Теплозащитная вставка и устройство теплозащиты для теплообменных аппаратов
HEAT-INSULATING INSERT AND HEAT PROTECTION DEVICE FOR HEAT EXCHANGERS

Изобретение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Широко распространены теплообменные аппараты, в которых имеются теплообменные трубы, закрепленные в трубных решетках. Существуют вставки для теплообменных аппаратов, составной частью которых является цилиндрический патрубок, который вставляется в теплообменные трубы, например, распределительные устройства для пленочных испарителей (Патент РФ №2178324, Пленочный выпарной аппарат, Опубл. 20.01.2002, бюл. №22).
Узел крепления труб к трубным решеткам является слабым местом теплообменных аппаратов. Основными способами крепления труб к трубным решеткам являются развальцовка, сварка и развальцовка с обваркой. Вследствие разных давлений теплоносителей, разного температурного удлинения теплообменных труб в трубном пучке и тепловой деформации трубной решетки в узле крепления возникают значительные нагрузки. Вследствие высокой теплопроводности металла градиенты температур и деформации трубной решетки в большинстве случаев малы, но при большой разности температур теплоносителей и высоком коэффициенте теплопередачи деформация трубной решетки и закрепленной части труб может существенно повлиять на прочность узла крепления. При нагреве до высокой температуры снижаются прочностные характеристики материала трубной решетки и теплообменных труб. Вследствие неоднократного включения и выключения теплообменника в работу и вследствие колебаний режима работы нагрузки имеют циклический характер и возникают усталостные явления. В случае разрушения или разгерметизации узла крепления труб к трубным решеткам, как правило, требуется немедленная остановка теплообменника, что может принести значительный экономический ущерб, вследствие нарушения режима работы или аварийной остановки технологических установок. Для защиты трубных решеток и узлов крепления труб используют теплозащиту в виде защитных покрытий, футеровок, вставок из материалов с низкой теплопроводностью. Однако, эти средства теплозащиты сравнительно дороги, требуют дополнительных затрат на ремонт самой теплозащиты, затрудняют чистку теплообменных труб, ремонт и обслуживание теплообменника. По этим причинам теплозащита используется сравнительно редко и в основном в случаях, когда она «совершенно необходима». Существуют также вставки для теплообменных труб различного назначения, составной частью которых является цилиндрический патрубок, который вставляется в теплообменные трубы, например, распределительные устройства для пленочных испарителей. Однако такие вставки не предназначены для теплозащиты узлов теплообменника.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для защиты передней трубной доски кожухотрубных теплообменников, в котором на некотором расстоянии от трубной доски расположен плоский экран с вваренными в него трубками, входящими с небольшим зазором в трубки теплообменника. Для компенсации температурных деформаций плоский экран выполнен из отдельных пластин, соединяемых замком. Для снижения утечки газа в кольцевой зазор между трубками и стенками теплообменных труб вставляются шайбы или секторные диафрагмы (А.с. СССР №131361, Устройство для защиты передней трубной доски кожухотрубных теплообменников, Опубл. 17.11.1966, бюл. №23).
Такое устройство предназначено для защиты трубной решетки (трубной доски) при температуре охлаждаемого газа превышающей 800°С. Между защитным экраном и трубной решеткой предполагается подача охлаждающего воздуха. Таким образом, защитный экран исключает контакт горячего газа с трубной решеткой и значительно снижает передачу тепла за счет излучения. Конструкция является достаточно сложной при изготовлении и монтаже, и применима только для охлаждения горячего газа при отсутствии перепада давления между газом и охлаждающим воздухом и допустимости утечек воздуха в газ или газа в воздух. Шайба и трубка, входящая в трубки теплообменника значительно уменьшают площадь входного сечения и создают дополнительное гидравлическое сопротивление.
Задачей изобретения является обеспечение эффективной теплозащиты трубных решеток теплообменных аппаратов с помощью теплозащитных вставок, имеющих простую конструкцию, низкую материалоемкость и удобных при монтаже и демонтаже.
Технический результат достигается тем, что в известной теплозащитной вставке для теплообменных аппаратов, представляющей собой патрубок, который вставлен в теплообменные трубы с зазором, и к которому прикреплена пластина, параллельная трубной решетке, согласно изобретению, для обеспечения равномерного зазора на наружной стенке патрубка расположены выступы, а пластина выполнена в виде шайбы с отогнутыми в сторону трубной решетки краями. Патрубок выполнен из тонкого упругого листового материала и имеет продольный разрез. На части патрубка, выступающей за пределы трубной решетки, выполнены надрезы и отогнутые части стенки патрубка, которые удерживают шайбу и одновременно играют роль завихрителя. Кроме того теплозащитные вставки используются в устройстве теплозащиты трубной решетки теплообменника, в котором, на трубной решетке установлен теплозащитный экран в виде пластины с отверстиями, расположенными в соответствии с расположением отверстий в трубной решетке.
Теплозащитная вставка для теплообменных аппаратов представляет собой патрубок, который вставляется в теплообменные трубы с зазором, и к которому прикреплена пластина, параллельная трубной решетке. Причем, для обеспечения равномерного зазора на наружной стенке патрубка имеются выступы, а пластина выполнена в виде шайбы с отогнутыми в сторону трубной решетки краями. В узле крепления трубы к трубной решетке небольшая часть теплообменной трубы выступает за пределы трубной решетки, а в случае обварки, за пределы трубной решетки выступает и сварной шов. То, что пластина выполнена в виде шайбы с отогнутыми в сторону трубной решетки краями, позволяет отделить часть пространства вблизи узла крепления трубы к трубной решетке, то есть образуется зазор между поверхностью шайбы и поверхностью узла крепления. Зазор имеется также между патрубком и поверхностью теплообменной трубы. Эти зазоры сообщаются между собой и с пространством рабочей камеры теплообменника. При работе теплообменника горячий теплоноситель поступает и в зазоры между стенками теплозащитной вставки и поверхностями узла крепления трубы к трубной решетке, но движение теплоносителя в узком зазоре затруднено, и его можно считать практически неподвижным. Теплопередача от горячего теплоносителя к поверхностям узла крепления трубы к трубной решетке зависит от коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к поверхности теплозащитной вставки, коэффициента теплоотдачи от поверхности теплозащитной вставки к теплоносителю в зазоре, теплопроводности теплоносителя в зазоре и коэффициента теплоотдачи от теплоносителя в зазоре к поверхностям узла крепления трубы к трубной решетке. Учитывая, что для неподвижного теплоносителя коэффициенты теплоотдачи и коэффициент теплопередачи очень низкие, общий коэффициент теплопередачи снижается в несколько раз, а в некоторых случаях в несколько десятков раз. Пластины в виде шайб перекрывают большую часть поверхности трубной решетки. Для повышения эффективности теплозащиты шайбы могут быть выполнены в виде правильных шестиугольников для теплообменников с расположением теплообменных труб по вершинам треугольников или в виде квадратов для теплообменников с расположением труб по вершинам квадратов. Таким образом, теплозащитные вставки обеспечивают эффективную теплозащиту трубной решетки и узлов крепления труб к трубной решетке, позволяют снизить температуру трубной решетки и градиенты температуры в трубной решетке. Снижение температуры повышает прочностные характеристики металла, а снижение градиентов температуры уменьшает температурные деформации трубной решетки и закрепленной части теплообменных труб, что обеспечивает повышение надежности узлов крепления труб к трубной решетке. Теплозащитные вставки жесткой конструкции могут удерживаться в теплообменных трубах за счет собственного веса или за счет соединения с натягом. При отсутствии соединения с натягом теплозащитные вставки могут просто выпасть, например, в горизонтальном аппарате, а при соединении с натягом требуются усилия при монтаже и демонтаже, что требует дополнительных затрат и повышает требования к прочности самих вставок. Для обеспечения соединения с натягом требуется высокая точность изготовления патрубков. Использование дополнительных удерживающих устройств усложняет конструкцию и требует дополнительных затрат. То, что патрубок выполнен из тонкого упругого листового материала и имеет продольный разрез, позволяет удерживать патрубки в трубах за счет сил упругости. Патрубок с продольным разрезом имеет диаметр немного больший, чем внутренний диаметр теплообменной трубы. При монтаже патрубок сжимают и вставляют в теплообменную трубу, он распрямляется и надежно удерживается в трубе. Выступы на наружной поверхности патрубка упираются в стенки теплообменной трубы, и создается узкий кольцевой зазор между стенкой патрубка и стенкой теплообменной трубы. Для обеспечения возможности сжатия патрубка пластина в виде шайбы может быть прикреплена к патрубку свободно. Патрубок может иметь часть, выступающую за пределы трубной решетки. На части патрубка, выступающей за пределы трубной решетки, могут быть выполнены надрезы и отогнутые части стенки патрубка, которые удерживают шайбу и одновременно играют роль завихрителя. Если, например, надрез выполнен вдоль патрубка, а в конце надреза имеется надрез в кольцевом направлении, а затем часть стенки патрубка отогнута наружу, то отогнутая часть стенки патрубка препятствует перемещению шайбы вдоль патрубка. В стенке патрубка образуется щель, через которую поступает часть теплоносителя. Вход теплоносителя через щель происходит в тангенциальном направлении, что приводит к закручиванию потока, то есть выступающая за пределы трубной решетки часть патрубка может выполнять функции завихрителя. Выступающая за пределы трубной решетки часть патрубка позволяет облегчить работы по монтажу и демонтажу теплозащитных вставок. Выступающую часть легко захватить руками или инструментом, например, плоскогубцами, и повернуть вставку в нужное положение при монтаже или извлечь вставку при демонтаже. Для усиления теплозащиты на трубной решетке может быть установлен теплозащитный экран в виде пластины с отверстиями, расположенными в соответствии с расположением отверстий в трубной решетке. В этом случае теплозащитные вставки обеспечивают второй слой теплозащиты, удерживают теплозащитный экран и закрывают зазоры между краями отверстий в теплозащитном экране и стенками патрубков. Таким образом, теплозащитные вставки обеспечивают эффективную теплозащиту трубных решеток теплообменных аппаратов, имеют простую конструкцию, низкую материалоемкость и удобны при монтаже и демонтаже.
На фиг. 1 изображена теплозащитная вставка для теплообменных аппаратов. На фиг. 2 изображена теплозащитная вставка, на патрубке которой имеется продольный разрез, а на выступающей части патрубка выполнены надрезы и отогнутые части, образующие завихритель. На фиг. 3 изображен вид такой вставки со стороны трубной решетки. На фиг. 4 изображено устройство теплозащиты, включающее теплозащитные вставки и теплозащитный экран в виде пластины с отверстиями расположенными в соответствии с расположением отверстий в трубной решетке.
В трубной решетке 1 закреплена теплообменная труба 2. В теплообменную трубу 2 вставлена теплозащитная вставка, состоящая из патрубка 3 с выступами 4 на наружной поверхности и шайбы 5 с отогнутыми в сторону трубной решетки 1 краями. Шайба 5 прикреплена к патрубку 3, например, с помощью сварки. Патрубок 3 может быть выполнен из тонкого упругого листового материала и иметь продольный разрез 6. На фиг. 3 показано, что щель, которая образуется в стенке патрубка 3 из-за продольного разреза 6, закрывается за счет небольшого отгиба на одной из частей патрубка 3 в разрезе 6. На части патрубка 3, выступающей за пределы трубной решетки 1 могут быть выполнены надрезы 7 и отогнутые части стенки патрубка 8, которые удерживают шайбу 3 и одновременно играют роль завихрителя. Прикреплять шайбу 5 к патрубку 3 в этом случае не обязательно. На трубной решетке 1 может быть установлен теплозащитный экран 9 в виде пластины с отверстиями, расположенными в соответствии с расположением отверстий в трубной решетке. За счет выступов 4 на наружной стенке патрубка 3 образуется узкий кольцевой зазор между стенкой патрубка 3 и стенкой теплообменной трубы 2. Шайба 5 с отогнутыми в сторону трубной решетки 1 краями закрывает область крепления теплообменной трубы 2 к трубной решетке 1 и образуется зазор между поверхностью шайбы 5 и трубной решетки 1. Зазоры между поверхностями теплозащитной вставки и поверхностями теплообменника сообщаются между собой и с трубным пространством теплообменника. При работе теплообменника зазоры заполняются теплоносителем, но движение теплоносителя в узком зазоре затруднено. Коэффициент теплопередачи через слой малоподвижного теплоносителя низкий. Шайбы 5 закрывают большую часть поверхности трубной решетки. Таким образом, теплозащитные вставки снижают подвод тепла к трубной решетке 1 в несколько раз и позволяют снизить температуру трубной решетки и градиенты температуры в трубной решетке 1. Снижение температуры повышает прочностные характеристики металла, а снижение градиентов температуры уменьшает температурные деформации трубной решетки 1 и закрепленной части теплообменных труб 2, что обеспечивает повышение надежности узла крепления труб к трубной решетке. То, что патрубок 3 выполнен из тонкого упругого листового материала и имеет продольный разрез 6, обеспечивает удержание патрубка 3 в теплообменной трубе 2 за счет силы упругости и позволяет легко монтировать и демонтировать теплозащитную вставку. То, что на части патрубка 3, выступающей за пределы трубной решетки 1, выполнены надрезы 7 и отогнутые части стенки патрубка 8, не позволяет шайбе 5 смещаться вдоль патрубка 3, то есть обеспечивается прижатие шайбы 5 к трубной решетке 1. Отогнутые части стенки патрубка 8 и щели, образующиеся в стенках на части патрубка 3, выступающей за пределы трубной решетки 1, обеспечивают тангенциальный вход части теплоносителя и закручивание потока, то есть выполняют роль завихрителя. Части патрубка 3, выступающей за пределы трубной решетки 1, можно ухватить руками или инструментом, что облегчает монтаж и демонтаж теплозащитных вставок. Для усиления теплозащиты может использоваться устройство теплозащиты, включающее теплозащитные вставки и теплозащитный экран 9 в виде пластины с отверстиями, расположенными в соответствии с расположением отверстий в трубной решетке. В этом случае теплозащитные вставки обеспечивают второй слой теплозащиты, удерживают теплозащитный экран 9 и закрывают зазоры между краями отверстий в теплозащитном экране и стенками патрубков 3.