Теплообменный аппарат

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использовано в теплообменных аппаратах, в частности высокотемпературных теплообменниках.
В настоящее время актуальность приобретают теплообменники, работающие при температурах 850°С…1000°С и избыточных давлениях 3,5 МПа…5 МПа.
Такими теплообменниками являются, например, теплообменник Т-103 для паровой конверсии синтез-газа для установки производства водорода, промежуточный теплообменник «гелий-гелий» высокотемпературного газового реактора В-400, ряд других зарубежных прототипов. Однако работа корпусов таких теплообменников возможна лишь при использовании ограниченной номенклатуры жаропрочных и жаростойких сталей в силу необходимости обеспечения условий длительной прочности.
Известен теплообменник Патент РФ № 2743689, МПК F28D 3/02 (2020.08); F28D 7/106 (2020.08); F28F 1/426 (2020.08), содержащий корпус, снабженный днищами с патрубками для подвода и отвода среды трубного пространства и патрубками для входа и выхода из корпуса теплоносителя межтрубного пространства, причем в полости корпуса расположен пучок прямых теплообменных труб с трубными решетками и винтовые перегородки. Теплообменные трубы выполнены коаксиальными, причем концы внутренних труб герметично закреплены в трубных решетках, а концы внешних труб герметично закреплены в перегородках, установленных между трубными решетками, перпендикулярно пучку теплообменных труб.
Однако конструкция данного теплообменного аппарата не позволяет обеспечить выполнение условий длительной прочности при высокой рабочей температуре в силу отсутствия возможности разгрузки высокотемпературной части корпуса от механических напряжений или снижения температуры части корпуса, подверженной действию избыточного давления.
Сущность полезной модели заключается в том, что теплообменный аппарат содержит корпус, снабженный днищами с патрубками для подвода и отвода первого теплоносителя и патрубками для входа и выхода второго теплоносителя из корпуса, включающий расположенные в полости корпуса прямые теплообменные трубы с трубными решетками и перегородки, где корпус выполнен в виде двух коаксиально расположенных обечаек, в зазоре между которыми размещен теплоизоляционный материал, при этом внутренняя обечайка содержит сквозные отверстия, предназначенные для выравнивания давления внутри корпуса и в зазоре. Сквозные отверстия во внутренней обечайке могут быть размещены группами, при этом оси отверстий каждой группы расположены на общей окружности, на одинаковом угловом расстоянии друг от друга. Группы отверстий могут быть размещены на одинаковом расстоянии друг от друга.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что за счет практического отсутствия механических напряжений от давления на внутренней обечайке и снижения температуры на наружной обечайке удается обеспечить условия длительной прочности высокотемпературного теплообменника со сниженной, относительно прототипа, суммарной толщиной металлической части стенки корпуса, таким образом, снизить металлоемкость и вес изделия.
Заявляется конструкция корпуса теплообменного аппарата, состоящего из двух коаксиально расположенных обечаек с размещенным в зазоре между обечайками слоем теплоизоляционного материала. При этом внутренняя обечайка содержит сквозные отверстия, обеспечивающие равенство давлений внутри корпуса и в зазоре. Последнее приводит к практическому отсутствию механический напряжений от давления во внутренней обечайке. Наружная обечайка имеет меньшую температуру по сравнению с внутренней обечайкой. Толщина стенки наружной обечайки обеспечивает необходимый ресурс теплообменника по условиям длительной прочности.
На фиг. 1 показан продольный разрез теплообменного аппарата, на фиг. 2 - поперечный разрез.
На чертежах показаны: корпус теплообменника, состоящий из наружной обечайки 1, слоя теплоизоляции 2 и внутренней обечайки 3; патрубки подвода 4 и отвода 5 первого теплоносителя; патрубки для входа 6 и выхода 7 второго теплоносителя; днища 8; теплообменные трубы 9; трубные решетки 10; перегородки 11.
Теплообменник работает следующим образом.
Теплоноситель трубного пространства поступает в корпус, состоящий из наружной обечайки 1, слоя изоляции 2 и внутренней обечайки 3, через патрубок 4 и выходит через патрубок 5. Через патрубки 6 и 7 поступает и выходит теплоноситель межтрубного пространства, омывающий днища 8 и теплообменные трубки 9, закрепленные в трубных досках 10. Течение в межтрубном пространстве определяется перегородками 11. Изоляция 2 установлена между наружной обечайкой 1 и внутренней обечайкой 3, в которой имеются сквозные отверстия 12, обеспечивающие выравнивание давления с обеих сторон внутренней обечайки 3.
Сквозные отверстия 12 во внутренней обечайке 3 могут быть размещены группами, при этом оси отверстий 12 каждой группы расположены на общей окружности, на одинаковом угловом расстоянии друг от друга. Группы отверстий 12 могут быть размещены на одинаковом расстоянии друг от друга.
За счет предложенной конструкции теплоноситель межтрубного пространства оказывает механическое давление преимущественно на наружную обечайку 1. При этом внутренняя обечайка 3 обеспечивает удерживание теплоизоляции 2, обеспечивающей уменьшение температуры наружной обечайки 1. Таким образом удается минимизировать процессы высокотемпературной ползучести и обеспечить выполнение условий длительной прочности при соблюдении ограничений на толщину металлопроката для изготовления корпуса.
Пример 1. Температуры среды внутри корпуса
Были проведены тепловые расчеты для случаев температуры среды внутри корпуса 700°С и 900°С и выполнено сопоставление технических и экономических результатов при исполнении традиционной конструкции корпуса и при предложенной по изобретению.
Сопоставление затрат на материалы цилиндрических обечаек корпусов высокотемпературного теплообменника, выполненного по традиционной схеме (прототип) и на основе предложенной схемы (заявляемое техническое решение) показало следующие результаты.
В обоих случаях рассмотрен теплообменник с внутренним диаметром обечайки корпуса 1000 мм и высотой 4000 мм. Расчетное внутреннее давление - 3 МПа. Расчетная температура корпуса - 700°С. Расчетный ресурс - 100 тысяч часов.
Прототип
Для материала цилиндрической обечайки корпуса выбрана жаропрочная и жаростойкая сталь 20Х23Н18 (старое обозначение ЭИ 417) по ГОСТ 7350-77 и ГОСТ 19903-79, лист.
Предел длительной прочности указанной стали для температуры эксплуатации 700°С и ресурса 100000 часов - МПа.
Расчетная толщина обечайки - мм, принимается толщина листа 50 мм по сортаменту.
Масса обечайки - 5210 кг. При существующих ценах на лист данной стали 296,6 руб./кг стоимость материала обечайки составит более 1,5 млн. рублей.
Заявляемое техническое решение
Для материала цилиндрической обечайки внутренней оболочки корпуса выбрана та же сталь 20Х23Н18.
Толщина обечайки конструктивно принята равной 10 мм, так как на обечайку не действуют механические напряжения.
Масса внутренней обечайки - 1002 кг. Стоимость - 276000 рублей.
Между внутренней оболочкой корпуса и наружной оболочкой проложена тепловая изоляция толщиной 150 мм (кремнеземистые маты с коэффициентом теплопроводности 0,16 Вт/м⋅К).
Для определения максимальной температуры наружной оболочки корпуса решена задача теплопроводности с граничными условиями первого рода - внутренняя обечайка толщиной 10 мм из стали 20Х23Н18 (коэффициент теплопроводности 24,2 Вт/м⋅К), кремнеземистый мат толщиной 150 мм, наружная обечайка толщиной 22 мм из стали 20 по ГОСТ 1577-93 (коэффициент теплопроводности 42,8 Вт/м⋅К), кремнеземистый мат толщиной 150 мм,
Пример 2. Температура наружной поверхности тепловой изоляции 550°С.
В результате решения задачи при помощи программного комплекса ANSYS установлено, что максимальная температура обечайки не превосходит 400°С. Допускаемые напряжения для стали 20 наружной для ресурса 200 тыс. часов и температуры 400°С равны 97 МПа, см. РД 10-249-98, «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды».
Расчетная толщина стенки наружной обечайки мм.
Масса наружной обечайки - 2880 кг. При существующих ценах на лист данной стали 110,6 руб./кг стоимость материала наружной обечайки составит 318500 рублей.
Таким образом, стоимость материалов для заявляемого технического решения составит 594500 рублей, что более чем в 2,5 раза меньше, чем для традиционной схемы.
При этом в случае 2 обеспечивается в два раза больший ресурс, определяемый длительной прочностью наружной обечайки.
Пример 3. При расчетной температуре среды 900°С.
В обоих случаях рассмотрен теплообменник с внутренним диаметром обечайки корпуса 1000 мм и высотой 4000 мм. Расчетное внутреннее давление - 3 МПа. Расчетная температура корпуса - 900°С. Расчетный ресурс - 100 тысяч часов.
Прототип.
Для материала цилиндрической обечайки корпуса выбрана жаропрочная и жаростойкая сталь ALLOY 800HT (российский аналог ХН32Т не использован, так как допускает максимальную температуру эксплуатации 850°С).
Предел длительной прочности указанной стали для температуры эксплуатации 900°С и ресурса 100000 часов -  МПа, см. документ API STANDART 530, figure E.61.
Расчетная толщина обечайки - мм.
Изготовление обечайки с данной толщиной их листа не представляется возможным, поскольку максимальная толщина поставки листа составляет100 мм.
Изготовление обечайки их круга также невозможно, так как максимальный диаметр поставки круга 1600 мм.
Заявляемое техническое решение.
Для материала цилиндрической обечайки внутренней оболочки корпуса выбрана та же сталь ALLOY 800HT.
Толщина обечайки конструктивно принята равной 20 мм, так как на обечайку не действуют механические напряжения.
Масса внутренней обечайки - 2585 кг. Стоимость - 2,460 млн. рублей.
Между внутренней оболочкой корпуса и наружной оболочкой проложена тепловая изоляция толщиной 150 мм (войлок МКРВЦ-159 с рабочей температурой до 1400°С и с коэффициентом теплопроводности 0,14 Вт/м⋅К).
Для определения максимальной температуры наружной оболочки корпуса решена задача теплопроводности с граничными условиями первого рода - внутренняя обечайка толщиной 20 мм из сплава ALLOY 800HT (коэффициент теплопроводности 11,5 Вт/м⋅К), войлок МКРВЦ-159 толщиной 150 мм, наружная обечайка толщиной 30 мм из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 1577-93 (коэффициент теплопроводности 16,1 Вт/м⋅К), войлок МКРВЦ-150 толщиной 200 мм,
Температура наружной поверхности тепловой изоляции 55°С.
В результате решения задачи при помощи программного комплекса ANSYS установлено, что максимальная температура обечайки не превосходит 530°С. Допускаемые напряжения для стали 12Х18Н10Т наружной для ресурса 300 тыс. часов и температуры 530°С равны 102 МПа, см. РД 10-249-98, «Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды».
Расчетная толщина стенки наружной обечайки мм.
Масса наружной обечайки - 4078 кг. При существующих ценах на лист данной стали 310 руб./кг стоимость материала наружной обечайки составит 1,26 млн. рублей.
Таким образом, стоимость материалов для заявляемого технического решения составит 3,72 млн. рублей, что более чем в 2,5 раза меньше, чем для традиционной схемы.
Изготовление корпуса теплообменника с расчетной температурой 900°С по традиционной схеме практически нереализуемо.