Поверхностный теплообменник

Изобретение относится к поверхностному теплообменнику, а именно к промежуточному пароперегревателю с горизонтально расположенным трубным пучком, представленным Б-образными, так называемыми шпилькообразными трубками, где греющей средой является пар, который конденсируется внутри названных трубок и давление которого больше, чем давление пара, обтекающего снаружи поверхность этих трубок по направлению, перпендикулярному к их осям которому отдается теплота испарения.До сих пор изготавливающиеся и применяющиеся поверхностные теплообменники этого типа находят свое применение в турбоагрегатах насыщенного пара, где они используются для промежуточного отделения водяных капель в предвключенном влагоотделительном устройстве.Рабочий пар обтекает поверхность трубок снаружи чаще по направлению, перпендикулярному их продольным осям, и при этом течении обогревается. Давление греющего пара превышает давление рабочего пара. Греющий пар подводится во входную паровую камеру трубного пучка, из которой он течет в трубки и, протекая по ним, отдает свое тепло рабочему пару.Наружная поверхность пучка У-образных трубок представляет собой теплообменную поверхность. В процессе описанного теплообмена происходит постепенная конденсация греющего пара, При шпилькообразной теплообменной поверхности концы трубок соединены с трубной доской, к которой примыкает с обратной стороны паровая камера с входным и выходным патрубками.При конденсации пара внутри трубок возрастает в соответствии с отдачей тепла рабочему пару постепенно по длине трубки количество образовавшегося конденсата, заполняющего все большую и большую часть площади сечения трубки. Наоборот, имеющаяся в протекающей смеси вода - пар доля пара постепенно уменьшается, и к концу процесса конденсации происходит образование накоплений и закупорок из конденсата, которые содержат паровые пузыри.Эта форма течения неустойчива, вследствие чего возникают пульсации давления и температуры внутри трубки, что ведет за собой эксплуатационно опасное повышенное напряжение в местах соединения трубки с трубной доской и скорую потерю герметичности соединения. Имеющийся перепад давления между впускным и выпускным патрубками паровойкамеры влияет на количество пара, которое входит в отдельные У-образные трубки. При этом в результате большего температурного перепада внутри трубок, которые обтекаются снаружи еще холодным рабочим паром, греющий пар конденсируется скорее, чем в трубках, обтекаемых уже обогретым рабочим паром. В обте 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 каемых снаружи обогретым рабочим паром трубках может происходить обратное течение несконденсированного греющего пара во впускные отсеки трубок, обтекаемых холодным рабочим паром.Кроме того, внутри данных трубок происходит накопление неконденсируемых (инертных) газов и тем самым исключается часть поверхности данных трубок из теплообмена.В случае расположения .-образных трубок в трубном пучке так, что обогреваемый рабочий пар течет перпендикулярно к их плоскостям, обе ветви каждой из У-образных трубок пучка, обтекаемые паром, имеют одинаковую температуру, поэтому температура стенок 13-образных трубок в обеих ветвях практически одинакова и термическое напряжение от разности температур в отдельных ветвях исключено, Такое расположение трубного пучка ведет к значительной неравномерности распределения количества греющего пара, сконденсированного по направлению течения рабочего пара в отдельных рядах.Известен также вариант трубного пучка с плоскостями 3-образных трубок, установленных параллельно направлению рабочего пара. Этот вариант дает более равномерное распределение греющего пара в отдельных рядах и меньшее количество неконденсируемого пара в отношении к количеству подводимого греющего пара. Имеющаяся между отдельными ветвями разность температур под действием температуры греющего пара может получить значительную величину, особенно в случае наружных 0-образных трубок трубного пучка, При значительной длине прямых частей У-образных трубок термические напряжения за счет разности температур в обеих ветвях У-образной трубки могут иметь своим последствием деформации и дальнейшие повреждения У-образных трубок в трубном пучке.Упомянутые выше недостатки существующих решений могут быть минимизированы за счет применения поверхностного теплообменника с горизонтально установленным трубным пучком, в состав которого входит паровая камера, трубная доска и 0-образные, так называемые шпилькообразные трубки, наружная поверхность которых представляет.собой суммарную поверхность теплообмена с направляющим каналом. Преимущество этого теплообменника заключается в том, что его суммарная поверхность тепло- обмена выполнена так, что она состоит из одного основного пучка 3-образных трубок, трубки которого установлены по вертикальным плоскостям параллельно с продольной осью поверхностного теплообменника, и по крайней мере из одного вспомогательного пучка Б-образных трубок, трубки которого расположены в вертикальных плоскостях параллельно с продольной осью по5 1 О верхностного теплообмен ника, поверхности теплообмена которых меньше поверхностей теплообмена основного пучка У-образных трубок. При этом суммарная поверхность теплообмена расположена в направляющем канале, который образован продольными стенами, расположенными вдоль боков обоих пучков 11-образных трубок, и поперечными стенками, расположенными поперек продольных стен на обоих концах направляющего канала. Вспомогательный пучок Б-образных трубок расположен под основным пучком 1.1-образных трубок, трубки которого выходят из входного пространства паровой камеры и входят в выходное пространство паровой камеры, а Б-образные трубки вспомогательного пучка выходят из входной камеры и входят во входную камеру паровой камеры.Кроме того, входное пространство паровой камеры отделено от выходного пространства этой паровой камеры при помощи горизонтальной йерегородки и снабжено входным штуцером греющего пара. Выходное пространство паровой камеры отделено с помощью перегородки от входной и выходной камеры, соединено с входной камерой через переводной патрубок и снабжено конденсатоотводным штуцером и выравнивающим штуцером. Выходная камера, отделенная от входной камеры с помощью вертикальной перегородки, снабжена конденсатоотводом и штуцером для вентиляции.Преимуществом данного поверхностного теплообменника является возможность выбора количества подводимого греющего пара и длины Б-образных трубок так, чтобы процесс конденсации во всех трубках основного пучка был прекращен перед появлением, неустойчивых форм течения. В выходном пространстве паровой камеры протекает процесс отделения полученного конденсата от несконденсированной доли греющего пара. Этот конденсат направляется в конденсатосборник, расположенный вне поверхностного теплообменника, несконденсированная доля греющего пара направляется из основного пучка 1.1-образных трубок во входную камеру и во входные ветви вспомогательного пучка Б-образных трубок, Здесь протекает процесс конденсации, как и в случае Б-образных трубок основного пучка, но под давлением, которое снижено на потерю давления внутри основного пучка У-образных трубок. Доля несконденсированного греющего пара может быть отведена из выходной камеры в виде вентиляционного пара, или же в случае больших значений его конденсация может быть продолжена в добавочном вспомогательном пучке 13-образных трубок, поверхность теплообмена которых уменьшена пропорционально количеству конденсирующего пара. Доля неконденсируемого греющего пара, отводимая из добавочно 15 20 25 30 35 40 45 50 55 го вспомогательного пара, в сопоставлении с количеством греющего пара, подводимого в основной пучок Г-образных трубок, нвл- ется незначительной, таким образом, тепловые потери такженезначительны.Преимуществом данного поверхностного теплообменника являегся его бесперебойная эксплуатация благодаря исключению опасных для эксплуатации форм течения двухфазной смеси вода/пар внутри всех С- образных трубок. Постоянное количество вентиляционного пара при этом незначительно. В основном пучке 1-образных трубок, который представляет собой существенную часть поверхности теплообмспа поверхностного теплообменника, Г-обрыные тр бкиустановлены в плоскостях, параллельных на правлению потока рабочего папа. Следовательно, этот пучок работает " . .оси сельпо малой неравномерностьк распределения греющего пара в отдельных рядах 11-образных труоок, а тем самым и с о-носигельпо малым количеством неконденсируемого пара. Следовательно, для конденспрования пара, отводимого из основного пучка Ь-образных трубок, вспомогательная поверхность тсплообмена, представляемая, например, только одним вспомогательным пучком 1.образных трубок, вполне достаточна.Вспомогательные пучки Ь-образных трубок, которые включены перед основным пучком Е-образных трубок по направлению потока обогреваемого рабочего пара, работают с большой разностью температур между греющим и рабо пм паром. Поэтому в этой же части поверхностного теплообменннка рабочий пар обогревается быстро на малом числе рядом 1 Л образных труоок, в результате чего значительноонпжаетси его обогрев в основном пучке 1.-образных трубок. Разность температур стенок в отдельных ветвях основного пучка 1-образьых трубок, особенно крайних 1 Л-образных г".бок, за счет этой компоновки понизится до опустимых величин. В вспомогательных пучках Ь-образных трубок давление греющего пара понизится на возникшую в основном пучке 3- образных трубок потерю давления. Так как вспомогательные пучки 1 образных трубок приходят в соприкосновение с еще не обогретым рабочим паром, это понижение давления теряет свое практическое значение, если принять в расчет большую разность температур обоих работающих паров. Наоборот, здесь подсос оказывает благоприятное влияние на долю исходящего из основного пучка Ч-образных трубок несконденсированного греющего пара. В вспомогательных пучках Б-образные трубки установлены в плоскостях, перпендикулярных к направлению потока рабочего пара. Так как речь идет о весьма малом числе рядов Б-образных трубок, 109785945 50 55 в большинстве случае не превышающем 1/в 1/6 числа рядов в У-образных трубок основного пучка, количество несконденсированного пара в них, включая вентиляционный пар, мало по сравнению с количеством греюшего пара, подводимого в основной пучок 11-образных трубок. Преимушеством описанной компоновки 1.1-образных трубок являются малые требования, предъявляемые к плошади трубной доски, что особенно важно при двухступенчатом обогреве.На фиг. 1 изображен поверхностный теп.лообменник, продольный осевой разрез; на фиг. 2 - паровая камера трубного пучка поверхностного теплообменника, поперечный разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 изображен корпус поверхностного теплообменника, поперечный разрез по Б-Б на фиг. 1.Согласно фиг, 1, с одной стороны, в корпусе 1 поверхностного теплообменника установлен трубный пучок 2, состоящий из основного пучка 5 11-образных трубок 7, вспомогательного пучка 6 .1-образных трубок 8 и трубной доски 4 с паровой камерой 3, и с другой стороны - направляющий канал 30, указанный также на фиг. 3, ограниченный стенами 31 и поперечными стенами 32, В пространство направляющего канала 30 входят основные и вспомогательные пучки 5, 6 соответственно. Основной пучок 5 11-образных трубок 7.представляет собой 1.1- образные трубки , установленные в вертикальных плоскостях, вспомогательный пучок 6 11-образных трубок 8 образоваН из 0- образных трубок 8, установленных в горизонтальных плоскостях. Наружная поверхность1-образных трубок 7, 8 представляет собой поверхность теплообмена поверхностного теплообменника. Открытые концы 1.1- образных трубок 7, 8 вставлены в соответствуюшие отверстия в трубной доске 4 и таким образом сообщены с внутренним пространствсм паровой камеры 3, соединенной с корпусом 1 поверхностного теплообменника, Корпус 1 поверхностного теплообменника снабжен штуцером 24 для выпуска рабочего пара и впускным штуцером рабочего пара.Поперечные стены 32 направляющего канала 30 снабжены вырезками 33 для ввода 11-образной части трубного пучка 2 в направляющий канал 30. Вырезка 33 в поперечной стене 32 непосредственно за впускным штуцером 23 защищена кожухом 34 против проникания в направляющий канал 30 входного пара. Взаимное положение У-образных трубок 7, 8 друг относительно друга зафиксировано опорными промежуточными трубными досками 35.Согласно фиг. 2, внутреннее пространство паровой камеры 3 разбито на четыре части, Верхняя часть, отделенная от остального пространства горизонтальной перегородкой 12, представляет собой впускное пространство 10, снабженное впускным патруб 1 1 О 15 20 25 30 35 40 ком 9. Из этого впускного пространства О исходят входные ветви 11-образных трубок 7 основного трубного пучка 5. Средняя часть паровой камеры 3 отделена от нижней части последней с помощью перегородки 13, которая также расположена горизонтально, представляя собой выходное пространство 11, в которое впадают выходные ветви 11-образных трубок 7 основного пучка. Нижняя часть паровой камеры 3 под разделительной перегородкой 13 с помощью вертикальной перегородки 14 разбита на две одинаковые части. Одна из них образует входную камеру 15, из которой выходят входные ветви У-образных трубок 8 вспомогательного пучка 6, и вторая представляет собой выходную камеру 16, в которую впадают выходные ветви 1.1-образных трубок 8 вспомогательного пучка 6. Выходное пространство 11 паровой камеры 3 и входная камера 15 этой паровой камеры 3 взаимно соединены через патрубок 17. Выходное пространство 11 паровой камеры 3 снабжено отводным патрубком 18 для отвода конденсата и выравниваюшим патрубком 19 для выравнивания давления, присоединенным далее к не указанному на чертеже паровому пространству конденсатосборника. Выходная камера 16 паровой камеры 3 снабжена патрубком 20 отвода конденсата и воздухоудаляющим патрубком 21 для удаления вентиляционного пара. В фиг. 2 в поперечном разрезе поверхностного теплообменника по В-В представлено расположение основного пучка 5 1.1-образных трубок 7 и вспомогательного пучка 6 1.1-образных трубок 8 в направляющем канале 30, образованном продольными и поперечными стенами 31, 32. В свободном пространстве средней части вспомогательного пучка 6 11-образных трубок 8 установлена вставка 36. В корпусе 1 поверхностного теплообменника вдоль продольных стен 31 расположено влагоотделительное устройство, которое на фигуре не представлено. Влажный рабочий пар, выходящий из части высокого давления турбины, направляется через впускной штуцер 23 в корпус 1 поверхностного теплообменника и при протекании через устройство влагоотделения механически очищается от влаги. Поток высушенного рабочего пара потом направляется за счет продольных и поперечных стен 31, 32 направляюшего канала 30 так, чтобы он протекал перпендикулярно У-образным трубкам 7, 8 по направлению снизу вверх. Протекая по трубным пучка 7 и 8, рабочий пар постепенно обогревается и через штуцер 24 покидает корпус 1 .поверхностного теплообменника. Греющий пар подводится через впускной патрубок 9 греющего пара во впускное пространство 10 паровой камеры 3, откуда он поступает в 1.1-образные трубки 7 основного пучка 5 и течет через .1-образные1097859 А-А СоставительТехред И Тираж 40 ПИ Государственделам изобрет Москва, Ж - 35, П Патент, г. Н. ГолуВерес Редактор М. Цитки Заказ 4 87/33 Сини цка КорректорПодписноеитета СССРоткрытийя на 6., д. 4/5ул. Проектная,ВНИИ п 13035,илиал ППного ко ний и РаушскУжгород трубки 7, причем он частично конденсируется, отдавая долю своей теплоты конденсации рабочему пару, который обтекает снаружи 1.1-образные трубки 7. В выходном пространстве 11 основного пучка 11-образных трубок 5 происходит разделение обоих фаз паро-водяной смеси, подводимой туда через 1.1-образные трубки 7. Полученный конденсат отводится через отводной патрубок 18 в конденсатосборник, расположенный вне оборудования, что способствует соединению его парового пространства с выходным пространством 11 основного пучка 3-образных трубок 5 через трубопровод, соединенный с выравнивающим патрубком 19. Доля подводимого количества греющего пара, несконденсировавшегося в 1.3-образных трубках 7 основного трубного пучка 5, отводится через патрубок 17 в входные камеры 15 вспомогательного пучка 6 Б-образных трубок 8, откуда она поступает в 11-образные трубки 8 вспомогательного пучка 6. После частичной конденсации в 1./-образных трубках О смесь пар - вода поступает в выходную камеру 16 вспомогательного пучка 6 1.1-образных трубок 8, откуда конденсат отводится через патрубок 20 отвода конденсата, и малое количество несконденсированного пара выпускается через воздухоудаляющий патрубок 21 для отвода вентиляционного пара.