КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к области "Элементы теплообменных или теплопередающих устройств общего назначения" и может быть применена в устройствах для герметизации краев (уплотнений) технологических зазоров.
Известно, что один процент протечек теплоносителя помимо трубного пучка теплообменника (см. Фиг.1.) приводит к уменьшению на один процент коэффициента теплопередачи, т.е. теплопроизводительности аппарата.
С увеличением диаметров корпусов значения зазоров возрастают.Эти зазоры обеспечивают разборность аппарата (возможность установки и выема трубной системы), однако они не являются оптимальными относительно достижения минимума холостых протечек. Например, в маслоохладителе типа МП-37 через зазоры 1 мм между корпусом диаметром 300 мм и кромками перегородок типа «кольцо» проходило до 1/3 общего расхода масла через аппарат (Пермяков В.А. и др. «Теплообменники вязких жидкостей, применяемые на электростанциях, Л.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с., стр 60). Тем не менее обеспечение даже этих зазоров при изготовлении не всегда удается: 1) из-за наличия значительной конусности у сварных труб больших диаметров, из которых могут изготавливаться корпуса теплообменников (эту конусность не всегда можно устранить даже путем соответствующей проточки заготовки из такой трубы по внутреннему диаметру); 2) в случае сварки заготовок для корпусов теплообменников из обечаек (они, в свою очередь, вальцуются из листа умеренной толщины и свариваются продольным швом) разница внутренних диаметров у заготовок корпусов по высоте может быть даже большей, чем в случае применения сварных труб; проточка таких заготовок корпусов, учитывая наличие на них кольцевых и продольных сварных швов и соответствующие деформации в их зонах (например, угловатость), также не позволяет выдержать предельные величины рассматриваемого зазора; 3) из-за местных деформаций корпуса в местах приварки патрубков для подвода и отвода масла и необходимости разборки теплообменника (выема из корпуса трубной системы), которые дополнительно усложняют задачу выдерживания зазора даже после проточки заданного внутреннего диаметра корпуса; 4) из-за эллипсности корпусов, имеющей место как при изготовлении их из сварных труб, так и из свальцованных обечаек; она не устраняется в полной мере даже после калибровки заготовок на вальцах.
Применение же для изготовления корпусов теплообменников труб или обечаек с повышенной толщиной стенок экономически нецелесообразно, так как резко возрастают трудозатраты на изготовление корпуса и металлоемкость аппаратов.
Вопросу сокращения или устранения холостых протечек масла через зазор в кожухотрубных теплообменниках уже давно уделяется серьезное внимание. Примерно до 1955 г. изготавливались маслоохладители типа МП, внутренняя поверхность корпусов которых не обрабатывалась, а зазор достигал на сторону 1,5 - 2,5 мм. По этой причине, например, в теплообменниках типа МП-21, МП-37, МП-65, выпускавшихся до введения ГОСТ 9916, охлаждение составляло 4-6°С вместо 10-12°С по расчету. Это вынуждало длительно эксплуатировать турбины с повышенными температурами масла перед подшипниками, что ускоряло старение масла, требовало повышения расхода охлаждающей воды через теплообменник и увеличения расхода электроэнергии на собственные нужды.
Заводы-изготовители теплообменников ввели в аппараты типа МП дополнительные разборные кожуха (Пермяков В.А. и др. «Теплообменники вязких жидкостей, применяемые на электростанциях, Л.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с., стр 61, рис.2.27, а), охватывающие трубный пучок. Однако данное решение лишь частично сократило холостые протечки масла в теплообменниках МП и ненамного повысило их эффективность. Причинами этого были сложность плотной подгонки кожухов к перегородкам типа «кольцо» и подводящим масло штуцерам и недостаточная жесткость самих корпусов.
На многих электростанциях на аппаратах типа МП производились реконструктивные работы, направленные на устранение рассматриваемого зазора. Пример такой реконструкции, осуществленной первоначально на аппаратах МП-65 (Пермяков В.А. и др. «Теплообменники вязких жидкостей, применяемые на электростанциях, Л.: Энергоатомиздат, 1983. 176 с., стр 61, рис.2.27,6). В аппаратах удалены внутренние кожуха, а по периферии перегородок типа «кольцо» установлены уплотнительные сегменты из маслостойкого пластика толщиной 5 мм с напуском за пределы наружного диаметра перегородки типа «кольцо» на 10-15 мм. Уплотнение прижимается к перегородке типа «кольцо» с помощью накладок и болтов. При надевании корпуса на трубную систему края пластика отгибаются и уплотняют данный зазор. После установки в аппаратах МП-65 таких уплотнений охлаждение масла в них возросло с 6 до 12°С.
После введения ГОСТ 9916 производству аппаратов типа МП было полностью прекращено. Взамен их были освоены теплообменники типа МБ, в которых осуществлена применяемая до сих пор проточка внутренней поверхности корпусов и наружных кромок перегородок типа «кольцо». Это, безусловно, способствовало упорядочению и ограничению значений зазоров в выпускаемых аппаратах, однако не явилось достаточным условием обеспечения стабильности их рабочих характеристик.
Контроль значений этих зазоров в условиях массового производства аппаратов является трудоемким и длительным процессом. Он может быть заменен контролем на специальном заводском стенде гидравлического сопротивления масляных трактов всех изготовленных аппаратов. При этом, если замеренное значение данного сопротивления того или иного тракта оказывается ниже на 20-25% номинального, он должен отбраковываться. Однако «доводка» таких дефектных теплообменников в условиях производства также является достаточно сложным делом, так как требуется разборка аппаратов, выявление мест нарушения значений зазоров и их индивидуальное уплотнение, сборка и повторные замеры сопротивления теплообменников и т.д.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции теплообменника с увеличенными зазорами между корпусом и кромками перегородок типа «кольцо», до 4-5 мм, и введение на каждой перегородке типа «кольцо» нового уплотнения способного исключить протечки теплоносителя помимо трубного пучка.
На фиг.1 изображен кожухотрубный теплообменник, где:
1 - трубная система;
2 - перегородка типа «кольцо» трубной системы;
3 - перегородка типа «диск» трубной системы;
4 - корпус;
На фиг.2 изображено сегментное уплотнение на перегородке типа «кольцо» кожухотрубного теплообменника, где:
5 - сегментные уплотнения;
6 - прижимное кольцо;
Указанная задача решается тем, что в кожухотрубном теплообменнике (см. фиг.1) трубная система (1) с перегородками типа «кольцо» (2) и перегородка типа «диск» (3) имеет сегментные уплотнения (5) (см. фиг.2), которые не дают возможность маслу перетекать мимо трубной системы, равномерно закрепленные по периметру перегородки типа «кольцо» (2) трубной системы теплообменника прижимным кольцом (6), причем при проектировании теплообменника, для обеспечения удобства сборки диаметр перегородки типа «кольцо» трубной системы теплообменника (di) составляет не менее 0,99 внутреннего диаметра корпуса теплообменника (D), причем экспериментальные данные подтверждают ухудшение уплотнения зазора большего размера. Наружный диаметр сегментного уплотнения (da) больше внутреннего диаметра корпуса теплообменника (D) для плотного и надежного прилегания сегментного уплотнения к корпусу теплообменника после сборки, сегментные уплотнения расположены в два слоя с перекрытием стыков по периметру перегородки типа «кольцо», экспериментом исследован ряд возможных уплотнений, который показал, что цельное (не сегментное) уплотнение не обеспечивает надежное уплотнение (образование гофр, мест излома, закусывания). Сегментные уплотнения разъемно закреплены на перегородке типа «кольцо» прижимным кольцом, имеющего наружный диаметр (d3) не менее 0,96 внутреннего диаметра корпуса теплообменника (D) для того, чтобы прижимное кольцо не разрушало механически сегментные уплотнения при установке трубной системы в корпус теплообменника и одновременно осуществляло надежное и плотное прилегание сегментного уплотнения к корпусу теплообменника после установки трубной системы в корпус теплообменника, экспериментально подтверждено, что при дальнейшем уменьшении наружного диаметра прижимного кольца не происходит плотного прилегания сегментного уплотнения к корпусу теплообменника, при этом уплотняющие сегменты обладают способностью выдержать несколько циклов разборки-сборки теплообменника, оставаясь в рабочем состоянии.
1
2
3
Примером осуществления данного уплотнения может стать маслоохладитель МО-ИМ, установленный на Первоуральской ТЭЦ (Россия, Свердловская область, г.Первоуральск), у данного маслоохладителя внутренний диаметр корпуса D=415 мм, диаметр перегородки типа «кольцо» трубной системы теплообменника (d) составляет 410 мм, наружный диаметр сегментного уплотнения (d) составляет 440 мм, наружный диаметр прижимного кольца (d) составляет 400 мм.
Устройство работает следующим образом - нагретый теплоноситель поступает через патрубок в верхнюю часть теплообменника (см. фиг.1.), двигаясь от периферии перегородки типа «кольцо» к оси теплообменника проходит перегородку типа «кольцо» в центральное отверстие, далее двигается к периферии теплообменника, огибает перегородку типа «диск» в зазор между корпусом, далее в следующую перегородку типа «кольцо». За счет предложенной конструкции теплоноситель движется непосредственно через перегородки типа «диск-кольцо», а не обходит их в зазор между корпусом и перегородкой типа «кольцо».
Технический результат, достигаемый применением данного сегментного уплотнения заключается в исключении протечек теплоносителя помимо трубного пучка и как следствие в улучшении характеристик работы теплообменного аппарата (см. прил. Техническое заключение об испытании маслоохладителей МО-ИМ (ст.№4Б) с сегментными уплотнениями на перегородках типа «кольцо» и серийного маслоохладителя МО-11 (ст.№4А) Первоуральской ТЭЦ). Применение предложенной конструкции и соотношения геометрических размеров сегментных уплотнений позволяет данной системе сегментных уплотнений зазоров длительное время выполнять свои функции даже после нескольких разборок и сборок теплообменного аппарата.