ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ТЕПЛООБМЕННИК АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
PROCESS HEAT EXCHANGER OF NUCLEAR POWER PLANT

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в системах продувки первого и второго контуров атомной электростанции.
Известен теплообменник, содержащий вертикальный корпус, подключенный верхней и нижней частями к подводящему и отводящему патрубкам соответственно, а также трубный пучок, установленный в средней части корпуса с образованием периферийной полости, и опорные кольца трубного пучка, горизонтально установленные в верхней и нижней частях корпуса, причем трубный пучок выполнен в виде теплообменных труб, навитых на вертикальную оправку, а также верхней и нижней горизонтальных решеток, скрепленных с соответствующими концами оправки и с соответствующими опорными кольцами (см. SU 1372172, кл. F28D 7/02, 07.02.1988).
Во время работы такого теплообменника часть теплоносителя проходит по периферийной полости между пучком и внутренней стенкой корпуса без охлаждения на теплообменных трубах, что снижает температурный напор в теплообменнике и повышает его металлоемкость.
К настоящему изобретению наиболее близким техническим решением из известных (прототипом) является технологический теплообменник атомной электростанции, содержащий вертикальный корпус, подключенный верхней и нижней частями к подводящему и отводящему патрубкам соответственно, а также трубный пучок, установленный в средней части корпуса с образованием периферийной полости, и опорное кольцо трубного пучка, горизонтально установленное в корпусе с перекрытием упомянутой полости, причем трубный пучок выполнен в виде теплообменных труб, навитых на вертикальную оправку, верхней и нижней горизонтальных решеток, скрепленных с соответствующими концами оправки, и наружного вертикального кожуха, при этом верхний участок кожуха скреплен с верхней решеткой и опорным кольцом, а нижний - с нижней решеткой (см. Теплообменное оборудование технологических систем и парогенераторы АЭС. Отраслевой каталог. «ЦНИИТЭИтяжмаш». М. 1989, с.49-50, рис.31).
В таком теплообменнике благодаря наружному кожуху, плотно охватывающему трубный пучок, и за счет перекрытия периферийной полости между трубным пучком и внутренней стенкой корпуса весь поток теплоносителя охлаждается внутри кожуха, что повышает температурный напор в теплообменнике и снижает его металлоемкость.
Однако при работе такого теплообменника за счет того, что опорное кольцо, перекрывающее периферийную полость, установлено в верхней части корпуса, эта полость открыта со стороны патрубка отвода теплоносителя. Поэтому давление теплоносителя в периферийной полости без учета нивелирной составляющей равно давлению теплоносителя в нижней части корпуса, но всегда меньше давления теплоносителя внутри кожуха на величину потери напора в межтрубном пространстве пучка. При этом на кожух действует распирающее усилие, направленное в сторону периферийной полости. Это усилие значительное, так как технологический теплообменник обычно эксплуатируется при повышенном расходе теплоносителя межтрубного пространства, а компактный трубный пучок из витых труб обладает большим гидравлическим сопротивлением.
Кроме того, в системе продувки первого контура атомной электростанции, где используется этот теплообменник, возможно изменение параметров теплоносителя (расхода, давления), причем скорость изменения параметров не ограничена. Отсюда следует, что кожух будет испытывать распирающие усилия, изменяющиеся по величине и во времени.
Особенно опасны эти напряжения в режиме работы теплообменника с резким снижением давления теплоносителя с последующим его повышением. Это может произойти, например, при отключении теплообменника с последующим его включением по теплоносителю. При снижении давления теплоноситель, находящийся в периферийной полости, вскипает. Эта полость заполняется паром, который из-за верхнего расположения опорного кольца не может покинуть полость. При последующем повышении давления этот пар препятствует проникновению теплоносителя, по меньшей мере, в верхнюю часть периферийной полости. При этом запаренная часть кожуха испытывает распирающее усилие практически без противодействия из-за сжимаемости пара в периферийной полости.
При работе теплообменника в переменных режимах оправка и кожух имеют различные температуры. Жесткая связь этих элементов через горизонтальные решетки приводит к дополнительным температурным напряжениям в кожухе.
Кроме того, в прототипе через кожух на опорное кольцо передается весовая нагрузка трубного пучка.
Описанные факторы определяют повышенные напряжения в кожухе, которые приводят к его разрушению. С разрушенным кожухом теплообменник не сможет выполнять свои функции и его выводят из эксплуатации.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая эксплуатационная надежность технологического теплообменника атомной электростанции из-за повышенных напряжений в кожухе трубного пучка.
Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности технологического теплообменника атомной электростанции путем снижения напряжений в кожухе трубного пучка.
Техническая задача решается в технологическом теплообменнике атомной электростанции, содержащем вертикальный корпус, подключенный верхней и нижней частями к подводящему и отводящему патрубкам соответственно, а также трубный пучок, установленный в средней части корпуса с образованием периферийной полости, и опорное кольцо трубного пучка, горизонтально установленное в корпусе с перекрытием упомянутой полости, причем трубный пучок выполнен в виде теплообменных труб, навитых на вертикальную оправку, верхней и нижней горизонтальных решеток, скрепленных с соответствующими концами оправки, и наружного кожуха, нижний участок которого скреплен с нижней решеткой, при этом опорное кольцо расположено в нижней части корпуса и скреплено с нижней решеткой трубного пучка, а верхний участок кожуха выполнен с возможностью продольного перемещения относительно верхней решетки.
Кроме того, кожух может быть выполнен с лентой, навитой на его наружной поверхности.
Расположение опорного кольца в нижней части корпуса и прикрепление его к нижней решетке трубного пучка приводит к тому, что периферийная полость между корпусом и трубным пучком становится открытой со стороны патрубка подвода теплоносителя, поэтому давление теплоносителя в периферийной полости примерно одинаково с давлением теплоносителя в верхней части корпуса, но всегда больше давления теплоносителя внутри кожуха на величину потери напора в межтрубном пространстве пучка. При этом на кожух действует сжимающее усилие, которое компенсируется упругостью витых теплообменных труб, обжатых этим кожухом.
В режиме работы теплообменника с резким снижением давления теплоноситель, находящийся в периферийной полости, вскипает, как и в прототипе. Эта полость заполняется паром. Однако в отличие от прототипа при последующем повышении давления путем подачи в теплообменник теплоносителя последний попадает вниз периферийной полости и затем, заполняя ее, поднимается вверх, вытесняя пар в верхнюю часть корпуса и далее в межтрубное пространство трубного пучка, где он конденсируется. При этом теплоноситель заполняет периферийную полость и на кожух действует сжимающее усилие, которое компенсируется упругостью витых теплообменных труб, обжатых этим кожухом.
Прикрепление опорного кольца к нижней решетке, с которой скреплен нижний участок кожуха, и выполнение верхнего участка кожуха с возможностью продольного перемещения относительно верхней решетки приводят к разрыву жесткой связи между оправкой и кожухом. Теперь в переменных режимах работы теплообменника кожух не испытывает дополнительных температурных напряжений.
Кроме того, в заявляемом теплообменнике через кожух на опорное кольцо не передается весовая нагрузка трубного пучка, что также снижает напряжения в кожухе.
Выполнение кожуха с лентой, навитой на его наружной поверхности, усиливает прочность кожуха.
Таким образом, в предложенном техническом решении снижены напряжения в кожухе и усилена его прочность, что снижает вероятность его разрушения и повышает эксплуатационную надежность технологического теплообменника атомной электростанции.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид технологического теплообменника атомной электростанции; на фиг.2 - выносной элемент А фиг.1.
Технологический теплообменник атомной электростанции содержит вертикальный корпус 1, подключенный верхней и нижней частями к подводящему и отводящему патрубкам 2 и 3 соответственно. В средней части корпуса 1 с образованием периферийной полости 4 установлен трубный пучок. Трубный пучок выполнен в виде теплообменных труб 5, навитых на вертикальную оправку 6, верхней и нижней горизонтальных решеток 7 и 8, скрепленных с соответствующими концами оправки 6, и наружного вертикального кожуха 9, нижний участок которого скреплен с нижней решеткой 8. Верхний участок кожуха 9 выполнен с возможностью продольного перемещения относительно верхней решетки 7. В данной конкретной конструкции для обеспечения продольного перемещения верхнего участка кожуха 9 относительно верхней решетки 7 между кожухом 9 и решеткой 7 образован кольцевой зазор 10.
В корпусе 1 горизонтально с перекрытием полости 4 установлено опорное кольцо 11, прикрепленное к внутренней стенке корпуса 1. Кольцо 11 расположено в нижней части корпуса 1 и скреплено с нижней решеткой 8 трубного пучка. Кожух 9 выполнен с лентой 12, навитой на его наружной поверхности.
Входные концы 13 теплообменных труб 5 проходят через нижнюю решетку 8 и закрепляются в нижней трубной доске 14 раздающей камеры 15. Выходные концы 16 теплообменных труб 5 проходят сквозь верхнюю решетку 7 и закрепляются в верхней трубной доске 17 собирающей камеры 18. Решетки 7 и 8 выполнены с отверстиями или проемами (отверстия или проемы условно не показаны) для прохода теплоносителя.
В верхней части корпуса 1 горизонтально установлено и приварено к его внутренней стенке опорное кольцо 19. При этом верхняя решетка 7 трубного пучка установлена в кольце 19 с возможностью продольного перемещения.
Оправка 6 выполнена полой и сообщена с верхней частью корпуса 1 отверстием 20 и с нижней частью корпуса 1 - отверстием 21. Для дренирования полости 4 нижний участок кожуха 9 имеет отверстия 22. Отверстие 20 имеет диаметр, превышающий 70 мм. Отверстия 21 и 22 выполнены с диаметром 3-4 мм.
Технологический теплообменник атомной электростанции при его использовании в качестве регенеративного теплообменника системы продувки первого контура работает следующим образом.
Продувочный теплоноситель по патрубку 2 подают в верхнюю часть корпуса 1, где он проходит сквозь решетку 7. Далее теплоноситель проходит по межтрубному пространству трубного пучка, где охлаждается, нагревая теплоноситель трубного пространства. Охлажденный теплоноситель проходит через решетку 8 и затем по патрубку 3 отводится на фильтры очистки (фильтры очистки условно не показаны).
Очищенный теплоноситель последовательно проходит раздающую камеру 15, входные концы 13 теплообменных труб 5, теплообменные трубы 5, где очищенный теплоноситель нагревается, выходные концы 16 теплообменных труб 5 и собирающую камеру 18. Далее очищенный и подогретый теплоноситель возвращается в первый контур атомной электростанции.
Весовая нагрузка трубного пучка через оправку 6, нижнюю решетку 8 и опорное кольцо 11 передается на корпус 1. Радиальные усилия от трубного пучка также передаются на корпус 1 через верхнюю решетку 7 и опорное кольцо 19. При этом наружный кожух 9 трубного пучка работает с минимальными нагрузками.