Кожухотрубный теплообменник (варианты)

Кожухотрубный теплообменник (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при проектировании и создании кожухотрубных теплообменников с трубными решетками в других отраслях промышленности.

Известны кожухотрубные теплообменники, включающие распределительные камеры с подводимой и отводимой нагреваемой средой. Распределительная камера разделена перегородкой на входную и выходную полости и ограничена корпусом с патрубками и плоской трубной решеткой. Трубная решетка имеет большое количество каналов (отверстий) под теплообменные трубки. Для плотного соединения эти трубки развальцовываются и/или привариваются к трубной решетке. Распределительная камера с трубными решетками может располагаться вверху, внизу или в середине корпуса, а сам теплообменник может быть вертикальным или горизонтальным [1 - "Теплообменное оборудование паротурбинных установок. Каталог 18-2-76. ЦНИИТЭИтяжмаш. М., 1978, лист 57; 2 - "Теплообменное оборудование паротурбинных установок. Часть II. Каталог 8-78. ЦНИИТЭИтяжмаш. М., 1978, лист 137; 3 - Технический проект камерного ПВД для энергоблока 1200 МВт с трубками ⊘ 16×2,5 мм. // Полыновский Я.Л., Марушкин В.М., Кульмухаметов Т.Я., Антонов Н.М. - Отчет № ТО-355. УралВТИ, Челябинск, 1974; 4 - Марушкин В.М., Иващенко С.С., Вакуленко Б.Ф. Подогреватели высокого давления паротурбинных установок ТЭС и АЭС. М., Атомэнергоиздат. 1985; 5 - Вакуленко Б.Ф., Железняков Н.И. Новая конструкция ПВД для АЭС с ВВЭР-1000 // Электрические станции. 1990, №7, 46-51; 6 - Transactions of the ASME. April 1994, 434-441; 7 - Vrbsky J. Конденсаторы и подогреватели питательной воды поверхностного типа // Proceedings of 10-th Conference on Steam and Gas Turbine. 1994, 347-352; 8 - Вакуленко Б.Ф. О некоторых новых конструктивных решениях важнейших узлов ПНД и ПВД // Электрические станции, 1999, №6; 9 - Подогреватели низкого и высокого давления. Информационная справка. АО СП "Подольский машиностроительный завод". Подольск, 1995; 10 - Калимуллин М.М. и др. Патент РФ №2169327, Бюл. №17 от 20.06.2001].

Недостатками указанных аналогов кожухотрубных теплообменников с плоской трубной решеткой являются большие толщины (например, до 500-800 мм в подогревателях высокого давления ПВД турбоустановок мощностью от 500 МВт и с давлением острого пара более 24 МПа) и масса таких трубных решеток, большая глубина сверлений при малом шаге отверстий, большой объем высверливаемого металла, сложная технология и трудоемкость их изготовления.

Известен кожухотрубный теплообменник, включающий распределительную камеру с подводимой и отводимой нагреваемой средой. Распределительная камера разделена перегородкой на входную и выходную полости и ограничена корпусом с патрубками и плоской трубной решеткой. Для снижения массы трубной решетки в теплообменнике применена укрепляющая связь между решеткой и съемной крышкой распределительной камеры в виде разъемных соединительных стержней, которые имеют резьбовое соединение с трубной решеткой. Эти стержни проходят через уплотняемые отверстия в крышке и гайками стягивают крышку с решеткой [1 - "Теплообменное оборудование паротурбинных установок. Каталог 18-2-76. ЦНИИТЭИтяжмаш. М., 1978, лист 57].

Недостатком известного теплообменника, принятого за прототип заявляемых вариантов 1 и 2, является то, что уплотнение отверстий в крышке для расположения забалчиваемого конца укрепляющей связи является ненадежным при эксплуатации на высоких давлениях, температурах, термических перемещениях и нагрузках, особенно значительных на динамических режимах и при больших габаритах теплообменника. Поэтому укрепляющие связи прототипа применяются, например, в подогревателях низкого давления паротурбинных установок при давлениях и температурах среды в распределительных камерах до 4,0 МПа и 170°С и при диаметрах распределительной камеры до 2200 мм.

Другим недостатком прототипа является невозможность применения таких связей в неразъемных корпусах распределительных камер с трубной решеткой и крышкой или с двумя трубными решетками при расположении камеры в середине теплообменника. Поэтому конструкция прототипа может быть применена только в теплообменниках с разъемными распределительными камерами и съемными крышками, что приводит к необходимости дополнительных трудозатрат на ремонтные технологические операции по разбалчиванию укрепляющих связей, разуплотнению их соединения с крышкой перед каждым ремонтом внутри распределительной камеры и послеремонтному уплотнению и забалчиванию связей. Эти операции требуют высокой квалификации ремонтного персонала.

Известен также кожухотрубный теплообменник, включающий распределительную камеру с подводимой и отводимой нагреваемой средой. Распределительная камера разделена перегородкой на входную и выходную полости и ограничена корпусом с патрубками и плоской трубной решеткой. Для снижения массы всей распределительной камеры в кожухотрубном теплообменнике применено расположение этой камеры в центре теплообменника, а соединение двух обычных плоских трубных решеток в одну общую распределительную камеру выполнено с помощью стенки корпуса камеры с патрубками подвода и отвода нагреваемой среды. Снижение массы получено за счет исключения днища камеры, которое неизбежно при расположении камеры на одном из краев теплообменника ["Теплообменное оборудование паротурбинных установок. Часть II. Каталог 8-78. ЦНИИТЭИтяжмаш. М., 1978, лист 137].

Недостатком этого известного теплообменника, принятого за прототип заявляемых вариантов 3,4 и 5, являются большие толщины (например, до 500-800 мм в подогревателях высокого давления мощных сверхкритических турбоустановок), масса, глубина сверлений и объем высверливаемого металла таких трубных решеток, сложная технология и трудоемкость их изготовления.

Заявляемая конструкция (вариант 1) позволяет применять ее при давлениях и температурах среды в распределительных камерах свыше 4,0 МПа и 170°С вплоть до 45,0 МПа и 320°С, например, в подогревателях высокого давления и теплообменниках, имеющих более надежные в эксплуатации неразъемные распределительные камеры по сравнению с разъемными. При этом укрепляющая связь в виде трубы жесткости выполнена как единое целое с распределительной камерой, а количество связей может быть снижено вплоть до одной, что уменьшает неиспользуемую для отверстий под трубки поверхность трубной решетки, требуемый диаметр и толщину трубной решетки на 5-10%. Эта конструкция позволяет снизить термические напряжения в динамических режимах (пуски, остановы, сбросы нагрузок и др.). Кроме того, отпадает необходимость в дополнительных трудозатратах на ремонтные технологические операции разъема и уплотнения (как в разъемных конструкциях укрепляющих связей), снижается продолжительность ремонта. Эта укрепляющая связь позволяет обеспечить надежный контроль качества ее сварного соединения с трубной решеткой и крышкой корпусом распределительной камеры, причем крышка корпуса распределительной камеры и трубная решетка могут иметь любую конфигурацию (например, плоскую, эллиптическую, сферическую, тороидальную). Перечисленное существенно повышает надежность, уменьшает время простоя, увеличивает коэффициент использования теплообменника.

Заявляемая конструкция (вариант 2) имеет укрепляющую связь со сквозным отверстием постоянного или переменного сечения в ней. Такая укрепляющая связь может выполнять функцию патрубка и трубы подвода и отвода среды с меньшим давлением. Такая схема позволяет оптимально скомпоновать элементы распределительной камеры и схема позволяет оптимально скомпоновать элементы распределительной камеры и всего теплообменника. Кроме того, наличие сквозного отверстия в укрепляющей связи обеспечивает увеличенную прочность конструкции в статических и особенно динамических режимах термонапряженных работы.

Заявляемая конструкция (вариант 3) с расположением распределительной камеры между кожухами имеет укрепляющую связь между трубными решетками в виде стержня жесткости, которая выполнена как единое целое с распределительной камерой, позволяет применять ее при давлениях и температурах нагреваемой среды в распределительных камерах свыше 4,0 МПа и 170°С вплоть до 45,0 МПа и 320°С, например в подогревателях высокого давления.

Заявляемая конструкция (вариант 4) с расположением распределительной камеры между кожухами и укрепляющей связью между трубными решетками в виде трубы жесткости, которая выполнена как единое целое с распределительной камерой, позволяет применять ее при давлениях и температурах нагреваемой среды в распределительных камерах свыше 4,0 МПа и 170°С вплоть до 45,0 МПа и 320°С, например в подогревателях высокого давления. Распределительная камера с трубой жесткости имеет меньшую трудоемкость и более высокое качество соединения трубы жесткости с трубными решетками, а само соединение будет менее термонапряженным в динамических режимах.

Заявляемая конструкция (вариант 5) с расположением распределительной камеры между кожухами имеет укрепляющую связь между трубными решетками в виде трубы жесткости со сквозным отверстием постоянного или переменного сечения в ней. Такая укрепляющая связь может выполнять функцию трубы для протока и выравнивания давлений сред меньшего давления между межтрубными пространствами обоих кожухов. Такая схема позволяет оптимально скомпоновать элементы распределительной камеры и всего теплообменника. Сквозное отверстие в укрепляющей связи позволяет обеспечить надежный контроль качества ее сварного соединения с трубной решеткой и крышкой корпусом распределительной камеры. Кроме того, наличие сквозного отверстия в укрепляющей связи обеспечивает увеличенную прочность конструкции в статических и особенно динамических режимах термонапряженных работ.

Предложен кожухотрубный теплообменник (вариант 1), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубной решетке, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением, крышкой корпуса и трубной решеткой, имеющей укрепляющую связь в распределительной камере. При этом укрепляющая связь выполнена в виде трубы жесткости, соединенной неразъемно с крышкой корпуса распределительной камеры и трубной решеткой.

Предложен кожухотрубный теплообменник (вариант 2), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубной решетке, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением, крышкой корпуса и трубной решеткой, имеющей укрепляющую связь в распределительной камере. При этом укрепляющая связь выполнена в виде трубы жесткости, соединенной неразъемно с крышкой корпуса распределительной камеры и трубной решеткой, причем укрепляющая связь в виде трубы жесткости с крышкой корпуса и трубной решеткой имеет сквозное отверстие постоянного или переменного проходного сечения.

Предложен кожухотрубный теплообменник (вариант 3), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубным решеткам, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением и трубными решетками. При этом в распределительной камере трубные решетки соединены между собой неразъемно укрепляющей связью в виде стержня жесткости.

Предложен кожухотрубный теплообменник (вариант 4), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубным решеткам, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением и трубными решетками. При этом в распределительной камере трубные решетки соединены между собой неразъемно укрепляющей связью в виде трубы жесткости.

Предложен кожухотрубный теплообменник (вариант 5), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубным решеткам, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением и трубными решетками. При этом в распределительной камере трубные решетки соединены между собой неразъемно укрепляющей связью в виде трубы жесткости, причем укрепляющая связь в виде трубы жесткости с трубными решетками имеет сквозное отверстие постоянного или переменного проходного сечения.

Изобретение иллюстрируется рисунками, на которых показаны:

фиг. 1 - кожухотрубный теплообменник (вариант 1) вертикального типа с одной трубной решеткой и эллиптической крышкой распределительной камеры, расположенной внизу теплообменника, и укрепляющей связью в виде трубы жесткости;

фиг. 2 - кожухотрубный теплообменник (вариант 2) вертикального типа с одной трубной решеткой и плоской крышкой распределительной камеры, расположенной внизу теплообменника, и укрепляющей связью в виде трубы жесткости со сквозным отверстием;

фиг. 3 - кожухотрубный теплообменник (вариант 3) горизонтального типа с двумя трубными решетками распределительной камеры, расположенной в середине теплообменника, и укрепляющей связью в виде стержня жесткости;

фиг. 4 - кожухотрубный теплообменник (вариант 4) горизонтального типа с двумя трубными решетками распределительной камеры, расположенной в середине теплообменника, и укрепляющей связью в виде трубы жесткости;

фиг. 5 - кожухотрубный теплообменник (вариант 5) горизонтального типа с двумя трубными решетками распределительной камеры, расположенной в середине теплообменника, и укрепляющей связью в виде трубы жесткости со сквозным отверстием.

Кожухотрубный теплообменник (вариант 1) включает кожух 1 теплообменника с патрубками подвода 2 и отвода 3 среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки 4, присоединенные к трубной решетке 5, распределительную камеру 6, разделенную перегородкой 7 на входную 8 и выходную 9 полости и ограниченную корпусом 10 с патрубками подвода 11 и отвода 12 среды с большим давлением, крышкой 13 корпуса 10 и трубной решеткой 5, имеющей укрепляющую связь 14 в распределительной камере 6. При этом укрепляющая связь 14 выполнена в виде трубы жесткости 15, соединенной неразъемно с крышкой 13 корпуса 10 распределительной камеры 6 и трубной решеткой 5.

Кожухотрубный теплообменник (вариант 2) включает кожух 1 теплообменника с патрубками подвода 2 и отвода 3 среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки 4, присоединенные к трубной решетке 5, распределительную камеру 6, разделенную перегородкой 7 на входную 8 и выходную 9 полости и ограниченную корпусом 10 с патрубками подвода 11 и отвода 12 среды с большим давлением, крышкой 13 корпуса 10 и трубной решеткой 5, имеющей укрепляющую связь 14 в распределительной камере 6. При этом укрепляющая связь 14 выполнена в виде трубы жесткости 15, соединенной неразъемно с крышкой 13 корпуса 10 распределительной камеры 6 и трубной решеткой 5, причем укрепляющая связь 14 в виде трубы жесткости 15 с крышкой 13 корпуса 10 и трубной решеткой 5 имеет сквозное отверстие 16 постоянного или переменного проходного сечения.

Кожухотрубный теплообменник (вариант 3) включает кожух теплообменника 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки 4, присоединенные к трубным решеткам 5, распределительную камеру 6, разделенную перегородкой 7 на входную 8 и выходную 9 полости и ограниченную корпусом 10 с патрубками подвода 11 и отвода 12 среды с большим давлением и трубными решетками 5. При этом в распределительной камере 6 трубные решетки 5 соединены между собой неразъемно укрепляющей связью 14 в виде стержня жесткости 17.

Кожухотрубный теплообменник (вариант 4) включает кожух теплообменника 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки 4, присоединенные к трубным решеткам 5, распределительную камеру 6, разделенную перегородкой 7 на входную 8 и выходную 9 полости и ограниченную корпусом 10 с патрубками подвода 11 и отвода 12 среды с большим давлением и трубными решетками 5. При этом в распределительной камере 6 трубные решетки 5 соединены между собой неразъемно укрепляющей связью 14 в виде трубы жесткости 15.

Кожухотрубный теплообменник (вариант 5) включает кожух теплообменника 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки 4, присоединенные к трубным решеткам 5, распределительную камеру 6, разделенную перегородкой 7 на входную 8 и выходную 9 полости и ограниченную корпусом 10 с патрубками подвода 11 и отвода 12 среды с большим давлением и трубными решетками 5. При этом в распределительной камере 6 трубные решетки 5 соединены между собой неразъемно укрепляющей связью 14 в виде трубы жесткости 15, причем укрепляющая связь 14 в виде трубы жесткости 15 с трубными решетками 5 имеет сквозное отверстие 16 постоянного или переменного проходного сечения.

Кожухотрубные теплообменники по вариантам 1-5 работают следующим образом.

В теплообменнике по варианту 1 среда с большим давлением поступает во входную полость 8 распределительной камеры 6 через патрубок подвода 11, откуда через каналы в трубной решетке 5 распределяется по теплообменным трубкам 4, из которых поступает в выходную полость 9 и отводится из нее через патрубок отвода 12. Омывающая трубки 4 снаружи среда меньшего давления поступает в межтрубное пространство кожуха 1 через патрубок 2 и выходит из кожуха 1 через патрубок 3.

В теплообменнике по варианту 2 принцип работы аналогичен варианту 1. Отличие заключается в том, что среда меньшего давления из межтрубного пространства кожуха 1 выходит через отверстие 16 и трубу жесткости 15 укрепляющей связи 14 и отводится из теплообменника через патрубок выхода 3, являющийся одновременно продолжением трубы жесткости 15 укрепляющей связи 14.

В теплообменнике по варианту 3 принцип работы аналогичен варианту 1. Отличие заключается в том, что среда с большим давлением из входной полости 8 распределительной камеры 6 через каналы в двух трубных решетках 5 распределяется параллельно по двум пучкам теплообменных трубок 4, откуда попадает в выходную полость 9. Среда меньшего давления через патрубки входа 2 поступает параллельно в оба межтрубные пространства двух кожухов 1, омывает снаружи трубки 4 и выходит из кожухов 1 через патрубки выхода 3.

В теплообменнике по варианту 4 принцип работы полностью аналогичен варианту 3, так как разные конструкции укрепляющих связей 14 в виде стержня жесткости 17 и трубы жесткости 15 не определяют принцип работы теплообменников по вариантам 3 и 4.

В теплообменнике по варианту 5 принцип работы аналогичен варианту 3. Отличие заключается в том, что через отверстие 16 и трубу жесткости 15 укрепляющей связи 14 осуществляются перетоки среды меньшего давления между межтрубными пространствами кожухов 1 для выравнивания давления и потоков этой среды в кожухах 1.

1. Кожухотрубный теплообменник (вариант 1), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубной решетке, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением, крышкой корпуса и трубной решеткой, имеющей укрепляющую связь в распределительной камере, отличающийся тем, что укрепляющая связь выполнена в виде трубы жесткости, соединенной неразъемно с крышкой корпуса распределительной камеры и трубной решеткой.

2. Кожухотрубный теплообменник (вариант 2), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубной решетке, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением, крышкой корпуса и трубной решеткой, имеющей укрепляющую связь в распределительной камере, отличающийся тем, что укрепляющая связь выполнена в виде трубы жесткости, соединенной неразъемно с крышкой корпуса распределительной камеры и трубной решеткой, причем укрепляющая связь в виде трубы жесткости с крышкой корпуса и трубной решеткой имеет сквозное отверстие постоянного или переменного проходного сечения.

3. Кожухотрубный теплообменник (вариант 3), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубным решеткам, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением и трубными решетками, отличающийся тем, что в распределительной камере трубные решетки соединены между собой неразъемно укрепляющей связью в виде стержня жесткости.

4. Кожухотрубный теплообменник (вариант 4), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубным решеткам, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением и трубными решетками, отличающийся тем, что в распределительной камере трубные решетки соединены между собой неразъемно укрепляющей связью в виде трубы жесткости.

5. Кожухотрубный теплообменник (вариант 5), включающий кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубным решеткам, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением и трубными решетками, отличающийся тем, что в распределительной камере трубные решетки соединены между собой неразъемно укрепляющей связью в виде трубы жесткости, причем укрепляющая связь в виде трубы жесткости с трубными решетками имеет сквозное отверстие постоянного или переменного проходного сечения.