Теплообменный элемент

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в судовых атомных паропроизводящих установках и атомных электростанциях с водоводяными реакторами под давлением.
В настоящее время широкое применение находят теплообменные аппараты, поверхность теплообмена которых выполнена из двухтрубных теплообменных элементов с двухсторонним обогревом рабочей среды.
Такое конструктивное исполнение поверхности нагрева позволяет удобно компоновать ее как в отдельном самостоятельном корпусе, так и в составе блочных паропроизводящих агрегатов, обеспечивает возможность объединения теплообменных элементов в модули различной конфигурации.
В общем случае теплообменный элемент с двухсторонним нагревом рабочей среды состоит из внутренней и наружной труб, установленных одна в другую, канальных переходников, соединяющих концы труб и имеющих каналы для организации циркуляции теплообменных сред.
Известен переходник для теплообменного элемента (а.с. №328315 кл. F28D 7/10 от 08.06.70), выполненный в виде втулки с каналами для сред и хвостовиками для подсоединения труб. Указанный переходник допускает возможность использования мелкоразмерных труб, однако обладает тем недостатком, что глубокие фрезерованные пазы на его боковой поверхности в зоне выхода каналов являются концентраторами напряжений, что снижает работоспособность узла в условиях термоциклических напряжений.
Известен способ изготовления теплообменного элемента типа "труба в трубе" (а.с. №827949 кл. F28D 7/10 от 18.06.79) для разделения потоков сред путем образования параллельных каналов в виде сегментных профилей на концах трубчатого переходника и внутренней трубе теплообменного элемента, наложенных друг на друга плоскими основаниями сегментов, с последующей сваркой их "рамочным " швом. Образованный таким образом "переходник" устанавливается в наружную трубу и приваривается к ней эллипсным швом.
К недостаткам этого технического решения можно отнести:
- наличие конструктивного зазора - щели (между "переходником" и наружной трубой), являющейся сборником отложения солей, особенно в зоне "досыхания" - на испарительном и перегревательном участках, которые могут активировать коррозионные процессы, что приведет к снижению ресурсной надежности элемента;
- на деформированных участках труб, в районе образования "переходника" с сегментными отверстиями, внутри при основании сегмента имеются малые радиусы скругления с цилиндрической частью, что может явиться концентратором возникновения усталостных трещин от ввода и вывода установки из действия, от смены режимов работы, а также от термоциклов во время подачи питательной воды на разогретую трубную систему, что может привести к появлению межконтурной неплотности или ограничению ресурсной надежности элемента.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по большинству признаков и решаемой задаче, принятый за прототип, является парогенерирующий элемент (ПГЭ) (патент №2125695 F28D 7/10, F1/00 от 04.09.96) с двухканальными переходниками, в котором каналы образованы отверстиями, глухими в направлении его оси, и отверстиями, расположенными под углом к ней и выходящие на боковую поверхность переходника по разные стороны от эллипсного сварного шва. Кроме того, на боковой поверхности переходника, на выходе канала в полость между наружной и внутренней трубами выполнена лыска заподлицо с наружным диаметром внутренней трубы.
К недостаткам этого технического решения можно отнести наличие двух катетных эллипсных сварных соединений в теплообменном элементе, работающих на срез, что приводит к снижению ресурсной надежности элемента.
Технической задачей является создание теплообменного элемента, имеющего одно катетное сварное соединение.
Решение поставленной технической задачи дает возможность повысить его ресурсную надежность.
Для решения поставленной задачи в теплообменном элементе, содержащем внутреннюю и наружную трубу, концы которой выполнены в виде косых срезов по отношению к ее оси, канальные переходники, установленные в наружную трубу и соединенные с последней при помощи сварки по эллиптическому параметру и гидравлически сообщающие полость внутренней трубы с межтрубным пространством, а полость между наружной и внутренней трубы с коллекторами, один из канальных переходников имеет наружный диаметр равный наружному диаметру наружной трубы, и имеет кромку с разделкой под сварку, сопрягаемую с ее косым срезом, при этом этот переходник располагается со стороны максимальных напряжений соединения теплообменного элемента с коллекторами.
Предложенная конструкция теплообменного элемента позволяет повысить его ресурсную надежность, за счет выполнения одного из канальных переходников с наружным диаметром равным наружному диаметру наружной трубы, и имеющим кромку с разделкой под сварку, сопрягаемую с ее косым срезом, что позволяет осуществить стыковое сварное соединение между ними, которое имеет допустимые напряжения в двое больше по сравнению с катетным, работающим на срез. Кроме того, его расположение со стороны максимальных напряжений соединения теплообменного элемента с коллекторами также повышает надежность последнего и всего теплообменника в целом.
Кроме того, упрощается сборка под сварку двухтрубного теплообменного элемента из-за невозможности разворота внутренней трубы относительно наружной, что позволяет однозначно ориентировать трубы относительно друг друга.
На фиг. 1 - изображен продольный разрез теплообменного элемента типа "труба в трубе";
на фиг. 2 изображен выносной элемент А фиг. 1
Теплообменный элемент содержит внутреннюю 1 и наружную 2 трубы, канальные переходники 3,4, концевые переходники 5 и коллектора 6 и 7.
Концы наружной трубы выполнены в виде косых срезов по отношению к оси трубы. Канальные переходники 3 и 4 установлены в наружную трубу 2 и соединены с ней сварными швами. Поскольку концы наружной трубы имеют косые срезы, канальный переходник 4 имеет наружный диаметр равный наружному диаметру наружной трубы и имеет кромку с разделкой под сварку, сопрягаемую с ее косым срезом, и сварка производится по цилиндрической поверхности переходников 3 и 4 периметр сварного шва имеет эллиптическую форму. При этом образуется катетное сварное соединение 8 и стыковое сварное соединение 9.
Сварное соединение 9 должно располагаться в зоне максимальной разницы температур между нагреваемой средой и греющим теплоносителем.
Теплообменный элемент работает следующим образом.
Греющий теплоноситель, двигаясь сверху вниз, омывает внешнюю поверхность наружной трубы 2 и по отверстиям в канальных переходниках 4 и 3 поступает во внутреннюю полость внутренней трубы 1, омывая ее.
Нагреваемая среда из коллектора 6 через концевой переходник 5 и отверстие в канальном переходнике 3 попадает в межтрубное пространство между внутренней трубой 1 и наружной трубой 2 и двигаясь вверх нагревается и через отверстие в канальном переходнике 4 и переходник 5 отводится в коллектор 7.
Выполнение теплообменного элемента предложенным образом позволяет:
- повысить надежность, за счет исключения одного катетного сварного соединения и расположения стыкового сварного соединения в зоне максимальной разницы температур между нагреваемой средой и греющим теплоносителем;
- упростить сборку теплообменного элемента под сварку за счет однозначной ориентации труб относительно друг друга.