КОЖУХОТРУБНОЕ УСТРОЙСТВО С АНТИВИБРАЦИОННЫМИ ПЕРЕГОРОДКАМИ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ СБОРКИ
SHELL-AND-TUBE DEVICE WITH ANTIVIBRATION PARTITIONS AND CORRESPONDING ASSEMBLY METHOD

Область техники
Изобретение относится к области кожухотрубных устройств.
Уровень техники
Как известно, кожухотрубное устройство снабжается некоторым количеством перегородок, предназначенных для решения в основном двух задач: первая - увеличение скорости текучей среды, проходящей в межтрубном пространстве и обтекающей трубы, и увеличение тем самым коэффициента теплообмена; вторая - обеспечение труб промежуточными точками закрепления вдоль пучка для предотвращения вибраций. Необходимость в предотвращении вибраций особенно ощущается при возрастании скорости циркуляции текучей среды в кожухе.
Каждая перегородка имеет предназначенные для приема одной трубы или группы труб отверстия, которые могут быть реализованы, например, в виде ряда планок, прикрепленных к наружному каркасу, или в виде дисков из металлических листов, соответствующим образом перфорированных. Перегородки разносятся на заданное расстояние, называемое шагом; известны также имеющие разную геометрию чередующиеся перегородки, так чтобы соседние перегородки обеспечивали закрепление разных групп труб и/или закрепление в перпендикулярных направлениях. По другому требованию перегородки должны обеспечивать соответствующий сквозной поток текучей среды, в основном газа, через межтрубное пространство.
Снабженные вышеуказанными перегородками кожухотрубные устройства описаны, например, в известных в предшествующем уровне техники патентах US 5,058,664, US 5,642,778 и FR 2993217.
Известные методы конструирования включают следующие этапы: обеспечение каркаса, содержащего перегородки и соответствующие продольные планки; введение труб путем протяжки их сквозь разные перегородки; прикрепление труб к трубным доскам. Однако такой метод проблематичен и имеет ряд недостатков. Каждая труба должна совпадать с соответствующими сквозными отверстиями в перегородках, имеющими достаточно малый допуск (в противном случае перегородки не будут эффективными в предотвращении вибраций); операция выполнима для первых труб, пока группа перегородок и продольных планок еще имеет некоторую подвижность; однако, по мере постепенного введения труб конструкция становится более жесткой, и установка труб становится более затрудненной; введение последних труб происходит с применением кувалды для их силовой подгонки, и при такой практике может происходить повреждение самих труб. Например, отмечалось, что при таком методе сборки поверхности труб повреждаются, вызывая трение с перегородками. Перегородки также повреждаются с риском поломки во время работы. Поломка во время работы опасна тем, что тогда трубы лишаются посадочного места и будут подвержены вибрациям. Кроме того, сборка, производимая описанным путем, требует массы времени и поэтому дорога.
В предшествующем уровне искали компромисс между точной подгонкой труб и перегородок друг к другу, что более эффективно в снижении вибраций, но значительно усложняет сборку, и менее точной подгонкой, что делает сборку проще, но снижает эффективность гашения вибраций.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения заключается в разрешении вышеупомянутых проблем и упрощении конструкции кожухотрубного устройства с антивибрационными перегородками.
Эта задача решается кожухотрубным устройством согласно прилагаемой формуле изобретения.
Устройство содержит кожух; пучок труб; группу разнесенных вдоль трубного пучка перегородок, каждая из которых имеет группу приемных посадочных мест для этих труб, и каждое из посадочных мест принимает по меньшей мере одну трубу пучка, причем устройство отличается тем, что:
посадочным местам перегородок придана форма, включающая по меньшей мере первую область, предназначенную для приема по меньшей мере одной трубы с заданным люфтом (зазором), и вторую область, предназначенную для приема по меньшей мере одной трубы с люфтом, меньшим первого люфта, или по существу без люфта,
каждая перегородка выполнена с возможностью смещения относительно пучка труб между первым положением, называемым сборочным положением, и вторым положением, называемым рабочим положением,
каждая труба принимается в первую область соответствующего посадочного места при нахождении перегородки в сборочном положении, и принимается во вторую область при нахождении перегородки в рабочем положении.
В изобретении предусматривается, что перегородки могут быть установлены в сборочную компоновку и в рабочую компоновку. Принимающим трубы основным посадочным местам придана такая форма и они ориентированы таким образом, что смещение перегородки из сборочного положения в рабочее положение обеспечивает надежную фиксацию труб относительно перегородки. Смещение перегородки из сборочного положения в рабочее положение производится таким образом, чтобы соответствующие посадочные места двигались совместно из одного положения в другое.
Более подробно, в сборочном положении наличие люфта обеспечивает свободное скользящее перемещение труб относительно посадочных мест соответствующих перегородок. В рабочем положении этот люфт уменьшается или предпочтительно сводится к нулю, и трубы фиксируются или по существу фиксируются относительно перегородок.
Принимающие трубы посадочные места ориентированы таким образом, что фиксация труб (то есть переход из сборочного положения в рабочее положение) выполняется путем смещения или поворота. Соответственно, система фиксации труб может быть названа "фиксацией сдвигом", если производится линейное смещение перегородок, или "фиксацией кручением", если производится поворот. В процессе фиксации принимающие трубы посадочные места двигаются по прямолинейной траектории в вариантах выполнения с фиксацией сдвигом или описывают круговую дугу в вариантах выполнения с фиксацией кручением.
Например, в предпочтительном варианте выполнения перегородок с фиксацией сдвигом приемного посадочного места ориентированы таким образом, чтобы достичь фиксации труб путем смещения перегородок в плоскости, перпендикулярной оси трубного пучка; в предпочтительном варианте фиксации кручением посадочного места ориентированы таким образом, чтобы фиксировать трубы путем поворота перегородок относительно этой оси.
Согласно одному из аспектов изобретения два или несколько рядов перегородок с разными фиксирующими перемещениями чередуются друг с другом. В частности, согласно предпочтительному варианту выполнения обеспечены по меньшей мере два ряда перегородок, выполненных с возможностью фиксации труб путем противоположного движения. Термин "противоположное движение" относится, соответственно, к прямолинейным перемещениям вдоль одной и той же оси, имеющим противоположное направление (фиксация сдвигом), или поворотам вокруг одной и той же оси, имеющим противоположный знак (фиксация кручением).
Предпочтительно приемные посадочные места имеют по меньшей мере одну рабочую поверхность, которая в сборочном положении отдалена от соответствующей трубы и в рабочем положении приходит в контакт с трубой, создавая требуемый эффект фиксации. Предпочтительно рабочая поверхность наклонена относительно направления фиксации. Под термином "направление фиксации" подразумевается направление движения этой поверхности к соответствующей трубе. Например, направление фиксации - это направление смещения перегородок в вариантах выполнения с фиксацией сдвигом, или это касательная к дуге, по которой движется приемное посадочное место в вариантах выполнения с фиксацией кручением.
Более предпочтительно каждое принимающее трубу посадочное место содержит две рабочие поверхности, которые сходятся, формируя клинообразную зону, в которой фиксируется труба. Например, согласно этому варианту выполнения посадочное место может иметь трапецеидальную форму.
Посадочные места могут быть приспособлены для приема одной трубы или нескольких труб в зависимости от разных вариантов выполнения изобретения.
В некоторых вариантах выполнения перегородка представляет собой плоскую пластину (например, диск из листового металла), и посадочные места представляют собой окна, сформированные в перегородке с использованием подходящей технологии, например лазерной или струйной резкой, или штамповкой, являющейся особо малозатратной технологией.
В вариантах выполнения с фиксацией кручением могут быть обеспечены принимающие трубы посадочные места, имеющие разную форму в зависимости от их расстояния от оси поворота. Такая мера обеспечивает эффект однородной фиксации труб с компенсацией того, что дуги, которые проходят посадочные места, находящиеся ближе к оси поворота, короче, чем дуги посадочных мест удаленных от оси. Например, вышеупомянутые рабочие поверхности могут иметь больший наклон (больший угол фиксации) ближе к оси.
Варианты выполнения с фиксацией кручением пригодны для труб, размещенных по концентрическим окружностям, а не с шагом по квадрату или треугольнику. Согласно частному варианту выполнения изобретения трубы располагаются концентрическими рядами, и перегородки содержат группу концентрических колец, в которых каждое кольцо содержит принимающие трубы посадочные места. Например, посадочные места, предназначенные для приема труб, могут быть выполнены в основном в виде углублений, сформированных в краях этих колец.
Другой аспекты изобретения согласно прилагаемой формуле изобретения относится к способу сборки кожухотрубного устройства, включающего антивибрационные крепежные перегородки для труб. Способ включает, например, следующие стадии:
обеспечение перегородок в предварительной сборочной компоновке, в которой трубы пучка могут быть введены и прияты с люфтом в первую область соответствующих посадочных мест перегородок;
введение труб вплоть до завершения формирования пучка труб;
смещение перегородок в рабочую компоновку, в которой трубы введены во вторую область посадочного места каждой перегородки с малым или по существую нулевым люфтом (фиксация труб).
В сборочной конфигурации перегородки предпочтительно удерживаются на месте шаблоном или эквивалентным временным средством. Например, в сборочной компоновке перегородки уже разнесены на рабочий шаг, но они смещены так, чтобы каждая труба встречалась с приемными посадочными местами в соответствующей первой области, то есть там, где имеется люфт. Опционно перегородки могут иметь некоторую осевую подвижность в сборочной компоновке.
Предпочтительно окончательное закрепление перегородок в рабочей компоновке выполняется самим кожухом устройства путем непосредственной конструктивной связи между перегородками и кожухом. Согласно другому аспекту изобретения после смещения перегородок в соответствующие рабочие положения узел из трубного пучка и перегородок объединяется с кожухом устройства, и перегородки закрепляются в соответствующих рабочих положениях непосредственно кожухом.
Следует отметить, что кожух не имеет никакого зазора с перегородками. Сборка выполняется, например, соединением двух или нескольких половин кожуха, или проектируют кожух из достаточно тонкого металлического листа, который можно обернуть вокруг пучка труб. В других вариантах выполнения закрепление перегородок может выполняться с использованием пригодной технологии, например с использованием стяжек; в этом случае пучок конструктивно не объединяется с кожухом и может просто в него вставляться.
Изобретение применимо в устройствах с прямыми трубами и в устройствах с U-образными трубами. В последнем случае перегородки монтируются вдоль прямолинейных участков U-образных труб.
Большое преимущество настоящего изобретения заключается в упрощенной сборке без негативного влияния на эффективность гашения вибраций. Трубы можно разместить без затруднений, так как сборка выполняется с люфтом относительно перегородок; однако при работе этот люфт по существу устраняется, и трубы получают надежную опору на перегородки. Эти и другие преимущества изобретения станут еще более наглядными при использовании приведенного ниже подробного описания, касающегося ряда предпочтительных вариантов выполнения.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение рассмотрено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - упрощенная схема кожухотрубного устройства, содержащего ряд антивибрационных перегородок;
на фиг. 2 - схематически ряд перегородок устройства с фиг. 1 согласно первому варианту выполнения изобретения;
на фиг. 3 и 4 - фиксация трубы в соответствующем окне одной из перегородок согласно варианту выполнения с фиг. 2;
на фиг. 5-7 - другой вариант выполнения изобретения, подобный варианту с фиг. 2-4;
на фиг. 8 - предпочтительный вариант выполнения окон перегородок, в частности для вариантов выполнения, аналогичным представленным на фиг. 5-7;
на фиг. 9 и 10 - другие варианты выполнения окон перегородок, предназначенных для приема труб;
на фиг. 11 и 12 - пример перегородок, имеющих окна, предназначенные для приема группы труб, с изображением свободных и фиксированных труб, соответственно;
на фиг. 13 - предпочтительное размещение окон последовательных перегородок представленного на фиг. 11 типа;
на фиг. 14 - другой вариант выполнения изобретения, в котором перегородки состоят преимущественно из концентрических колец;
на фиг. 15 - детализация фиг. 14, иллюстрирующая фиксацию трубы.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 в схематически изображено кожухотрубное устройство 1, включающее: кожух 2; пучок 3 прямых труб 4; группу перегородок 5, разнесенных на шаг р и действующих как антивибрационные опоры для труб 4; две трубные плиты 6. Для упрощения на фиг. 1 показаны только оси труб.
Фиг. 2 относится к первому варианту выполнения изобретения, и для упрощения на ней показана одна труба 4, проходящая сквозь перегородку 5. Каждая перегородка 5 содержит ряд сквозных прорезей в виде окон 7, через которые могут быть пропущены трубы. Ссылочный номер 5 коллективно присвоен группе перегородок, и ссылочный номер 7 коллективно присвоен окнам, выполненным в перегородках. В примере с фиг. 2 окна 7 имеют трапецеидальную форму, более предпочтительно форму равнобедренной трапеции.
Как показано на фиг. 3 и 4, трапецеидальное окно 7 включает прилегающую к длинному основанию область 8, в которую может вводиться труба 4 с некоторым люфтом/зазором g, и ближнюю к короткому основанию трапеции область 9, в которую труба 4 входит, наоборот, по существу без люфта (то есть фиксируется), опираясь на внутренние поверхности 10, сформированные двумя сходящимися сторонами окна 7 (фиг. 4).
Наличие люфта g дает трубе возможность свободно скользить в окне 7. Небольшая несовмещенность между трубой и окном при сборке фактически компенсируется люфтом g. В области 9 наоборот сходящиеся стороны трапецеидального окна 7 образуют клиновидную зону, в которой убирается люфт g и закрепляется труба 4, находящая две точки 11 контакта с поверхностями 10. Следовательно, можно отметить, что компоновка с фиг. 3 дает возможность более простой сборки, в то время как компоновка с фиг. 4 при работе обеспечивает эффективное противодействие вибрации благодаря опорному контакту трубы с поверхностью 10.
Фиксация трубы 4 в окне 7 (то есть прохождение трубы из приемной области 8 с люфтом по существу в крепежную область 9) происходит в результате линейного перемещения f окна 7 относительно трубы.
Следует отметить, что фиксация представляет собой следствие соответствующего наклона β поверхностей 10 относительно направления фиксации (фиг. 4). Далее поверхности 10 называются "рабочими поверхностями", так как они обеспечивают необходимое антивибрационное закрепление трубы. Направление фиксации может быть определено как направление, в котором труба движется к области 9 (и следовательно к поверхностям 10), и которое в данном примере представляет собой направление смещения f. Для краткости угол β называется также углом фиксации.
В данном случае для трубы 4 имеется две поверхности 10, сближение которых формирует клинообразную зону фиксации. В более общем случае предпочтительно обеспечить по меньшей мере одну поверхность, наклонную относительно направления фиксации труб.
Обращаясь по прежнему к фиг. 2, можно видеть предпочтительный вариант выполнения, согласно которому группа перегородок 5 содержит первый ряд перегородок 5А с первой ориентацией окон 7А и второй ряд перегородок 5В со второй ориентацией окон 7В. В результате разной ориентации перегородки двух рядов, обозначенных как А и В соответственно, имеют разные направления фиксации, например перегородки 5А фиксируются со смещением +f, а перегородки 5В фиксируются с таким же, но противонаправленным смещением -f.
Нужно отметить, что операция фиксации возвращает перегородки обратно в положение совпадения с пучком труб, то есть устраняет несовмещенность, показанную на фиг. 2.
На фиг. 2 отмечены центр перегородки и ось 12 устройства. На чертеже ясно показана несовмещенность перегородок во время сборки, которая устраняется за счет смещений +f или -f.
Фиг. 5-7 аналогичны фиг. 2-4 и отображают вариант выполнения, в котором фиксация труб достигается при повороте вокруг оси 12 устройства. В частности, показано устройство с рядом перегородок А и В, которые могут быть зафиксированы при равных и противоположно направленных поворотах +ϕ, -ϕ.
Фиксацию труб можно видеть на фиг. 5 и 6: поворот перегородки на угол ϕ переводит трубу 4 в клинообразную зону 9 соответствующего окна 7, где происходит фиксация. Угол β наклона поверхностей 10 в данном случае может определяться по отношению к линии 13, тангенциальной круговой дуге, которую проходит окно 7 при повороте (фиг. 7).
Вариант выполнения, показанный на фиг. 2, называется "фиксацией сдвигом", в то время как вариант выполнения с фиг. 5 называется "фиксацией кручением".
Окно 7 отдельной перегородки может быть одинаковым со всеми другими окнами или иметь другую форму и/или ориентацию в зависимости от различных вариантов выполнения изобретения.
В вариантах фиксации кручением может быть предпочтительным обеспечение окон 7 разной формы в зависимости от расстояния от оси поворота, чтобы достичь одинаковой фиксации, компенсируя таким образом большее смещение периферических окон по сравнению с окнами, размещенными ближе к оси. Для компенсации этой разницы перегородки 5 предпочтительно содержат два или несколько концентрических рядов окон 7 различной формы.
Например, как показано на фиг. 8, окно 7.1, находящееся на расстоянии r1 от оси поворота, предпочтительно имеет рабочие поверхности 10 с углом фиксации, большим чем окно 7.2, расположенное на большем расстоянии r2 от оси. Больший угол фиксации компенсирует меньшую длину дуги, проходимой окном 7.1, ближним к оси, при одинаковом повороте на угол ϕ. Более детально, на фиг. 8 β1>β2, где β1 - угол фиксации окна 7.1, ближнего к оси, и β2 - угол фиксации окна 7.2, удаленного от оси. Другими словами, окна, ближние к оси, имеют более заостренную клинообразную зону 9 фиксации, чтобы достичь нужной фиксации, несмотря на относительно малое смещение.
Компоновка с фиксацией кручением, как на фиг. 5, преимущественно используется в устройствах с трубами, расположенными по концентрическим окружностям, а не с шагом по квадрату или треугольнику. Устройства с такой компоновкой труб, как правило, используются, например, для реализации помещенных внутри реакторов синтеза аммиака теплообменников, имеющих трубы, расположенные круговыми рядами.
(n)
На фиг. 2-4 и 5-7 представлены варианты выполнения, в которых группа перегородок 5 содержит первые ряды перегородок 5А и вторые ряды перегородок 5 В, которые могут быть зафиксированы смещением или поворотом на одну и ту же величину, но с противоположным направлением или знаком. В обоих случаях перегородки первых рядов и вторых рядов чередуются. Следовательно, трубы 4 закрепляются поочередно в разных плоскостях. Эти варианты выполнения пригодны для закрепления труб, расположенных по квадрату или треугольнику, что подходит для большинства применений. В некоторых вариантах выполнения может предусматриваться большее число рядов перегородок, имеющих разную геометрию и, например, формирующих последовательность перегородок 5', 5'', … 5, повторяющуюся вдоль трубного пучка.
На фиг. 9 даны варианты, в которых отдельные окна 7, например трапецеидальные, объединены без нарушения непрерывности, например сформированы пропилом 14, проделанным в перегородках 5. Вариант с фиг. 9 применяется в вариантах выполнения с фиксацией сдвигом, а вариант с фиг. 10 - в вариантах с фиксацией кручением. Этот вариант может быть предпочтительным, если трубы очень близки друг к другу.
В вариантах выполнения с фиг. 1-10 принимающие трубы посадочные места представлены вышеописанными окнами 7, каждое из которых предназначено для приема одной трубы из пучка. Возможны другие варианты выполнения, в которых каждое посадочное место перегородок 5 выполнено с возможностью приема группы труб.
Предпочтительное применение такого изобретения относится к теплообменникам с аксиальным потоком, в которых межтрубный поток проходит сквозь перегородки. В данном случае для предотвращения избыточного перекрытия части, предназначенной для прохождения потока сквозь перегородки (что могло бы привести к избыточному росту нагрузочных потерь), каждое посадочное место предпочтительно принимает группу труб.
Например, на фиг. 11 представлен вариант выполнения изобретения, в котором принимающие трубы посадочные места имеют вид окон 27, предназначенных для приема четырех труб с фиксацией сдвигом.
Окно 27 в основном имеет прямоугольную форму и содержит четыре угловых впадины, предназначенных для приема соответствующих труб 4. Впадина содержит поверхность в виде дуги, формирующей зону 28 помещения трубы 4 с люфтом, и рабочая поверхность 20 наклонена относительно направления фиксации и образует зону 29 фиксации. Точкой 21 (фиг. 12) обозначена точка контакта с трубой, возникающего при смещении окна 27 в рабочее положение.
На фиг. 11 изображено сборочное положение, в котором трубы 4 расположены в областях 28 впадин и соответственно введены в них с некоторым люфтом. Показаны также некоторые характеристические параметры окна 27, а именно длина L рабочей поверхности 20 и угол фиксации β.
На фиг. 12 показано рабочее положение, в котором каждая из четырех труб зафиксирована, создавая контакт в точке 21 с соответствующей рабочей поверхностью 20.
На фиг. 13 показано, соответственно непрерывными и пунктирными линиями, предпочтительное размещение окон 27А и 27В, принадлежащих двум соседним перегородкам, которые могут быть при работе зафиксированы за счет противоположного смещения (например, двух перегородок 5А и 5В, как изображено на фиг. 2). Следует отметить, что окна соседних перегородок расположены в шахматном порядке в горизонтальном и вертикальном направлениях за счет смещения на расстояние, равное шагу труб, так чтобы принимать разные группы труб 4.
На фиг. 14 и 15 представлен другой вариант выполнения - с фиксацией кручением, а именно с трубами, размещенными концентрическими рядами и перегородками, зафиксированными поворотом. В этом варианте выполнения перегородки сформированы по существу концентрическими кольцами, соединенными перемычками.
Принимающие трубы посадочные места сформированы на краях концентрических колец в виде в основном полукруглых углублений 37, содержащих наклоненную к направлению фиксации прямолинейную часть, образующую рабочую поверхность 30. Ссылочные номера 38 и 39 (аналогичные ссылочным номерам 8, 9 и 28, 29) обозначают приемные зоны с люфтом и зоны фиксации труб в углублении 37; ссылочные номера 31 (аналогичные ссылочным номерам 11 и 21) обозначают точку контакта трубы с рабочей поверхностью 30.
В данном примере сделана ссылка на два ряда перегородок, обозначенных А и В (аналогично фиг. 2 и 5) и выполненных с возможностью фиксации при противонаправленных поворотах +ϕ, -ϕ. Показаны два ряда 32А первых перегородок 5А и два ряда 32В вторых перегородок 5В с соответствующими перемычками 33А и 33В.
Следует отметить, что в рабочем положении труба 4 опирается попеременно на кольцо перегородок 5А, принадлежащее первым рядам, и на кольцо перегородок 5В, принадлежащее вторым рядам. Обусловлено это тем, что два соседних кольца одной перегородки разнесены на расстояние 34, равное двум расстояниям 35 по радиусу между двумя концентрическими рядами труб, и тем, что соседние перегородки расположены в шахматном порядке на расстоянии, равном этому радиальному расстоянию 35, как показано на фиг. 14.
Способ сборки устройства 1 включает в основном следующие стадии.
Перегородки 5 располагаются в предварительной/промежуточной сборочной компоновке, например в компоновке с фиг. 2 или 5. В этой предварительной компоновке посадочные места 7 размещены так, что трубы 4 могут быть протянуты сквозь перегородки и введены с люфтом в области 8. На этой стадии перегородки 5 предпочтительно удерживаются на должном расстоянии (шаг р на фиг. 1) посредством соответствующих временных средств.
Введение труб значительно облегчается наличием люфта между трубами и посадочными местами перегородок, так что последние трубы пучка также могут быть установлены без затруднений. После комплектования трубного пучка трубы 5 переставляются и двигаются в рабочее положение, например посредством линейных смещений +f, -f или поворотов +ϕ, -ϕ. В результате трубы 4 фиксируются в областях 9 перегородок.
В вариантах выполнения с фиг. 11-13 или с фиг. 14-15 сборка производится аналогичным образом.
В особо предпочтительном варианте выполнения после достижения рабочего положения (трубы зафиксированы) перегородки 5 блокируются введением пучка в кожух 2 и конструктивным соединением с этим кожухом.