ТЕПЛООБМЕННЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к энергетике, а именно, к трубчатым теплообменникам, например, сепараторов-пароперегревателей.
Известен теплообменный модуль, содержащий выполненные, как правило, из нержавеющей стали (08Х18Н10Т), корпус, закрепленный в трубных решетках трубный пучок, дистанцирующие решетки с периферийными пазами, в которых установлены и приварены к дистанцирующим и трубным решеткам маячковые стержни, жестко фиксирующие дистанцирующие решетки относительно трубных решеток и корпуса ().
Недостаток известного теплообменного модуля заключается в его невысокой надежности, обусловленной недостаточной устойчивостью к термоциклическим нагрузкам, следствием чего является выход из строя элементов модуля и неплановые остановки блока на ремонт.
Известны теплообменные модули сепаратора-пароперегревателя СПП-500-1, разработанные ОАО «ИК «ЗИОМАР», которые изготавливались для канальных реакторов большой мощности РБМК-1000 (, ТУ 108-748-78, чертеж 269-4001-262СБ - входит в комплект поставки, прилагается к материалам заявки). Это техническое решение выбрано в качестве прототипа и содержит корпус, выполненный в виде отрезка трубы. На торцах корпуса крепятся трубные решетки. Трубные решетки снабжены установочными отверстиями, в которые заделаны окончания труб трубного пучка. В свою очередь, трубы трубного пучка пропущены через соответствующие отверстия дистанцирующих решеток. Дистанцирующие решетки снабжены усеченно цилиндрическими периферийными пазами под маячковые стержни, предназначенные для жесткой фиксации дистанцирующих решеток относительно трубных решеток и корпуса. Все элементы модуля (корпус, трубы, доски, стержни) изготовлены из нержавеющей стали (08Х18Н10Т).
Недостаток известного теплообменного модуля заключается в его невысокой надежности, обусловленной недостаточной устойчивостью к термоциклическим нагрузкам, следствием чего является выход из строя элементов модуля и неплановые остановки блока на ремонт.
Полезная модель направлена на решение задачи снижения повреждаемости теплообменного модуля во время работы (увеличения ресурса) за счет повышения его устойчивости к термоциклическим нагрузкам.
Технический результат - повышение надежности теплообменного модуля.
т
к
т
т
т
к
к
к
Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в теплообменном модуле, включающем выполненные из стали трубчатый корпус, предназначенный для прохождения через него нагреваемого агента, трубы трубного пучка, предназначенные для прохождения через них теплоносителя, трубные доски, дистанцирующие решетки и маячковые стержни, корпус и/или трубные доски и/или маячковые стержни и/или дистанцирующие решетки выполнены из одного материала, а трубы теплообменного пучка выполнены из другого материала так, что α<α, при этом ЕαТ-ЕαТ, → 0, кроме того корпус и/или трубные доски и/или маячковые стержни и/или дистанцирующие решетки выполнены из стали 20, а трубы теплообменного пучка выполнены из стали 08X14МФ.
Полезная модель иллюстрируется рисунками:
Фиг.1 - теплообменный модуль в разрезе;
Фиг.2 - сечение по А-А на Фиг.1.
Теплообменный модуль 1 включает корпус 2 трубчатого сечения, предназначенный для прохождения через него нагреваемого агента, трубы 3 трубного пучка 4, предназначенные для прохождения через них теплоносителя, трубные решетки 5, дистанцирующие решетки 6 и маячковые стержни 7. Модуль включается в сеть посредством подводящего и отводящего патрубков нагреваемого агента и подводящего и отводящего коллекторов теплоносителя - на рисунках не показано, исполнение идентичное прототипу).
Элементы (2, 5, 6, 7 и 4) теплообменного модуля 1 при эксплуатации имеют различную температуру. Температура элементов при разогреве теплообменного модуля 1 и охлаждении во время пусков и остановов и во время эксплуатации изменяется неравномерно. При эксплуатации происходит циклические изменения температуры элементов теплообменного модуля 1. Поэтому в узлах теплообменного модуля (при выполнении всех элементов теплообменного модуля из материала с одним и тем же коэффициентом линейного расширения) возникают циклические напряжения, которые в итоге приводят к выходу теплообменного модуля из строя. Чем больше коэффициент линейного расширения (в случае, если все элементы выполнены из одной марки стали), тем больше разница по линейному удлинению корпуса 2 и труб 3 трубного пучка 4 (так как детали работают при разных температурах) и тем больше значение напряжений в узле заделки трубы 3 в трубную решетку 5. Чем больше напряжение, тем меньше количество допустимых циклических нагрузок (снижается срок службы теплообменного модуля). Причем фактическое количество циклических нагрузок действующих на оборудование при эксплуатации определяется условиями работы.
Напряжения в узле заделки трубы определяются по формуле:
т
т
т
к
к
к
σ= ЕαТ-ЕαТ,
т
к
где Е и Е - модули упругости материала теплообменных труб 4 и корпуса 2 модуля 1;
т
к
α и α - коэффициенты линейного расширения материала теплообменных труб 4 и корпуса 2 модуля 1;
т
к
Т и Т - температура теплообменных труб и корпуса модуля соответственно.
Из приведенной формулы видно, что при заданных температурных режимах достичь минимальных значений напряжения в узле заделки возможно подбором материалов теплообменных труб и корпуса модуля (а так же трубных решеток, дистанцирующих решеток и маячковых стержней, которые хотя и в меньшей степени, но влияют на значения термоциклических напряжений). При этом, исходя из эксплуатационных требований, модули упругости материалов предпочтительно выбирать максимально возможными.
т
к
т
т
т
к
к
к
Тогда из имеющегося сортамента сталей выбираются марки для корпуса 2 и труб 3 так, чтобы α<α, и, по возможности, выполнялось условие ЕαТ-ЕαТ,→ 0. Из имеющегося отечественного сортамента этому условию в наибольшей степени соответствует пара сталей:
сталь 20 - для корпуса 2 (а так же для трубных досок 5, дистанцирующих решеток 6 и стержней 7);
сталь 08Х14МФ - для труб 4 трубного пучка 3.
В качестве наглядного примера проведем расчет условных температурных напряжений, возникающих в корпусе и теплообменных трубах одинаковой жесткости (Таблица 1). Температура корпуса принята равной 200°С, температура теплообменных труб 250°С.
Таблица 1
Корпус
Труба теплообменная
σ=Е<sub>т</sub>α<sub>т</sub>Т<sub>т</sub>-Е<sub>к</sub>α<sub>к</sub>Т<sub>к, </sub>МПа
Марка стали
α×10<sup>6</sup>, 1/°С
Е, МПа
Марка стали
α×10<sup>6</sup>, 1/°С
Е, МПа
08Х18Н10Т
17,0
190000
08Х18Н10Т
17,2
185000
149,5
20
12,5
190000
08X14МФ
11,0
185000
33,8
Сочетание материалов: корпус - сталь 20 и теплообменные трубы -08X14МФ позволяет значительно снизить напряжения в элементах модуля.
При проведении сравнительных расчетов с учетом реальной жесткости корпуса и теплообменных труб модуля напряжения в конструкции определялись методом конечных элементов. Максимальные напряжения возникают в зоне сварки теплообменных труб с трубной решеткой. Сравнительные результаты расчета напряжений приведены в Таблице 2.
Таблица 2
Напряжение, МПа
Коэффициент снижения напряжений ( σ<sub>модуль08Х18Н10Т</sub>
Наименование расчетного режима
Модуль из 08Х18Н10 Т
Модуль сталь 20 и 08Х14МФ
σ<sub>модуль20 и 08Х14МФ</sub> )
Номинальный режим
139,6
103,6
1,3
Пульсационный режим
164,1
112,3
1,5
Режим пуска из холодного
состояния с
подключением второй ступени при достижении
233,4
129,1
1,8
мощности 30% от
номинальной
Режим пуска из холодного
состояния с подключенной второй
564,2
278,9
2,0
ступенью
Режим пуска из горячего состояния
461,0
199,6
2,3
Аварийный останов
340,9
190,7
1,8
Как видно из Таблицы 2, во всех расчетных режимах работы модуля напряжения в модернизированной конструкции ниже, чем в конструкции из нержавеющей стали.
Полученные напряжения используются при проведении расчета на циклическую прочность с целью определения допускаемого количества циклов в каждом расчетном режиме и последующем определении суммарного накопленного повреждения.
Допускаемое количество циклов определяется в зависимости от допускаемой амплитуды напряжений по формулам:
αF
[σ] - допускаемая амплитуда напряжений;
с
т
е  - характеристика пластичности;
c
т
R  - характеристика прочности;
σ
n - коэффициент запаса прочности по условным местным напряжениям при расчетах на циклическую прочность;
0
[N]- допускаемое количество циклов;
е
m, m - характеристики материала;
r - коэффициент асимметрии цикла материалов;
N
n - - коэффициент запаса прочности по числу циклов.
Суммарное накопленное усталостное повреждение а определяется по формуле и должно удовлетворять условию:
i
0
i
где N - заданное количество циклов нагружения в различных режимах; [N] - допускаемое количество циклов нагружения определяемое по вышеуказанным формулам; к - общее число типов циклов, i - тип цикла.
Таким образом, накопленное усталостное повреждение модернизированного модуля (накопленное усталостное повреждение а=0,0703) намного меньше, чем накопленное усталостное повреждение модуля из стали 08Х18Н10Т (накопленное усталостное повреждение а=0,5522).
Кроме того, теплообменные трубы выполненные из ферритно-мартенситной стали (08X14МФ) обладают более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с трубами из нержавеющей стали.
С учетом изложенного можно сделать вывод, что заявленный технический результат - повышение надежности теплообменного модуля (с одновременным снижением затрат на изготовление и повышением эффективности теплообмена) - достигнут.