ДВУХСТЕННЫЙ ПАРОПРОВОД

Полезная модель касается двухстенных паропроводов для транспортировки перегретого пара.
Известен двухстенный паропровод, описанный в (SU №118825 А1, МПК F17D1/06, опубл. в бюл. №7 за 1959 г.), выполненный в виде концентрически расположенных внешней и внутренней труб, межтрубное пространство которых соединено с начальным участком пароперегревателя, при этом внутренняя труба со стороны межтрубного пространства покрыта изоляционным слоем. Причем в данном двухстенном паропроводе для компенсации термических расширений внутренней и внешней труб на внутренней трубе применен компенсатор волнообразной формы.
Особенность функционирования данного двухстенного паропровода заключается в том, что насыщенный пар, свободно циркулирующий в межтрубном пространстве, конденсируясь на внутренней стенке внешней трубы и на изоляционном слое, увлажняет изоляционной слой. Такое увлажнение изоляционного слоя чревато ростом его коэффициента теплопроводности. С ростом коэффициента теплопроводности увлажненного изоляционного слоя происходит активизация переноса тепла пара от внутренней трубы к внешней трубе, что приводит к потерям тепла пара через стенку внешней трубы данного двухстенного паропровода.
Таким образом, одним из недостатков данного двухстенного паропровода является низкая эффективность транспортировки пара по его внутренней трубе вследствие потерь тепла пара через стенку его внешней трубы.
Другим недостатком данного двухстенного паропровода является низкая надежность транспортировки пара по его внутренней трубе вследствие сложности изготовления и монтажа компенсатора волнообразной формы.
Известен двухстенный паропровод, описанный в (SU №137119 А1, МПК F17D1/06, опубл. в бюл. №7 за 1961 г.), в котором участки внутренней трубы снабжены волнообразным компенсатором, а внешняя труба снабжена автономно действующим компенсатором волнообразной формы.
Особенность функционирования данного известного технического решения заключается в том, что в качестве изоляционного слоя в межтрубном пространстве, образованном между внешней и внутренней трубами, использован только свободно циркулирующий воздух. Использование только воздуха, свободно циркулирующего в межтрубном пространстве, в качестве изоляционного слоя чревато повышением коэффициента теплопроводности изоляционного слоя с ростом температуры пара, транспортируемого по внутренней трубе, и как следствие, большими потерями тепла упомянутого пара через стенку внешней трубы двухстенного паропровода.
Таким образом, одним из недостатков данного известного технического решения также является низкая эффективность транспортировки пара по его внутренней трубе вследствие потерь тепла пара через стенку его внешней трубы.
Другим недостатком данного известного технического решения также является низкая надежность транспортировки пара по его внутренней трубе вследствие сложности изготовления и монтажа упомянутых компенсаторов.
Известен двухстенный паропровод, описанный в (SU №148684 А1, МПК F16L9/18, опубл. в бюл. №13 за 1962 г.), содержащий внешнюю и теплоизолированную внутреннюю трубы, хомуты, охватывающие теплоизолированную внутреннюю трубу и центрирующих ее посредством опорных роликов в внешней трубе, при этом межтрубное пространство соединено с внутренней трубой отверстиями в стенках последней.
Одной из особенностей функционирования данного известного технического решения является то, что пар, транспортируемый по внутренней трубе, через отверстия в ней поступает к внешней трубе со стороны межтрубного пространства. В результате происходит конвективной перенос тепла перегретого пара из теплоизолированной внутренней трубы к внешней трубе, что приводит к потерям тепла перегретого пара через стенку внешней трубы двухстенного паропровода, а также ее перегревом до недопустимых температур и, как следствие, возникновением аварийной ситуации при транспортировании перегретого пара.
Для охлаждения внешней трубы в данном известном техническом решении по межтрубному пространству под давлением пропускают питательную воду. Однако, значение коэффициента теплопроводности питательной воды на порядок выше, чем у газов. Поэтому использование питательной воды в качестве дополнительного слоя теплоизоляции малоэффективно.
Кроме того, при повышении температуры пара, транспортируемого по теплоизолированной внутренней трубе, питательная вода, проникшая в поры теплоизоляции внутренней трубы, вскипает и повреждает ее структуру. Такое повреждение структуры теплоизоляции внутренней трубы приводит к ухудшению ее теплоизоляционных свойств и, как следствие, к возникновению аварийной ситуации при транспортировании перегретого пара.
Другая особенность данного известного технического решения заключается в том, что хомуты и опорные ролики, как правило, изготовленные из стали, являются превосходными проводниками тепла от внутренней трубы к внешней трубе. В результате в местах крепления хомутов и опорных роликов к внешней трубе происходит превышение допустимой температуры для внешней трубы и, как следствие, ее аварийный выход из строя.
Таким образом, на основании изложенного выше, недостатками данного известного паропровода являются низкая эффективность и надежность транспортировки пара по его внутренней трубе.
Известен двухстенный паропровод, описанный в (SU №218588 А1, МПК F16L9/18, опубл. 25.06.1976), содержащий внешнюю трубу, внутреннюю трубу с разгрузочными отверстиями, при этом в межтрубном пространстве, образованном между внешней и внутренней трубами, расположена изоляция в виде уплотненных слоев, в объеме которой размещены поперечные и продольные перегородки, установленные свободно или прикрепленные к внешней или внутренней стенке и образующие ограниченные негерметичные пространства для уменьшения или устранения конвективных токов в толще изоляции.
Использование уплотненных слоев, разделенных на ограниченные негерметичные пространства посредством таких поперечных и продольных перегородок, в качестве изоляции приводит к усложнению конструкции как самой такой изоляции в частности, так и данного двухстенного паропровода в целом. В свою очередь, усложнение конструкции данного двухстенного паропровода чревато ухудшением его ремонтопригодности и, как следствие, снижением надежности транспортировки пара по его внутренней трубе.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявленному является двухстенный паропровод, описанный в (US 2330966 А, МПК F16L59/10; F16L59/12; F16L59/14; F16L59/16; F16L59/20; F16L59/21; F16L59/22, опубл. 05.10.1943), содержащий внутреннюю трубу, вставленную во внешнюю трубу, при этом в межтрубном пространстве, образованном между внутренней трубой и внешней трубой, расположен теплоизоляционный слой из рыхлого теплоизоляционного материала.
Использование теплоизоляционного слоя только из рыхлого теплоизоляционного материала, без создания противодавления для внутренней трубы, чревато возникновением недопустимых термических и механических воздействий на внутреннюю трубу, что приведет к ее повреждению и аварийному останову прототипа.
Также в прототипе отсутствуют средства, обеспечивающие максимальное сопротивление конвективной теплопередачи от внутренней трубы к внешней трубе, что приводит к увеличенным потерям тепла пара, транспортируемого по внутренней трубе прототипа, через стенку его внешней трубы, а также к возникновению аварийной ситуации при транспортировании перегретого пара вследствие перегрева до недопустимых температур внешней трубы прототипа.
Таким образом, недостатками прототипа являются низкие надежность и эффективность транспортировки пара по его внутренней трубе.
Задачей полезной модели является создание надежного и эффективного двухстенного паропровода для транспортировки перегретого пара.
Техническим результатом, получаемым при осуществлении заявленной полезной модели, является снижение потерь тепла перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе двухстенного паропровода, через стенку его внешней трубы.
ВГОР
НГОР
Поставленная задача решается тем, что в двухстенном паропроводе, содержащем внутреннюю трубу 2, вставленную во внешнюю трубу 1, при этом в межтрубном пространстве, образованном между внутренней трубой 2 и внешней трубой 1, расположен теплоизоляционный слой 3 из рыхлого теплоизоляционного материала, согласно полезной модели вставленная во внешнюю трубу 1 внутренняя труба 2, внутри которой образовано пространство 4 для транспортировки перегретого пара, размещена в межтрубном пространстве со смещением вниз по вертикали относительно центральной оси двухстенного паропровода таким образом, чтобы отношение толщины Т верхнего теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве на горизонтальном участке внутренней трубы 2 над пространством 4 для транспортировки перегретого пара, к толщине Т нижнего теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве на горизонтальном участке внутренней трубы 2 под пространством 4 для транспортировки перегретого пара, соответствует следующему соотношению .
В частном варианте осуществления заявленной полезной модели в качестве рыхлого теплоизоляционного материала теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве между внутренней трубой 2 и внешней трубой 1, использован высокотемпературный муллитокремнеземистый материал, пустоты в котором заполнены газом под регулируемым давлением.
В одном из частных вариантов осуществления заявленной полезной модели в качестве высокотемпературного муллитокремнеземистого материала теплоизоляционного слоя 3, пустоты в котором заполнены газом под регулируемым давлением, использован высокотемпературный муллитокремнеземистый войлок, а в другом частном варианте осуществления заявленной полезной модели - использована высокотемпературная муллитокремнеземистая вата.
В одном из частных вариантов осуществления заявленной полезной модели пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом войлоке теплоизоляционного слоя 3 заполнены воздухом под регулируемым давлением, а в другом частном варианте осуществления полезной модели - газообразным азотом под регулируемым давлением.
В одном из частных вариантов осуществления заявленной полезной модели пустоты в высокотемпературной муллитокремнеземистой вате теплоизоляционного слоя 3 заполнены воздухом под регулируемым давлением, а в другом частном варианте осуществления полезной модели - газообразным азотом под регулируемым давлением.
В частном варианте осуществления заявленной полезной модели величина регулируемого давлениям газа, заполняющего пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом материале теплоизоляционного слоя 3, прямо пропорционально зависит от давления перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2.
ВГОР
НГОР
За счет того, что вставленная во внешнюю трубу 1 внутренняя труба 2, внутри которой образовано пространство 4 для транспортировки перегретого пара, размещена в межтрубном пространстве со смещением вниз по вертикали относительно центральной оси двухстенного паропровода таким образом, чтобы отношение толщины Т верхнего теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве на горизонтальном участке внутренней трубы 2 над пространством 4 для транспортировки перегретого пара, к толщине Т нижнего теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве на горизонтальном участке внутренней трубы 2 под пространством 4 для транспортировки перегретого пара, соответствует следующему соотношению , обеспечивается оптимальная величина максимального сопротивления теплоизоляционного слоя 3 конвективной теплопередачи от внутренней трубы 2 к внешней трубе 1, что приводит к снижению потерь тепла перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2, через стенку внешней трубы 1.
Снижение потерь тепла перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2 заявленного двухстенного паропровода, через стенку его внешней трубы 1 приводит к повышению эффективности транспортировки перегретого пара по внутренней трубе двухстенного паропровода.
Кроме того, снижение потерь тепла перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2 заявленного двухстенного паропровода, через стенку его внешней трубы 1 устраняет перегрев до недопустимых температур внешней трубы 1 двухстенного паропровода и, как следствие, аварийную ситуацию при транспортировании перегретого пара. Устранение аварийной ситуации при транспортировании перегретого пара вследствие перегрева до недопустимых температур внешней трубы 1 двухстенного паропровода приводит к повышению надежности транспортировки перегретого пара по его внутренней трубе 2.
В частном варианте осуществления заявленной полезной модели за счет того, что в качестве рыхлого теплоизоляционного материала теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве между внутренней трубой 2 и внешней трубой 1, использован высокотемпературный муллитокремнеземистый материал, пустоты в котором заполнены газом под регулируемым давлением, дополнительно обеспечивается компенсация температурного расширения внутренней трубы 2. Компенсация температурного расширения внутренней трубы 2 также устраняет возникновение аварийной ситуации при транспортировании перегретого пара вследствие перегрева до недопустимых температур внешней трубы 1 двухстенного паропровода и, как следствие, также приводит к повышению надежности транспортировки перегретого пара по его внутренней трубе 2.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется следующими чертежами:
на фиг. 1 схематично изображен заявленный двухстенный паропровод;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - схема работы заявленного двухстенного паропровода;
ГОР
внутр
на фиг. 4 - график зависимости расчетной величины потерь тепла q перегретого пара на горизонтальном участке внутренней трубы двухстенного паропровода от отношения толщин  соответствующего теплоизоляционного слоя 3 при давлении перегретого пара Р=30 МПа, температуре перегретого пара Т=600°С и диаметре внутренней трубы D=1400 мм.
Как видно на фиг. 1 и 3, заявленный двухстенный паропровод может быть выполнен, например, Г-образным.
Заявленный двухстенный паропровод содержит внутреннюю трубу 2, вставленную во внешнюю трубу 1. В межтрубном пространстве, образованном между внутренней трубой 2 и внешней трубой 1, расположен теплоизоляционный слой 3 из рыхлого теплоизоляционного материала. Внутри внутренней трубы 2 образовано пространство 4 для транспортировки перегретого пара.
ВГОР
НГОР
Как видно на фиг. 1 и 2, упомянутая внутренняя труба 2 размещена в межтрубном пространстве со смещением вниз по вертикали относительно центральной оси двухстенного паропровода таким образом, чтобы отношение толщины Т верхнего теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве на горизонтальном участке внутренней трубы 2 над пространством 4 для транспортировки перегретого пара, к толщине Т нижнего теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве на горизонтальном участке внутренней трубы 2 под пространством 4 для транспортировки перегретого пара, соответствует следующему соотношению
.
ВГОР
НГОР
При выполнении соотношения (1) на горизонтальном участке внутренней трубы 2 заявленного двухстенного паропровода толщина Т упомянутого верхнего теплоизоляционного слоя 3 больше толщины Т упомянутого нижнего теплоизоляционного слоя 3 (фиг. 2).
В частном варианте осуществления заявленной полезной модели в качестве рыхлого теплоизоляционного материала теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве между внутренней трубой 2 и внешней трубой 1, использован высокотемпературный муллитокремнеземистый материал, пустоты в котором заполнены газом под регулируемым давлением.
В одном из частных вариантов осуществления заявленной полезной модели в качестве высокотемпературного муллитокремнеземистого материала теплоизоляционного слоя 3, пустоты в котором заполнены газом под регулируемым давлением, использован высокотемпературный муллитокремнеземистый войлок, а в другом частном варианте осуществления заявленной полезной модели - использована высокотемпературная муллитокремнеземистая вата.
В одном из частных вариантов осуществления заявленной полезной модели пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом войлоке теплоизоляционного слоя 3 заполнены воздухом под регулируемым давлением, а в другом частном варианте осуществления полезной модели - газообразным азотом под регулируемым давлением.
В одном из частных вариант осуществления заявленной полезной модели пустоты в высокотемпературной муллитокремнеземистой вате теплоизоляционного слоя 3 заполнены воздухом под регулируемым давлением, а в другом частном варианте осуществления полезной модели - газообразным азотом под регулируемым давлением.
Как видно на фиг. 3, один из торцов внутренней трубы 2 двухстенного паропровода, внутри которой образовано пространство 4 для транспортировки перегретого пара, подключен к источнику перегретого пара 5, а ее другой торец - к потребителю перегретого пара 8.
Источник перегретого пара 5, например, представляющий собой котлоагрегат, снабжен датчиком температуры перегретого пара и датчиком давления перегретого пара, оперативно соединенные с системой управления источником перегретого пара (на фиг. 3 не показано). Потребитель перегретого пара 8 представляет собой, например, турбогенератор.
При этом источник газа 6 сопряжен с межтрубном пространством посредством соответствующего сквозного отверстия, выполненного на внешней поверхности внешней трубы 1 (на фиг. 3 не показано). Причем двухстенный паропровод снабжен предохранительным устройством 7, сопряженным с межтрубным пространством посредством соответствующего сквозного отверстия на внешней поверхности внешней трубы 1 (на фиг. З не показано).
Предохранительное устройство 7 представляет собой любой известный тип запорно-регулирующей арматуры (например, клапан), предназначенной для сброса регулируемого давления газа, заполняющего пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом материале теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве между внутренней трубой 2 и внешней трубой 1.
Источник газа 6, например, представляющий собой воздушный компрессор или азотную станцию с дожимным компрессором азота, снабжен регулятором давления газа, заполняющего пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом материале теплоизоляционного слоя 3, оперативно соединенного с соответствующей системой управления источником газа, оперативно соединенной с датчиком давления перегретого пара (на фиг. 3 не показано).
Заявленный двухстенный паропровод работает следующим образом.
Предварительно, перед началом работы заявленного двухстенного паропровода, из источника газа 6 внутрь межтрубного пространства через соответствующее сквозное отверстие на внешней поверхности внешней трубы 1 подается газ под регулируемым давлением.
В одном из частных вариантов осуществления заявленного двухстенного паропровода из источника газа 6 внутрь межтрубного пространства подается воздух под регулируемым давлением, а в другом частном варианте осуществления заявленного двухстенного паропровода - газообразный азот под регулируемым давлением.
Газ, подаваемый под регулируемым давлением, заполняет пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистым материале
теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве между внешней трубой 1 и внутренней трубой 2.
В одном из частных вариантов осуществления заявленного двухстенного паропровода газ, подаваемый под регулируемым давлением, заполняет пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом войлоке теплоизоляционного слоя 3, а в другом частном варианте осуществления заявленного двухстенного паропровода - заполняет пустоты в высокотемпературной муллитокремнеземистой вате теплоизоляционного слоя 3.
внутр
Затем запускают источник перегретого пара 5, и внутрь внутренней трубы 2 поступает перегретый пар. Например, давление Р перегретого пара, поступающего из источника перегретого пара 5 внутрь внутренней трубы 2 диаметром D=1400 мм равно 30 МПа, а его температура Т составляет 600°С. В случае необходимости температуру Т и давление Р перегретого газа, транспортируемого по внутренней трубе 2, регулируют посредством соответствующей системы управления источником перегретого пара (на фиг. 3 не показано).
При транспортировке перегретого пара по внутренней трубе 2, в упомянутом пространстве 4 к потребителю перегретого пара 8, перегретый пар ее нагревает. Одновременно теплоизоляционный слой 3 из высокотемпературного муллитокремнеземистого материала, пустоты в котором заполнены газом под регулируемым давлением, обеспечивает компенсацию температурного расширения внутренней трубы 2.
внутр
ВГОР
НГОР
гор
ВГОР
НГОР
2
2
Как видно на фиг. 4, при одинаковых диаметрах D внутренних труб заявленного двухстенного паропровода и прототипа, давлении Р и Т температуре транспортируемого перегретого пара для горизонтального участка внутренней трубы 2 заявленного двухстенного паропровода, где толщина Т упомянутого верхнего теплоизоляционного слоя 3 больше толщины Т упомянутого нижнего теплоизоляционного слоя 3 (например,  - расчетная величина потерь тепла q перегретого пара на горизонтальном участке внутренней трубы 2 заявленного двухстенного паропровода составляет менее 950 Вт/м, тогда как для горизонтального участка внутренней трубы прототипа, где толщины Т упомянутого верхнего теплоизоляционного слоя 3 и Т упомянутого нижнего теплоизоляционного слоя 3 равны друг другу (т.е. ), расчетная величина потерь тепла q перегретого пара на горизонтальном участке прототипа примерно равна 1000 Вт/м.
гор
Таким образом, при снижении величины потерь тепла q перегретого пара на горизонтальном участке внутренней трубы 2 заявленного двухстенного паропровода происходит снижение величины потерь тепла q перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2 заявленного двухстенного паропровода, через стенку его внешней трубы 1 в целом.
ВЕР
BEP
ГОР
В частном варианте реализации заявленного двухстенного паропровода, например, выполненного Г-образным, для вертикального участка его внутренней трубы 2 толщину Т теплоизоляционного слоя 3, расположенного в межтрубном пространстве между внутренней трубой 2 и внешней трубой 1, выбирают таким образом, чтобы обеспечить нормативную величину потерь тепла q перегретого пара на вертикальном участке внутренней трубы 2 заявленного двухстенного паропровода, требуемую согласно действующим отраслевым или государственным стандартам по эксплуатации паропроводов. В результате при обеспечении нормативной величины потерь тепла перегретого пара на вертикальном участке внутренней трубы 2 заявленного двухстенного паропровода и одновременном снижении величины потерь тепла q перегретого пара на горизонтальном участке внутренней трубы 2 заявленного двухстенного паропровода суммарная величина потерь тепла q перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2 заявленного двухстенного паропровода, через стенку его внешней трубы 1 также снижается.
При снижении потерь тепла q перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2 заявленного двухстенного паропровода, через стенку его внешней трубы 1 на внешней трубе 1 обеспечивается температура не более 45°С, что исключает необходимость использования внешнего слоя теплоизоляции, охватывающего внешнюю поверхности внешней трубы 1, и позволяет для изготовления внешней трубы 1 применить простые стали.
В частном варианте осуществления заявленной полезной модели величина регулируемого давления газа, заполняющего пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом материале
теплоизоляционного слоя 3, прямо пропорционально зависит от давления Р перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2. При повышении давления Р перегретого пара, транспортируемого по внутренней трубе 2 заявленного двухстенного паропровода, посредством регулятора давления газа, заполняющего пустоты в высокотемпературном муллитокремнеземистом материале теплоизоляционного слоя 3, увеличивают величину давления упомянутого газа. Таким образом, обеспечивают высокотемпературный режим работы заявленного двухстенного паропровода при ненагруженном или слабонагруженном состоянии внутренней трубы 2 по давлению. Такой режим работы заявленного двухстенного паропровода позволяет использовать в его конструкции тонкостенную внутреннюю трубу 2 из известных жаростойких сталей с допустимой температурой эксплуатации, равной 1100°С. Это позволяет исключить необходимость использования дорогостоящих суперсплавов (например, жаропрочных сплавов) на основе никеля.