Теплообменник кожухотрубчатый с изогнутыми трубками

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках и реакторах кожухотрубчатой конструкции. В теплообменник, состоящий из корпуса, трубных решеток, перегородок и труб, трубы установлены с предварительным прогибом, при этом предварительный прогиб осуществляется за счет смещения отверстий для труб в перегородках или за счет смещения перегородок механизмом перемещения, а перегородки установлены с возможностью смещения в направлении предварительного смещения, причем перегородки в средней части теплообменника установлены неподвижно со смещением отверстий для труб, а корпус может быть выполнен с прогибом. Остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного смещения труб для компенсации их удлинения при температурной деформации, при этом предварительный прогиб труб осуществляется в процессе сборки теплообменника из прямых труб, которые изгибаются в пределах упругой деформации. Технический результат - обеспечение компенсации удлинения труб при температурной деформации. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к теплообменному и реакторному оборудованию и может быть использовано в энергетической, химической, нефтехимической отраслях промышленности, на энергетическом оборудовании средств транспорта и других отраслях, где осуществляется теплообмен.

Известны кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами: с линзовым компенсатором, с плавающей головкой, с U-образными трубками. Первый имеет сложную конструкцию, не имеет жесткого корпуса и не работает при высоких давлениях, второй недостаточно надежен при работе с агрессивными средами и средами, не допускающими сообщения полостей, третий имеет низкую ремонтопригодность, и его сложно использовать, в частности, в вертикальном исполнении.

Известен теплообменник по патенту №2451889. Внутри корпуса теплообменника расположен трубный пучок, который состоит по меньшей мере из двух рядов конусообразных труб, закрепленных концами в отверстиях решеток по концентрическим окружностям. Трубы расположены с наклоном одновременно в двух направлениях: с наклоном к вертикальной оси корпуса и с дополнительным наклоном, выполненным путем смещения концов в окружном направлении, т.е. по дугам окружностей размещения их в трубных решетках. При этом углы наклонов выполнены в пределах 0,5-50,0 градусов от вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось корпуса. Теплообменник имеет сложную конструкцию трубок и малую ремонтопригодность.

Теплообменник по патенту №2451889 принят в качестве прототипа.

Цель изобретения - обеспечение компенсации удлинения труб при температурной деформации в теплообменнике при использовании прямых трубок.

Указанная цель достигается тем, что в теплообменнике, состоящем из корпуса, трубных решеток, перегородок и труб, трубы установлены с предварительным прогибом с возможностью дальнейшего прогиба при температурной деформации.

Предварительный прогиб осуществляется за счет смещения отверстий для труб в перегородках, а также за счет смещения перегородок механизмом перемещения, причем две перегородки с вырезами в разные стороны в средней части теплообменника установлены со смещением неподвижно, остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного смещения.

Предварительный прогиб труб осуществляется в процессе сборки теплообменника из прямых труб, которые изгибаются в пределах упругой деформации.

Корпус может быть выполнен с прогибом, при этом две перегородки с вырезами в разные стороны в средней части теплообменника установлены неподвижно в корпусе, остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного прогиба корпуса.

Таким образом, в конструкцию теплообменника внесены существенные отличия, а именно: прямые трубы устанавливаются с прогибом, который образуется предварительным смещением отверстий в перегородках в поперечном направлении относительно прямолинейного исходного положения оси труб или предварительным смещением самих перегородок с трубами в поперечном направлении при изготовлении теплообменника. При удлинении при температурной деформации трубок они смещаются в том же поперечном направлении, увлекая за собой перегородки, установленные с возможностью дальнейшего смещения и обеспечивающие синхронное смещение труб, удлинение труб происходит без их взаимного касания и касания с корпусом теплообменника. При этом смещение осуществляется в пределах упругой деформации труб. Данное отличие является существенным, так как позволяет достигнуть цели изобретения:

- обеспечение компенсации удлинения труб при температурной деформации;

- изготовление теплообменника с изогнутыми трубками из прямых труб.

Предварительное смещение труб с дальнейшим смещением при удлинении при температурной деформации соответствует случаю, когда при изменении температуры деформация труб больше деформации корпуса теплообменника. Если при изменении температуры деформация труб меньше деформации корпуса теплообменника, трубы устанавливаются посредством перегородок с максимально возможным смещением, а при изменении температуры смещение уменьшается, деформированные трубы выпрямляются в пределах упругой деформации.

Предложение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен теплообменник с прогибом с одним изгибом труб, представляющим собой полуволну. Ось труб в месте соединения с трубной доской наклонена на угол βо к перпендикуляру к трубной доске, где:

- 1 - корпус теплообменника;

- 2, 3 - трубные доски;

- 4 - трубы в нижней части теплообменника;

- 5 - трубы в средней части теплообменника;

- 6 - трубы в верхней части теплообменника;

- 7 - перегородка с вырезом сверху;

- 8 - перегородка с вырезом снизу;

- L - расстояние между трубными досками;

- e - длина четвертьволны при смещении труб;

- l - расстояние от трубной доской до перегородки;

- i - номер перегородки;

- h - общее поперечное смещение в пределах четвертьволны;

- β - угол наклона осей труб от исходного положения к положению осей при смещении труб;

- βо - угол наклона оси трубы к перпендикуляру к трубной доске теплообменника в месте соединения трубы с трубной доской;

- п - индекс при предварительном поперечном смещении;

- т - индекс при поперечном смещении при температурной деформации.

Корпус 1 имеет цилиндрическую поверхность.

На фиг. 2 изображен теплообменник, где при прогибе образуется три изгиба труб, представляющих собой полную волну, угол наклона осей труб в месте соединения с трубной доской βо равен:

βо=0,

где:

- 9 - шторки;

- 10 - устройство для поперечного смещения перегородок;

- Н - общее поперечное смещение.

Корпус 1 имеет цилиндрическую поверхность.

Остальное - см. фиг. 1.

На фиг. 3 изображен разрез А-А теплообменника на фиг. 2. Перегородки 7 и 8 показаны при максимальном смещении, где:

- 11 - направляющие;

- δ - расстояние между корпусом и перегородкой в перпендикулярном к смещению перегородки направлении, остальное - см. фиг. 1 и 2.

На фиг. 4 изображен теплообменник, где образуется два прогиба с двумя изгибами труб и неподвижной серединой, представляющих собой полную волну, где:

- 12 - неподвижные перегородка с вырезом сверху;

- 13 - неподвижные перегородка с вырезом снизу;

- γ - угол наклона исходных осей труб к оси теплообменника;

- ϕ - угол наклона трубной доски к оси теплообменника.

Составной корпус 1 состоит из сочлененных обечаек с цилиндрическими поверхностями. Остальное - см. фиг. 1…3.

На фиг. 5 изображен теплообменник, где предварительное смещение образуется за счет изгиба корпуса, предварительный изгиб труб представляет собой полуволну, состоящую из двух четвертьволн, наиболее близкие к середине теплообменника перегородки 12 и 13 с верхним и нижним вырезами закреплены неподвижно.

Остальное - см. фиг. 1…4.

Возможны различные комбинации исполнений теплообменников, приведенных на фиг. 1-5.

На фиг. 1 теплообменник состоит из корпуса 1, по концам которого установлены трубные доски 2 и 3, в которых установлены трубы 4, 5 и 6, между трубными досками трубы удерживаются перегородками 7 и 8, перегородки 7 удерживают трубы 4 и 5, перегородки 8 удерживают трубы 5 и 6. Отверстия для труб 4, 5 и 6 в перегородках 7 и 8 выполнены с предварительным смещением hПi относительно исходной оси труб в зависимости от расстояния li от трубной доски до i-той перегородки. Предварительный прогиб труб представляет собой полуволну, состоящей из выпуклой нарастающей и выпуклой убывающей червертьволн:

nП=2,

где nП - количество четвертьволн при предварительном смещении между трубными досками,

L=2еП.

Исходные оси труб паралельны оси теплообменника.

Значение предварительного поперечного смещения hП для труб выбирается из условия, при котором напряжение при торцевом сжатии не больше напряжения при изгибе труб и определяется по формуле:

hП≥d/4,

где d - диаметр труб, мм.

Концы труб заделаны в трубные доски под углом β0:

βmax≥β0>0.

Между трубными досками должно быть не менее двух перегородок. Значение перемещения в пределах четвертьволны - hП для i-той перегородки равно hПi и зависит от расстояния от трубной доски до i-той перегородки li, при выпуклой нарастающей волне:

hПi=2hПli/e(e-li/2e).

Изгиб труб при температурной деформации представляет собой полную волну, состоящие из вогнутой нарастающей, выпуклой нарастающей, выпуклой убывающей, вогнутой убывающей четвертьволн, которые накладываются на четвертьволны при предварительном смещении:

nТ=4,

где nТ - количество четвертьволн при смещении при температурной деформации труб.

Общее поперечное смещение h определяется по формуле:

Максимальное значение величины смещения h в пределах четвертьволны определяется по формуле:

hmax=2dEΔtαk/(1-c)[σ],

где - Е - модуль упругости материала, МПа;

- Δt - разница изменения температуры труб и корпуса, °С;

- α - коэффициент линейного расширения материала, мм/°С;

- k - коэффициент зависит от соотношения еП и еТ, hП и hТ;

- с - коэффициент загруженности трубы от действия сил при предварительном смещении и других нагрузок в теплообменнике, кроме нагрузок от изгиба при температурной деформации.

Смещение труб при температурной деформации накладывается на предварительное смещение, наличие двух дополнительных изгибов зависит от соотношения величин смещения hП и hТ.

Теплообменник изготавливается и работает следующим образом.

Трубы ввариваются в трубные решетки под углом βо с установленными перегородками, образуя трубный пучок, который устанавливается в корпус. Трубы в перегородки установлены со смещением так, что при установке в корпус трубного пучка трубы предварительно смещаются на величину hП. Трубные доски фиксируются к корпусу. При нагревании трубы удлиняются и смещаются далее в направлении предварительного смещения в пределах упругой деформации на величину hТ.

Минимальная длина четвертьволны еТmin определяется по формуле:

где - [σ]Д - допускаемое напряжение материала труб, МПа.

Максимальное значение угла наклона оси трубы при переходе от вогнутой к выпуклой четвертьволне к углу наклона трубы определяется по формуле:

βmax=arctg2(Δtα)1/2

При этом выполняются условия:

0≤β≤arctg 2h/e.

Если модули упругости и коэффициенты линейного расширения материала корпуса и труб разные, формула (2) изменяется в зависимости от характеристик материалов.

В остальном при изготовлении применяются существующие технологии.

Если не предусматривать термообработку теплообменника, изгиб в пределах упругой деформации осуществляется на общую величину h.

На фиг. 2 и 3 теплообменник дополнительно оснащен шторками 9 для перекрытия щели, образующейся при смещении перегородок, для смещения труб в поперечном направлении, имеются устройства поперечного смещения перегородок 10 и направляющие 11. Расстояние между направляющими одной перегородки должно превышать максимальный габарит перегородки для предотвращения заклинивания. Если изменение минимального расстояния 8 между корпусом и перегородкой при перемещении последней значительно меньше величины перемещения h, (h>5δ), направляющие 11 не предусматриваются. Если площадь сечения вырезов перегородок значительно превышает площадь сечения зазоров и последние существенно не влияют на теплообмен, шторки 9 не предусматриваются.

При смещении труб образуется три изгиба. Изгибы труб и при предварительном смещении, и при удлинении при температурной деформации совпадают и представляют собой полную волну, состоящие из вогнутой нарастающей (первый изгиб), выпуклой нарастающей и выпуклой убывающей (второй изгиб), вогнутой убывающей (третий изгиб) червертьволн:

nП=nТ=4;

L=4еП=4еТ.

Исходные оси труб параллельны оси теплообменника,

Теплообменник на фиг. 2 и 3 изготавливается и работает следующим образом.

Трубы устанавливаются в трубные доски и перегородки, образуя трубный пучок, который устанавливается в корпус. Трубный пучок устанавливается в корпус и смещается устройствами смещения перегородок 10, предварительно прогибая трубы на величину hП. Трубные доски фиксируются к корпусу. При нагревании трубы удлиняются и смещаются далее в направлении предварительного смещения в пределах упругой деформации на величину hТ. Общая величина смещения определяется по формуле (1). Шторки 9 обеспечивают перекрытие зазора между корпусом 1 и перегородками 7 и 8 при их поперечном смещении.

Теплообменник может содержать несколько последовательных прогибов. В этом случае роль второй трубной доски исполняют две наиболее близкие к месту перехода от одного прогиба к другому неподвижные перегородки с различными вырезами.

На фиг. 4 в теплообменнике между трубными досками образованы два прогиба, представляющие собой одну волну, угол наклона оси труб к оси теплообменника определяется по формуле

0≤β≤arctg 2,33h/e.

Угол наклона осей труб в месте соединения с трубной доской βо равен:

β0=0.

Трубная доска наклонена к оси теплообменника на угол ϕ;

90°≥ϕ≥90°-βmax;

- γ - угол наклона исходных осей труб к оси теплообменника - для уменьшения габаритов теплообменника за счет минимизации пространства для поперечного смещения труб.

Наиболее близкие к середине теплообменника перегородки 12 и 13 с верхним и нижним вырезами закреплены неподвижно. Смещение двух пар перегородок, удерживающих трубы, осуществляется в двух местах на расстоянии наиболее близкого к 1/4L и 3/4L от трубных досок, при этом наибольшее смещение hП должно быть на расстоянии 1/4L и 3/4L от трубных досок.

При предварительном смещении труб образуются два изгиба, состоящие из выпуклой нарастающей (первый изгиб), выпуклой убывающей, вогнутой убывающей (второй изгиб) и вогнутой нарастающей четвертьволн:

L=4еП.

При температурной деформации образуется 6 четвертьволн с двумя различными значениями еТ, которые накладываются на четыре четвертьволны длиной еП. Отверстия в перегородках труб 12 и 13 выполнены овального сечения таким образом, чтобы при максимальном смещении труб они занимали положение, если бы была одна перегородка, удерживающая трубы 4, 5 и 6, находилась на расстоянии 1/2L от трубных досок. Отверстия в перегородках 12 и 13 могут быть круглыми, в этом случае длина изгибаемой части и максимально возможная величина удлинения уменьшаются, также возникает несинхронность изгибов труб 4, 5 и 6.

При изготовлении теплообменника необходимо предусмотреть возможность прохождения перегородок через стыки, если корпус составной.

На фиг. 5 в теплообменнике при предварительном смещении между трубными досками образуется один изгиб и одна полуволна длиной еП. Наиболее близкие к середине теплообменника перегородки 12 и 13 с верхним и нижним вырезами закреплены неподвижно.

При температурной деформации образуются 5 изгибов и 8 четвертьволн длиной еТ, представляющие собой две полные волны, состоящие из вогнутой нарастающей, выпуклой нарастающей, выпуклой убывающей, вогнутой убывающей волн каждая:

nТ=8,

где nТ - количество четвертьволн при смещении при температурной деформации труб,

ТП.

Наибольшее смещение труб при температурной деформации происходит на расстоянии 1/4L и 3/4L от трубных досок.

При наложении предварительного смещения и смещении при температурной деформации труб образуется от трех до пяти изгибов в зависимости от соотношения величин смещения hП и hT.

Возможна конструкция составного корпуса 14, состоящего из цилиндрических секторов с неподвижными в средней части перегородками 12 и 13.

Возможна конструкция корпуса из цилиндрической обечайки с неподвижными в средней части перегородками 12 и 13 с предварительно смещенными отверстиями в перегородках.

1. Теплообменник, состоящий из корпуса, трубных решеток, перегородок, труб, отличающийся тем, что трубы установлены с предварительным прогибом с возможностью дальнейшего прогиба при температурной деформации.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что предварительный прогиб осуществляется за счет смещения отверстий для труб в перегородках.

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что предварительный прогиб осуществляется за счет смещения перегородок механизмом перемещения.

4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что две перегородки с вырезами в разные стороны в средней части теплообменника установлены со смещением неподвижно, остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного смещения.

5. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что предварительный прогиб труб осуществляется в процессе сборки теплообменника из прямых труб, которые изгибаются в пределах упругой деформации.

6. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен с прогибом, две перегородки с вырезами в разные стороны в средней части теплообменника установлены неподвижно в корпусе, остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного прогиба корпуса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в химической и энергетической промышленности, например, при изготовлении подогревателей питательной воды высокого давления в производстве синтеза аммиака.

Теплообменник включает в себя первый проточный канал для охлаждающей жидкости двигателя, второй проточный канал для моторного масла, третий проточный канал для трансмиссионного масла и несколько пластин, которые разделяют первый, второй и третий проточные каналы.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в замкнутых, не сообщающихся с внешней средой, системах охлаждения электрических машин и трансформаторов.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах теплообменников с воздушным охлаждением. Система (1) теплообменника с воздушным охлаждением содержит входную магистраль (6), содержащую множество входных ответвительных труб (18), отходящих от нее, теплообменник (4), соединенный с выходным концом каждой из ответвительных труб и содержащий впускной коллектор (31), помещенный на раму основания с возможностью перемещения, выпускной коллектор и множество труб (34) теплопереноса, соединяющих эти два коллектора, и соединительный элемент (41, 75), соединяющий каждую соседнюю пару впускных коллекторов.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при монтаже на теплообменниках автотранспортных средств. Способ монтажа воздуховода (2) по меньшей мере на одном теплообменнике (3), включающий в себя этап позиционирования воздуховода относительно указанного по меньшей мере одного теплообменника посредством поступательного перемещения воздуховода относительно указанного по меньшей мере одного теплообменника в первом направлении (91), по существу перпендикулярном к второму направлению (92), в котором воздушный поток должен проходить через указанный по меньшей мере один теплообменник, затем этап вращения или поворота воздуховода относительно указанного по меньшей мере одного теплообменника вокруг оси, определенной третьим направлением (93), по меньшей мере, по существу перпендикулярным к первому направлению и ко второму направлению.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Предложен жидкостной охладитель наддувочного воздуха в двигателях внутреннего сгорания, содержащий водовоздушный теплообменник, жидкостной насос и радиатор охлаждения, также в состав устройства введена рубашка охлаждения, выполненная вокруг впускного коллектора и его трубопроводов в виде полости с впускным и выпускным патрубками, посредством которых полость соединяют с подводящим и отводящим коллекторами холодного контура системы охлаждения, а последние последовательно подсоединяют к радиатору охлаждения и жидкостному насосу соответственно.

Изобретение применимо особенно при изготовлении электрических нагревательных приборов, в частности конвекторов, радиаторов и прочих излучающих приборов, и относится к угловому элементу лицевой стороны металлического корпуса.

Изобретение относится к области теплотехники и используется в конструкции поперечной перегородки для дистанцирования трубок кожухотрубного аппарата. Перегородка содержит верхние и нижние пластины 1, 2, цилиндрические втулки 3 и периферийное кольцо 4.

Устройство теплообменника, в частности, для системы отопления транспортного средства, содержащее расположенный вдоль продольной оси (L) чашеобразный корпус (12) теплообменника с внешней стенкой (18, 20) и внутренней стенкой (22, 24), причем между внешней (18, 20) и внутренней (22, 24) стенками образовано пространство для потока среды-теплоносителя, причем на внешней стенке (18, 20) предусмотрен, по меньшей мере, один штуцер (50, 52) для протекания среды-теплоносителя, открытый со стороны пространства для потока среды-теплоносителя, и причем на корпусе (12) теплообменника предусмотрен один штуцер (30) для протекания отработанного газа, открытый со стороны окруженного внутренней стенкой (22, 24) внутреннего пространства (26) корпуса (12) теплообменника, причем корпус (12) теплообменника содержит внешнюю часть (14) корпуса с внешней окружающей стенкой (18) и внешней стенкой-дном (20), а также внутреннюю часть (16) корпуса с внутренней окружающей стенкой (22) и внутренней стенкой-дном (24), причем в расположенной на расстоянии от внешней стенки-дна осевой концевой зоне (44) внешней окружающей стенки (18) внешней части (14) корпуса предусмотрен, по меньшей мере, один штуцер (50, 52) для протекания среды-теплоносителя.

Изобретение относится к кожухотрубным теплообменникам для теплообмена жидких и газообразных сред. Теплообменник содержит кожух, снабженный штуцерами для ввода и вывода теплоносителя, крышки со штуцерами для входа и выхода теплообменивающейся среды и пучок теплообменных труб, зафиксированных в отверстиях трубных решеток, состоящих из внутренней и последующей перфорированных пластин с уплотнительным материалом между ними.

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Предложена трубная доска 6 теплообменника, имеющая отверстия 7 для укладки концов теплообменных труб, причем каждое отверстие 7 снабжено не менее чем одной концентрической расточкой 8 под укладку уплотнительных кольцевых элементов 9.

Данное изобретение относится к вариантам устройства дистанционирования трубок теплообменного аппарата, преимущественно предназначенного для работы в среде тяжелого жидкометаллического теплоносителя.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к системам охлаждения турбин газотурбинного двигателя. Воздухо-воздушный теплообменник, содержащий несколько охлаждаемых секций, установленных в проточной части турбомашины и закрепленных на корпусе посредством болтовых соединений, с двумя фланцами, соединенными между собой сетью трубок и снабженными отверстиями под болтовое соединение и буртами, имеющими цилиндрическую посадочную поверхность большого радиуса, образующую с корпусом зазор, выбирающийся при сборке.

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Предложена трубная доска теплообменника, содержащая плиту и уплотнительные кольцевые элементы, имеющая отверстия для укладки концов теплообменных труб, содержит плиту 1, причем каждое отверстие 4 плиты 1 снабжено не менее чем одной концентрической расточкой 10 под укладку уплотнительных кольцевых элементов 11.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в трубных опорах теплообменников, используемых для обмена сред тепловой энергией без их смешивания.

Изобретение относится к теплоэнергетической, химической и нефтехимической промышленности и предназначено для использования в многотоннажных промышленных установках.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках. .

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к змеевиковым теплообменникам. .

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплообменникам для холодильных аппаратов. .

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменниках и реакторах кожухотрубчатой конструкции. В теплообменник, состоящий из корпуса, трубных решеток, перегородок и труб, трубы установлены с предварительным прогибом, при этом предварительный прогиб осуществляется за счет смещения отверстий для труб в перегородках или за счет смещения перегородок механизмом перемещения, а перегородки установлены с возможностью смещения в направлении предварительного смещения, причем перегородки в средней части теплообменника установлены неподвижно со смещением отверстий для труб, а корпус может быть выполнен с прогибом. Остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного смещения труб для компенсации их удлинения при температурной деформации, при этом предварительный прогиб труб осуществляется в процессе сборки теплообменника из прямых труб, которые изгибаются в пределах упругой деформации. Технический результат - обеспечение компенсации удлинения труб при температурной деформации. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх