каких-либо существенных изменений. Это, в первую очередь, водяные рубашки и змеевики различного исполнения, расположенные снаружи корпуса, что объясняет низкую эффективность теплоотдачи этих устройств из-за необходимости преодоления термического сопротивления материала корпуса.

Таким образом, задача создания принципиально новых систем регулирования температуры корпусных деталей химических аппаратов и других изделий, изготовленных из биметалла методом вакуумно-диффузионной сварки, представляется актуальной.

Целью работы является разработка и комплексное исследование принципиально новой конструкции крупногабаритных биметаллических корпусных деталей оборудования с внутренними каналами охлаждения (нагревания), изготовленных методом вакуумно-диффузионной сварки (ВДС). 9

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений.

В первой главе раскрыты перспективы использования многослойных материалов в химической и других отраслях промышленности. Представлен анализ известных способов принудительного охлаждения (нагревания) корпусных деталей оборудования, отмечены их преимущества и недостатки. На основании литературных данных проведено сравнение эффективности использования различных способов получения биметаллических материалов для создания корпусов аппаратов с внутренними каналами охлаждения.

Отмечено, что наиболее перспективным направлением в создании исследуемых конструкций является использование широких возможностей ваку-умно-диффузионной сварки и, в частности, технологии и оборудования, разработанного на АО «Комсомолец».

Выводы, сделанные по содержанию рассмотренных в данной главе вопросов, позволили сформулировать цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена обоснованию конструкции и аналитическому расчету основных параметров системы охлаждения биметаллических корпусов. На основании исследований и обобщения производственного опыта предложена рациональная конструкция и форма канала охлаждения. Получено аналитическое решение стационарной задачи теплопроводности для неограниченного бруса с различными граничными условиями 3-го рода. На основе этого решения разработана математическая модель теплового расчета биметаллического корпуса аппарата с каналами охлаждения.

Программа расчета для РС 1ВМ позволила рассчитать основные конструктивные и эксплуатационные характеристики конкретного аппарата для прямой гидратации этилена. В этой главе приводится методика расчета на прочность элементов биметаллического соединения сталь-медь, позволяющая уточнить геометрические размеры каналов охлаждения корпуса с точки зрения прочности конструкции.

10

Третья глава посвящена описанию методик проведения и анализа результатов комплексных экспериментальных исследований влияния термокинетических и конструктивно-технологических факторов на эффективность работы корпусов аппаратов с внутренними каналами охлаждения.

Получены данные о состоянии температурного поля экспериментального модуля в условиях имитации реальных параметров работы водоохлаждаемого корпуса аппарата. Сравнение данных эксперимента и результатов расчета позволило дать заключение об адекватности математической модели, используемой для теплового расчета конструкции.

С помощью опытно-промышленной установки для проведения ВДС крупногабаритных изделий, описание которой дано в данной главе, проведены эксперименты с натурными биметаллическими образцами.

Обработка результатов экспериментов позволила дать рекомендации по рациональному конструированию элементов объекта исследования, подтвердить результаты расчета на прочность.

В четвертой главе дано описание принципа действия и конструкции принципиально новых решений отдельных элементов биметаллических корпусов, а также технологической оснастки для проведения ВДС в оптимальных технологических режимах.

В этой главе приведены примеры практического использования результатов исследования, внедренных в производство.

Выводы по работе завершают основное содержание диссертации.

В приложении приведены отзывы предприятий, эксплуатирующих оборудование, изготовленное с учетом рекомендаций и технологии, сформулированных по материалам данной работы, представлены программы теплового и прочностного расчетов.

Результаты работы использовались:

11

• при разработке и промышленном освоении оборудования и технологии вакуумно-диффузионной сварки (ВДС) крупногабаритных изделий химической и других отраслей промышленности и науки на Тамбовском АО «Комсомолец»";

• при разработке конструкций и технологий изготовления крупногабаритных изделий с принудительным охлаждением корпусных деталей.

Основное содержание работы изложено в 13 публикациях, 4 авторских свидетельствах и патентах.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались :

• на XII и XIII Всесоюзных научно-технических конференциях «Достижения и перспективы развития диффузионной сварки», М., 1987 и 1990гг.;

• на отраслевой научно-практической конференции «Роль молодых конструкторов и исследователей в отрасли насосостроения и реализации задач ускорения научно-технического прогресса», Рига, 1989;

• на IV Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов, Мариуполь, 1990;

• на XII Международном конгрессе химического машиностроения и конструирования химического оборудования, CHISA-96, Прага, Чехия, 1996;

• на II Израильской конференции по переработке и транспортировке сыпучих материалов, Иерусалим, Израиль, 1997;

• на II и III научно-технических конференциях ТГТУ в 1995 - 96гг.

На защиту выносятся следующие результаты работы, имеющие научную новизну и практическую ценность.

12

1. Новые конструкции корпусных деталей с внутренними каналами и технология их изготовления.

2. Математическая модель процесса теплообмена в аппаратах с канальной системой охлаждения (нагревания) корпуса.

3. Методика расчета на прочность элементов биметаллического корпуса с внутренними каналами.

4. Методика, средства и результаты комплексного экспериментального исследования влияния конструктивно-технологических факторов на эффективность изготовления и эксплуатации корпусных деталей аппаратов с внутренними каналами охлаждения.

5. Практические рекомендации по конструированию и изготовлению методом ВДС крупногабаритных изделий машиностроения.

13

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведенный анализ источников технической информации показал, что к настоящему времени отсутствуют данные о теоретических и экспериментальных исследованиях, посвященных проблеме создания конструкций крупногабаритных корпусных деталей с расположением каналов терморегулирования непосредственно в стенке биметаллического корпуса. Наиболее рациональным способом изготовления биметаллических соединений является метод вакуумно-диффузионной сварки (ВДС).

2. Разработаны новые конструкции водоохлаждаемых биметаллических корпусов аппаратов различного назначения и получены теоретические и экспериментальные зависимости, связывающие режимные параметры ВДС с геометрическими параметрами, расположением и количеством каналов охлаждения, что позволяет существенно повысить эффективность теплообмена и сократить энергозатраты при изготовлении корпусов.

3. Разработана математическая модель процесса теплообмена в аппаратах с канальной системой охлаждения биметаллического корпуса, которая совместно с уравнениями теплового баланса и критериальными уравнениями позволяет определить рациональные конструктивные размеры и эксплуатационные характеристики корпусов с внутренними каналами.

4.Разработана методика расчета на прочность элементов биметаллического корпуса с каналами охлаждения, исходя из заданной прочности соединения составляющих биметалла, позволяющего обеспечить работоспособность этих элементов.

5. На основании анализа экспериментальных исследований получена зависимость, устанавливающая время процесса ВДС при обеспечении заданной прочности, что позволяет снизить энергозатраты на 12ч-15 %.

153

6.Создана оригинальная экспериментальная установка с использованием те-пловизионной системы «Радуга», позволяющая на основе достоверных и наглядной информации (термограммы) о термокинетических процессах и в условиях имитации реальных параметров водоохлаждаемого корпуса аппарата подтвердить полученные результаты теплового расчета.

7.Экспериментально установлено, что для получения работоспособной конструкции при изготовлении корпусных деталей из биметалла (сталь-медь) методом ВДС с использованием жесткой (Ьр>6 мм) технологической рубашки ширина канала Ъ не должна превышать 16ч-18 мм, а межканальное расстояние / должно быть не менее Ъ.

8.Установлено, что важную роль в осуществлении ВДС биметалла с внутренними каналами играет жесткость технологической рубашки, толщина которой должна быть не менее 6 мм.

Экспериментально доказана приемлемость выбранной расчетной схемы, используемой при аналитическом определении параметров прочности конструкции, в частности, сил отрыва Р отр при работе корпуса аппарата под вакуумом.

10.На основании проведенных исследований предложены новые конструкции и способы изготовления биметаллических корпусов с каналами охлаждения, признанные изобретениями и направленные на повышение технологичности изделий и эффективности их работы:

• способ изготовления биметаллических корпусов, позволяющий снижать материалоемкость конструкции, прочность теплопередающей стенки канала и эффективность теплообмена, за счет изготовления плакирующего слоя с выступами определенных размеров и формы [89];

• способ изготовления технологических корпусов, при котором, за счет специальных технологических приемов и приспособлений, обеспечивается изготовление каналов охлаждения оригинальной конструкции, что

154 позволяет устранить проседание плакирующего слоя, повысить прочность и надежность работы системы охлаждения [88];

• способ изготовления биметаллических корпусов, включающий использование жесткой технологической рубашки многоразового использования, что позволяет уменьшить материалоемкость изделия, трудоемкость изготовления, повысить качество ВДС [91];

• способ изготовления биметаллических сосудов, позволяющий за счет изменения режимных параметров обеспечить надежность ВДС а, следовательно, и качество изделий [92].

11. Использование на стадии конструирования и изготовления расчетных методик, изложенных в работе рекомендаций, новых конструкций и технологий, позволило наладить на АО «Комсомолец» серийный выпуск крупногабаритных химических аппаратов и корпусных деталей из биметалла для химической и металлургической промышленности, а так же для создания уникального оборудования для исследований в области ядерной энергетики и медицины.

155

1. A.c.342418 (СССР) Установки для изготовления биметаллических сосудов диффузионной сваркой/Н.С. Артемов, В.И. Вайнштейн, A.B. Курамжин. 1972г.

2. А.с.428904 (СССР) Способ изготовления металлических сосудов/Н.С. Артемов, В.И. Вайнштейн, A.B. Курамжин. Опубл. Б.и. 1975, №19.

3. Гуммированные и биметаллические машины и аппараты химических производств. Макаров В.И., Бикченаев Т.А., Кадкевич В.Н. и др. М.: Машгиз, 1963. -275с.

4. Артемов Н.С. Повышение эффективности изготовления крупногабаритного биметаллического оборудования. М.:ИПК Труд, 1992. - 62с.

5. Основные направления и перспективы использования биметаллов в сельскохозяйственном и тракторном машиностроении. Лебедев В.Н., Кобелев А.Г., Кузнецов Е.В. и др. М.: ЦНИИТЭИтракторсельхозмаш, 1988. - 52с.

6. Биметаллические соединения. Чарухина К.Е., Голованенко С.А., Мастеров В.А. и др. М.: Металлургия, 1970. - 278с.

7. Химическое оборудование в коррозионностойком исполнении. Клинов И.Я., Удыма П.Г., Молоканов A.B. и др. М.: Машиностроение, 1970. - 591с.

8. Машины и аппараты химических производств. И.И. Поникаров, O.A. Перелы-гин, В.Н. Доронин и др. М.: Машиностроение, 1989. - 368с.

9. Левеншпиль О.В. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969. -458с.

10. Голованенко С.А., Устименко В.А., Меандров Л.В. Производство биметаллов // Сб. статей ЦНИИЧМ. Киев, 1965, вып.42. - 110с.

11. Артемов Н.С., Богуш В.А., Ткачев А.Г. Влияние термического воздействия на качество трубной решетки из биметаллов//Химическое и нефтяное машиностроение. 1992, №8, с. 33-34.

12. A.c. 1408659 Способ изготовления металлических сосудов/Н.С. Артемов, P.M. Венгров, В.Г. Комлев. Опубл. Б.и. 1990, №32.

13. Артемов Н.С., Колесов И.В., Богуш В.А., Гульбекян Г.Г. Разработка конструкции и технологии изготовления баков и штоков резонаторов изохронного цик156лотрона тяжелых ионов У-400М/Сообщ. объединенного ин-та ядерных исслед., Дубна, 1989. 8с.

14. Артемов Н.С. Современное оборудование и разработки Тамбовского акционерного общества "Завод "Комсомолец'7/Вестник ТГТУ. 1996, т.1-2, с.194-203.

15. A.c.1601126 (СССР) Способ изготовления кессона/А.В. Рыбин, О.В. Лачинов. -Опубл. Б.и. 1990, №39.

16. Плановский А.Н., Гуревич Д.А. Аппаратура промышленности полупродуктов и красителей. М.: Госхимиздат, 1961. - 504с.

17. Дидушинский Я. Основы проектирования каталитических реакторов. М. Химия, 1972. - 376с.

18. Долинин Н.П. Установки с высокотемпературными теплоносителями. М.: Машиностроение, 1973. - 244с.

19. Михаил Р., Кырлогану К. Реакторы в химической промышленности. JL: Химия, 1968. - 387с.

20. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. Л.: Госхимиздат, 1961. - 819с.

21. Бакиев A.B. Технология аппаратостроения: Учебное пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1995.-297с.

22. A.c. 1733888 (СССР) Устройство для охлаждения вращающейся печи/В.Д. Пет-раш, М.М. Полунин. Опубл. Б.и. 1992, №18.

23. A.c. 1394018 Устройство для охлаждения вращающейся печи / В.Д. Петраш, Э.А. Гераскина, Л.К. Емельянов, М.М. Кочкин. Опубл. Б.и. 1988, №17.

24. A.c. 1432325 Устройство для охлаждения корпуса вращающегося барабана/ Г.Г. Янцен. Опубл. Б.и. 1988, №39.

25. A.c. 1502941 Устройство для охлаждения корпуса вращающегося барабана / В.В. Артамонов, М.Х. Ахмедина. Опубл. Б.и. 1989, №31.

26. A.c. 1504483 Устройство для охлаждения вращающейся печи / В.В. Добрынин, Ф.Н. Лисин, В.А. Зорков, В.Г. Цыцкин. Опубл. Б.и. 1990, №18.

27. Основы металлургии, т.7. Технологическое оборудование предприятий цветной металлургии. / Под ред. И.А. Стригина, А.И. Басова, Ф.П. Ельцева, A.B. Троицкого. М.: Металлургия, 1975. - 1008с.

28. Быков A.A. Состояние производства биметаллов и перспективы его развития // Сталь.- 1982, №7, с.61-64.

29. Голованенко С.А. Сварка прокаткой биметалла. М.: Металлургия, 1977. -158с.

30. Irwing R.R. Designess take second look at clad plate products // Iron age Metal-working Intern. 1977, № 2, p.28.

31. Голованенко С.А., Меандров JI.В. Производства биметаллов. М.: Металлургия, 1966. - 304с.

32. Дмитров Л.Н., Кузнецов Е.В. Биметаллы. Пермь, 1991. - 415с.

33. Биметаллический прокат. Засуха П.Ф., Корщиков В.Д., Бухвалов О.Б. и др. -М.: Металлургия, 1971. 264 с.36.

34. Меандров Л.В., Устименко В.А. Исследование деформации слоев биметалла при обработке давлением // Изв. вузов: Черная металлургия, 1963, № 11, с.58-60.

35. Меандров Л.В., Быков A.A., Устименко В.А. Влияние технологических факторов на прочность сцепления слоев в биметалле // Бюллетень ЦНИИЧМ. 1963, № 20, с.40-42.

36. Хорошилов Н.М., Мушкевич В.Ф., Остапенко В.М. и др. Улучшение качества биметалла // Черная металлургия, Бюл. научн.-техн. ин-ции, 1985, № 4, с.55-56.

37. Каленский В.К., Панчишин Ю.А., Семенихин A.B. и др. Особенности получения высококачественных биметаллических листов прокаткой заготовок, наплавленных электродными лентами // Автоматическая сварка. 1988, №4, с.49-51.

38. Гарбуз H.A. Биметаллическое производство // Труды Иркутского политехи, инта, вып. 8, 1956, с.3-18.

39. Киссельман М.А. Прогрессивная технология электрошлакового литья биметаллических заготовок // Электротехника. 1987, № 6, с.62-63.

40. Андреев А.Л., Андреева Г.С., Волохонский Л.А. и др. Электрошлаковое литье биметаллических заготовок (сталь + медь) // Электротехническая промышленность, сер. Электротермия. М.: Информэлектро, 1980, Вып.6 (214), с. 15-17.

41. Богуш В.А., Горбунов Г.В., Карыев Л.Г., Федоров В.А. Пайка меди и нержавеющей стали низкотемпературным припоем с использованием малокомпонентного флюса. М., 1991. - 7с. - Деп. во ВНИИТЭМР, № 196-МШ90.

42. Конон Ю.А., Первухин Л.Б., Чудновский А.Д. Сварка взрывом. М.: Машиностроение, 1987. - 186с.J158

43. Дерибас A.A. Физика упрочнения и сварка взрывом. Новосибирск: Наука, 1980. - 220с.

44. Дерибас A.A., Бланк В.А. Упрочнение взрывом деталей дорожностроительных машин и других конструкционных элементов. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1987. -24с.

45. Седых B.C., Казак H.H. Сварка взрывом и свойства сварных соединений. М.: Машиностроение, 1971. - 71с.

46. Применение энергии взрыва для сварки и резки металлов, получения новых материалов и упрочнения деталей // Сб. под ред. Павлова А.И. М.: ЦИНТИ-ХИМнефтемаш, 1968. - 85с.

47. Ключников P.M., Ильин П.С., Коберев А.Г., Кузнецов Е.В. Особенности технологии планирования нержавеющей стали медью // Черная металлургия. Бюл. НТИ, 1981, №4, с.32-34.

48. Двухслойные стали в химическом машиностроении. Гладыревская С.А., Меандров J1.B., Голованенко С.А. и др. М.: Машиностроение, 1965. - 152с.

49. Дерибас A.A., Кудинов В.М., Матвеенков Ф.И. Сварка металлов взрывом. В кн. Высокопроизводительные методы сварки в химическом и нефтяном машиностроении (сварка взрывом). - М.: ЦИНТИХИМнефтемаш, 1965, с.36-45.

50. Кудинов В.М., Коротеев А.Я. Сварка взрывом в металлургии. М.: Металлур-I гия, 1978. - 282с.

51. А.с.217928 (СССР) Способ изготовления сваркой взрывом деталей с внутренними полостями/А.А. Дерибас, В.М. Кудинов, Ф.И. Матвеенков и др. Опубл. Б.и. 1971, № 24.

52. Асаки Касей Коче К.К. Син-Ниппон сэйгэцу К.К. Способ приварки взрывом к основному материалу с канавками / Заявка № 63-31313. Опубл. 1988, № 2. -783с.

53. Гельман A.C. Основы сварки давлением. М.: Машиностроение, 1970. - 312с.

54. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка материалов. М.: Машиностроение, 1976. -312с.

55. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М.: Машиностроение, 1968. -332с.

56. Казаков Н.Ф. О процессе образования соединения материалов при диффузионной сварке // Сварочное производство. 1973, № 9, с.48-50.

57. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976. - 263с.159

58. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе. -М.: Наука, 1971,- 120с.

59. Демкин И.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. -227с.

60. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986. -280с.

61. Schwartz М.М. Diffusion welding, Modern metal joining techiques // John Wilay & sons. 1969, №6, p.14.

62. Owezarcki W.A., Paulonis D.R. Application of diffusion welding in the USA // Welding Journal. -1981, № 2, p.22-31.

63. Диффузионная сварка материалов: Справочник / Под ред. Н.Ф.Казакова. М.: Машиностроение, 1981. - 271с.

64. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки. В.А. Багин, В.Ф. Квасницкий, Д.И. Котельников и др.: Под ред. В.А. Бачина. М.: Машиностроение, 1991. - 352с.

65. A.c.1006136 (СССР) Установка для получения биметаллических труб диффузионной сваркой / Е.А. Резников, Р.Г. Хецфец, Ю.И. Розенгарт и др. Опубл. Б.и. 1983, № 11.

66. A.c. 1493425 (СССР) Способ получения биметаллических труб диффузионной сваркой / B.C. Санелкин, Ф.И. Кивенко, П.И. Федоренко и др. Опубл. Б.и.1989, №26.

67. A.c. 1567341 (СССР) Способ изготовления профильных изделий с продольными внутренними каналами / Ю.Г. Ермаков. Опубл. Б.и. 1990, № 20.

68. Такичава Хироси К.к. Кобэ сэйкосе № 62 - 101174. - Опубл. 07.11.88. / Кокай токке кохо. Сер. 2(2), 1988. - с.503-509.

69. A.c.910381 (СССР) Способ диффузионной сварки / Б.Г. Дроздов, К.В. Кали-берда, A.A. Пирогов. Опубл. Б.и. 1982, № 9.

70. Артемов Н.С. Изготовление крупногабаритных аппаратов вакуумно-диффузионной сваркой // Химическое и нефтяное машиностроение. 1980, № 10, с.18-19.

71. Шелочник М.М., Колесников A.C. Теплопередача в аппаратах с приварными или залитыми в стенку нагревательными элементами // Химическая промышленность. 1952, № 12, с.14-17.160

72. Долинин Н.П. Теплопередача в аппаратах с наружными змеевиковыми нагревателями и определение их поверхностей нагрева // Химическая промышленность, 1960, № 3, с.58-65.

73. Пятов Л.И., Наумова В.Н. Термические расчеты и автоматизация тепловых процессов в легкой промышленности. М.: Легкая индустрия, 1972. - 240с.

74. Плановский А.Н., Ромм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1967. - 433с.

75. Справочник по теплообменникам: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987. -Т.1. - 559с.

76. Кошлаков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. М.: Физматиздат, 1962. - 767с.

77. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов./ П.Г. Романков и др. СПб.: Химия, 1993. - 496с.

78. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: Химия, 1968. - 845с.

79. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1970. - 543с.

80. Синицин А.П. Расчет балок и плит на упругом основании за пределами упругости. М., 1974. - 175с.

81. Жемочкин Б.Н., Синицин А.П. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. М.: Госстройиздат, 1962. - 204с.

82. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений/Под ред. Т.С. Хуанга: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1984. - 224с.

83. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химической технологии. Л.: Химия, 1975. - 48с.

84. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978. - 319с.

85. Артемов Н.С., Богуш В.А. Изготовление крупногабаритных биметаллических и триметаллических аппаратов диффузионной сваркой // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. Тез. докл. XII Всесоюз. науч.-техн. конф., 1987, с.40-44.

86. Патент № 2087285 (Россия) Способ изготовления биметаллических сосудов. / Артемов Н.С., Богуш В.А., Першин В.Ф., Ткачев А.Г. Опубл. Б.и. 1997, № 23.

87. Патент № 2087286 (Россия) Способ изготовления биметаллических сосудов. / Артемов Н.С., Богуш В.А., Першин В.Ф., Ткачев А.Г. Опубл. Б.и. 1997, № 23.

88. Якушев А.И., Воронцов JI.H., Федотов Н.М. Основы взаимозаменяемости, стандартизации и технических измерений. М.: Машиностроение, 1986. - 352с.

89. Патент №2123917 Способ изготовления биметаллических сосудов/Артемов Н.С., Богуш В.А., Першин В.Ф., Ткачев А.Г. Опубл. Б.и. 1998, №36.

90. А.с. 1799705 (СССР) Способ изготовления диффузионной сваркой биметаллических сосудов/Н.С. Артемов, В.А. Богуш, А.Г. Ткачев. Опубл. Б.и. 1993, №9.

91. Артемов Н.С., Богуш В.А., Ткачев А.Г. Исследование влияния термических циклов сварки плавлением на качество биметаллических трубных решеток // IV Всесоюз. конф. по сварке цветных металлов: Тез. докл. Мариуполь, 1990, -с.84-85.

92. Артемов Н.С., Богуш В.А., Васильев А.А. и др. Разработка магнитной и резонансной систем специализированного медицинского циклотрона МПЦ-10 / Со-общ. ин-та атомной энергии им. И.В. Курчатова. Москва, 1990. - 28с.

93. Boguch V.A., Negrov V.L., Barishnikova S.V., Pershin V.F. The metods of calculation of drum dryers. Proceedings of the Second Israel Conferanse for Conveying and Handing of Particulate Solids, Jerusalem Israel, 1997. - c. 12.60-12.64.