ПАРОВОДЯНОЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к области теплоэнергетики и может быть использована для предварительного нагрева воды в пароводяных контурах тепловых и атомных электростанций (ТЭС и АЭС).
В настоящее время является общепринятым, что вода, подаваемая в котел ТЭС либо в парогенератор АЭС, должна быть предварительно нагрета, и наиболее эффективное решение данной проблемы заключается в подогреве воды теплом отводимого из турбины отработанного пара. Традиционным стал двухступенчатый подогрев воды - в подогревателях низкого и высокого давления. Однако именно подогреватель высокого давления должен обеспечить эффективный теплообмен при экстремальных давлениях воды, а оптимизация его конструкции до сих пор представляет собой проблему, требующую надежного решения.
Из патентной публикации RU 2147102 C1, 27.03.2000, F22D 1/32 известен пароводяной теплообменник, содержащий входной и выходной коллекторы, размещенные в единой цилиндрической емкости с перегородкой и снабженные патрубками для ввода и выводы воды. Верхний торец емкости представляет собой трубную доску, на которой установлено множество трубок, соединяющих входной и выходной коллекторы с промежуточным коллектором, расположенным над ними, при этом промежуточный коллектор имеет цилиндрическую форму и снабжен трубной доской.
Трубки заключены в герметичный корпус, в который подается пар, отдающий свое тепло воде, текущей в трубках. Для эффективного теплообмена при ограничении вертикального габарита теплообменника используется большое количество трубок, а значит, присущими известному теплообменнику свойствами являются значительная площадь трубных досок и вертикальных стенок коллекторов. Поскольку усилие на трубные доски и другие стенки коллекторов при заданном давлении воды пропорционально площади их поверхностей, то в известном теплообменнике оно значительно, а указанные элементы выполняются из толстого слоя металла в целях обеспечения повышенной прочности. Особенно массивными выполняются трубные доски, так как элементы с плоскими поверхностями воспринимают распределенную нагрузку хуже элементов, имеющих цилиндрическую поверхность.
Таким образом, недостатком известного теплообменника являются значительные массогабаритные характеристики, приводящие к излишним затратам металла и затрудняющие его транспортировку и монтаж. Кроме того, имеются и технологические сложности по выполнению трубной доски большой толщины и закреплению на ней трубок.
Данная проблема нашла свое отражение в пароводяном теплообменнике, раскрытом в публикации RU 2226663C2, 27.11.2003, F28D 1/00. Для повышения прочности общей трубной доски входного и выходного коллекторов здесь было применено ребро жесткости, расположенное по диаметру трубной доски. Однако ребро жесткости уменьшает полезную площадь трубной доски, а значит, сокращает количество установленных трубок, что приводит к ухудшению теплообмена.
Задачей полезной модели является предложение конструкции пароводяного теплообменника, обеспечивающей существенное снижение его массогабаритных характеристик при сохранении требуемой эффективности теплообменных процессов.
Для решения поставленной задачи предложены три варианта полезной модели.
Первый вариант полезной модели представляет собой пароводяной теплообменник, содержащий входной и выходной коллекторы воды, имеющие цилиндрическую вертикальную стенку и плоский торец, при этом плоские торцы коллекторов обращены друг к другу. Теплообменник включает множество внутренних трубок, закрепленных одним своим концом на плоском торце входного коллектора, а другим своим концом - на плоском торце выходного коллектора, и множество внешних трубок, закрепленных одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке входного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке выходного коллектора. Все трубки заключены в герметичный корпус с патрубками ввода пара и отвода конденсата.
Второй вариант полезной модели представляет собой пароводяной теплообменник, содержащий входной и выходной коллекторы воды, имеющие цилиндрическую вертикальную стенку и плоский торец, и промежуточный коллектор, имеющий цилиндрическую вертикальную стенку и плоский торец, при этом его плоский торец обращен к плоским торцам входного и выходного коллекторов. Теплообменник снабжен первым множеством внутренних трубок, закрепленных одним своим концом на плоском торце входного коллектора, а другим своим концом - на плоском торце промежуточного коллектора, и вторым множеством внутренних трубок, закрепленных одним своим концом на плоском торце выходного коллектора, а другим своим концом - на плоском торце промежуточного коллектора. Теплообменник также снабжен первым множеством внешних трубок, закрепленных одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке входного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке промежуточного коллектора, и вторым множеством внешних трубок, закрепленных одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке выходного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке промежуточного коллектора. Все трубки заключены в герметичный корпус с патрубками ввода пара и отвода конденсата.
В частном случае второго варианта полезной модели входной и выходной коллекторы имеют общую вертикальную стенку.
Третий вариант полезной модели представляет собой пароводяной теплообменник, содержащий входной и выходной коллекторы воды, имеющие цилиндрическую вертикальную стенку и плоский торец, и промежуточный коллектор, имеющий цилиндрическую вертикальную стенку и торец, который обращен к плоским торцам входного и выходного коллекторов. Теплообменник содержит множество внутренних трубок, соединяющих входной и выходной коллекторы между собой и закрепленных на торцах входного и выходного коллекторов. Теплообменник снабжен также первым множеством внешних трубок, закрепленных одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке входного коллектора, а другим своим концом -на цилиндрической вертикальной стенке промежуточного коллектора, и вторым множеством внешних трубок, закрепленных одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке выходного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке промежуточного коллектора. Все трубки заключены в герметичный корпус с патрубками ввода пара и отвода конденсата.
В частном случае третьего варианта полезной модели входной и выходной коллекторы имеют общую вертикальную стенку.
В другом частном случае третьего варианта полезной модели множество трубок, соединяющих входной и выходной коллекторы между собой выполнены в виде перевернутой буквы U.
Технический результат полезных моделей заключается в уменьшении нагрузки на стенки входного и выходного коллекторов, снижению требований к их прочностным характеристикам.
Осуществление полезных моделей будет показано на наилучших примерах их использования, что не является ограничением охраняемых прав, и будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - продольный разрез пароводяного теплообменника по первому варианту полезной модели;
Фиг. 2 - продольный разрез пароводяного теплообменника по второму варианту полезной модели;
Фиг. 3 - продольный разрез пароводяного теплообменника по третьему варианту полезной модели.
Теплообменник по первому варианту полезной модели (фиг. 1) содержит входной коллектор 1 с патрубком для ввода воды 2 и размещенный над ним выходной коллектор 3 с патрубком для отвода воды 4. Входной и выходной коллекторы имеют плоские торцы 5 и 6, выполненные в виде трубных досок, и цилиндрические вертикальные стенки 7 и 8, при этом входной и выходной коллекторы обращены плоскими торцами друг к другу. Внутренние трубки 9 закреплены одним своим концом на плоском торце 5 входного коллектора, а другим своим концом - на плоском торце 6 выходного коллектора. Внешние трубки 10 закреплены одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке 7 входного коллектора, а другим своим концом -на цилиндрической вертикальной стенке 8 выходного коллектора. Все трубки заключены в герметичный корпус 11 с патрубками ввода пара 12 и отвода конденсата 13.
Таким образом, в отличие от известного теплообменника в теплообменнике по первому варианту полезной модели часть трубок закреплена на вертикальных цилиндрических стенках входного и выходного коллекторов. Данное решение позволяет уменьшить площадь плоских трубных досок, а значит, снизить нагрузку на них, что в свою очередь позволит выполнять их меньшей толщины. Закрепление трубок на вертикальных стенках коллекторов может сопровождаться некоторым увеличением их площади и вызванного этим повышением нагрузки, однако вследствие цилиндрической формы вертикальных стенок значительного их утолщения не требуется.
Теплообменник по второму варианту полезной модели (фиг. 1) содержит входной коллектор 21 с патрубком для ввода воды 22, выходной коллектор 23 с патрубком для отвода воды 24 и размещенный над ними промежуточный коллектор 25. Входной и выходной коллекторы имеют цилиндрические вертикальные стенки 26 и 27, а также плоские торцы 28 и 29 соответственно. Плоские торцы входного и выходного коллекторов выполнены в виде общей трубной доски, кроме того входной и выходной коллекторы имеют общую вертикальную стенку 30. Промежуточный коллектор имеет цилиндрическую стенку 31 и плоский торец 32, выполненный в виде трубной доски и обращенный к плоским торцам входного и выходного коллекторов.
Внутренние трубки первой группы 33 закреплены одним своим концом на плоском торце 28 входного коллектора, а другим своим концом - на плоском торце 32 промежуточного коллектора. Внутренние трубки второй группой 34 закреплены одним своим концом на плоском торце 29 выходного коллектора, а другим своим концом - на плоском торце 32 промежуточного коллектора. Внешние трубки первой группы 35 закреплены одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке 26 входного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке 31 промежуточного коллектора. Внешние трубки второй группы 36 закреплены одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке 27 выходного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке 31 промежуточного коллектора. Все трубки заключены в герметичный корпус 37 с патрубками ввода пара 38 и отвода конденсата 39.
Закрепление внешних трубок на цилиндрических вертикальных стенках входного, выходного и промежуточного коллекторов позволяет уменьшить площадь плоских трубных досок, а значит, снизить нагрузку на них, что в свою очередь позволит выполнять их меньшей толщины.
Теплообменник по третьему варианту полезной модели (фиг. 1) содержит входной коллектор 41 с патрубком для ввода воды 42, выходной коллектор 43 с патрубком для отвода воды 44 и размещенный над ними промежуточный коллектор 45. Входной и выходной коллекторы имеют цилиндрические вертикальные стенки 46 и 47, а также плоские торцы 48 и 49 соответственно. Плоские торцы входного и выходного коллекторов выполнены в виде общей трубной доски, кроме того входной и выходной коллекторы имеют общую вертикальную стенку 50. Промежуточный коллектор имеет цилиндрическую стенку 51 и торец 52, обращенный к плоским торцам входного и выходного коллекторов.
Внутренние трубки 53 закреплены одним своим концом на плоском торце 48 входного коллектора, а другим своим концом - на плоском торце 49 выходного коллектора и в предпочтительном случае выполнены в виде перевернутой буквы U. Внешние трубки первой группы 54 закреплены одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке 46 входного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке 51 промежуточного коллектора. Внешние трубки второй группы 55 закреплены одним своим концом на цилиндрической вертикальной стенке 47 выходного коллектора, а другим своим концом - на цилиндрической вертикальной стенке 51 промежуточного коллектора. Все трубки заключены в герметичный корпус 56 с патрубками ввода пара 57 и отвода конденсата 58.
Как и в описанных выше вариантах полезной модели, внешние трубки здесь закреплены на прочных цилиндрических вертикальных стенках входного, выходного и промежуточного коллекторов, что позволяет выполнить трубные доски меньшей площади и толщины. Кроме того, в данном случае удается максимально облегчить промежуточный коллектор.
Пароводяной теплообменник во всех вариантах полезной модели работает следующим образом. Теплообменник включают в пароводяной контур ТЭС или АЭС перед котлом или парогенератором, при этом по его трубной системе через коллекторы курсирует вода. Отводимый от турбины отработанный пар поступает в корпус теплообменника, где он, соприкасаюсь с трубками, конденсируется, нагревая воду через их стенки. Для увеличения площади контакта пара и трубок с водой внешние трубки теплообменника выполнены зигзагообразной формы. Далее конденсат выводится из корпуса теплообменника и возвращается в пароводяной контур.