ТЕПЛООБМЕННИК И ВЫТЕСНИТЕЛЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В НЕМ
HEAT EXCHANGER AND DISPLACER USED IN IT

Область техники
Теплообменник относится к машиностроению, а именно к теплообменникам корпусного или погружного типа. Теплообменник и вытеснитель могут быть использованы в энергетических установках, и в частности в парогенераторах для атомных энергетических станций с реакторами на жидкометаллическом теплоносителе (например, свинцово-висмутовый теплоноситель).
Уровень техники
Известны конструкции теплообменников, содержащие корпус, внутри которого размещены теплообменные трубы. В компактных теплообменниках трубы располагаются в поперечном сечении в основном по вершинам равносторонних треугольников. Трубы закрепляются в трубной доске, к которой присоединяются пароводяные камеры. В корпусе размещаются решетки, дистанционирующие теплообменные трубы, а также вытеснители объемов теплоносителя, организующие поток теплоносителя в пределах ячеек труб. При этом подвод теплоносителя к трубному пучку осуществляется радиально из кольцевой камеры на корпусе (Л.Ф. Федоров, В.Ф. Титов, Н.Г. Рассохин «Парогенераторы атомных электростанций». Энергоатомиздат, 1992 г., стр.81, рис.4.19). Теплоноситель из входной камеры теплообменника направляется к трубному пучку и входит в межтрубное пространство. При этом он обтекает периферийные ряды труб в поперечном направлении и далее переходит к продольному обтеканию труб. Гидравлическое сопротивление потоку теплоносителя и теплообмен при поперечном обтекании приводят к тому, что у центральных труб теплоноситель оказывается с низким температурным потенциалом и ухудшенной циркуляцией теплоносителя. При малых относительных шагах расположения труб эти эффекты сказываются значительней.
Недостатками вышеуказанных теплообменников является наличие существенной радиальной неравномерности тепловосприятия теплообменных труб, особенно в случае циркуляции теплоносителя с высокой плотностью, например тяжелометаллического теплоносителя.
При проектировании теплообменников, работающих на теплоносителе с высокой плотностью, например с жидкометаллическим нагревающим теплоносителем, имеется проблема формирования потока нагревающего теплоносителя в полости теплообменника, так как очень часто при проектировании размеров, компоновки и крепления теплообменных труб в полости теплообменника получается свободное пространство, наличие которого ухудшает условия теплообмена и потенциально в теплообменной полости могут сформироваться застойные зоны. Таким образом, желательно часть пространства теплообменной полости занять инертным материалом, вытеснив оттуда жидкометаллический теплоноситель.
Аналогичная проблема имеет место в активной зоне реактора, когда необходимо вытеснить часть воды для повышения безопасности реактора.
Как правило, для решения этой проблемы в теплообменнике или в реакторе размещают вытеснители, занимающие часть свободного пространства в теплообменнике или в реакторе.
Известен вытеснитель для ядерного реактора, представляющий собой отдельный стержень, помещаемый в заданной зоне и вытесняющий воду из этой зоны (патент США №5167906, G24C 7/26, от 01.12.1992). В данном изобретении, каждый стержень вытеснителя устанавливается и крепится индивидуально, что делает данное устройство неприемлемым для формирования поля скоростей потока жидкометаллического теплоносителя.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является теплообменник погружного типа, описанный в патенте RU №2282123, F28D 7/16, F28 9/22, 27.03.2006). Указанный теплообменник содержит: вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого размещены приемная камера охлаждающего теплоносителя, первая трубная доска, выходная камера охлаждающего теплоносителя, вторая трубная доска, теплообменная полость, в верхней части которой размещена приемная камера нагревающего жидкометаллического теплоносителя, и расположенная под теплообменной полостью отводная камера жидкометаллического теплоносителя, закрепленные в первой и второй трубных досках вертикальные теплообменные трубы для прохода охлаждающего теплоносителя, простирающиеся вдоль всей теплообменной полости, при этом теплообменные трубы объединены в отдельные группы труб и отдельные группы труб разделены между собой вертикальными каналами (коллекторами), по меньшей мере, один вытеснитель, размещенный в вертикальных каналах в заданной зоне теплообменной полости, и закрепленный на цилиндрическом корпусе напротив приемной камеры коллектор подвода нагревающего жидкометаллического теплоносителя, полость которого соединена с приемной камерой через отверстия, выполненные в стенке цилиндрического корпуса. В известном теплообменнике одна группа труб располагается в средней зоне теплообменной полости и имеет в поперечном сечении форму правильного шестиугольника, а шесть других групп располагаются по периферии теплообменной полости и имеют в поперечном сечении форму многоугольника. Нагревающий теплоноситель из входной камеры направляется к центру пучка. Одна часть теплоносителя, поперечно обтекая трубы, доходит до коллектора (шестигранной формы), другая по радиальным каналам также достигает шестигранного коллектора, где потоки смешиваются в замкнутом шестигранном коллекторе. Далее из шестигранного коллектора поток направляется к трубам, расположенным в центре трубного пучка. В данном теплообменнике вытеснитель выполнен в виде отдельных стержней, образующих несплошные перегородки, в силу чего эти перегородки не могут исключить перетекание жидкометаллического теплоносителя между отдельными пучками труб, деформируя поток теплоносителя внутри теплообменной полости. Недостатком указанного технического решения является неравномерная тепловая нагрузка теплообменных труб из-за недостаточно эффективного распределения потоков теплоносителя в теплообменнике.
Раскрытие технического решения
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении теплообменных показателей теплообменника с жидкометаллическим нагревающим теплоносителем.
Техническим результатом изобретения является выравнивание тепловой нагрузки теплообменных труб посредством перераспределения потоков жидкометаллического нагревающего теплоносителя во входной камере и снижение вибрационных нагрузок на вытеснитель и теплообменник в целом.
На указанные технические результаты оказывают влияние следующие существенные признаки теплообменника.
Для решения указанной задачи предлагается теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого размещена теплообменная полость, с одной стороны которой размещена приемная камера нагревающего теплоносителя, а с другой стороны размешена отводная камера нагревающего теплоносителя, трубные доски, в которых закреплены теплообменные трубы для прохода охлаждающего теплоносителя, расположенные вдоль всей теплообменной полости, при этом теплообменные трубы объединены в отдельные группы труб и отдельные группы труб разделены между собой вертикальными каналами, и, по меньшей мере, один вытеснитель, размещенный в вертикальных каналах в заданной зоне теплообменной полости, в котором в центральной зоне теплообменной полости имеется расположенный вдоль всей длины оси этой полости коллекторный канал, свободный от теплообменных труб, каждая группа труб размещена в отдельной зоне цилиндрического корпуса, имеющей в поперечном сечении,форму сектора круга, простирающегося от стенки цилиндрического корпуса до коллектора в центральной зоне теплообменной полости.
При этом вытеснитель выполнен в виде сплошного тела, содержащего вертикальный стержень и присоединенные к нему вертикальные радиальные перегородки по числу групп теплообменных труб, причем вертикальный стержень вытеснителя расположен в центральном коллекторном канале и каждая вертикальная радиальная перегородка размещена в соответствующем вертикальном канале, разделяющем две смежных группы теплообменных труб
Кроме того, вытеснитель имеет внешнюю цилиндрическую стенку, прилегающую к внутренней поверхности цилиндрического корпуса и обрамляющую с внешней стороны соответствующую группу теплообменных труб.
При этом внутренняя поверхность внешней цилиндрической стенки вытеснителя повторяет внешний контур группы труб, располагающейся в этом круговом секторе.
Кроме того, вытеснитель закреплен на стенке вертикального цилиндрического корпуса.
Кроме того, теплообменник снащен дистанционирующей решеткой на выходе из приемной камеры жидкометаллического теплоносителя, выполненной с отверстиями для прохода теплообменных труб, при этом прилегающий к ней вытеснитель закреплен на этой дистанционирующей решетке.
Кроме того, теплообменник оснащен коллектором подвода нагревающего теплоносителя, закрепленным на цилиндрическом корпусе напротив приемной камеры, полость которого соединена с приемной камерой через отверстия, выполненные в стенке цилиндрического корпуса.
Для решения поставленной задачи предлагается вытеснитель для теплообменника, выполненный в виде сплошного тела, имеющего центральный вертикальный стержень и присоединенные к нему вертикальные радиальные перегородки, формирующие вместе с центральным стержнем отдельные секторы для размещения в них групп теплообменных труб теплообменника.
При этом вытеснитель оснащен внешней цилиндрической стенкой, соединяющей внешние кромки вертикальных радиальных перегородок, формируя в вытеснителе отдельные вертикальные каналы для каждой группы теплообменных труб, имеющие поперечное сечение в виде сектора круга.
При этом внутренняя поверхность внешней цилиндрической стенки вытеснителя повторяет внешний контур группы труб, располагающейся в этом секторе.
Улучшение теплообменных характеристик теплообменника достигается организацией во входной камере сквозных радиальных проходных каналов в массиве трубного пучка вплоть до центрального коллекторного канала, что обеспечивает получение следующих положительных эффектов.
Снижается радиальная неравномерность распределения температуры теплоносителя на входе в теплообменные трубы, что приводит к выравниванию тепловой нагрузки труб и снижению величины термоциклических напряжений в теплообменных трубах. Это положительно влияет на ресурс теплообменника.
Уменьшается скорость поперечного обтекания теплообменных труб теплоносителем, и тем самым уменьшаются вынужденные колебания труб от набегающего потока.
Уменьшение скорости поперечного обтекания труб положительно сказывается на общей картине распределения потоков теплоносителя и приводит к снижению гидравлического сопротивления.
Выполнение вытеснителя в виде сплошного тела, содержащего вертикальный стержень и присоединенные к нему вертикальные радиальные перегородки по числу групп теплообменных труб, причем вертикальный стержень вытеснителя расположен в центральном канале и каждая вертикальная радиальная перегородка размещена в соответствующем вертикальном канале, разделяющем две смежных группы теплообменных труб, обеспечивает сохранение равномерного поля скоростей при дальнейшем протекании жидкометаллического теплоносителя вдоль группы теплообменных труб в каждом секторе вытеснителя и уменьшает поперечные флуктуации скорости жидкометаллического теплоносителя. Кроме того, выполнение вытеснителя в виде сплошного тела повышает жесткость вытеснителя и снижает уровень вибраций при работе теплообменника.
Оснащение вытеснителя внешней цилиндрической стенкой, прилегающей к внутренней поверхности теплообменной полости и обрамляющей с внешней стороны соответствующую группу теплообменных труб, и выполнение ее внутренней поверхности, повторяющей внешний контур группы труб, располагающейся в этом круговом секторе, обеспечивает одинаковые условия обтекания всех теплообменных труб, находящихся в этой группе, при этом сам вытеснитель может быть изготовлен отдельно от корпуса теплообменника, что повышает технологичность изготовления теплообменника.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показан общий вид теплообменника.
На Фиг.2 показана приемная камера теплообменника.
На Фиг.3 показано поперечное сечение теплообменника в области приемной камеры теплообменника.
На Фиг.4 показано поперечное сечение теплообменника (вне области приемной камеры).
Осуществление изобретения
В предлагаемом изобретении теплообменник содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, внутри которого размещены приемная камера 2 охлаждающего теплоносителя с патрубком 3 подвода холодного охлаждающего теплоносителя, первая трубная доска 4, выходная камера 5 охлаждающего теплоносителя с патрубком 6 отвода нагретого охлаждающего теплоносителя (перегретого водяного пара), вторая трубная доска 7, теплообменная полость 8, в верхней части которой размещена приемная камера 9 нагревающего жидкометаллического теплоносителя, и расположенная под теплообменной полостью отводная камера 10 жидкометаллического теплоносителя. На цилиндрическом корпусе напротив приемной камеры закреплен коллектор 11 подвода нагревающего жидкометаллического теплоносителя, полость которого соединена с приемной камерой 9 через отверстия 12, выполненные в стенке 13 цилиндрического корпуса
В первой 4 и второй 7 трубных досках закреплены вертикальные теплообменные трубы 14 для прохода охлаждающего теплоносителя, простирающиеся вдоль всей теплообменной полости 8, при этом теплообменные трубы 14 объединены в отдельные группы 15 труб и отдельные группы 15 труб разделены между собой вертикальными каналами 16, свободными от теплообменных труб. В центральной зоне теплообменной полости имеется вертикальный канал 17, свободный от теплообменных труб, каждая группа 15 труб размещена в отдельной зоне цилиндрического корпуса, имеющей в поперечном сечении форму сектора круга, простирающегося от стенки 13 цилиндрического корпуса до его центральной зоны.
Теплообменник оснащен по меньшей мере одним вытеснителем 18. Вытеснитель выполнен в виде сплошного тела, содержащего вертикальный стержень 19 и присоединенные к нему вертикальные радиальные перегородки 20 по числу групп теплообменных труб, причем вертикальный стержень 19 вытеснителя расположен в центральном канале 17 и каждая вертикальная радиальная перегородка 20 размещена в соответствующем вертикальном канале 16, разделяющем две смежные группы 15 теплообменных труб 14. Центральный вертикальный стержень 19 и присоединенные к нему вертикальные радиальные перегородки 20 формируют отдельные секторы для размещения в них групп теплообменных труб теплообменника.
Вытеснитель может иметь внешнюю цилиндрическую стенку 21, прилегающую к внутренней поверхности теплообменной полости и обрамляющую с внешней стороны соответствующую группу теплообменных труб. В этом случае в вытеснителе формируются отдельные вертикальные каналы для каждой группы теплообменных труб, имеющие поперечное сечение в виде сектора круга. Внутренняя поверхность внешней цилиндрической стенки вытеснителя повторяет внешний контур группы труб, располагающейся в этом круговом секторе.
Вытеснитель может быть закреплен на стенке вертикального цилиндрического корпуса.
В альтернативном варианте теплообменник оснащен дистанционирующей решеткой 22 на выходе из приемной камеры 9 жидкометаллического теплоносителя, выполненной с отверстиями для прохода теплообменных труб, при этом прилегающий к ней вытеснитель закреплен на этой дистанционирующей решетке.
Наружная поверхность вытеснителя образована коррозионно-стойким материалом по отношению к жидкометаллическому нагревающему теплоносителю (например, свинцово-висмутового сплава). Вытеснитель(и), расположенный(е) ниже входной камеры (и/или выше входной камеры), может иметь высоту, равную оставшейся продольной длине теплопроводных труб (отсчитываемой от уровня поверхности вытеснителя, омываемого нагревающим теплоносителем). Вытеснитель может иметь высоту, равную только части продольной длины теплообменных труб. В этом случае ниже и/или выше входной камеры могут быть по меньшей мере два вытеснителя.
Вытеснитель, расположенный выше входной камеры, по конструкции также является цилиндрическим телом, выполненным с продольными сквозными отверстиями для прохода групп теплообменных труб. При этом форма сквозных отверстий (в поперечном сечении) соответствует форме сектора группы труб трубного пучка, а число продольных сквозных отверстий равно числу групп труб трубного пучка. Наружная поверхность вытеснителя расположенного выше входной камеры образуется коррозионно-стойким материалом по отношению к нагревающему жидкометаллическому теплоносителю (например, свинцово-висмутовый сплав).
Количество вытеснителей зависит от конкретного типа теплоносителя и режима работы теплообменника и определяется расчетным путем (тепловые и гидродинамические расчеты) и/или экспериментальным способом в зависимости от конфигурации и параметров потока жидкометаллического нагревающего теплоносителя и его теплофизических характеристик.
Теплообменник работает следующим образом. Нагревающий теплоноситель (например, свинцово-висмутовый сплав) поступает в межтрубное пространство теплообменника через входные отверстия 12 в стенке 13 корпуса теплообменника и входную камеру 9. Во входной камере 9 поток теплоносителя направляется по радиальным каналам 16 и через проходы между теплообменными трубами в каждой группе 15 к центру трубного пучка - центральному каналу 17 (коллектору) теплообменника, обтекая теплообменные трубы 14 в поперечном направлении. Кроме того, поток теплоносителя обтекает каждую теплообменную трубу в продольном направлении. Далее поток теплоносителя разветвляется, поступая соответственно в каналы, сформированные поверхностями групп теплообменных труб и вытеснителей, продолжая движение по коридорам, сформированным соответственно вытеснителем и трубными пучками. Нагревающий жидкометаллический теплоноситель обтекает группы 15 теплообменных труб 14 преимущественно в продольном направлении.
Теплообменник может быть элементом парогенератора, производящего пар. Труба в трубном пучке такого теплообменника выполняется, например, в виде трубы Фильда, содержащей наружную трубу (омываемую потоком нагревающего теплоносителя) и промежуточную трубу (не указана), установленную с зазором на опускной трубе. Внутренний охлаждающий теплоноситель (питательная вода на входе опускной трубы) опускается вниз по опускной трубе (не указана). Далее поток охлаждающего теплоносителя поворачивается на 180° у закрытого конца наружной трубы и по зазору между промежуточной трубой и внутренней поверхностью наружной трубы поднимается вверх. При движении вверх охлаждающий теплоноситель нагревается из-за передачи ему тепла со стороны нагревающего (внешнего) жидкометаллического теплоносителя через стенки наружной трубы. В результате, в верхней зоне подъема образуется пар.
Предложенная конструкция теплообменника может быть изготовлена промышленным способом и использована, например, в парогенераторных блоках, размещенных в первом контуре ядерной энергетической установки со свинцово-висмутовым теплоносителем.