ТРУБА ТЕПЛООБМЕННИКА
HEAT EXCHANGER TUBE

Изобретение относится к теплообменной технике и предназначен для использования в качестве модуля теплообменника ядерных энергетических установок с трубами Фильда в составе паропроизводящей ядерной энергетической установки (ЯЭУ), работающей на жидкометаллическом теплоносителе (ЖМТ) в режиме переменных нагрузок.
Известен теплообменный элемент типа "труба в трубе" с переходником для сред, причем переходник выполнен в виде фасонной пробки, образующей с наружной трубой переточные окна для среды, протекающей в кольцевом пространстве между трубами, и имеющей осевой и радиальные каналы, подключенные к внутренней трубе и выведенные за пределы наружной трубы (см. авт.св. СССР № 399708, МПК F28D 7/10. 1973 г.).
Недостатком данной конструкции является выполнение наружной трубы однослойной, что затрудняет выполнение требований к устройствам, работающим в среде ЖМТ с наружной стороны трубы и с водой с внутренней стороны.
Известна труба теплообменника, содержащая внутреннюю опускную трубу и наружную теплообменную трубу, снабженную донышком (см. патент на полезную модель РФ №52627, МПК F28C 1/00 (2006.01), 2006 г.).
Данному устройству присущ тот же недостаток, что и описанному выше.
Известен теплообменник, содержащий соосно установленные одна в другой с кольцевым зазором наружную, среднюю, внутреннюю трубы, верхний и нижний переходники с переточными окнами. Окна верхнего переходника сообщены с кольцевым зазором между средней и внутренней трубами, а через окна нижнего переходника кольцевой зазор между наружной и средней трубами сообщен с внутренней трубой (см. патент РФ №2382970, МПК F28D 7/10 (2006.01), 2010 г.)
Недостатком данного устройства является сложность конструкции. Причем, судя по описанию, наличие средней трубы не направлено на решение задачи по разграничению контакта наружной трубы с разными средами.
Все описанные конструкции не решают вопроса долговечности работы теплообменника, выполненного по типу трубки Фильда, наружная труба которого контактирует с наружной стороны с ЖМТ, а с внутренней с водой. Каждая из сред предполагает особые требования к материалу, с которым вступает в контакт.
Известна труба Фильда, которая содержит внутреннюю и наружную теплообменные трубы, причем наружная теплообменная труба выполнена из двух слоев («Теплообменные аппараты ядерных энергетических установок» П.А. Андреев, Д.И. Гремилов, Е.Д. Федорович. // «Судостроение», Ленинград, 1969 г., стр.117, 119. Рис.102).
Недостатком этой конструкции является то, что наружная теплообменная труба, состоящая из двух слоев, глушится при помощи двух донышек. Донышки соединяются с каждым слоем наружной теплообменной трубы при помощи сварки, а всякое сварное соединение, как показывает практика, является элементом, снижающим надежность конструкции.
7
Известна труба теплообменника, содержащая внутреннюю и наружную теплообменные трубы, причем наружная теплообменная труба выполнена в два слоя, каждый из которых заглушен донышком. Донышко наружного слоя наружной теплообменной трубы снабжено выступом, на наружной стороне которого и на внутренней стороне внутреннего слоя наружной теплообменной трубы выполнена резьба. Уплотнение резьбового соединения и защита донышка с выступом от воздействия теплоносителя второго контура выполнены при помощи расплавленного металла (см. патент РФ на полезную модель №47503, МПК  F28D 1/00, 2005 г.).
Недостатком данного решения является повышенная металлоемкость и трудоемкость изготовления трубы теплообменника.
Задача, решаемая изобретением, - упростить технологию изготовления при сохранении высокого качества изделия и сокращении трудоемкости процесса.
Поставленная задача решается за счет того, что в известной трубе теплообменника, содержащей внутреннюю и наружную теплообменные трубы, наружная теплообменная труба выполнена в два слоя, каждый из которых заглушен донышком, жестко соединенным с соответствующим слоем, в соответствии с изобретением внутренняя часть донышка соединена с внутренним слоем наружной трубы посредством пайки.
Внутренняя часть донышка выполнена в виде тонкостенного цилиндра со скругленным дном.
Внутренняя часть донышка выполнена удлиненной, так что открытый торец внутренней теплообменной трубы расположен внутри внутренней части донышка.
Расстояние между открытым торцом внутренней теплообменной трубы и скругленным дном внутренней части донышка выбирается в интервале от 10 до 40 мм.
Внешняя часть донышка открытым торцом контактирует с двумя слоями наружной теплообменной трубы и соединена с внешним слоем посредством сварки.
Труба теплообменника снабжена радиальными ребрами, расположенными в верхней части между внутренней и наружной теплообменными трубами.
Технический результат от использования всех существенных признаков изобретения заключается в упрощении технологии изготовления устройства при сохранении высокого качества изделия и сокращении трудоемкости процесса.
Предлагаемая конструкция трубы теплообменника с донышком, состоящим из двух частей, обеспечивает возможность паянного соединения внутренней части донышка с внутренним слоем биметаллической наружной трубы, что существенно упрощает процесс изготовления наружной трубы теплообменника, выполненного по типу трубы Фильда, а также позволяет реализовать одновременный процесс соединения внутренней части донышка с внутренним слоем биметаллической трубы для значительного числа наружных труб теплообменника (от единиц до нескольких сотен) без значительного увеличения затрат.
При этом пайкой обеспечивается надежное герметичное работоспособное соединение, теплообменные характеристики и стойкость наружной трубы теплообменника (включая донышко) в ТЖМТ и воде не изменяются по сравнению со сварным соединением.
Фиг.1 - продольный разрез трубы теплообменника.
Фиг.2 - вид сверху фиг.1.
Труба теплообменника, выполненного по типу трубы Фильда, содержит внутреннюю теплообменную трубу 1 и наружную теплообменную трубу 2 (см. фиг.1). Наружная теплообменная труба 2 выполнена биметаллической, состоящей из внешнего 3 и внутреннего 4 слоев, каждый из которых заглушен с одного конца донышком. Таким образом, донышко наружной трубы состоит из внутренней части 5 и внешней части 6 (см. фиг.1).
Внутренняя часть 5 донышка выполнена в виде тонкостенного цилиндра со скругленным дном 7. Внутренняя часть 5 донышка соединена со стороны своего открытого торца 8 с внутренним слоем 4 наружной теплообменной трубы 2 посредством пайки. Внутренняя часть 5 донышка выполнена удлиненной, так что нижний открытый торец 9 внутренней теплообменной трубы 1 расположен внутри внутренней части 5 донышка. Оптимальное расстояние между открытым торцом 9 внутренней теплообменной трубы 1 и скругленным дном 7 внутренней части 5 донышка определяется на основе экспериментов, исходя из требования полного удаления отложений с поверхности донышка и составляет от 10 до 40 мм.
Изменение расстояния от нижнего открытого торца внутренней теплообменной трубы 1 до скругленного дна 7 внутренней части 5 донышка в диапазоне от 10 до 40 мм не влияет на гидравлическое сопротивление модели.
3
3
Результаты экспериментов по исследованию процесса вымывания частиц накипи и кварцевого песка от 0,5 до 1,5 мм из внутренней части 5 донышка показали, что даже при максимальном расстоянии 40 мм от нижнего открытого торца 9 внутренней трубки 1 до внутренней части 5 донышка полный унос отложений с поверхности донышка происходит при расходе через модель, равном 0,16 м/ч, то есть при расходе, много меньшем натурного (0,98 м/ч). При уменьшении расстояния от внутренней трубки до донышка удаление отложений с поверхности донышка будет еще более быстрым.
Внешняя часть 6 донышка своим открытым торцом 10 контактирует с двумя слоями наружной теплообменной трубы 2, внешним 3 и внутренним 4, и соединена с внешним 3 слоем посредством сварки.
Труба теплообменника снабжена радиальными ребрами 11, расположенными в верхней части между внутренней и наружной теплообменными трубами (см. фиг.2).
Труба теплообменника может быть изготовлена следующим образом:
Наружная труба 2 теплообменника выполнена биметаллической (внешний слой металла биметаллической трубки стоек в среде ТЖМТ, например, сталь ЭП302, внутренний - в воде, например сталь ЧС33) и заглушена донышком. Донышко выполнено составным из двух частей, при этом внешняя часть 6 (стойкая в среде ТЖМТ) соединена с внешним 3 слоем биметаллической наружной теплообменной трубы 2. В качестве соединения внешней 6 части донышка с внешним 3 слоем металла биметаллической трубки использована сварка. Внутренняя часть 5 донышка (стойкая в воде) соединена с внутренним 4 слоем наружной биметаллической теплообменной трубы 2.
В предлагаемой конструкции донышка использовано высокотемпературное паянное соединение внутренней части 5 донышка с внутренним 4 слоем наружной теплообменной биметаллической трубы 2 (толщина слоя припоя - около 0,25-0,5 мм). При этом пайкой обеспечивается надежное герметичное работоспособное соединение, теплообменные характеристики и стойкость наружной трубы теплообменника (включая донышко) в ТЖМТ и воде заметно не изменяются по сравнению со сварным соединением.
Труба теплообменника работает следующим образом.
Труба теплообменника с наружной стороны омывается жидкометаллическим теплоносителем, с внутренней стороны через канал 12 внутренней теплообменной трубы 1 поступает нагреваемая жидкость - вода. Движение потока воды в объеме внутренней части 5 донышка канала Фильда имеет сложный характер. Струя воды, выходящая из канала 12 внутренней теплообменной трубы 1, направлена вниз. Затем в тесном объеме внутренней части 5 донышка, она поворачивает на угол 180° и после этого поступает на вход кольцевого зазора 13 между внутренней 1 и наружной 2 теплообменными трубами, омывая внутренний слой 4 наружной трубы. За счет выполнения наружной теплообменной трубы 2 биметаллической, из двух слоев, обеспечивается контакт каждой среды с материалом, наиболее отвечающим требованиям по надежности и стойкости к воздействию данной среды. Материал внутренней 5 и наружной 6 частей донышка соответствует материалу соответствующего слоя биметаллической наружной теплообменной трубы 2.
Заявляемое устройство может быть изготовлено с использованием известных материалов и технологий на известном оборудовании.