Способ изготовления трубчатого теплообменного элемента и трубчатый теплообменный элемент

007118 Изобретение относится к механической обработке металлов, в частности к способу изготовления трубчатых теплообменных элементов, а именно к способу изготовления трубчатых теплообменных элементов заданного сечения, включающему выполнение на поверхности трубчатого элемента оребрения предпочтительно методом деформирующего резания и при необходимости выполнение изгиба на неоребренном участке теплообменного элемента. Изобретение относится также к трубчатому теплообменному элементу, имеющему заданное сечение, на центральном участке внешней поверхности которого выполнены элементы оребрения, а концевые участки выполнены круглыми. Трубчатые теплообменные элементы в зависимости от конкретной формы исполнения могут быть использованы в теплообменных аппаратах различных типов для реализации теплообменных процессов при конвективном и конденсационно-испарительном теплообмене: теплообменники и радиаторы, конденсаторы и испаритель холодильных и криогенных машин, тепловые трубы, парогенераторы и т.д. При этом в зависимости от целей использования (типа теплообменного аппарата) выбирают геометрическую форму теплообменных элементов, в частности геометрическую форму сечения оребренного участка теплообменного элемента, которая, как и профиль оребрения, оказывает влияние на теплофизические параметры теплообменного элемента и теплообменного устройства в целом. Наиболее отработанными в настоящее время являются способы выполнения оребрения трубчатых элементов круглого сечения [1, 2, 3],которые исключают технологическую операцию получения трубчатой заготовки, форма поперечного сечения которого отлична от круглого. Однако, в ряде случаев целесообразным является использование теплообменных элементов условно прямоугольного сечения. В таких случаях оребрение выполняют на заготовке требуемой длины, уже имеющей требуемую форму сечения по всей длине заготовки [4]. Для обеспечения возможности последующего монтажа теплообменных оребренных элементов в теплообменные блоки на каждом из теплообменных элементов устанавливают предпочтительно неразъемно путем припаивания, приклеивания и т.п. концевые участки предпочтительно круглого сечения, при необходимости профилированные в радиальном направлении. Такой способ, а также получаемый в результате его осуществления теплообменный элемент являются наиболее близкими по совокупности существенных признаков к заявляемым способу и теплообменному элементу. Описанный способ обеспечивает получение теплообменных элементов с заданным поперечным сечением оребренного участка и круглыми концевыми участками. Однако и описанный способ, и получаемые этим способом теплообменные элементы имеют ряд существенных недостатков. Прежде всего, иногда проблемой является поиск и/или изготовление трубчатых элементов заданного поперечного сечения с учетом необходимости позиционирования и крепления данного профиля при его дальнейшем оребрении. Заказ отдельных партий таких трубчатых элементов может значительно повысить стоимость теплообменных элементов. Кроме того, необходимость использования материалов, как то клей, припой и т.д., для формирования неразъемного соединения между центральным оребренным участком заданного сечения и концевыми участками круглого сечения предусматривает введение дополнительной технологической операции, которая, например, в случаях клеевого соединения значительно удлиняет технологический процесс, может ограничить использование теплообменного элемента в некоторых агрессивных средах, а также несколько изменяет характеристики теплопроводности теплообменного элемента в месте соединения участков. Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложение способа изготовления трубчатого теплообменного элемента с получением трубчатого теплообменного элемента, имеющего заданную, предпочтительно отличную от круглой, форму поперечного сечения на оребренном участке и круглое поперечное сечение на концевых участках, предназначенных для формирования разъемного соединения. При этом способ должен иметь более высокую технологичность и более низкую стоимость по сравнению с аналогичными способами изготовления трубчатых теплообменных элементов и обеспечивать получение теплообменных элементов, обладающих сравнимыми и более высокими показателями теплопроводности, устойчивости к различным агрессивным средам, а также надежности. В частности,полученные заявляемым способом теплообменные элементы должны иметь большую (по сравнению с изготовленными известными способами трубчатыми теплообменными элементами) теплообменную площадь при одинаковой площади канала. Кроме того, теплообменные элементы должны обеспечивать более простой их монтаж в теплообменные блоки, а также возможность изготовления радиатора, например, змеевикового типа из одного теплообменного элемента. Поставленная задача решается способом изготовления трубчатого теплообменного элемента заданного сечения, включающим выполнение на поверхности трубчатого элемента заданного сечения оребрения предпочтительно методом деформирующего резания за счет того, что перед выполнением оребрения на непрерывном трубчатом элементе круглого сечения формируют по меньшей мере один участок заданного сечения, смежный с двумя участками круглого сечения, причем при формировании участка заданного сечения формируют по меньшей мере один элемент крепления для последующего оребрения, и выполняют оребрение на сформированном участке заданного сечения при необходимости с последующим выполнением изгиба по меньшей мере на одном участке круглого сечения.-1 007118 В настоящее время известны различные способы выполнения оребрения на внешней поверхности трубчатых элементов, в частности, путем- установки на трубчатой оболочке металлических дисков и их фиксации на трубе посредством пластического деформирования трубчатой оболочки [2],- припаивания ребер к трубчатой оболочке [5],- сварки давлением при температуре 1450-1550 С тангенциально с натяжением подаваемой ленты и подаваемой в осевом направлении вращаемой трубчатой оболочки [3],- прокатки при осевой подаче вращающейся трубы между свободно вращающимися дисковыми давильными роликами, расположенными под углом к продольной оси трубы [6],и многие другие [7-10]. Однако, большинство упомянутых выше, а также других известных способов выполнения оребрения, в принципе, не могут быть применены в заявляемом способе, т.к. рассчитаны на оребрение трубчатых элементов круглого сечения. Поэтому с точки зрения авторов, наиболее эффективным, прежде всего в целях настоящего изобретения, является способ выполнения оребрения внешней поверхности трубчатых теплообменных элементов, известный специалистам в данной области техники как деформирующее резание. Описание некоторых особых форм реализации деформирующего резания можно найти в различных источниках информации [11-14]. Заявляемый способ предполагает выполнение на условно непрерывном трубчатом элементе чередующихся участков круглого и иного заданного сечения предпочтительно путем пластического деформирования, например холодной штамповки, холодного проката и т.п. При этом возможны формы реализации способа, когда на различных участках некруглого сечения формируют различные формы сечения. При формировании каждого участка заданного сечения заявляемый способ предполагает также формирование по меньшей мере одного элемента крепления для последующего оребрения. При этом в качестве предпочтительных элементов крепления для последующего оребрения в рамках настоящего способа рассматриваются осесимметричные пазы или выступы различной формы (круглые, треугольные,прямоугольные, трапециевидные и т.п.). В таких предпочтительных формах реализации элементов крепления обеспечивается простое и надежное позиционирование и механическое крепление каждого участка некруглого сечения в соответствующей оснастке при последующем его оребрении. После изготовления теплообменного элемента заданной формы и заданной длины его отрезают от непрерывного трубчатого элемента и посредством специальной оснастки оребряют участки некруглого сечения. При этом на каждом из участков некруглого сечения выбирают необходимый угол подрезания,направление подрезания и т.п. параметры оребрения. В связи с разработкой заявляемого способа изготовления трубчатого теплообменного элемента авторами настоящего изобретения разработан и испытан комплекс оборудования для его реализации, который включает, в частности, установку для профилирования заданных участков непрерывного трубчатого элемента со сменными штампами и роликовой отрезной головкой. Данный комплекс содержит большое количество новых технических решений высокого уровня, может быть использован также для получения профилированных в осевом направлении элементов иного назначения и является предметом отдельного изобретения. Кроме того, разработаны также оригинальная оснастка и инструменты для выполнения оребрения на профилированных заготовках, которые также подробно в рамках настоящего изобретения рассматриваться не будут. При этом следует отметить, что, в принципе, для оребрения профилированных заготовок могут быть использованы и стандартные оснастка и инструмент. В формах реализации, в которых изготавливают теплообменный элемент, содержащий несколько оребренных участков, разделенных участками круглого сечения, на участках круглого сечения можно выполнить изгиб заданной формы и под заданным(и) углом(ами). Это позволяет наиболее оптимальным образом, как с точки зрения технологичности, так и с точки зрения экономической эффективности, изготовить, например, радиатор змеевикового типа. Следует отметить, что заявляемый способ может быть реализован для широкого диапазона типоразмеров (диаметров) исходных трубчатых элементов, толщина стенок которых предпочтительно составляет от 1,0 до 5,0 мм. При этом толщину стенок и материал, из которого в соответствии с заявляемым способом изготавливают трубчатые теплообменные элементы, выбирают из условия, прежде всего,возможности применения метода деформирующего резания для оребрения, а также исходя из заданных характеристик среды-теплоносителя и теплопроводности теплообменного элемента и теплообменного устройства в целом. Поставленная задача решается также трубчатым теплообменным элементом, содержащим трубчатый элемент заданного сечения и размещенные на его внешней поверхности элементы оребрения, за счет того, что трубчатый теплообменный элемент дополнительно содержит два участка круглого сечения,смежные с участком первого заданного сечения, и при необходимости по меньшей мере один участок второго заданного сечения, не смежный с участком первого заданного сечения и смежный с участком второго заданного сечения участок круглого сечения, причем элементы оребрения размещены только на-2 007118 участках первого и второго заданного сечения, а все указанные смежные участки связаны между собой непрерывно. Выше, в связи с описанием способа изготовления трубчатого теплообменного элемента уже упоминалась возможность изготовления трубчатого теплообменного элемента, содержащего несколько чередующихся участков круглого сечения и заданного некруглого сечения с оребрением, а также исключительное удобство изготовления из таких, по сути, непрерывных теплообменных элементов, например радиаторов змеевикового типа. В таких формах реализации теплообменного элемента по меньшей мере на одном его участке круглого сечения выполнен изгиб. Также как уже было отмечено выше, возможны формы реализации заявляемого трубчатого элемента, в которых первое и второе заданные сечения выполнены различными. Достоинства и преимущества заявляемых способа изготовления трубчатого теплообменного элемента и изготовленного данным способом трубчатого теплообменного элемента ниже будут описаны при более подробном рассмотрении осуществления способа и изготовленных с его помощью некоторых форм реализации трубчатых теплообменных элементов со ссылкой на позиции чертежей, на которых изображены: фиг. 1 а) - схематичное изображение теплообменного блока, включающего трубчатые теплообменные элементы согласно изобретению; фиг. 1 б) - схематичное изображение фрагмента отдельного теплообменного элемента в увеличенном виде; фиг. 2 а)-г) - примеры возможных форм сечения оребренных участков; фиг. 3 - схематичное изображение радиатора змеевикового типа, выполненного из теплообменного элемента согласно изобретению. На фиг. 1 а) схематично изображен теплообменный блок, включающий трубчатые теплообменные элементы 1. Каждый из элементов 1 содержит концевые участки 2 круглого сечения и центральный участок 3 некруглого поперечного сечения с элементами 4 оребрения, расположенными на поверхностях 5 и 6. Концевые участки 2 предназначены для формирования разъемного соединения, в данном примере реализации посредством, например, резиновых колпачков 7 (см. фиг. 2) с соответствующим установочным отверстием (на чертеже позицией не обозначены). Каждый из теплообменных элементов 1 в данной форме реализации содержит только один центральный участок 3. Элементы 4 оребрения на участках 3 всех теплообменных элементов расположены в одном направлении. Для упрощения элементы 4 оребрения изображены не на всей длине участка 3, а только в его крайних зонах. На фиг. 1 б) в увеличенном виде представлен фрагмент теплообменного элемента 1 с установленным на его концевом участке 2 соединительным колпачком 7. На фиг. 2 а)-г) более подробно представлены некоторые из возможных форм выполнения формы поперечного сечения участка 3 (без элементов 4 оребрения) с элементами 8 крепления, расположенными парно осесимметрично. При этом элементы 8 крепления в соответствии с фиг. 2 а)-в) выполнены в виде осесимметричных пазов различной геометрической формы, а в соответствии с фиг. 2 г) - в виде выступов треугольной формы. На фиг. 3 схематично изображен радиатор змеевикового типа, выполненный из трубчатого теплообменного элемента 9 согласно изобретению. Теплообменный элемент 9 в данном примере выполнения содержит два концевых участка 10 круглого поперечного сечения и чередующиеся три участка 11, 12 и 13 некруглого поперечного сечения с элементами оребрения 14, расположенными на поверхностях 15 и 16, и два участка 17 и 18 круглого поперечного сечения без оребрения. Теплообменный элемент 9 изогнут в форме змеевика путем выполнения П-образных изгибов 19 и 20 на участках 17 и 18, соответственно, круглого поперечного сечения без оребрения и Г-образных изгибов 21 и 22 на концевых участках 10 круглого поперечного сечения. Как и в случае теплообменного элемента 1, элементы оребрения 14 изображены не на всей длине участков 11-13, а только в крайних зонах. Особенности осуществления заявляемого способа изготовления трубчатого теплообменного элемента с получением теплообменного элемента в различных формах реализации ниже будут рассмотрены на некоторых из примеров, при необходимости со ссылкой на позиции фиг. 1-3 чертежей. Изготовление трубчатого теплообменного элемента с одним участком оребрения Для изготовления трубчатого теплообменного элемента 1 берут стандартный непрерывный трубчатый элемент подходящего диаметра, изготовленный из подходящего теплопроводного и пластичного в смысле обработки методом деформирующего резания материала, выбранного из группы, включающей алюминий, медь, сплавы алюминия,сплавы меди и т.п. Толщина стенок непрерывного трубчатого элемента, пригодного для оребрения методом деформирующего резания, выбирается, как правило, не ниже 1,0 мм. От свободного конца непрерывного трубчатого элемента отступают расстояние, равное длине концевого участка 2. Посредством холодной штамповки (в соответствующем оборудовании устанавливают сменный штамп заданной формы и длины) формируют участок 3 заданного некруглого поперечного сечения и элементы 8 крепления. На расстоянии от конца сформированного участка 3, равном длине кон-3 007118 цевого участка 2, отрезают заготовку теплообменного элемента 1 от непрерывного трубчатого элемента круглого сечения. Для изготовления следующей заготовки описанные выше операции повторяют. В тоже время, при наличии соответствующего, предпочтительно автоматического или автоматизированного, оборудования операции формирования участка 3 и отрезания заготовки с уже сформированным участком 3 могут быть совмещены по времени с пошаговым сдвигом. Далее, изготовленную заготовку теплообменного элемента 1 устанавливают в оснастку для последующего оребрения (которая также может входить в состав комплекса для изготовления теплообменных элементов способом согласно настоящему изобретению), позиционируют и механически закрепляют посредством элементов 8 крепления. Методом деформирующего резания выполняют элементы 4 оребрения на поверхностях 5 и 6 предварительно сформированного участка 3. Готовый теплообменный элемент 1 вынимают из оснастки. Теплообменный элемент 3, в принципе, уже готов к установке в соответствующие теплообменные устройства. Однако, при необходимости на концевых участках 2 могут быть выполнены радиальные пазы для установки переходных или крепежных элементов. Изготовленный в соответствии с описанным выше трубчатый теплообменный элемент 1 (форма поперечного сечения согласно фиг. 2 б был сравнен по своим геометрическим и теплотехническим характеристикам с аналогичным теплообменным элементом, оребренный участок которого имел сравнимые размеры, но был выполнен из гофрированной трубы. Исходные параметры теплообменного элемента 1 и сравнительного теплообменного элемента приведены ниже в табл. 1. Таблица 1 Результаты сравнения выходных параметров теплообменного элемента 1 и сравнительного теплообменного элемента приведены ниже в табл. 2. Таблица 2 Из приведенных выше данных видно, что при сравнимых габаритах теплообменные элементы согласно изобретению имеют значительно большую суммарную площадь теплообмена и более эффективно снижают температуру среды-теплоносителя. Изготовление трубчатого теплообменного элемента с несколькими участками оребрения Для изготовления трубчатого теплообменного элемента 9 берут стандартный непрерывный трубчатый элемент подходящего диаметра, изготовленный из подходящего теплопроводного и пластичного в смысле обработки методом деформирующего резания материала, выбранного из группы, включающей алюминий, медь, сплавы алюминия, сплавы меди и т.п. Толщина стенок непрерывного трубчатого элемента, пригодного для оребрения методом деформирующего резания, выбирается, как правило, не ниже 1,0 мм. От свободного конца непрерывного трубчатого элемента отступают расстояние, равное длине концевого участка 10. Посредством холодной штамповки (в соответствующем оборудовании устанавливают сменный штамп заданной формы и длины) формируют участок 11 заданного некруглого поперечного сечения и элементы 8 крепления. Продвигают непрерывный трубчатый элемент на расстояние, равное длине участка 17 круглого поперечного сечения, и формируют участок 12 заданного некруглого поперечного сечения и элементы 8 крепления. Еще раз продвигают непрерывный трубчатый элемент на расстояние, равное длине участка 18 круглого поперечного сечения и формируют участок 13 заданного некруглого поперечного сечения и элементы 8 крепления. На расстоянии от конца сформированного участка 13, равном длине концевого участка 10, отрезают заготовку теплообменного элемента 9 от непрерывного трубчатого элемента круглого сечения. Для изготовления следующей заготовки описанные выше операции повторяют.-4 007118 В тоже время, при наличии соответствующего, предпочтительно автоматического или автоматизированного, оборудования, в частности нескольких штампов, операции формирования участков 11-13 могут выполняться одновременно. Кроме того, могут быть совмещены по времени с пошаговым сдвигом операции одновременного формирования участков 11-13 и отрезания заготовки с уже сформированными участками 11-13. Далее, изготовленную заготовку теплообменного элемента 9 устанавливают в оснастку для последующего оребрения (которая также может входить в состав комплекса для изготовления теплообменных элементов способом согласно настоящему изобретению), позиционируют и механически закрепляют посредством элементов 8 крепления. Методом деформирующего резания выполняют элементы 14 оребрения на поверхностях 15 и 16 каждого предварительно сформированного участка 11-13 либо одновременно, если это обеспечено инструментально, либо последовательно. Готовый теплообменный элемент 9 вынимают из оснастки. Изготовление теплообменного устройства змеевикового типа из трубчатого теплообменного элемента с несколькими участками оребрения Из изготовленного в соответствии с описанным выше способом теплообменного элемента 9 формируют теплообменное устройство - радиатор змеевикового типа в соответствии с фиг. 3. Для этого на подходящем гибочном оборудовании (возможно входящем в состав комплекса для изготовления теплообменных элементов согласно заявляемому способу) выполняют П-образные противонаправленные изгибы 19 и 20 на участках 17 и 18, соответственно, круглого поперечного сечения и Г-образные изгибы 21 и 22 на концевых участках 10. Синхронность и/или последовательность выполнения операций выполнения изгибов в рамках настоящего способа не являются существенными и специально не оговариваются. Изготовленное таким образом теплообменное устройство змеевикового типа на базе теплообменного элемента 9, в принципе, уже готово к установке в соответствующие теплообменные системы. Однако,при необходимости на концевых участках 10 могут быть выполнены радиальные пазы для установки переходных или крепежных элементов. Испытания изготовленных в соответствии с заявляемым способом различных трубчатых теплообменных элементов, проведенные по стандартным методикам, показали высокие значения их основных теплотехнических характеристик, а также характеристик надежности. Таким образом, приведенное выше описание дает представление о том, что предлагаемый способ является более эффективным и высоко технологичным по сравнению с известными и обеспечивает возможность изготовления трубчатых теплообменных элементов с высокими характеристиками теплопроводности и надежности. Литература. 1. Патент RU2044606, опубл. 27.09.1995. 2. Патент RU2182052, опубл. 10.05.2002. 3. Патент RU2028571, опубл. 09.02.1995. 4. Метод получения оребрения на плоских заготовках. Технология. Сайт фирмы ТАСПО. [найдено 2004 10 04]. Найдено из Интернет http://www.taspo.org/main.htm. 5. Заявка RU95118169, опубл. 20.10.1997. 6. Патент RU2179085, опубл. 10.02.2002. 7. Патент RU1466079, опубл. 20.03.1996. 8. Патент RU1466078, опубл. 10.05.1996. 9. Заявка RU93025478, опубл. 10.10.1995. 10. Заявка RU95104516, опубл. 10.10.1997. 11. Патент RU2044606, опубл. 27.09.1995. 12. Патент RU1558556, опубл. 23.04.1990 Способ изготовления капиллярно-пористой структуры тепловой трубы. 13. Зубков Н.Н., Овчинников А.И, Якушев А.А. Токарная обработка без снятия стружки. Ж. Технологическое оборудование и материалы 6, 1997. 14. Деформирующее резание. Сайт кафедры МТ МГТУ им. Баумана, [найдено 2004 10 18]. Найдено из Интернет http://www.mt2.bmstu.ru/defrez.php. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ изготовления трубчатого теплообменного элемента заданного сечения, включающий выполнение на поверхности трубчатого элемента заданного сечения оребрения предпочтительно методом деформирующего резания, отличающийся тем, что перед выполнением оребрения на непрерывном трубчатом элементе круглого сечения формируют по меньшей мере один участок заданного сечения, смежный с двумя участками круглого сечения, причем при формировании участка заданного сечения формируют по меньшей мере один элемент крепления для последующего оребрения и выполняют оребрение на-5 007118 сформированном участке заданного сечения при необходимости с последующим выполнением изгиба по меньшей мере на одном участке круглого сечения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что участок заданного сечения формируют посредством пластического деформирования. 3. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве элементов крепления формируют пару продольных осесимметричных пазов. 4. Способ по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве элементов крепления формируют пару продольных осесимметричных выступов. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что участки формируют на трубчатом элементе с толщиной стенки от 1,0 до 5,0 мм. 6. Трубчатый теплообменный элемент, содержащий трубчатый элемент заданного сечения и размещенные на его внешней поверхности элементы оребрения, отличающийся тем, что дополнительно содержит два участка круглого сечения, смежные с участком первого заданного сечения, и при необходимости по меньшей мере один участок второго заданного сечения, не смежный с участком первого заданного сечения и смежный с участком второго заданного сечения участок круглого сечения, причем элементы оребрения размещены только на участках первого и второго заданного сечения, а все указанные смежные участки связаны между собой непрерывно. 7. Теплообменный элемент по п.6, отличающийся тем, что по меньшей мере на одном участке круглого сечения выполнен изгиб. 8. Теплообменный элемент по любому из пп.6 или 7, отличающийся тем, что первое и второе заданные сечения выполнены различными.