Трубчатый теплообменный аппарат с модульным коллектором на высокие давления (варианты)
TUBULAR HEAT EXCHANGER WITH MODULAR HEADER FOR HIGH PRESSURE (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к конструкции трубчатых теплообменных аппаратов (ТА), к которым относятся кожухотрубные теплообменные аппараты (КТА), аппараты воздушного охлаждения (АВО), системы пассивного отвода тепла (СПОТ) на АЭС, сухие градирни и другие, может быть использована для устройства коллекторных камер высокого и сверхвысокого давления, что затруднительно сделать в традиционных конструкциях, и применимо в энергетике, в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газодобывающей, газоперерабатывающей, криогенной и других отраслях промышленности.
В КТА в качестве коллектора используется круглая цилиндрическая камера цилиндрического корпуса с трубной доской в ее торце (Теплообменники кожухотрубчатые. ГОСТ 31842-2012, М.: Стандартиздат, 2013; Теплообменники на давление свыше 10 до 100 МПа. РД 26-01-167-88, дата введения 01.01.89).
В аппаратах АВО теплообменные трубы в коробчатом корпусе с прямоугольной камерой соединены через прямоугольную трубную доску или с цилиндрической трубчатой камерой соединены через отверстия в боковой поверхности камеры (ГОСТ Р 51364-99, М. Госстандарт России, дата введения 2001-01-01).
В теплообменниках СПОТ теплообменные трубы заделываются в боковую стенку цилиндрической круглой камеры (В.В. Безлепкин, С.Е. Семашко, С.Б. Алексеев, Т.Г. Варданидзе, Ю.Ю. Петров. Совершенствование системы пассивного отвода тепла через парогенераторы на реакторной установке с ВВЭР-1200 в свете событий на АЭС "Фукусима", Материалы 8-й международной научно-технической конференции "Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР", 2013 http://www.gidropress.podolsk.ru/files/proceedings/mntk2013/documents/mntk2013-167.pdf).
Во всех названных и в других вариантах традиционных трубчатых ТА толщины теплообменных труб и коллекторных камер корпуса существенно отличаются друг от друга, что для высоких давлений в трубной системе до 100 МПа и более приводит к следующим недостаткам:
• толстые стенки камер и трубные доски в КТА по РД 26-01-167-88 усложняют процесс производства, увеличивают массу и делают конструкцию КТА жесткой, плохо устойчивой к термическим расширениям и разрушающей теплообменные трубки;
• прямоугольные камеры в АВО по ГОСТ Р 51364-99 должны иметь стенки большой толщины, усиленные сварные швы и болтовые соединения, достаточные для удержания высокого давления в большом объеме с учетом ослабления прямоугольной стенки отверстиями под трубы; жесткая конструкция, плохо устойчивая к термическим расширениям, разрушающим теплообменные трубки;
• цилиндрические трубчатые камеры в СПОТ и АВО по ГОСТ Р 51364-99 ослаблены многочисленными отверстиями под трубы и сварными швами либо угловыми, либо торцевыми и также характеризуются сильной разнотолщинностью камер и теплообменных трубок, что делает конструкцию избыточно жесткой.
Известен теплообменный препарат (ТА), содержащий корпус и расположенные в нем теплообменные трубы, объединенные коллекторами в секции, расположенные параллельно друг другу вдоль корпуса, при этом часть теплообменных труб секции верхними концами соединена с раздающими коллекторами, а другая часть с собирающими коллекторами, причем секции установлены так, что коллектора смежных секций развернуты относительно друг друга на 180°, кроме того, аппарат снабжен каскадом распределительных коллекторов, расположенных над корпусом аппарата в два яруса и соединенных подводящими и отводящими трубами с соответствующими коллекторами секций, объединяя при этом секции в группы (RU 2561799 С1, опубл. 10.09.2015)
Недостатком этой конструкции является то, что весь каскад распределительных коллекторов расположен вне корпуса ТА. Для вывода большого количества коллекторов за пределы корпуса необходимо большое количество отверстий и соответственно технологически сложных и ненадежных угловых швов на его боковой поверхности. Такое техническое решение ослабляет прочность корпуса, создает проблемы с гидроплотностью соединений под рабочим давлением внутри корпуса, создает жесткость в соединении теплообменных труб непосредственно с корпусом, неустранимую компенсирующими устройствами, приводит к разрушению трубок и швов от температурных расширений, что в сочетании с не ремонтопригодностью ограничивает промышленную применимость.
По наибольшему числу общих признаков теплообменный аппарат по RU 2561799 С1 является прототипом предложенного технического решения.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание такой конструкции коллекторов, которая позволит повысить прочность и надежность ТА при высоких и сверхвысоких давлениях, устойчивость к температурным расширениям, снизить расход металла и трудоемкость изготовления ТА, увеличить гарантийный срок и срок службы ТА.
Техническая проблема решается теплообменным аппаратом по первому варианту, содержащим корпус, теплообменные трубы, образующие модули, и трубчатые коллекторы первого уровня, размещенные в корпусе, а также трубчатые коллекторы второго уровня, при этом теплообменные трубы каждого модуля соединены своими концами с отверстиями в боковых стенках соответствующих трубчатых коллекторов первого уровня, трубчатые коллекторы первого уровня образуют модули, и трубчатые коллекторы каждого модуля соединены с соответствующими трубчатыми коллекторами второго уровня, при этом, согласно изобретению, корпус выполнен с устройствами входа и выхода рабочих сред, трубчатые коллекторы второго уровня также расположены в корпусе и соединены своими концами с указанными устройствами, а трубчатые коллекторы каждого модуля первого уровня соединены непосредственно своими концами с отверстиями в боковой стенке соответствующего трубчатого коллектора второго уровня.
Техническая проблема также решается теплообменным аппаратом по второму варианту, содержащим корпус, теплообменные трубы, образующие модули, и трубчатые коллекторы первого уровня, размещенные в корпусе, а также трубчатые коллекторы второго уровня, при этом теплообменные трубы каждого модуля соединены своими концами с отверстиями в боковых стенках соответствующих трубчатых коллекторов первого уровня, трубчатые коллекторы первого уровня образуют модули, и трубчатые коллекторы первого уровня каждого модуля соединены с соответствующими трубчатыми коллекторами второго уровня, при этом, согласно изобретению, он снабжен коллекторами третьего уровня, трубчатые коллекторы второго уровня образуют модули, и трубчатые коллекторы второго уровня каждого модуля соединены с соответствующим трубчатым коллектором третьего уровня, корпус выполнен с устройствами входа и выхода рабочих сред, трубчатые коллекторы второго уровня и третьего уровня также расположены в корпусе, коллекторы третьего уровня соединены своими концами с указанными устройствами, а трубчатые коллекторы каждого модуля первого уровня и второго уровня соединены непосредственно своими концами с отверстиями в боковой стенке соответствующего трубчатого коллектора соответственно второго уровня и третьего уровня.
Теплообменные аппараты по обоим вариантам имеют следующие частные случаи выполнения.
Соединение трубчатых коллекторов с теплообменными трубами и с другими коллекторами предпочтительно выполнено в виде кольцевых швов, выполненных на выпрессованных и отбортованных наружу воротниках на боковых стенках трубчатых коллекторов.
Кроме того, возможно выполнение, когда по меньшей мере один трубчатый коллектор имеет заглушку на одном или двух своих концах.
Также возможно выполнение, когда по меньшей мере один трубчатый коллектор имеет по меньшей мере одну внутреннюю поперечную перегородку.
Также возможно выполнение, при котором каждый трубчатый коллектор первого уровня выполнены с отверстиями по числу теплообменных труб модуля, расположенными напротив концов соответствующих теплообменных труб и снабженными съемными заглушками.
Кроме того, предложенный теплообменный аппарат может представлять собой кожухотрубный теплообменный аппарат, или аппарат воздушного охлаждения, или систему пассивного отвода тепла, или сухую градирню.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снижении числа отверстий на корпусе для вывода коллекторов, которое достигается тем, что вся трубная система вместе с коллекторами полностью находится внутри корпуса ТА. В результате корпус ТА на своей боковой поверхности содержит только устройства входа и выхода рабочих сред (патрубки, штуцера, БРС), не испытывает высоких давлений трубной системы и в частном случае вообще может не быть гидроплотным.
В трубной системе предлагаемого ТА нет подвергающейся высоким давлениям плоской трубной доски и нет швов торцевой сварки/развальцовки труб с трубной доской. Жесткое соединение толстостенной трубной доски с корпусом и с трубками без компенсирующих устройств приводит к разрушениям от температурных расширений соединительных швов и самих теплообменных труб. Взамен этого предлагается трубная система, соединенная прочными кольцевыми стыковочными швами, более гибкая устойчивая к температурным расширениям и не подвергающаяся разрушениям труб. Гибкость обеспечивается каскадом трубчатых коллекторов с Т-образным соединением между собой и находящихся между жестким корпусом и теплообменными трубами. Прочные кольцевые швы накладываются между отбортованными на боковой поверхности коллекторов воротниками того же диаметра, что и присоединяемые трубы или коллекторы.
Конструкция ТА позволяет организовать любое количество ходов по внутритрубному пространству за счет установки в коллекторах внутренних перегородок и заглушек на концах коллекторов.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен фрагмент трубчатого ТА, включающий в себя модуль, состоящий из коллектора первого уровня с одним рядом теплообменных труб, соединенного с коллектором второго уровня.
На фиг. 2 изображена схема трубной системы с вариантом двухуровневой коллекторной системы. Трубные элементы изображены линиями.
На фиг. 3 - схема трубной системы с тремя уровнями трубчатых коллекторов и с U-образными теплообменными трубами. Трубные элементы изображены линиями.
На фиг. 4 - схема кожухотрубчатого ТА с цилиндрическим корпусом, двумя уровнями трубчатых коллекторов и патрубками на корпусе для подвода и отвода рабочих сред по трубному и межтрубному пространству.
На фиг. 5 - фрагмент поперечного разреза ТА на фиг. 4.
На фиг. 6 - схема ТА, характерная для АВО, СПОТ и градирен, с тремя уровнями трубчатых коллекторов и с патрубками на корпусе.
Предложенный теплообменный аппарат содержит модули из теплообменных труб. На фиг. 1 представлен модуль, теплообменные трубы 1 которого герметично заделаны своими концами в отверстиях в боковой стенке соответствующих подводящего или отводящего трубчатого коллектора 2 первого уровня. Соединение теплообменных труб 1 с трубчатыми коллекторами 2 осуществляется путем стыковочной кольцевой приварки к воротниковой отбортовке, полученной на боковой поверхности коллектора 2 методом деформации. Диаметр отбортовки совпадает с диаметром теплообменной трубы 1. Каждый трубчатый коллектор 2 первого уровня может быть выполнен с отверстиями по числу теплообменных труб 1 модуля, расположенными напротив концов соответствующих теплообменных труб 1 и снабженными съемными заглушками 3, снятие которых обеспечивает доступ к теплообменным трубам 1.
На фиг. 2 трубчатые коллекторы 2 первого уровня на одном конце имеют заглушку 6, а другим концом соединяются с раздающими или собирающими трубчатыми коллекторами 5 второго уровня. Так же, как и теплообменные трубы 1, трубчатые коллекторы 2 первого уровня образуют модули, и трубчатые коллекторы 2 каждого модуля соединены с отверстиями в боковой стенке трубчатых коллекторов 5 второго уровня. В отличие от прототипа, коллекторы разных уровней соединены непосредственно без использования подводящих и отводящих трубок.
Возможен вариант, когда оба конца коллектора 2 первого уровня подсоединяются к двум разным подводящим или отводящим коллекторам 5 второго уровня.
На фиг. 3 представлена характерная для СПОТ трубная система с U-образными теплообменными трубами и тремя уровнями коллекторов: коллекторы 2 первого уровня, коллекторы 5 второго уровня и коллекторы 7 третьего уровня. Все коллекторы размещены внутри корпуса (корпус не показан). Коллекторы 7 третьего уровня соединены с патрубками 8, 9 (штуцерами, БРС) на корпусе. Трубчатые коллекторы 2 первого уровня каждого модуля соединены непосредственно своими концами с отверстиями в боковой стенке соответствующего трубчатого коллектора 5 третьего уровня.
Количество теплообменных труб 1, модулей и уровней коллекторов, а также их расположение относительно друг друга внутри корпуса определяются в результате теплогидравлического и прочностного расчетов с учетом требований ТЗ.
За счет размещения отверстий для труб 1 в коллекторах 2 первого уровня и размещения самих коллекторов 2 первого уровня реализуется коридорная, шахматная или иная компоновка трубного пучка.
Степень тесноты трубного пучка задается расстояниями между отверстиями для труб 1 в коллекторах 2 первого уровня и расстояниями между соседними коллекторами 2 первого уровня, а также размещением коллекторов 2 в разных плоскостях для более тесных пучков труб (на чертежах не показано).
На фиг. 4 и 6 показаны варианты расположения трубной системы в цилиндрическом и прямоугольном корпусе 10 соответственно: на фиг. 4 - преимущественно для кожухотрубчатых теплообменников; на фиг. 6 - преимущественно для АВО, СПОТ и градирен.
По меньшей мере один трубчатый коллектор 2, 5 может иметь внутреннюю поперечную перегородку 4 и/или заглушку 6 на одном или обоих концах. С помощью внутренних поперечных перегородок 4 и заглушек 6 концов коллекторов, как на фиг. 1, обеспечивается любая степень многоходовости трубной системы. Коллектор без перегородок и с заглушенными обоими концами обеспечивает разворот хода.
Для обеспечения доступа к обслуживанию и для глушения теплообменных труб 1 в коллекторах 2 первого уровня могут быть обустроены отверстия с резьбовыми заглушками 3 (фиг. 1). Отверстия для заглушек просверливаются в задней стенке коллектора 2 напротив отверстий в передней стенке для теплообменных труб 1. Через эти отверстия обеспечивается обслуживание труб 1 (чистка, контроль состояния и глушение).
В случае, если доступ к обслуживанию теплообменных труб 1 не предусматривается, отверстия в коллекторах 2 для обеспечения доступа не просверливаются и заглушки 3 не устанавливаются.
Трубчатый теплообменный аппарат с модульной коллекторной камерой с доступом для обслуживания теплообменных труб, изображенный на фиг. 2, работает следующим образом.
Внутритрубная рабочая среда от коллектора 5 второго уровня поступает в коллекторы 2 первого уровня, а затем раздается по теплообменным трубам 1. Из теплообменных труб 1 модуля среда поступает в соответствующий ему коллектор 2 первого уровня. Далее из коллектора 2 первого уровня среда поступает в коллектор 5 второго уровня, который соединен с патрубком выхода среды из теплообменного аппарата, расположенного на корпусе (корпус не показан).
Межтрубная среда омывает трубный пучок любым из известных способов, при этом корпус 10 может содержать поддерживающие и направляющие поперечные и продольные перегородки.
В качестве примера ниже приведен расчет экономии металла варианта коллекторной камеры предложенного ТА, выполненного по схеме на фиг. 3, в сравнении с коллекторной цилиндрической трубчатой камерой АВО по ГОСТ Р 51364-99 традиционного исполнения на 630 теплообменных трубок диаметром 25 и стенкой 2,5 мм при испытательном давлении 14,0 МПа.
Традиционное решение камеры (ковано-сверленая труба):
• диаметр камеры 780 мм, толщина стенки 60 мм, длина камеры 5 м;
• масса двух камер 10852 кг.
Предложенное решение:
• 90 модулей трубного пучка по 7 трубок в одном модуле, всего 630 трубок;
коллекторы первого уровня:
• диаметр одного коллектора первого уровня 57 мм;
• толщина стенки 3,5 мм, длина коллекторов 0,4 м, масса одного 1,88 кг, 2 коллектора в модуле, масса 180 коллекторов 339 кг;
коллекторы второго уровня:
• диаметр коллектора второго уровня 219 мм, толщина стенки 12 мм
• длина коллектора 4,8 м, число коллекторов 2, масса 599 кг;
коллектор третьего уровня:
• диаметр 219 мм, толщина стенки 12 мм;
• длина коллектора 0,5 м, количество 2, масса 30 кг.
Общая масса заявленной коллекторной камеры составила 1027 кг.
Таким образом, на реальном примере показано, что металлоемкость предложенного ТА ниже в 10,5 раз, чем традиционно используемого.
Благодаря заявленной конструкции предложенный трубчатый ТА с модульной коллекторной камерой имеет следующие конкурентные преимущества с традиционными решениями и с прототипом.
В процессе эксплуатации и монтажа:
• легкая и гибкая конструкция, более устойчивая к термическим расширениям и гидроударам;
• возможность замены отдельных модулей на модули заводского изготовления;
• возможность помодульного монтажа на строительной площадке;
• снижение подъемно-транспортных нагрузок
• увеличение теплоотдачи в межтрубном пространстве за счет реализации плотного пучка при размещении коллекторов первого уровня соседних модулей в разных плоскостях и приближении модулей друг к другу в шахматном или коридорном порядке, чего невозможно сделать в прототипе при наличии одного промежуточного коллектора, общего для коллекторов входа/выхода.
В процессе производства:
• возможность помодульного изготовления и неразрушающего контроля;
• снижение металлоемкости камеры (на конкретно примере в 10 раз);
• снижение трудоемкости (на конкретно примере в 4 раза);
• сокращение длительности производственного цикла (на конкретно примере в 20 раз);
• снижение трудоемкости при отсутствии большого количества устройств входа/выхода на корпусе теплообменника для подводящих/отводящих труб, как у прототипа, число которых порядка числа теплообменных трубок;
• легкий подбор коллекторов из существующего трубного сортамента.