ОБТЮРАТОР ПОПЕРЕЧНОЙ ПЕРЕГОРОДКИ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Обтюратор поперечной перегородки кожухотрубчатого теплообменника относится к области теплоэнергетики, а именно к конструкции кожухотрубчатых теплообменников, предназначенных для передачи тепловой энергии между жидкими и газообразными средами в энергетической, нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.
Одним из основных типов кожухотрубчатых теплообменников являются аппараты с поперечными перегородками в межтрубном пространстве. Они достаточно просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и универсальны, так как могут быть использованы для осуществления теплообмена между жидкостями, парами, газами в любом сочетании в широком диапазоне давлений и температур. Теплообменная поверхность данных аппаратов состоит из пучка теплообменных труб, размещаемого в кожухе и формируемого за счет каркаса из продольных стяжек и поперечных перегородок. Для обеспечения собираемости трубного пучка с кожухом аппарата между кожухом и поперечными перегородками предусматриваются соответствующие диаметральные зазоры. В процессе эксплуатации данные зазоры становятся источником паразитических (байпасных) перетоков рабочей среды, когда часть потока теплоносителя или хладагента в кожухе проходит через аппарат, не соприкасаясь с теплообменными трубами и не участвуя в процессе теплообмена. Исключение подобных паразитических перетоков за счет герметизации указанных зазоров создает условия для существенного увеличения скорости и турбулизации потока, контактирующего с наружной поверхностью теплообменных труб, и формирования наиболее эффективного поперечного омывания трубного пучка, что обеспечивает значительный рост коэффициента теплоотдачи со стороны межтрубного пространства.
Известно уплотнительное устройство для поперечных перегородок кожухотрубчатого теплообменника, содержащее выполненное из эластичного материала кольцо с сечением в форме желоба, установленное по периферии перегородки и выполненное с отверстиями, соосными с отверстиями перегородки, при этом кольцо имеет утолщение со стороны внутренней поверхности кожуха и снабжено крепежными элементами, например штифтами, размещенными в отверстиях, и установлено с зазором для радиального перемещения относительно торца перегородки, диаметр отверстий которой больше диаметра отверстий кольца и равен зазору, а крепежные элементы на концах перегородки шарнирно соединены с рычагом, снабженным пазом, в котором закреплен палец-фиксатор, установленный в дополнительных отверстиях кольца и перегородки (Авторское свидетельство СССР №531994, МПК F28F 9/02, публ. 15.10.1976).
Недостатками данного известного устройства являются низкая надежность вследствие высокого риска его разрушения при сборке с кожухом и недостаточная герметичность вследствие утраты эластичным материалом своих упругих свойств при работе в области высоких температур.
Известно уплотнительное устройство для поперечных перегородок кожухотрубчатого теплообменника, содержащее упругую манжету, установленную по периметру перегородки в контакте с внутренней поверхностью кожуха, при этом манжета выполнена в виде тонкостенной обечайки, поверхность которой, обращенная к кожуху, имеет надрезы с отверстиями у оснований, причем образованные между надрезами лепестки отогнуты в сторону кожуха с образованием по периметру обечайки карманов (Авторское свидетельство СССР №832304, МПК F28F 9/22, публ. 23.05.1981).
Недостатками данного известного устройства являются низкая технологичность и ремонтопригодность, практически исключающие повторное использование упругой манжеты и способные, кроме того, привести к непоправимым дефектам внутренней поверхности кожуха аппарата.
Известна поперечная уплотняющая перегородка кожухотрубчатого теплообменного аппарата, содержащая прижимные элементы и размещенное между ними упругое уплотняющее кольцо с выступающим за пределы элементов участком, который равномерно деформирован в радиальном направлении, при этом кольцо выполнено многослойным, в каждом слое с заданным шагом по периметру кольца выполнены радиальные вырезы, смещенные в смежных слоях один относительно другого (Авторское свидетельство СССР №985704, МПК F28F 9/22, публ. 30.12.1982).
Данное уплотняющее устройство также не обладает достаточной надежностью и долговечностью как вследствие высокого риска его разрушения при сборке с кожухом, так и вследствие низкой прочности.
Прототипом настоящей полезной модели может быть известное уплотнительное устройство для поперечных перегородок кожухотрубчатого теплообменника, представляющее собой кольцо из эластичного материала с сечением в форме желоба и выполненное составным из сегментов в виде пластинчатых пружин (Авторское свидетельство СССР №979833, кл. F28F 9/02, публ. 07.12.1982).
Подобная конструкция уплотнения не обладает необходимой надежностью и долговечностью вследствие неизбежной деформации пружин в процессе сборки теплообменника и возможной утраты ими при этом своих упругих свойств. Кроме того, вынесение уплотнения на периферию поперечной перегородки в зазор между ней и кожухом аппарата неизбежно ведет к необходимости увеличения данного зазора и созданию предпосылок для существенного увеличения паразитических (байпасных) перетоков рабочей среды в случае деформации или разрушения уплотнения.
Общим недостатком перечисленных устройств является их ограниченная надежность и долговечность. В связи с низкими прочностными характеристиками упругих элементов невозможно обеспечить их сохранность при монтаже и демонтаже трубного пучка, что не позволяет гарантировать работоспособность уплотнения в процессе эксплуатации. Кроме того, использование в их составе эластичных материалов ограничивает или исключает вовсе применение перечисленных устройств для работы при высоких температурах вследствие утраты эластичными материалами своих упругих свойств под воздействием повышенных эксплуатационных температур.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является интенсификация процесса теплообмена.
Техническим результатом, достигаемым при реализации данной полезной модели, является обеспечение надежной и долговечной герметизации зазоров между кожухом и поперечными перегородками кожухотрубчатого теплообменника, а также обеспечение технологичности и ремонтопригодности предлагаемой конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что обтюратор поперечной перегородки кожухотрубчатого теплообменника, содержащий гибкий уплотнительный элемент, установленный с плотным примыканием к внутренней поверхности кожуха теплообменника и к периферии боковой поверхности поперечной перегородки, согласно полезной модели гибкий уплотнительный элемент выполнен в виде винтовой спирали, имеющей форму незамкнутого кольца и сформированной посредством непрерывной навивки металлической проволоки. Винтовая спираль может иметь круглое или овальное поперечное сечение. Внутренняя полость винтовой спирали может быть заполнена эластичным материалом. Внутренняя полость винтовой спирали может быть заполнена эластичным материалом на основе терморасширенного графита или на основе фторопласта. Кроме того, наружная поверхность винтовой спирали покрыта эластичным материалом. Наружная поверхность винтовой спирали может быть покрыта материалом на основе терморасширенного графита или на основе фторопласта. Внутренняя полость винтовой спирали может быть заполнена, а наружная поверхность покрыта эластичным материалом. Внутренняя полость винтовой спирали заполнена, а наружная покрыта эластичным материалом на основе терморасширенного графита или на основе фторопласта.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 изображен кожухотрубчатый теплообменник с установленными обтюраторами поперечных перегородок. На фиг.2 представлено сечение А-А по фиг.1, а на фиг.3 - выносной элемент Б, показывающие расположение обтюратора относительно кожуха и поперечной перегородки. На фиг.4 представлен обтюратор круглого сечения, на фиг.5 - обтюратор овального сечения.
Кожухотрубчатый теплообменник включает в себя распределительную камеру 1, трубчатку 2 и крышку 3. Пучок теплообменных труб 4, сформированный за счет каркаса из продольных стяжек 5 и поперечных перегородок 6, располагается внутри кожуха 7. Диаметральные зазоры между кожухом и поперечными перегородками уплотняются обтюраторами 8.
Устройство работает следующим образом.
Обтюратор представляет собой гибкий элемент в виде винтовой плотно навитой металлической спирали. Спираль может быть выполнена из тонкой стальной проволоки, что обеспечивает требуемую гибкость обтюратора как в продольном, так и в поперечном сечении. В зависимости от коррозионной активности рабочей среды в кожухе винтовая спираль может быть выполнена как из углеродистой, так и из коррозионностойкой стали.
Для исключения смятия и разрушения при попадании в зазор между кожухом и поперечными перегородками, обтюратор выполняют с наружным диаметром спирали, вдвое превосходящим максимально возможный диаметральный зазор между кожухом и поперечными перегородками. Кроме того, круглая или овальная форма поперечного сечения обтюратора исключает возможность повреждения внутренней поверхности кожуха, как в процессе сборки, так и в процессе эксплуатации.
Для установки в кожух теплообменника обтюратор сгибается в дугу, диаметр которой меньше внутреннего диаметра кожуха, и свободно заводится в него. Под воздействием силы упругости, возникающей вследствие сгибания, обтюратор стремится к возвращению в начальное состояние и занимает необходимое для уплотнения зазоров положение, вплотную прилегая к внутренней поверхности кожуха. Плотное прилегание обтюратора к поверхности поперечной перегородки обеспечивается при сборке за счет перемещения каркаса трубного пучка вдоль кожуха.
Для усиления герметизирующих свойств обтюратора при определенных режимах эксплуатации могут быть использованы эластичные материалы в виде обмотки или оплетки наружной поверхности и/или наполнителя внутренней полости. Кроме того, покрытие наружной поверхности эластичным материалом, например, на основе терморасширенного графита или фторопласта, имеющего повышенные антифрикционные свойства, позволяет значительно уменьшить силы трения, возникающие при сборке теплообменника.
Собираемость поперечных перегородок с кожухом обеспечивается за счет соответствующих диаметральных зазоров между ними. При отсутствии обтюратора помимо основных потоков, омывающих поперечные перегородки с двух сторон, в аппарате создаются паразитические (байпасные) перетоки через указанные зазоры. Установка обтюратора исключает паразитические (байпасные) перетоки и направляет их на омывание теплообменных труб. При этом весь поток вовлекается в процесс теплообмена, увеличивая его скорость и приводя к росту теплоотдачи со стороны межтрубного пространства. В отличие от известных уплотнительных устройств предлагаемый обтюратор, лишенный жестких связей с уплотняемой поперечной перегородкой и наделенный необходимой гибкостью и упругостью, обладает способностью к самостоятельной деформации для плотного прилегания к кожуху и перегородке. Применение предлагаемого обтюратора приводит к увеличению скорости потока рабочей среды через трубный пучок на 20-40% и соответствующему росту коэффициента теплоотдачи со стороны межтрубного пространства на 16-31%.
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает существенную интенсификацию процесса теплообмена за счет герметизации зазоров между кожухом и поперечными перегородками кожухотрубчатого теплообменника.
Надежность, долговечность, технологичность и ремонтопригодность данного уплотнительного устройства обеспечивается:
исключением вероятности смятия и/или разрушения обтюратора как при сборке трубного пучка с кожухом, так и в процессе эксплуатации аппарата в целом;
исключением возможности повреждения внутренней поверхности кожуха, работающего под давлением;
применением для изготовления обтюратора коррозионностойких и инертных материалов;
использованием для изготовления обтюратора общедоступных технологий навивки спиралей и нанесения покрытий;
сохранением без существенных изменений общепринятой технологии сборки трубного пучка с кожухом аппарата;
возможностью многократного использования обтюратора в процессе эксплуатации.