Трубная система теплообменного аппарата
PIPE SYSTEM OF A HEAT EXCHANGE APPARATUS

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в парогенераторах и теплообменных аппаратах на АЭС с продольным и поперечным обтеканием жидкометаллического теплоносителя в межтрубном пространстве.
В настоящее время известны различные устройства для дистанционирования труб. Так, например, Устройство дистанционирования трубок теплообменного аппарата (патент №2579788 от 30.12.2014 г., F28F 9/013), содержащее, по меньшей мере, одну опорно-дистанционирующую решетку, состоящую из цилиндрического корпуса и, как минимум, двух ярусов планок, разнесенных между собой на заранее заданную величину, причем ширина каждой планки лежит в плоскости, параллельной оси корпуса, а концы всех планок прикреплены к корпусу так, что планки любого яруса расположены с заранее заданным зазором параллельно одна другой, при этом планки различных ярусов перекрещены между собой под углом 60 градусов при взгляде вдоль оси корпуса и соединены между собой в местах этого перекрещивания. Также Блок опорных перегородок для труб кожухотрубного теплообменника (патент №2 153 643 от 27.07.2000 г., F28F 9/22), в котором каждая перегородка выполнена в виде части круга с отверстиями под трубы, причем смежные перегородки смещены одна относительно другой на заданный угол и соединены стержнями, а боковые кромки перегородок имеют профиль, соответствующий сопряженным с ними дугами окружностей отверстий под трубы, а по периметру перегородки снабжены ребрами жесткости.
Недостатками данных технических решений являются высокая металлоемкость, низкий коэффициент использования материала заготовки, сложность изготовления (изготовление должно проводиться на станках с ЧПУ) и, соответственно, высокая стоимость изготовления.
К их недостаткам можно также отнести низкую вибрационную прочность из-за недостаточно жесткого дистанционирования труб в трубном пучке.
По большинству сходных признаков и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению наиболее близким является Опорно-дистанционирующая решетка (п.м. №168 720 от 07.04.2016 г., F28F 9/013), принятая за прототип, содержащая опорные элементы типа втулок, соединенные перемычками между собой и с ободом, образующая ячейки для прохода среды. Стенки втулок и перемычек имеют переменную толщину. Толщина стенок и перемычек увеличивается по направлению от входа среды к выходу среды, при этом толщины стенок втулок на входе и выходе среды меньше расстояния между соседними теплообменными трубами.
Ее недостатками также являются высокая металлоемкость, низкий коэффициент использования материала заготовки, сложность изготовления (изготовление должно проводиться на станках с ЧПУ) и, соответственно, высокая стоимость изготовления. К недостаткам можно также отнести низкую вибрационную прочность из-за недостаточно жесткого дистанционирования труб в трубном пучке.
Технической задачей данного изобретения является создание трубной системы теплообменного аппарата, обеспечивающей теплообмен между теплоносителем и нагреваемой средой.
Техническим результатом решения поставленной задачи является снижение металлоемкости, увеличение коэффициента использования материала заготовок, обеспечение простоты изготовления и сборки, увеличение вибрационной прочности.
Указанный технический результат достигается тем, что в трубной системе теплообменного аппарата, содержащей трубный пучок с параллельным расположением теплообменных труб по равносторонней треугольной сетке, по концам заделанных в трубные доски, дистанционирующие элементы выполнены в виде стержней, на которых размещены бобышки с установленным шагом h по высоте, расположенных на равных расстояниях от соседних теплообменных труб в центре равностороннего треугольника в вершинах которого установлены теплообменные трубы, а концы стержней дистанционирующих элементов заделаны в трубные доски.
Дистанционирующие элементы выполнены трех типов: первого, второго и третьего уровня, отличающиеся расположением первых бобышек от базовых торцов стержней размерами h1, h2 и h3 и расположены с обеспечением чередования первого, второго и третьего уровней в периодическом порядке 1, 2, 3, 1, 2, 3, … по всему сечению трубного пучка.
В бобышках могут быть выполнены сквозные каналы.
На фиг.1 и 2 показан общий вид трубной системы теплообменного аппарата без дистанционирующих элементов.
На фиг.3 показан общий вид дистанционирующего элемента.
На фиг.4 показан общий вид трубной системы теплообменного аппарата в поперечном сечении с дистанционирующими элементами без сквозных каналов.
На фиг.5 показан общий вид трубной системы теплообменного аппарата в поперечном сечении с дистанционирующими элементами со сквозными каналами.
На фиг.6 изображены дистанционирующие элементы трех уровней.
На фиг.7 показан общий вид трубной системы теплообменного аппарата в поперечном сечении с дистанционирующими элементами первого уровня.
На фиг.8 показан общий вид трубной системы теплообменного аппарата в поперечном сечении с дистанционирующими элементами второго уровня.
На фиг.9 показан общий вид трубной системы теплообменного аппарата в поперечном сечении с дистанционирующими элементами третьего уровня.
Предлагается теплообменный аппарат, в котором трубная система 1 представлена в виде параллельных труб по концам заделанных в трубные доски 2 (см. фиг.1) с расположением теплообменных труб (в поперечном сечении) по треугольной сетке (см. фиг.2).
Дистанционирующие элементы представляют собой стержни 3 на которых расположены бобышки 4 с установленным шагом h по высоте (см. фиг.3а). Бобышки могут быть выполнены как без сквозных каналов так и со сквозными каналами (см. фиг.3б и фиг.3в, соответственно). Наличие каналов позволяет увеличить площадь проходного сечения для циркуляции греющего теплоносителя.
Дистанционирование осуществляется контактом дистанционирующих элементов, расположенных на равных расстояниях от соседних теплообменных труб в центре равностороннего треугольника в вершинах которого расположены теплообменные трубы, с наружным диаметром теплообменных труб (см. фиг.4 и 5).
В вариантном исполнении дистанционирующие элементы представлены трех типов: первого (см. фиг.6а), второго (см. фиг.6б) и третьего уровня (см. фиг.6в), отличающихся расположением начальных бобышек от базовых торцов стержней размерами h1, h2 и h3. Дистанционирование осуществляется контактом дистанционирующих элементов, расположенных по треугольной сетке с обеспечением чередования первого, второго и третьего уровней в периодическом порядке 1, 2, 3, 1, 2, 3 … по всему сечению трубного пучка и на равных расстояниях от соседних теплообменных труб, с наружным диаметром теплообменных труб (см. фиг.7, 8, 9).
Концы стержней дистанционирующих элементов закреплены в верхней и нижней трубных досках.
В процессе работы поток может двигаться в межтрубном пространстве как параллельно, так и поперек стержней с установленными бобышками.
Для обеспечения высокой вибрационной прочности предполагается либо проводить сборку трубного пучка с дистанционирующими элементами путем их обжатия, либо путем подбора материалов дистанционирующих элементов с коэффициентами температурного расширения выше, чем у теплообменных труб, либо путем установки бобышек с наружным диаметром, превышающим расстояние между трубами.
Таким образом, выполнение дистанционирующих элементов в виде стержней на которых размещены бобышки с установленным шагом h по высоте, расположенных на равных расстояниях от соседних теплообменных труб в центре равностороннего треугольника в вершинах которого установлены теплообменные трубы, позволяет снизить металлоемкость, увеличить коэффициент использования материала заготовок, обеспечить простоту изготовления и сборки, а также увеличить вибрационную прочность трубной системы теплообменного аппарата.