ТРУБНАЯ ДОСКА ТЕПЛООБМЕННИКА
HEAT EXCHANGER TUBE PLATE

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известен способ герметизации теплообменных труб в трубной доске посредством эластичных элементов, но требующий наличия стяжных элементов на поверхности трубной доски и исключающий плотное взаимное расположение теплообменных труб, что увеличивает массу и габариты теплообменника (авторские свидетельства СССР №№1749683 F28F 9/02, 1302130 F28F 11/00, 463852 F28F 9/02).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является трубная доска теплообменника, в которой теплообменные трубы уплотняются в трубной доске эластичными элементами, но для герметизации зазоров требуется приложение большого усилия сжатия плит трубной доски посредством стяжных элементов, расположенных среди отверстий для укладки теплообменных труб в трубной доске (А.С. СССР №463852, F28F 9/02).
В ближайшем аналоге трубная доска содержит внутренние и внешние плиты с отверстиями, соосными между собой, под укладку теплообменных труб и стяжные элементы.
Внутренняя плита является фланцем кожуха межтрубной среды. Внешняя плита является прижимным элементом для передачи усилия от стяжных болтов на эластичную прокладку. Между плитами заложен эластичный элемент в виде пластины с отверстиями, одновременно охватывающей проходящие сквозь нее теплообменные трубы и стяжные элементы. При сжатии плит, эластичный элемент, деформируясь, герметизирует зазоры между поверхностями теплообменных труб, поверхностями трубных досок и стяжных элементов.
Недостаток предлагаемого в аналоге уплотнения теплообменных труб в трубной доске заключается в приложении больших усилий к плитам трубной доски для деформации эластичного элемента и требует применения стяжных элементов, расположенных среди теплообменных труб, что требует изготавливать плиты увеличенной толщины для организации в них резьбовых отверстий и обеспечения их прочностных характеристик.
Недостаток описанной трубной доски заключается в наличии стяжных резьбовых элементов, расположенных между теплообменными трубами, что уменьшает их количество в полости кожуха, снижается плотность пучка теплообменных труб, что ведет к повышению общей массы и ограничивает область его применения.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение межосевых расстояний теплообменных труб, уменьшение усилий деформации уплотнительного материала для достижения герметичности в соединениях труб и трубной доски, уменьшение массы и габаритов.
Поставленная задача решается в трубной доске теплообменника, включающей плиту с отверстиями для укладки концов теплообменных труб и уплотнительные кольцевые элементы, согласно изобретению отверстия для укладки концов теплообменных труб распределены по углам и сторонам многоугольников, квадратов, треугольников, по концентрическим окружностям, либо в шахматном порядке, с заданным межосевым расстоянием, зависящим от диаметра теплообменных труб, их количества и диаметра их концов, а каждое отверстие трубной доски снабжено не менее чем одной концентрической расточкой под укладку уплотнительных кольцевых элементов, причем эти расточки распределены на разных высотах в параллельных плоскостях в теле плиты, а принадлежащие боковым поверхностям расточек вспомогательные касательные прямые, находящиеся на кратчайшем расстоянии от параллельных им вертикальных осей симметрии взаимно ближайших расточек, имеют возможность пересекать обращенные друг к другу основания этих расточек, кроме того, в отверстиях для укладки концов теплообменных труб имеют возможность размещаться трубы с редуцированными концами, а плита имеет возможность фиксироваться во фланце кожуха стопорным кольцом или фланцем трубной среды, притянутым к фланцу кожуха посредством болтов.
Частным случаем может быть трубная доска, выполненная из материала, химически инертного по отношению к теплообменным средам, или в которой поверхность трубной доски снабжена покрытием из материала, химически инертного по отношению к теплообменным средам, и уплотнительные кольцевые элементы выполнены из материла, химически инертного к теплообменным средам.
Расточки отверстий под укладку теплообменных труб имеют форму тела вращения, а горизонтальные оси расточек отверстий расположены в плоскостях, параллельных торцам доски.
Сущность изобретения: в конструкцию трубной доски введены отверстия для укладки концов теплообменных труб, которые снабжены минимум одной расточкой, а расточки выполнены в параллельных плоскостях в теле плиты. При этом расточки отверстий, лежащие в какой-либо параллельной плоскости, согласно схеме заполнения, распределены среди отверстий, имеющих расточки в других плоскостях.
Предлагаемая трубная доска обеспечивает следующие положительные эффекты:
- расточки отверстий для уплотнительных колец, находящиеся в параллельных плоскостях средней плиты, позволяют сократить расстояния между осями отверстий для теплообменных труб, за счет этого возможно сформировать плотный трубный пучок и разместить в кожухе большее количество теплообменных площадей;
- уменьшение массы и габаритов теплообменника достигается за счет более плотной компоновки теплообменных труб в сечении кожуха;
- возможность применения труб малого диаметра за счет отсутствия прочностных ограничений на толщину стенки отверстий трубной доски и снижения технологических трудностей для их фиксации в трубной доске.
- большое количество вариантов размещения теплообменных площадей в кожухах, выбранных из стандартных рядов труб, за счет сочетания большего количества схем заполнения отверстиями трубной доски и их различных межосевых расстояний.
Данные технические результаты достигаются за счет того, что отверстия средней плиты снабжены расточками, выполненными в параллельных плоскостях, в ее теле. Уплотнительные кольца из эластичного материала, нанизанные на концы теплообменных труб и уложенные в расточки, обеспечивают герметичность соединения трубной доски и теплообменных труб, концами уложенных в отверстия трубной доски, за счет перетекания материала уплотнительных колец по поверхностям расточек в зону зазора между наружными поверхностями труб и внутренними поверхностями отверстий в плите. Плита установлена в полость фланца кожуха через уплотнение, посредством уплотнительного кольца, уложенного в канавку на ее наружной цилиндрической поверхности и герметизирующее зазор между наружной поверхностью плиты и внутренней поверхностью выемки фланца кожуха. Расточки отверстий распределены в параллельных плоскостях в теле плиты так, что их боковые поверхности соседствуют с боковыми поверхностями отверстий. Таким образом, боковые поверхности расточек непосредственно соседствующих отверстий не пересекают друг друга и лежат в параллельных плоскостях. Кроме того, применение редуцированных (зауженных) концов теплообменных труб позволяет применять уплотнительные кольца меньших диаметров, соответствующих диаметрам редуцированных концов труб. Это позволяет еще сократить межосевые расстояния отверстий трубной плиты и тем самым повысить плотность компоновки трубного пучка.
К фланцу кожуха чрез прокладку притягивается ответный фланец трубной среды посредством болтовых соединений.
Анализ известных технических решений в данной области техники показывает, что предлагаемое устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, что соответствует условию патентоспособности «новизна», а использование их в заявленной совокупности дало возможность получить новый технический эффект.
Заявляемое решение может быть осуществлено с использованием известных технических средств на любом машиностроительном предприятии, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 изображена конструкция трубной доски; на фиг. 2 - выносной вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - плита со схемой расположения отверстий по концентрическим окружностям; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 3; на фиг. 5 - схема формирования межосевого расстояния отверстий при расположении расточек в разных плоскостях; на фиг. 6 - схема формирования межосевого расстояния отверстий при расположении расточек в одной плоскости; на фиг. 7 - схема расположения расточек в теле плиты, на фиг. 8 - проекция отверстий и расточек на вспомогательную плоскость.
В теплообменник устанавливается доска трубная, которая состоит из плиты 1. Теплообменные трубы 2 своими концами 3 уложены в отверстия 4 трубной доски. Плита 1 монтируется в ответную часть 5 фланца 6 кожуха 7. Плита на своей наружной цилиндрической поверхности имеет канавку 8 для укладки уплотнительного кольца 9, герметизирующего зазор между внутренней поверхностью ответной части 5 фланца 6 и наружной цилиндрической поверхностью плиты. В толще плиты согласно выбранной схеме заполнения, изображенной на фигурах 3, 4, выполнены концентрические расточки 10 отверстий 4 под укладку уплотнительных колец 11. Плита 1 фиксируется стопорным кольцом 12 установленным в кольцевой канавке 13 ответной части 5 фланца.
Расточки 10 отверстий 4, лежащие в какой-либо параллельной плоскости, согласно схеме заполнения, распределены среди отверстий 4, имеющих расточки 10 в других плоскостях.
При таком размещении расточек 10 в разных плоскостях их боковые поверхности граничат с боковыми поверхностями отверстий 4, а межосевое расстояние соседствующих отверстий трубной доски Мо2 складывается из радиуса первой расточки Rp1, толщины стенки С между расточкой и отверстием, радиуса второго отверстия R2 согласно фиг. 5. Вышеописанный способ размещения расточек в параллельных плоскостях обеспечивает уменьшение межосевых расстояний отверстий трубной доски. По сравнению со способом размещения расточек согласно фиг. 6, где боковые поверхности расточек граничат друг с другом, а межосевое расстояние Mo1 соседних отверстий трубной доски складывается из радиуса первой расточки Rp1, толщины стенки С между соседними расточками, и радиуса второй расточки Rp2.
Каждая расточка, выполненная в толще плиты, имеет боковую поверхность и два основания (см. фиг. 7). На разрезе плиты показаны расточки 10 с боковыми поверхностями а, вспомогательные касательные прямые б, принадлежащие боковым поверхностям расточек, в - оси симметрии расточек, г - основания расточек.
Расточки 10 отверстий 4 расположены таким образом, что при проецировании на удаленную вспомогательную плоскость их контуры могут пересекаться (см. фиг. 8, где д -расточки под условно верхним торцом, е - расточки, расположенные в толще плиты, ж - расточки под условно нижним торцом, з - проекции вспомогательных касательных прямых, расположенных на кратчайшем расстоянии от вертикальных осей симметрии соседствующих расточек). Отверстия 4 упорядочены в шахматном, треугольном, квадратном, концентрическом или ином геометрическом порядке с межосевым расстоянием отверстий трубной доски, зависимым от диаметра труб, их количества и диаметра их концов. Для надежной работы и герметичности кольцевых уплотнений между расточками, лежащими в одной плоскости, и отверстиями необходимо выдерживать допустимую толщину стенок, обеспечивающую прочностные характеристики плиты.
Отверстия имеют всегда меньшие размеры своих диаметров в отношении к диаметру боковой поверхности их расточек. Распределенные в параллельных плоскостях в толще плиты расточки своими боковыми поверхностями соседствуют с боковыми поверхностями отверстий, обеспечивая уменьшение межосевых расстояний, по сравнению с тем, если бы расположить расточки всех отверстий в одной плоскости. Тем самым сокращаются расстояния между осями теплообменных труб и повышается плотность теплообменного пучка в целом.
Используя различные геометрические схемы размещения отверстий с расточками в разных параллельных плоскостях средней плиты, получают различные коэффициенты заполнения трубного пучка, что увеличивает количество вариантов размещения теплообменных площадей в поперечных сечениях кожухов, ограниченных диаметрами стандартного ряда труб.
Теплообменник работает следующим образом:
Трубная доска 1 через кольцевое уплотнение 9 устанавливается в цилиндрическую полость 5 фланца 6 кожуха 7. Трубная доска фиксируется посредством стопорного кольца 12, установленного в кольцевую канавку 13 фланца 6. В расточки 10 отверстий 4 плиты трубной доски закладываются уплотнительные кольца 11. Теплообменные трубы 2 своими редуцированными концами 3 вводятся в отверстия 4 плиты 1. При этом плотное расположение отверстий обеспечивается за счет того, что боковые поверхности расточек 10, показанных на фиг. 2, не пересекаются, взаимно не нарушают герметичность уплотнительных соединений между наружной поверхностью труб и поверхностью отверстий плиты, а также обеспечивают механическую прочность конструкции плиты. Однако на фиг. 8 спроецированные контуры их боковых поверхностей могут касаться друг друга либо взаимно пересекаться, обеспечивая уменьшение межосевых расстояний отверстий. При этом толщина стенок между соседствующими расточками, а также толщина стенок между расточками и соседствующими с ними отверстиями должна обеспечивать прочностные характеристики плиты.
Плита трубной доски герметизируется по наружной цилиндрической поверхности в полости 5 фланца 6 кожуха 7 посредством уплотнительного кольца 9 из эластичного материала, устанавливаемого в канавку 8 на цилиндрической поверхности плиты. Герметизация соединения между трубой и отверстием трубной доски возникает сразу после прохождения конца трубы сквозь уплотнительное кольцо. Материал кольца, перетекая по поверхностям трубы и отверстия, заполняет зазоры, тем самым герметизируя соединение. Причем усилия, созданные эластичной деформацией кольца и распределенные по поверхности расточки, очень малы. Это условие позволяет устанавливать малую толщину стенок между соседствующими расточками и соседствующими с ними отверстиями, что позволяет уменьшать межосевые расстояния отверстий трубной доски.