Листовая панель с рёбрами и способ её изготовления
Изобретение может быть использовано при изготовлении пластинчатых теплообменников и решетчатых конструкций. Перпендикулярно основанию 1 панели на его внутренней стороне 7 с помощью сварного соединения закреплены ребра 3. Каждое ребро, кроме одного или обоих крайних ребер, выполнено в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин. Максимально допустимая длина без нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении определена по зависимости L≤14×10-3/α, где L - длина пластины ребра, мм, α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C. Каждое из крайних ребер получено отбортовкой основания панели. Сварное соединение ребра с основанием получено лазерной сваркой. На одной из длинных сторон каждой пластины ребра изготавливают выступы, предназначенные для введения в соответствующие отверстия основания панели. Изготавливают основание панели с отверстиями для установки в них выступов пластин ребер. Закрепляют пластины ребер в пазах основания панели и приваривают их посредством лазерной сварки. Технический результат заключается в упрощении изготовления панели с повышением прочности соединения ребер с основанием и обеспечением прямолинейности ребер панели. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Предложенная группа изобретений относится к области теплоэнергетики и к области создания прочных частей конструкций, может быть использована при конструировании, изготовлении и эксплуатации пластинчатых теплообменников и для применения в качестве решетчатых конструкций, например, элементов палубной секции маломерных судов, решеток, секций ограждений.
Известен пластинчатый теплообменник [патент RU 2275571], содержащий каркас с пакетом П-образных алюминиевых пластин с отбортованными краями и дистанционирующими вставками (ребрами), каждая из указанных пластин представляет собой листовую панель с расположенными в ней ребрами, предназначенную, в частности, для пропуска рабочей среды по каналам между ребрами (абзац 8 от начала описания к патенту RU 2275571 и фиг. 2 описания).
Недостатком рассмотренной листовой панели является отсутствие сведений о закреплении алюминиевых ребер в панели. Закрепление металлических ребер в металлической панели является проблемой при массовом изготовлении листовых панелей с большим количеством ребер, особенно, при использовании длинных ребер вследствие их изгиба при сварке.
Наиболее близкой к предложенной является [патент RU 35423, 2004] металлическая листовая панель, например, для теплообменной аппаратуры, представляющая собой лист с ребрами, расположенными на поверхности листа и соединенными с ним с помощью высокочастотной сварки (сварка токами высокой частоты, ТВЧ-сварка).
Особенностью рассмотренной листовой панели-прототипа является вид соединения ребер с основанием листовой панели - использование ТВЧ-сварки друг с другом металлических материалов. Известное ТВЧ-оборудование предназначено для сварки неметаллических материалов в медицинской, обувной промышленности, при
производстве канцелярских товаров для изготовления упаковки из пластика, полимеров, например, для сварки надувных изделий (надувные лодки, матрацы, бассейны и пр.) [например, http://сварпласт.рф или http://www.autowelding.ru/publ/1/1/svarka_plastmass_tokami_vysokoj_chastoty/2-1-0-236]. Использование ручной ТВЧ-сварки металлических материалов непроизводительно и неэффективно, особенно в многосерийном и массовом производстве листовых панелей. Известное оборудование для ТВЧ-сварки металлических материалов предназначено для изготовления металлических труб [http://www.svarkainfo.ru/rus/technology/otherwelding/frequencies].
Автоматическое оборудование для ТВЧ-сварки металлических пластин с металлическими ребрами [а.с. SU 1507552, патент RU 2084318] сложно в конструировании и изготовлении (сочетание большого количества механических и электрических элементов, предназначенных для осуществления разнородных задач, например, перемещение ребер, прижатие ребер, передача по ребрам электрического тока), а также в применении (необходимость свертывания и обратного развертывания металлических ребер при их приварке к основанию панели). Применение такого оборудования зачастую ведет к нарушению целостности ребер (например, к возникновению надрезов (порывов), пункт 10 формулы к патенту RU 35423).
Применение известного оборудования для лазерной сварки металлических пластин с ребрами [http://www.ru.trumpf.com/produkcija/lazery/tekhnologicheskiereshenija/oblasti-primenenija/lazernaja-svarka/teploprovodnaja-svarka.html] для изготовления панели-прототипа ведет к искривлению ребер, особенно, длинных ребер, вследствие их теплового расширения при сварке и к непроваренности части поверхности изогнувшихся при сварке ребер, примыкающей к основанию. Это проверено экспериментально.
Недостатком листовой панели-прототипа является сложность ее конструкции - сложность вида соединения металлических ребер с основанием панели, заключающаяся в сложности его осуществления, пониженной прочности соединения ребер с основанием, пониженной прочности конструкции листовой панели, возможности искривления ребер.
Задачей изобретения - листовой панели является упрощение ее конструкции за счет обеспечения возможности применения сварного соединения типа лазерной сварки, повышенная прочность соединения ребер с основанием, повышенная
прочность конструкции листовой панели, обеспечение прямолинейности ребер. Задача решена с помощью двух вариантов предложенного изобретения-устройства.
В первом варианте устройства для решения указанной задачи листовая панель с ребрами, содержащая основание панели и закрепленные на его внутренней стороне с помощью сварного соединения ребра, установленные перпендикулярно основанию панели, отличающаяся тем, что каждое ребро, кроме одного или обоих крайних ребер, выполнено в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом каждая из указанных пластин имеет максимально допустимую длину без нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении, определенную по зависимости:
L≤14×10-3/α
где
L - длина пластины ребра, мм;
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C;
причем каждое из одного или двух крайних ребер получено отбортовкой основания панели, а сварное соединение каждого ребра с основанием, получено лазерной сваркой.
Во втором варианте устройства для решения указанной задачи Листовая панель с ребрами, содержащая основание панели и закрепленные на его внутренней стороне с помощью сварного соединения ребра, установленные перпендикулярно основанию панели, отличающаяся тем, что, каждое ребро выполнено в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом каждая из указанных пластин имеет максимально допустимую длину без нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении, определенную по зависимости:
L≤14×10-3/α
где
L - длина пластины ребра, мм;
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C;
при этом сварное соединение каждого ребра с основанием получено лазерной сваркой.
Кроме того, листовая панель с ребрами по вышеуказанным двум вариантам устройства отличается тем, что сварное соединение каждого ребра с основанием представляет собой результат лазерной сварки, осуществленной путем воздействия лазерного луча на внешнюю либо внутреннюю сторону основания панели вдоль расположения пластин ребер, размещенных на внутренней стороне основания.
Далее, листовая панель с ребрами по вышеуказанным двум вариантам устройства отличается тем, что все соседствующие друг с другом пластины каждого ребра расположены друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм.
Наконец, листовая панель с ребрами по вышеуказанным двум вариантам устройства отличается тем, что соседствующие друг с другом пластины ребер объединены соединением, представляющим собой результат сварки.
Известен способ [патент RU 2208753] изготовления пластинчатого теплообменника, основанный на том, что склеивание и крепление пластин (листовых панелей с отбортованными краями) в пакет теплообменника осуществляют путем обмазки отбортованных краев последних высокотемпературным герметиком. При этом в пластинах каналы для рабочих сред образованы дистанционирующими вставками, выполненными из алюминия в виде круглых стержней диаметром 2-3 мм, сдавленных с двух сторон до плоской формы, расположенными в шахматном порядке перпендикулярно плоской поверхности листовой панели.
Роль ребер в рассматриваемом способе выполняют дистанционирующие вставки, которые образуют прерывные каналы для рабочих сред. Конструкция вставок снижает теплопередачу, т.к. увеличивает толщину пластины в месте контакта с пластиной. Изготовления каждой вставки требует создания сложного и дорогостоящего оборудования.
Недостатком способа является отсутствие закрепления протяженных ребер на листовых панелях и неизвестность способа соединения этих ребер с листовыми пластинами.
Известен также способ лазерной сварки теплообменных панелей и устройство для реализации этого способа [заявка на изобретение РФ 2009122209]. В этом способе лазерную сварку пачки листов проводят сфокусированным лазерным лучом через внешний лист к следующему листу или нескольким следующим листам, при этом
лазерную сварку проводят, предварительно изогнув пачку листов с образованием участка цилиндрической поверхности.
В указанном способе совпадение сварочного шва с поверхностью соединяемых листов обеспечивается за счет больших соприкасающихся поверхностей этих листов.
Недостатком способа является неприменимость его к сварке листов с ребрами, расположенными на листе со стороны, обратной стороне сваривания (будущему сварочному шву), так как при этом со стороны сварки является неопределенным место расположения ребра относительно сварочного шва. Не обеспечивается необходимая точность совпадения сварочного шва с расположением каждого ребра.
Ближайшим к предложенному является [заявка на изобретение RU 2006121799] способ изготовления оребренных листовых панелей методом высокочастотной сварки, включающий формовку основания панели на опорной поверхности для приварки ребер к одной из сторон основания панели, сведение стороны основания панели и ребра с образованием V-образной щели с вершиной в точке их схождения, предварительный подогрев основания панели, нагрев свариваемых поверхностей до оплавления токами высокой частоты и последующее сдавливание основания панели и ребра в точке схождения.
Особенность способа-прототипа заключается в том, что сварку ребер с основанием панели осуществляют с использованием высокочастотной сварки (сварка токами высокой частоты, ТВЧ-сварка).
Недостатком рассмотренного способа-прототипа изготовления листовой панели-прототипа является технологическая сложность указанного способа, практическое отсутствие оборудования для осуществления ТВЧ-сварки оснований листовых панелей с их ребрами, пониженная прочность соединения ребер с основанием, пониженная прочность конструкции листовой панели, возможность искривления ребер.
Задачей способа является расширение арсенала технических средств для изготовления листовых панелей, предназначенных для пластинчатых теплообменников, и для применения в качестве решетчатых конструкций, повышение прочности соединения ребер с основанием, повышение прочности конструкции листовой панели, обеспечение прямолинейности ребер. Указанная задача решена двумя вариантами способа.
В первом варианте способа для решения указанной задачи способ изготовления листовой панели с ребрами, включающей соединение сваркой основания панели с
ребрами, отличающийся тем, что каждое ребро, кроме одного или обоих крайних ребер, выполняют в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом максимально допустимую длину каждой из указанных пластин выбирают из условия отсутствия нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении по зависимости:
L≤14×10-3/α
где
L - длина пластины ребра, мм;
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C;
причем каждое из одного или двух крайних ребер выполняют в виде отбортовки основания панели, на одной из длинных сторон каждой пластины ребра выполняют выступы, при этом изготавливают основание панели с отверстиями, соответствующие упомянутым выступам затем устанавливают пластины ребер на внутренней стороне основания панели путем размещения имеющихся на указанных пластинах выступов в соответствующих отверстиях основания панели, закрепляют пластины ребер в пазах основания панели и приваривают пластины ребер, к основанию панели с помощью лазерной сварки.
Во втором варианте способа для решения указанной задачи способ изготовления листовой панели с ребрами, включающий сварку основания панели с ребрами, отличающийся тем, что каждое ребро выполняют в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом максимально допустимую длину каждой из указанных пластин, выбирают из условия отсутствия нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении по зависимости:
L≤14×10-3/α
где
L - длина пластины ребра, мм;
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C;
на одной из длинных сторон каждой пластины ребра выполняют выступы, при этом изготавливают основание панели с отверстиями, соответствующие упомянутым, затем устанавливают пластины ребер на внутренней стороне основания панели путем
размещения имеющихся на указанных пластинах выступов в соответствующих отверстиях основания панели, закрепляют пластины ребер в пазах основания панели и приваривают пластины ребер к основанию панели с помощью лазерной сварки.
Кроме того, способ изготовления листовой панели с ребрами по обоим вариантам способа отличается тем, что лазерную сварку осуществляют путем воздействия лазерного луча на внешнюю либо внутреннюю сторону основания панели вдоль расположения пластин ребер, размещенных на внутренней стороне основания.
Также способ изготовления листовой панели с ребрами по обоим вариантам способа отличается тем, что закрепление пластин ребер в пазах основания панели осуществляют например, путем частичного поворота выступов пластин с внешней стороны основания панели.
Еще способ изготовления листовой панели с ребрами по обоим вариантам способа отличается тем, что все соседствующие друг с другом пластины каждого ребра располагают друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм.
Далее, способ изготовления листовой панели с ребрами по первому и третьему вариантам способа отличается тем, что после сварки основания панели с ребрами осуществляют сваривание между собой соседствующих друг с другом пластин каждого ребра.
Также способ изготовления листовой панели с ребрами по обоим вариантам способа отличается тем, что перед осуществлением лазерной сварки основание панели с установленными на нем пластинами ребер помещают на кондуктор, имеющий размеры, соответствующие размерам основания панели и имеющий прорези для введения в них пластин ребер панели.
Еще способ изготовления листовой панели с ребрами по обоим вариантам способа отличается тем, что изготовление пластин, составляющих каждое ребро, осуществляется путем штамповки или путем вырезания из листа материала, в том числе с использованием лазерной установки.
Наконец, способ изготовления листовой панели с ребрами по всем четырем вариантам способа отличается тем, что лазерную сварку осуществляют с использованием автоматической установки.
Новый технический результат группы из четырех изобретений заключается в упрощении каждого изобретения и обеспечении реализации лазерного способа изготовления листовых панелей с высоким качеством сварки основания листовой панели с ребрами, в повышении прочности соединения ребер с основанием и прочности конструкции листовой панели, в обеспечении прямолинейности ребер.
В каждом из четырех вариантов изобретения значение максимально допустимой длины пластины, меньшей, чем
| L≤14×l0-3/α | (1) |
определяется максимально допустимым увеличением длины пластины при сварке, при котором пластина, нагреваясь, еще не искривляется, не нарушается ее прямолинейность. Указанные математическая зависимость определены экспериментально и подтверждены расчетами с использованием справочных значений коэффициента линейного теплового коэффициента и измерением температуры нагрева пластин при сварке. При этом степень искривления пластины или степень нарушения ее прямолинейности задается при конструировании листовой панели. Например, при толщине пластины 1,5 мм допустимое отклонение пластины от прямолинейности составляет 0,5 мм в любую сторону. Предел максимальной длины пластины 1460 мм определен для материала пластины с наименьшим значением коэффициента теплового линейного расширения (сталь 18Х22Н6Т, α=9,6×10-6 1/°C). Другие материалы имеют более высокие значения коэффициента и, соответственно, меньшие значения допустимых длин пластин.
При этом отбортованные от основания панели ребра обладают прямолинейностью вследствие способа их изготовления.
Указанный технический результат одинаково достигается независимо от числа (количества) пластин в каждом ребре (одна пластина, две или более пластин в каждом ребре), так вышеуказанная математическая зависимость (1) или максимальный размер пластины примерно 1460 мм указаны для каждой пластины, а число пластин в каждом ребре определяется только соотношением между длиной каждого ребра и допустимой длиной пластины.
Количество отбортовок (в одном или двух крайних ребрах) аналогично вышесказанному обеспечивает один и тот же указанный технический результат.
То есть, указанный технический результат достигается при любом сочетании альтернативных признаков в независимых пунктах формулы изобретения. Конкретно указанный технический результат достигается для всей листовой панели с ребрами, независимо от количества отбортовок, привариваемых ребер и количества пластин в каждом ребре.
Единство группы четырех изобретений состоит в достижении для каждого изобретения одинаковыми средствами (как указано в предыдущих абзацах) одного и того же технического результата, а именно, упрощение каждого изобретения и обеспечение реализации лазерного способа изготовления листовых панелей с высоким качеством сварки основания листовой панели с ребрами, повышение прочности соединения ребер с основанием и прочности конструкции листовой панели, обеспечение прямолинейности ребер.
Неожиданность нового технического результата подтверждается тем, что при его достижении разрешается имевшееся техническое противоречие. Так, в описании к патенту RU 35423 (заявка RU 2003125727) соединение лазерной сваркой представлено как имеющее множество ограничений при сварке основания листовой панелей с ребрами, например, потребность во фрезеровании кромок ребер, сложность подвода и фокусировки лазерного луча, нестабильность процесса лазерной сварки, потребность в предварительной обработке свариваемых поверхностей, что ведет к нарушению металлургической целостности соединения материалов основания и ребер. Между тем практическое использование заявителем современного процесса лазерной сварки экспериментально подтверждает высокое качество соединения основания предложенной листовой панели с ребрами.
Использование того, что сварное соединение каждого ребра с основанием представляет собой результат лазерной сварки, осуществляемой путем воздействия лазерного луча на внешнюю либо внутреннюю сторону основания панели вдоль расположения пластин ребер, размещенных на внутренней стороне основания, является двумя возможными разновидностями приварки ребер к основанию панели.
Использование того, что все соседствующие друг с другом пластины каждого ребра расположены друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм, обусловлено следующим. При промежутках между пластинами более 300 мм недопустимо увеличиваются перетоки рабочей среды между каналами листовой
панели, что снижает теплопередачу. В то же время наличие промежутков между последовательно установленными пластинами ребер в диапазоне не более примерно 300 мм имеет положительный эффект вследствие увеличения теплопередачи за счет завихрений, возникающих в местах начал и концов пластин ребер.
Использование того, что закрепление пластин ребер в пазах основания панели осуществляют например, путем частичного поворота выступов пластин с внешней стороны основания панели, обеспечивает простоту закрепления пластин в отверстиях основания.
Использование того, что способ изготовления листовой панели с ребрами по всем четырем вариантам способа отличается тем, что перед осуществлением лазерной сварки основание панели с установленными на нем пластинами ребер помещают на кондуктор, имеющий размеры, соответствующие размерам основания панели и имеющий прорези для введения в них пластин ребер панели, обеспечивает повышенную неподвижность основания панели с установленными в ней ребрами и пластинами ребер в процессе лазерной сварки.
Группа изобретений поясняется фигурами:
фиг. 1 - листовая панель с ребрами в процессе сборки ее элементов;
фиг. 2 - сечение листовой панели по фиг. 1 вдоль любого ребра 3;
фиг. 3 - часть сечения листовой панели по фиг. 1 вдоль пластины 2 с повернутым концом 9 выступа 4;
фиг. 4 - вид по стрелке A на фиг. 3 на повернутый конец 9 выступа 4 (узел прикрепления пластины 2 к основанию 1 листовой панели);
фиг. 5 - набор листовых панелей с ребрами 3 и отбортовками 10 при изготовлении пластинчатого теплообменника.
Листовая панель с ребрами (фиг. 1, 2) содержит основание 1 панели и пластины 2 ребер 3. Каждое ребро 3 состоит из набора нескольких пластин 2 или из одной пластины (последнее на чертежах не показано). Основание 1 панели содержит отверстия 4 для закрепления в ней пластин 2 ребер 3 с помощью выполненных на каждой пластине 2 выступов 5. Выступы 5 выполнены с одной из длинных сторон 6 каждой пластины 2. Указанная сторона 6 с выступами 5 каждой пластины 2 прилегает к внутренней стороне 7 основания 1 панели. Количество выступов 5 на каждой пластине 2 определяется длиной пластины и требуемой прочностью закрепления пластины 2 на основании 1 панели. Пластина 2 может иметь один и более выступов 5 (на чертежах не показано).
Каждая пластина 2 имеет длину, определяемую зависимостью:
где
L - длина пластины 2 ребра 3 (фиг. 1, 2), [мм];
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластин 2 ребер 3 при диапазоне температур, например, 20-100°C [1/°C]. Выбор диапазона температур обусловлен средним значением температуры, до которого прогревается пластина 2 ребра 3 при сварке ее с основанием 1 панели в конкретных условиях, например, может быть выбран диапазон температур 20-200°C. Чем больше длина пластины 2, тем больше ее удлинение при нагреве ребра 3 в процессе сварки. Увеличение длины пластины 2 ведет к возможности ее искривления в процессе сварки. Поэтому по указанной математической зависимости (1) определяется максимально допустимая длина пластины 2 в зависимости от материала пластины, ее коэффициента линейного теплового расширения и температуры нагрева пластины при сварке.
При другом исполнении каждая пластина 2 имеет длину, не большую, чем, примерно, 1460 мм.
Максимально допустимая длина пластины 2 примерно 1460 мм определена значением коэффициента линейного теплового расширения материала пластины при сварке. Указанный максимальный предел длины пластины определен расчетом для материала пластины, имеющего минимальное значение коэффициента линейного теплового расширения материала пластины (9,6×10-6 1/°C) при минимальном значении диапазона температур нагрева пластины при сварке, например, 20-100°C и проверен экспериментально. При этом максимально допустимая длина пластины 2 в зависимости от конкретного материала пластины, ее коэффициента линейного теплового расширения и температуры нагрева пластины при сварке определяется по вышеуказанной математической зависимости (1).
Если ребро состоит из набора пластин, то соседствующие друг с другом пластины 2 каждого ребра 3 расположены друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм. Эти промежутки между пластинами 2 каждого ребра указаны для готовой листовой панели с ребрами, уже подвергнутой сварке.
Максимальный промежуток примерно 300 мм обусловлен тем, что промежутки между последовательно установленными пластинами 2 ребер 3, вызывают перетоки рабочей среды между каналами 11 листовой панели 1. При промежутках между пластинами 2 более 300 мм недопустимо увеличиваются перетоки рабочей среды между каналами 11 листовой панели 1, что снижает теплопередачу. В то же время наличие промежутков между последовательно установленными пластинами 2 ребер 3 в диапазоне не более примерно 300 мм имеет положительный эффект вследствие увеличения теплопередачи за счет завихрений, возникающих в местах начал и концов пластин 2 ребер 3.
Понятие «примерно» означает в данном описании максимальную разницу расстояний ±10÷15 процентов от величины указанного размера.
Сварное соединение каждого ребра 3 (каждой пластины 2) с основанием 1 панели представляет собой результат лазерной сварки, осуществленной с внешней стороны 8 основания 1 панели, противоположного внутренней стороне 7 основания 1 панели с установленными на ней пластинами 2 ребер 3. Результат сварки в виде сварочных швов наблюдается на внешней стороне 8 основания 1 (на чертежах не показано).
Соединение каждого ребра 3 (каждой пластины 2) с основанием 1 панели может представлять собой также результат лазерной сварки, осуществленной с внутренней стороны 7 основания 1 панели, на которой установлены пластины 2 ребер 3. Результат сварки в виде сварочных швов наблюдается на внутренней стороне 7 основания 1 (на чертежах не показано).
Основание 1 панели может иметь отбортовки 10 (фиг. 1, 5), расположенные на краях основания 1 панели параллельно ребрам 3. Каждая отбортовка 10 представляет собой крайнее ребро листовой панели. Отбортовки 10 используются при изготовлении листовой панели для пластинчатого теплообменника (фиг. 5) и могут быть использованы и для решетчатых конструкций.
Отбортовки 10 (крайние ребра листовой панели) выполняются как правило, без нарушения их целостности во избежание утечек рабочей среды из каналов 11 листовой панели во внешнюю среду теплообменника, составленного из указанных листовых панелей.
В пространствах между ребрами 3 (пластинами 2, принадлежащими разным ребрам) имеются каналы 11 (фиг. 5), по которым перемещается рабочая среда пластинчатого теплообменника (газ или жидкость). Каналы 11 имеют место также между любой отбортовкой 10 и соседним с отбортовкой 10 ребром 3.
Расстояние между соседствующими ребрами, характеризующее ширину канала 11, может быть выбрано в соответствии с технологическими требованиями к пластинчатому теплообменнику (например, скорость протекания рабочей среды) или решетчатой конструкции (например, жесткость конструкции).
Материал ребер 3 (пластин 2) и основания 1 панели - металл или теплопроводящие пластмассы, например, алюминий, сталь, пластмасса типа полипропилен и другие материалы, поддающиеся лазерной сварке.
Коэффициенты линейного теплового расширения некоторых материалов указаны в таблице.
Выступы 5 листов 2 после сварки или оставляют (завихрения потока рабочей среды на выступах 5 увеличивают теплопередачу в теплообменнике), или убирают шлифованием поверхности внешней стороны основания 1 панели или использованием режима лазерной сварки, при котором части 9 выступов 5 сжигают в процессе сварки.
Предложенная листовая панель может иметь отношение высоты ребра 3 к его толщине в диапазоне от 1,0 до 70,0 или более.
Одним из примеров конкретной листовой панели с ребрами является листовая панель для пластинчатого теплообменника, выполненная из стали марки 12Х18Н10Т (фиг. 1-3). Каждое ребро 3 выполнено из трех пластин 2 длиной по 670 мм и высотой 18,5 мм при ширине каналов 11 между ребрами 28,5 мм, толщине основания 1 панели и толщине пластин 1,5 мм. Пластины 2 каждого ребра 3 расположены друг от друга на расстояниях примерно 0,5÷1,5 мм. Общие размеры листовой панели составляют 2015×1175 мм. Коэффициент линейного теплового расширения указанного материала пластин ребер при диапазоне температур 20-100°C равен 16,6×10-6 1/°C.
Другим примером конкретной листовой панели с ребрами является листовая панель для пластинчатого теплообменника, выполненная из стали марки 12X17 (фиг. 4, верхняя листовая панель). Ребра выполнены из двух пластин 2 длиной 585 мм и высотой 12,5 мм при ширине каналов 11 между ребрами 28,5 мм, толщине основания 1 панели и толщине пластин 1,5 мм. Пластины 2 каждого ребра 3 расположены друг от друга на расстояниях примерно 0,5÷1,5 мм. Общие размеры листовой панели составляют 2015×1175 мм. Коэффициент линейного теплового расширения указанного материала пластин ребер при диапазоне температур 20-100°C равен 10,4×10-6 1/°C.
Третьим примером конкретной листовой панели с ребрами является листовая панель для пластинчатого теплообменника, выполненная из стали марки 12Х18Н10Т (на чертежах не показана). Каждое ребро выполнено из одной пластины длиной 505 мм и высотой 20 мм при ширине каналов между ребрами 18,5 мм, толщине основания панели и толщине пластин 1,5 мм. Общие размеры листовой панели составляют 505×980 мм. Коэффициент линейного теплового расширения указанного материала пластин ребер при диапазоне температур 20-100°C равен 16,6×10-6 1/°C.
Четвертым примером конкретной листовой панели с ребрами является листовая панель для пластинчатого теплообменника (на чертежах не показана), у которой в части ребер каждое ребро выполнено из двух пластин материала марки Сталь 20 длиной 1100 мм и высотой 15 мм. В другой части ребер каждое ребро выполнено из трех пластин материала марки 08Х18Н10Т длиной 730 мм и высотой 15 мм. Ширина каналов между ребрами составляет 30 мм, толщина основания панели и толщина пластин 1,5 мм. Пластины каждого ребра расположены друг от друга на расстояниях примерно 0,5÷1,5 мм. Общие размеры листовой панели составляют 2205×1000 мм. Коэффициент линейного теплового расширения для материала Сталь 20 пластин ребер при диапазоне температур 20-100°C равен 12,3×10-6 1/°C, для материала 08Х18Н10Т пластин ребер при диапазоне температур 20-100°C равен 16,1×10-6 1/°C.
Значения коэффициентов линейного теплового расширения для материалов этих четырех примеров взяты из книги [Марочник сталей и сплавов под редакцией В.Г Сорокина, М., Машиностроение, 1989, стр. 626-628].
Способ изготовления листовой панели с ребрами основан на лазерной сварке основания 1 панели с пластинами 2 ребер 3.
При реализации способа изготовления листовой панели осуществляют изготовление основания 1 панели и изготовление пластин 2 с выступами 5. Основание 1 панели имеет отверстия 4 для установки в них выступов 5 пластин 2.
При этом каждая пластина 2 каждого ребра 3 имеет длину, определяемую зависимостью:
где
L - длина пластины 2 ребра 3 (фиг. 2), [мм];
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластин 2 ребер 3 при диапазоне температур, например, 20-100°C [1/°C].
В другом исполнении каждая пластина 2 имеет длину, не большую, чем, примерно, 1460 мм.
Кроме того, осуществляют изготовление основания 1 панели, имеющей отверстия 4 для установки в них вышеуказанных выступов 5 пластин 2 ребер 3.
Каждую отбортовку 10 в основании 1 панели изготавливают путем отгибания края основания 1 панели по прямой линии, параллельной ребрам 3, с помощью, например, гибочного пресса Trumpf TrumaBend VI30 (Германия).
Изготовление пластин 2 ребер 3 и основания 1 панели осуществляют с использованием, например, вырубных штампов, в частности типа WK или WP фирмы ERKO (Польша) или путем вырезания из листового материала, например, с помощью лазерной установки типа Trumpf Lasercell 1005.
Изготовленные пластины 2 ребер 3 размещают на внутренней стороне 7 основания 1 панели путем помещения имеющихся на указанных пластинах 2 выступов 5 в соответствующие отверстия 4 основания 1 панели.
Закрепляют пластины 2 ребер 3 в отверстиях 4 основания 1 панели, например, путем частичного поворота выступов 5 пластин 2 с внешней стороны 8 основания 1 панели (фиг. 3, 4). Разворот концов 9 выступов 4 осуществляется примерно на 30 градусов. Понятие «примерно» означает в данном описании ±5÷7 градусов поворота концов выступов 4.
Другим образом закрепление пластин 2 на основании 1 панели может быть осуществлено, например, с помощью клеевого соединения пластин 2 с основанием 1. При сварке пластин 2 с основанием 1 панели клеевое соединение выгорает. Может быть использован, например, эпоксидный клей типа Permatex.
Приваривают пластины 2 ребер 3 к основанию 1 панели с помощью лазерной сварки, осуществляемой путем воздействия лазерного луча на внешнюю сторону 8 основания 1 панели вдоль расположения пластин ребер, размещенных на внутренней стороне 7 основания 1 панели (фиг. 1, 2). При этом направление расположения каждой пластины 2 и направление каждого ребра 3 наблюдается по видимому расположению отверстий 4 в основании 1 панели и размещенных в них выступах 5 пластин 2. Сварочную головку перемещают прямолинейно вдоль видимого направления расположения каждой пластины 2 и направления каждого ребра 3.
Пластины 2 ребер 3 приваривают к основанию 1 панели с помощью лазерной сварки, осуществляемой также путем воздействия лазерного луча на внутреннюю сторону 7 основания 1 панели вдоль расположения пластин 2 ребер 3, размещенных на внутренней стороне 7 основания 1 панели (фиг. 1, 2). Сварку производят в протяженном углу, образованном одной из сторон каждой пластины 2 и внутренней стороной 7 основания 1.
При этом точность перемещения сварочной головки по направлению расположения каждой пластины 2 и направлению каждого ребра 3 контролируют с помощью оптического средства слежения за совпадением места сварки с местом расположения стороны пластины 2. Это может потребоваться, так как в данном случае подвергаемая сварке пластина 2 нагревается больше, чем при сварке с внешней стороны 8 основания 1 панели и может за счет этого изгибаться в пределах, допустимых для точности изготовления панели.
Лазерную сварку осуществляют с помощью, например, автоматической установки типа Trumpf Lasercell 1005.
Перед осуществлением лазерной сварки основание 1 панели с ребрами 3 устанавливают иногда на кондуктор (на чертежах не показан), имеющий размеры, соответствующие размерам основания 1 панели и имеющий прорези для введения в них ребер 3 основания 1 панели. Использование указанного кондуктора не обязательно, кондуктор может увеличивать устойчивость положения основания 1 панели в процессе сварки с пластинами 2.
При необходимости, например, для уменьшения перетоков рабочей среды между каналами, образуемыми между ребрами 3, после сварки основания 1 панели с ребрами 3, осуществляют сваривание между собой соседствующих сторон (краев) пластин 2 каждого ребра 3. Соединение между собой соседствующих сторон (краев) пластин 2 каждого ребра 3 может понадобиться и при использовании листовой панели в качестве решетчатой конструкции для увеличения прочности этой конструкции. Эта операция способа может быть осуществлена с помощью ручной сварки или с использованием полуавтоматической ручной сварки, а также с помощью лазерной сварки.
1. Листовая панель с ребрами, содержащая основание панели и закрепленные на его внутренней стороне с помощью сварного соединения ребра, установленные перпендикулярно основанию панели, отличающаяся тем, что каждое ребро, кроме одного или обоих крайних ребер, выполнено в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом каждая из указанных пластин имеет максимально допустимую длину без нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении, определенную по зависимости:
L≤14×10-3/α,
где L - длина пластины ребра, мм,
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C,
причем каждое из одного или двух крайних ребер получено отбортовкой основания панели, а сварное соединение каждого ребра с основанием получено лазерной сваркой.
2. Листовая панель по п.1, отличающаяся тем, что сварное соединение каждого ребра с основанием получено лазерной сваркой путем воздействия лазерного луча на внешнюю либо внутреннюю сторону основания панели вдоль расположения пластин ребер.
3. Листовая панель по п.1, отличающаяся тем, что соседние пластины каждого ребра расположены друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм.
4. Листовая панель по п.1, отличающаяся тем, что соседние пластины ребер соединены сваркой.
5. Листовая панель с ребрами, содержащая основание панели и закрепленные на его внутренней стороне с помощью сварного соединения ребра, установленные перпендикулярно основанию панели, отличающаяся тем, что каждое ребро выполнено в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом каждая из указанных пластин имеет максимально допустимую длину без нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении, определенную по зависимости:
L≤14×10-3/α,
где L - длина пластины ребра, мм,
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C,
при этом сварное соединение каждого ребра с основанием получено лазерной сваркой.
6. Листовая панель по п.5, отличающаяся тем, что каждое сварное соединение получено лазерной сваркой путем воздействия лазерного луча на внешнюю или внутреннюю сторону основания панели вдоль расположения пластин ребер.
7. Листовая панель по п.5, отличающаяся тем, что соседние пластины каждого ребра расположены друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм.
8. Листовая панель по п.5, отличающаяся тем, что соседние пластины ребер соединены сваркой.
9. Способ изготовления листовой панели с ребрами, включающей соединение сваркой основания панели с ребрами, отличающийся тем, что каждое ребро, кроме одного или обоих крайних ребер, выполняют в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом максимально допустимую длину каждой из указанных пластин выбирают из условия отсутствия нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении по зависимости:
L≤14×10-3/α,
где L - длина пластины ребра, мм,
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C,
причем каждое из одного или двух крайних ребер выполняют в виде отбортовки основания панели, на одной из длинных сторон каждой пластины ребра выполняют выступы, при этом изготавливают основание панели с отверстиями, соответствующие упомянутым выступам, затем устанавливают пластины ребер на внутренней стороне основания панели путем размещения имеющихся на указанных пластинах выступов в соответствующих отверстиях основания панели, закрепляют пластины ребер в пазах основания панели и приваривают пластины ребер к основанию панели с помощью лазерной сварки.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что лазерную сварку осуществляют путем воздействия лазерного луча на внешнюю или внутреннюю сторону основания панели вдоль расположения пластин ребер.
11. Способ по п.9, отличающийся тем, что закрепление пластин ребер в пазах основания панели осуществляют путем частичного поворота выступов пластин с внешней стороны основания панели.
12. Способ по п.9, отличающийся тем, что соседние пластины каждого ребра располагают друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм.
13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что после сварки основания панели с ребрами сваривают между собой соседние пластины каждого ребра.
14. Способ по п.9, отличающийся тем, что перед лазерной сваркой основание панели помещают в кондуктор, имеющий размеры, соответствующие размерам основания панели, и имеющий прорези для введения в них пластин ребер панели.
15. Способ по п.9, отличающийся тем, что изготовление пластин, составляющих каждое ребро, осуществляют путем штамповки или путем вырезания из листа материала, например с использованием лазерной установки.
16. Способ по п.9, отличающийся тем, что лазерную сварку осуществляют с использованием автоматической установки.
17. Способ изготовления листовой панели с ребрами, включающий сварку основания панели с ребрами, отличающийся тем, что каждое ребро выполняют в виде одной пластины или последовательно расположенных пластин, при этом максимально допустимую длину каждой из указанных пластин выбирают из условия отсутствия нарушения прямолинейности пластины в сварном соединении по зависимости:
L≤14×10-3/α,
где L - длина пластины ребра, мм,
α - коэффициент линейного теплового расширения материала пластины ребра в диапазоне температур, определяемом температурой сварки, 1/°C,
на одной из длинных сторон каждой пластины ребра выполняют выступы, при этом изготавливают основание панели с отверстиями, соответствующие упомянутым, затем устанавливают пластины ребер на внутренней стороне основания панели путем размещения имеющихся на указанных пластинах выступов в соответствующих отверстиях основания панели, закрепляют пластины ребер в пазах основания панели и приваривают пластины ребер к основанию панели с помощью лазерной сварки.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что лазерную сварку осуществляют путем воздействия лазерного луча на внешнюю либо внутреннюю сторону основания панели вдоль расположения пластин ребер.
19. Способ по п.17, отличающийся тем, что закрепление пластин ребер в пазах основания панели осуществляют путем частичного поворота выступов пластин с внешней стороны основания панели.
20. Способ по п.17, отличающийся тем, что соседние пластины каждого ребра располагают друг от друга на расстоянии, не большем, чем примерно 300 мм.
21. Способ по п.17, отличающийся тем, что после сварки основания панели с ребрами сваривают между собой соседние пластины каждого ребра.
22. Способ по п.17, отличающийся тем, что перед лазерной сваркой основание панели помещают в кондуктор, имеющий размеры, соответствующие размерам основания панели, и имеющий прорези для размещения в них пластин ребер панели.
23. Способ по п.17, отличающийся тем, что изготовление пластин, составляющих каждое ребро, осуществляют путем штамповки или путем вырезания из листа материала, например, с использованием лазерной установки.
24. Способ по п.17, отличающийся тем, что лазерную сварку осуществляют с использованием автоматической установки.
