Теплообменник

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при проектировании энергетического оборудования атомных электростанций. Теплообменник содержит размещенные в корпусе центральный коллектор с раздающей и собирающей камерами и кольцевой пучок трубчатых ширм с верхними и нижними участками, подключенными радиальными концами труб к соответствующим камерам коллектора, выполненными в плане изогнутыми в одну сторону в направлении от коллектора к корпусу и сообщенными между собой по трубному пространству посредством соответствующих средних участков ширм, причем в каждой ширме верхние и нижние участки связаны между собой, по меньшей мере, одним вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме, которое одним концом соединено с опорно-кольцевой горизонтальной балкой, а другим - с горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке. Каждое вертикальное устройство дистанционирования труб в ширме соединено с опорно-кольцевой горизонтальной балкой посредством шарнира, а упомянутое горизонтальное кольцо выполнено по длине составным из горизонтальных пластин, каждая из которых установлена с примыканием к смежной пластине. Благодаря такому устройству теплообменника обеспечиваются свободное температурное удлинение труб в каждой ширме и постоянство шага между ширмами. При этом удается избежать сильных вибраций в пучке и локального износа труб ширм. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при проектировании воздушных теплообменников систем аварийного расхолаживания (САРХ) и систем пассивного отвода тепла (СПОТ) реакторных установок, а также при конструировании трубных систем сепараторов-пароперегревателей турбоустановок атомных электростанций.

Известен теплообменник, содержащий размещенные в корпусе центральный коллектор с раздающей и собирающей камерами и кольцевой пучок трубчатых ширм с верхними и нижними участками, подключенными радиальными концами труб к соответствующим камерам коллектора, выполненными в плане изогнутыми в одну сторону в направлении от коллектора к корпусу и сообщенными между собой по трубному пространству посредством соответствующих средних участков ширм, причем в каждой ширме верхние и нижние участки связаны между собой, по меньшей мере, одним вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме, а наружные трубы ширм соединены с опорно-кольцевыми горизонтальными балками (см. Разработка компактных теплообменных аппаратов. / Острецов И.Н. и др. // Энергомашиностроение. №5. 1989. С.31-34).

Такое устройство теплообменника допустимо при использовании ширм относительно небольших длин (до 2-х метров) и веса. При использовании длинномерных ширм с большими весовыми нагрузками описанная система крепления и дистанционирования оказывается неспособной воспринять вес пучка и при этом обеспечить вибрации в пучке в допустимых пределах, поэтому при работе возникает сильный износ труб в местах их соединения с планками дистанционирования и опорно-кольцевыми балками, что снижает ресурс теплообменника.

К настоящему изобретению наиболее близким техническим решением из известных (прототипом) является теплообменник, содержащий размещенные в корпусе центральный коллектор с раздающей и собирающей камерами и кольцевой пучок трубчатых ширм с верхними и нижними участками, подключенными радиальными концами труб к соответствующим камерам коллектора, выполненными в плане изогнутыми в одну сторону в направлении от коллектора к корпусу и сообщенными между собой по трубному пространству посредством соответствующих средних участков ширм, причем в каждой ширме верхние и нижние участки связаны между собой, по меньшей мере, одним вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме, которое одним концом соединено с опорно-кольцевой горизонтальной балкой, а другим - с горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке (см. патент США №3376858. Н. кл. 122-32. 1968).

Такой теплообменник обеспечивает вибрации ширм в пучке в допустимых пределах при использовании длинномерных ширм, но при условии, что температуры теплоносителей трубного и межтрубного пространств, а значит, и температуры труб и планок дистанционирования не будут сильно отличаться друг от друга (до 50°С).

Однако при использовании такого технического решения в качестве воздушного теплообменника САРХ указанная разность температур может достигать 400°С, учитывая, что температура охлаждающего воздуха в зимнее время может иметь отрицательные значения.

Большая разница температур труб и планок дистанционирования в прототипе усугубляется жесткой конструкцией кольца дистанционирования ширм в пучке, жестким соединением планок дистанционирования с опорно-кольцевой балкой, что, учитывая сложную конфигурацию ширм, приводит к защемлению труб в планках дистанционирования и возникновению в них повышенных температурных компенсационных напряжений, снижающих эксплуатационную надежность теплообменника.

Таким образом, недостатком теплообменника, принятого в качестве прототипа, является его низкая эксплуатационная надежность из-за повышенных температурных компенсационных напряжений в трубах ширм.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности теплообменника путем понижения температурных компенсационных напряжений в трубах ширм.

Техническая задача изобретения решается в теплообменнике, содержащем размещенные в корпусе центральный коллектор с раздающей и собирающей камерами и кольцевой пучок трубчатых ширм с верхними и нижними участками, подключенными радиальными концами труб к соответствующим камерам коллектора, выполненными в плане изогнутыми в одну сторону в направлении от коллектора к корпусу и сообщенными между собой по трубному пространству посредством соответствующих средних участков ширм, причем в каждой ширме верхние и нижние участки связаны между собой, по меньшей мере, одним вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме, которое одним концом соединено с опорно-кольцевой горизонтальной балкой, а другим - с горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке, при этом каждое вертикальное устройство дистанционирования труб в ширме соединено с опорно-кольцевой горизонтальной балкой посредством шарнира, а горизонтальное кольцо дистанционирования ширм в пучке выполнено по длине составным из горизонтальных пластин, каждое из которых установлено с примыканием к смежной пластине.

Кроме того, в каждой ширме средний участок может быть выполнен с горизонтальным устройством дистанционирования труб в ширме, которое со стороны корпуса соединено посредством дополнительного шарнира с бандажом, охватывающим пучок ширм, а со стороны центрального коллектора скреплено с вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме.

Кроме того, каждое вертикальное устройство дистанционирования труб в ширме участком, расположенным между шарниром и пучком ширм, может быть соединено с дополнительным горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке.

Кроме того, каждое вертикальное устройство дистанционирования труб в ширме участком, расположенным между верхними и нижними участками ширм, может быть соединено с дополнительным горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке.

Соединение каждого вертикального устройства дистанционирования труб в ширме с опорно-кольцевой горизонтальной балкой посредством шарнира и выполнение горизонтального кольца дистанционирования ширм в пучке по длине составным из горизонтальных пластин, каждая из которых установлена с примыканием к смежной пластине, приводят к тому, что упомянутое кольцо, продолжая выполнять функции дистанционирования ширм между собой, стало более податливым к температурным перемещениям труб в ширме. Это существенно снизило температурные компенсационные напряжения в трубах ширм, что повысило эксплуатационную надежность теплообменника.

Дополнительные кольца дистанционирования ширм в пучке и горизонтальные устройства дистанционирования средних участков труб в ширме, соединенные посредством дополнительных шарниров с бандажами, охватывающими пучок, и скрепленные со стороны центрального коллектора с вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме, еще в большей степени снижают температурные компенсационные напряжения в трубах ширм, что еще в большей степени повышает эксплуатационную надежность теплообменника.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид теплообменника; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б фиг.2; на фиг.4 - фрагмент горизонтального кольца дистанционирования ширм в пучке; на фиг.5 - вид Г фиг.4; на фиг.6 -узел Д фиг.4; на фиг.7 - сечение Е-Е фиг.6; на фиг.8 - сечение Ж-Ж фиг.1.

Теплообменник содержит корпус 1, в котором размещены центральный коллектор с раздающей камерой 2 и собирающей камерой 3, а также кольцевой пучок трубчатых ширм с верхними участками 4 и нижними участками 5. Верхние участки 4 пучка трубчатых ширм подключены радиальными концами труб к раздающей камере 2 коллектора, а нижние участки 5 этого пучка - аналогичными концами к его камере 3. Раздающая камера 2 подключена к трубопроводу 6 подвода теплоносителя трубного пространства ширм, а собирающая камера 3 - к трубопроводу 7 отвода этого теплоносителя.

Участки 4 и 5 ширм выполнены в плане изогнутыми в одну сторону в направлении от коллектора к корпусу 1 (см. фиг.2) и сообщенными между собой по трубному пространству посредством соответствующих средних участков 8 ширм.

В каждой ширме участки 4 и 5 связаны между собой, по меньшей мере, одним устройством 9 дистанционирования труб в ширме. Устройства 9 устанавливаются в пучке ширм в кольцевые ряды вокруг коллектора. В данном примере конкретной реализации изобретения устройства 9 установлены в три кольцевых ряда (см. фиг.2).

Каждое устройство 9 (см. фиг.3) в зоне расположения труб участков 4 и 5 выполнено из двух гофрированных планок 10 и 11, расположенных по обе стороны от труб ширм и соединенных между собой в зазорах между трубами посредством крепежных элементов 12.

Каждое устройство 9 в каждом кольцевом ряду одним концом посредством шарнира 13 соединено с соответствующей опорно-кольцевой горизонтальной балкой 14, а другим - с соответствующим горизонтальным кольцом 15 дистанционирования ширм в пучке.

На чертеже показано, что устройства 9 верхними концами посредством верхних шарниров 13 соединены с опорно-кольцевыми горизонтальными балками 14, которые расположены над пучком ширм. При этом кольца 15 расположены под пучком ширм. Таким образом, реализуется подвесной вариант крепления пучка в теплообменнике.

Однако в общем случае возможен и опорный вариант крепления пучка. В опорном варианте, который на чертеже не показан, устройства дистанционирования труб в ширме нижними концами посредством нижних шарниров будут соединены с опорно-кольцевыми горизонтальными балками, расположенными под пучком ширм. При этом кольца дистанционирования ширм будут расположены над пучком ширм.

В подвесном варианте крепления пучка, который принят в качестве примера конкретной реализации данного изобретения, на центральном коллекторе (см. фиг.1) устанавливается опорная обечайка 16, а на корпусе 1 - кронштейны 17. При этом опорно-кольцевые горизонтальные балки 14 соединяются с крестовиной 18, которая концами, расположенными со стороны коллектора, крепится неподвижно к опорной обечайке 16, а другими концами, расположенными со стороны корпуса 1, соединяется с кронштейнами 17 с возможностью перемещения относительно их.

Каждое кольцо 15 дистанционирования ширм в пучке (см. фиг.4 и 5) выполнено по длине составным из горизонтальных пластин 19, каждая из которых установлена с примыканием к смежной пластине 19, то есть пластины 19 подвижно и последовательно подсоединены одна к другой с образованием кольца 15.

Существует множество вариантов подвижного соединения пластин 19 между собой. В примере конкретной реализации изобретения показан один из этих вариантов. В соответствии с фиг.4 каждая пара смежных пластин 19 соединяется болтом 20 с гайкой 21. При этом в одной пластине 19 выполняется цилиндрическое отверстие 22 под болт 20, а смежная пластина 19 выполняется с овальным отверстием 22 под болт 20 для возможности перемещения пластин 19 относительно друг друга в процессе работы теплообменника.

В случае больших габаритов кольцевого пучка ширм одного кольца 15 дистанционирования ширм в каждом кольцевом ряду устройств 9 может оказаться недостаточным, чтобы вибрации в пучке были в допустимых пределах. В этом случае в каждом кольцевом ряду устройств 9 используют дополнительное горизонтальное кольцо 23 дистанционирования ширм в пучке (см. фиг.3), с которым каждое устройство 9 соединено участком, расположенным между шарниром 13 и пучком ширм. Если этого окажется недостаточно, то используют еще одно дополнительное горизонтальное кольцо 24 дистанционирования ширм в пучке, с которым каждое устройство 9 соединено участком, расположенным между верхними и нижними участками 4 и 5 соответственно ширм.

Каждое из дополнительных колец 23 и 24 выполнено по аналогии с кольцом 15 составным из дополнительных горизонтальных пластин, каждое из которых установлено с примыканием к смежной дополнительной пластине, то есть дополнительные пластины подвижно и последовательно подсоединены одна к другой с образованием соответствующих колец 23 или 24. Дополнительные пластины колец 23 и 24 на чертеже условно не показаны.

В каждой ширме средний участок 8 выполнен (см. фиг.8) с горизонтальным устройством 25 дистанционирования труб в ширме. Устройство 25 со стороны корпуса 1 соединено посредством дополнительного шарнира 26 с бандажом 27, охватывающим пучок ширм, а со стороны центрального коллектора скреплено с вертикальным устройством 9 дистанционирования труб в ширме.

Каждое устройство 25 выполнено из изогнутой полосы, части 28 и 29 которой расположены по обе стороны от труб ширм и соединены между собой в зазорах между трубами посредством крепежных элементов 30.

При работе в качестве воздушного теплообменника системы аварийного расхолаживания реакторной установки с жидкометаллическим теплоносителем последний с температурой 505°С по трубопроводу 6 подают в камеру 2 центрального коллектора. Далее теплоноситель последовательно проходит по трубам участков 4, 8 и 5 ширм, в которых охлаждается до 300°С. Охлажденный теплоноситель собирается в камере 3 центрального коллектора, из которой отводится трубопроводом 7.

Теплоноситель охлаждается наружным воздухом, который за счет естественной тяги в корпусе 1 проходит по межтрубному пространству пучка ширм. Расчетная температура воздуха в зимнее время равна -43°С.

При работе теплообменника трубы ширм имеют температуру, близкую к температуре охлаждаемого теплоносителя, а устройства 9, 25 и кольца 15, 23, 24 - температуру воздуха. В результате по высоте пучка устанавливается очень большой перепад температур, который приводит к различным температурным перемещениям труб на входных и выходных участках 4 и 5 соответственно. Однако благодаря шарнирам 13 и выполнению колец 15 дистанционирования ширм в пучке по длине составными из горизонтальных пластин 19, каждая из которых установлена с примыканием к смежной пластине 19, обеспечиваются свободное температурное удлинение труб в каждой ширме и постоянство шага между ширмами. При этом удается избежать сильных вибраций в пучке и локального износа труб ширм, что повышает эксплуатационную надежность теплообменника.

1. Теплообменник, содержащий размещенные в корпусе центральный коллектор с раздающей и собирающей камерами и кольцевой пучок трубчатых ширм с верхними и нижними участками, подключенными радиальными концами труб к соответствующим камерам коллектора, выполненными в плане изогнутыми в одну сторону в направлении от коллектора к корпусу и сообщенными между собой по трубному пространству посредством соответствующих средних участков ширм, причем в каждой ширме верхние и нижние участки связаны между собой, по меньшей мере, одним вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме, которое одним концом соединено с опорно-кольцевой горизонтальной балкой, а другим - с горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке, отличающийся тем, что каждое вертикальное устройство дистанционирования труб в ширме соединено с опорно-кольцевой горизонтальной балкой посредством шарнира, а горизонтальное кольцо дистанционирования ширм в пучке выполнено по длине составным из горизонтальных пластин, каждая из которых установлена с примыканием к смежной пластине.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что в каждой ширме средний участок выполнен с горизонтальным устройством дистанционирования труб в ширме, которое со стороны корпуса соединено посредством дополнительного шарнира с бандажом, охватывающим пучок ширм, а со стороны центрального коллектора скреплено с вертикальным устройством дистанционирования труб в ширме.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждое вертикальное устройство дистанционирования труб в ширме участком, расположенным между шарниром и пучком ширм, соединено с дополнительным горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке.

4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждое вертикальное устройство дистанционирования труб в ширме участком, расположенным между верхними и нижними участками ширм, соединено с дополнительным горизонтальным кольцом дистанционирования ширм в пучке.