СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВХОДНОЙ И ВЫХОДНОЙ ЗОН ТЕПЛООБМЕННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ С ВЫХОДОМ И ВХОДОМ КОЛЛЕКТОРОВ НАГРЕВАЕМОЙ СРЕДЫ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к соединительным элементам входной и выходной зон теплообменных нагревателей с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды - воды, газа и пара и может найти широкое применение в различных отраслях промышленности, где осуществляется подогрев жидкостей, газов и их смесей.
Известно, что в зоне приварки змеевиков теплообменника к входным коллекторам в турбинах, водонагревателях, турбомашинах, двигателях внутреннего сгорания очень часто происходит разрушение их из-за максимального воздействия рабочей среды - высокого давления и температуры. Разрушения происходят, в основном, по трем причинам:
- некачественный сварной шов приварки змеевика к коллектору подогревателя высокого давления по причине наличия внутренних недопустимых дефектов и подрезов на основном металле, которые уменьшают толщину стенки трубы и вызывают концентрацию напряжении в этом месте;
- перегрев околошовной зоны на трубе во время сварки. Это происходит по причине малой толщины стенки змеевика (4-5 мм) и завышенного катета углового шва, который сварщик вынужден накладывать из-за большой разницы толщин стенок коллектора и змеевика. Вследствие перегрева появляются изменения в структуре металла, приводящие к разупрочнению околошовной зоны змеевика;
- эрозионный износ и износ при транспортировке жидкостей и газов с примесями твердых частиц, и как результат - утонение стенки ниже допустимого (3 мм) на растянутой зоне и прямом участке первого гиба длиной около 200 мм. В этом случае возможно влияние некачественной сборки во время монтажа нового змеевика. Переломы и отклонения угла установки его по отношению к коллектору, вызывают повышенный эрозионный износ гиба. Известен соединительный элемент, описанный в п. РФ №2263814 «Турбина», по кл. F013B 3/02, 5/00, з. 21.10.01, оп. 10.11.03.
Известный соединительный элемент представляет собой входной патрубок, который выполнен тангенциальным, имеет прямоугольное сечение и снабжен
осевым спиральным направляющим элементом с возможностью тангенциальной подачи рабочего тела на стенку стакана вблизи его рабочего конца.
Недостатком известного соединительного элемента является сложность конструкции.
Известен соединительный элемент нагнетателя природного газа, описанный в одноименном патенте РФ №2266436 по кл. F04D 29/40, з. 13.02004, оп. 20.12.05.
Известный соединительный элемент в виде входного патрубка состоит из входного цилиндрического участка, сужающейся конической части (конфузора), цилиндрической горловины и диффузора, соединенных последовательно, и содержит датчики давления и температуры, а размеры составных элементов патрубка связаны между собой следующими соотношениями: длина входного цилиндрического участка равна не менее 4-х его диаметров, диаметр цилиндрической горловины равен 0,6...0,7 диаметра входного цилиндрического участка; длина цилиндрической горловины равна 1..1,5 ее диаметрам, датчики давления на входном цилиндрическом размещены на расстоянии, равном 0,8..0,9 его диаметра от входа в конфузор, а датчики давления на цилиндрической горловине размещены на расстоянии, равном 0,5..0,6 ее диаметра, от ее входа.
Недостатком известной конструкции является ее сложность.
Известны соединительные элементы входной и выходной зон теплообменных труб нагревателя, описанная в п. РФ №2228502 по кл., з.
Известные соединительные элементы представляют собой съемные патрубки, соединяющие рабочие полости каждой из теплообменных труб нагревателя с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды.
Недостаток известных соединительных элементов заключается в том, что каждая труба теплообменника имеет соединительный элемент, что сложно и дорого.
Известен водонагреватель с впускным и выпускным устройствами, описанный в з. РФ №2005128603 и выбранный в качестве прототипа.
В известном нагревателе выпускное устройство содержит по меньшей мере один проходящий вдоль наружной стороны кольца нагревательной секции выпускной канал и выпускное отверстие, поперечное сечение которого меньше
поперечного сечения нагревательной секции, а подвод расположен на наружной стороне кольца нагревательной секции и от подвода до патрубка пролегает проходящий над прерыванием подводящий канал, который выполнен в виде вставной детали. При этом нагревательная секция по ходу кольца имеет прерывание, определяющее два раздельных начала трасс потока и в ней предусмотрены два разветвляющихся из впускного канала раздельных впускных тракта к началам трасс потока нагревательной секции.
Недостатком известного соединительного элемента является его ненадежность, обусловленная изложенными выше причинами.
Задачей является повышение надежности соединительного элемента.
Поставленная задача решается тем, что:
- в первом варианте соединительный элемент входной и выходной зон теплообменного элемента нагревателя с выходом и входом коллекторов нагреваемой среды, представляющий собой трубчатый канал, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, выполнен в виде гнутого колена из стали, но в 1,5-3 раза большей толщины, чем труба теплообменника, имеющего внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру теплообменного элемента;
- во втором варианте соединительный элемент входной и выходной зон теплообменного элемента нагревателя с выходом и входом коллекторов нагреваемой среды, представляющий собой трубчатый канал, СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ, выполнен в виде гнутого колена из стали с упрочняющей вставкой, имеющей внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру змеевика.
При этом упрочняющая вставка может выступать за пределы гнутого колена и иметь возможность входить внутрь трубы теплообменного элемента.
При таком выполнении внутренние диаметры змеевика и гнутого колена полностью совпадают, и нет никакого сопротивления для прохождения питательной воды, а увеличение толщины стенки колена в первом варианте или наличие упрочняющей вставки в соединительном элементе во втором варианте позволяет избежать основных причин разрушения именно на этом участке змеевика, обеспечивая надежность работы.
Кроме того, отпадает необходимость в приобретении новых змеевиков, т.к. появляется возможность использования старых змеевиков с заменой только забракованного по толщине стенки или уже разрушенного соединительного
элемента на толстостенное гнутое колено или на гнутое колено с упрочняющей вставкой. Это делает конструкцию более экономичной, т.к. стоимость одного нового змеевика намного выше стоимости одного гнутого колена.
При этом уменьшается время простоя подогревателя высокого давления из-за аварийного останова, т.к. уменьшается время ремонта для замены разрушенного участка в связи с тем, что отпадает необходимость полного демонтажа змеевика. Вырезку гиба, сборку и сварку гнутого колена можно производить сразу по месту. Это приводит к уменьшению потерь мощности турбины. Так, хотя официальный срок службы змеевика равен 3 года, но из-за упомянутых выше причин в зоне приварки змеевиков теплообменника к входным коллекторам в турбинах, водонагревателях, турбомашинах очень часто (примерно раз в 3-6 месяцев) происходит разрушение их из-за максимального воздействия рабочей среды - высокого давления и температуры. Использование заявляемого соединительного элемента обеспечивает срок его службы в 3-4 раза.
Технический результат - повышение надежности за счет упрочнения соединительного элемента.
Заявляемый соединительный элемент в обоих вариантах его выполнения обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него в первом варианте выполнением соединительного элемента более толстостенным, а во втором варианте - с упрочняющей вставкой, обеспечивающим достижение заданного результата.
Заявляемый соединительный элемент в обоих вариантах его выполнения может найти широкое применение в различных отраслях промышленности, где осуществляется подогрев жидкостей, газов и их смесей, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где показано на:
- фиг.1 - выполнение соединительного элемента в первом варианте;
- фиг.2 - выполнение соединительного элемента во втором варианте;
фиг.3 - общий вид соединительного элемента в системе подогрева. В первом варианте (фиг.1) соединительный элемент представляет собой гнутое колено 1 в виде трубчатого канала, имеющего стенку в 1,5-3 раза большую толщину, чем стенка трубы теплообменного элемента, и внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру трубы теплообменного элемента.
Во втором варианте (фиг.2) соединительный элемент представляет собой гнутое колено 1 в виде трубчатого канала с упрочняющей вставкой 2,
имеющей внутренний диаметр, равный или меньше, чем внутренний диаметр трубы теплообменного элемента. В некоторых случаях упрочняющая вставка 2 может выступать за пределы гнутого колена 1 и выполнена с возможностью введения ее внутрь трубы теплообменного элемента. Это обеспечивает удобство монтажа и улучшает качество сварки, так как вставка 2 выполняет роль подкладки, позволяя исключить прожоги и подрезы, протекание металла внутрь трубы и защитить сварное соединение изнутри в процессе эксплуатации.
В обоих вариантах на чертежах показан соединительный элемент с углом гиба 90°, но на практике угол гиба, в зависимости от необходимости, может быть любым.
На фиг.3 показаны (утолщенными линиями) места подключения соединительных элементов 1 к турбине, где цифрами 3-7 обозначены коллекторы, витками 8 показаны змеевики турбины.
Использование соединительного элемента осуществляется следующим образом. В случае необходимости замены его вырезают, берут новый соединительный элемент, собирают и сваривают конструкцию. В сравнении с прототипом заявляемый соединительный элемент является более надежным.