ПРЯМОТОЧНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ПАРОГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК F28D7/10 

Изобретение относится к теплообменному оборудованию, в частности к парогенераторам, а точнее к парогенераторам ядерных энергетических установок.

Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий винтообразно закрученные теплообменные трубы овального профиля, закрепленные прямыми круглыми в поперечном сечении концами в трубных досках и установленные одна относительно другой с касанием по максимальному размеру овала. Трубы имеют участки закрутки длиной 5-7d с прямыми участками между ними длиной 1-2d, где d максимальный размер овала. Смежные закрученные участки имеют противоположное направление закрутки [1]
Недостатком этого теплообменника является повышенное сопротивление в трубах и межтрубных каналах. Прямые участки труб короче закрученных в 3,5-5 раз и влияния на снижение гидравлического сопротивления не оказывают.

Наиболее близким техническим решением является кожухотрубный теплообменник, содержащий закрепленные в трубных досках теплообменные элементы типа "труба в трубе" и патрубок подвода одной из сред одновременно в межтрубное пространство и внутренние трубы. Каждая внутренняя труба снаружи снабжена змеевиком, подключенным концами к входному и выходному участкам этой трубы. Имеются патрубок подвода среды в кольцевые полости между наружными и внутренними трубами, патрубки отвода обеих рабочих сред [2]
C заявляемыми существенными признаками предлагаемого изобретения совпадают его следующие признаки:
закрепленные в трубных досках теплообменные элементы типа "труба в трубе";
патрубок подвода греющей среды одновременно в межтрубное пространство и во внутренние трубы;
патрубок подвода рабочей среды в кольцевые полости между наружными и внутренними трубами;
патрубки отвода греющей среды и пара.

Введение в кольцевые полости между трубами турбулизатора потока в виде змеевика резко повышает гидравлическое сопротивление, особенно по рабочей среде. К тому же, в зоне испарителя повышается термическая пульсация, что снижает надежность теплообменника.

В прямоточном вертикальном парогенераторе, содержащем закрепленные в его трубных досках теплообменные элементы типа "труба в трубе", патрубок подвода греющей среды сверху одновременно в межтрубное пространство и во внутренние трубы, патрубок подвода рабочей среды снизу в кольцевые полости между наружными и внутренними трубами, патрубки отвода греющей среды и пара внутренние трубы каждого из теплообменных элементов на участке подвода среды в кольцевую полость, образующем в процессе работы зону экономайзера, а также на участке овода среды из кольцевой полости, образующем в процессе работы зону пароперегревателя, выполнены витыми. Как вариант, каждая из внутренних труб в средней части, расположенной между участками подвода и отвода рабочей среды в кольцевую полость, образующей в процессе работы зону испарителя, снабжена не менее чем одним навитым участком, причем длинна прямых участков в 4-8 раз больше длины навитых участков. Диаметр внутренней трубы выполнен в пределах от 0,5 до 0,8 от внутреннего диаметра наружной трубы, а диаметр ее навивки равен разности внутреннего диаметра наружной трубы и диаметра внутренней трубы. Навивка каждого из участков внутренней трубы в зоне испарителя выполнена с плавно изменяющимся шагом от 5 до 20 диаметров внутренней трубы, причем в начале участка он монотонно уменьшается, а от середины увеличивается, и с плавно уменьшающимся до нуля к обоим концам каждого участка диаметром навивки. Как вариант, вся внутренняя труба в зоне испарителя выполнена навитой, причем шаг навивки монотонно увеличивается в направлении к пароперегревателю. Навивка внутренней трубы в зонах экономайзера и пароперегревателя выполнена в виде примыкающих друг к другу участков с плавно уменьшающимся и плавно увеличивающимся диаметром и постоянным шагом навивки.

Выполнение внутренней трубы каждого из теплообменных элементов витой только в зоне экономайзера и пароперегревателя и без навивки в зоне испарителя снижает гидравлическое сопротивление и затраты на прокачку греющей и рабочей сред. При этом обеспечивается интенсификация теплообмена в зонах экономайзера и пароперегревателя парогенератора. Снижается пульсация температуры в зоне испарителя, и повышается его надежность.

Снабжение каждой из внутренних труб в зоне испарителя одним или несколькими участками с навивкой, длина которых в 4-8 раз меньше длины прямых участков, обеспечивает закрутку потока греющей и рабочей сред, незначительно повышая гидравлическое сопротивление, улучшает теплопередачу в испарителе за счет увеличения поверхности теплообмена вследствие отсутствия экранирования поверхностей наружной и внутренней труб в зоне их возможного контакта.

Выполнение внутренней трубы с наружным диаметром, равным 0,5-0,8 от внутреннего диаметра наружной трубы, и диаметром ее навивки, равным разности внутреннего диаметра наружной трубы и диаметра внутренней трубы, обеспечивает форму кольцевой полости между трубами в виде спиральной ленты, одна сторона которой в продольном диаметральном сечении представляет прямую, а другая
выпуклость, плавно примыкающую своими концами к прямой, причем ширина ленты больше ее высоты в 5-8 раз. Этим обеспечивается интенсивная теплопередача от греющей среды к рабочей за счет турбулизации сред во внутренней трубе и кольцевом канале и развитой поверхности теплообмена между ними.

Выполнение внутренний трубы с участками навивки в зоне испарителя с плавно изменяющимся шагом от 5 до 20 диаметров внутренней трубы, причем в начале участка монотонно уменьшающимся, а затем увеличивающимся, и с плавно уменьшающимся до нуля на обоих концах каждого участка диаметром навивки снижает гидравлическое сопротивление в зоне испарителя.

Выполнение всей внутренней трубы в зоне испарителя навитой, причем с монотонно увеличивающимся шагом навивки в направлении к пароперегревателю, обеспечивает увеличение устойчивости парогенератора к межканальным колебаниям потока рабочего тела.

Выполнение навивки внутренней трубы в зонах экономайзера и пароперегревателя в виде повторяющихся участков с плавно уменьшающимся и плавно увеличивающимся диаметром и постоянным шагом навивки обеспечивает увеличение теплоэнергетической эффективности.

На фиг. 1 изображен прямоточный вертикальный парогенератор, на фиг. 2 - его теплообменный элемент, на фиг.3 вариант выполнения внутренней трубы в зоне испарителя, на фиг. 4 вариант навивки внутренней трубы в зоне испарителя, на фиг. 5 другой вариант навивки внутренней трубы в зоне испарителя, на фиг. 6 вариант навивки внутренней трубы в зонах экономайзера и перегревателя, на фиг. 7 сечение по А-А на фиг. 3.

Парогенератор содержит корпус 1 с трубными досками 2 и 3 и закрепленные в досках теплообменные элементы 4 типа "труба в трубе". Корпус 1 снабжен патрубком 5 подвода греющей среды одновременно в межтрубное пространство 6 и внутренние трубы 7 и включает пароперегреватель 8, испаритель 9 и экономайзер 10. Экономайзер обеспечивает подогрев поступающей через патрубок 11 рабочей среды, подаваемой в кольцевые полости 12 между наружными трубами 13 и внутренними трубами 7. Через патрубок 14 отводится греющая среда, через патрубок 15 пар.

Трубы 7 и 13 выполнены круглого поперечного сечения, каждая из труб 7 теплообменных элементов 4 в зонах пароперегревателя 8 и экономайзера 10 - витыми. Каждая из труб 7 в зоне испарителя 9 снабжена одним или несколькими навитыми участками 16. Длина 1₁ ее прямых участков 17 в 4-8 раз больше длины 1₂ навитых участков 16 (фиг. 3). Если длина прямых участков превышает длину навитых участков более чем в 8 раз, снижается эффективность теплопередачи к рабочей среде в испарителе, при их соотношении менее 4 резко повышается гидравлическое сопротивление.

Диаметр d внутренней трубы 7 выполнен в пределах 0,5-0,8 от внутреннего диаметра D_в наружной трубы 13. При их соотношении менее 0,5 снижается эффективность нагрева рабочей среды и паропроизводительность, при соотношении более 0,8 резко повышается гидравлическое сопротивление по рабочей среде. Диаметр D_н навивки трубы 7 равен разности внутреннего диаметра D_в трубы 13 и диаметра трубы 7. При этом кольцевая полость 12 в зонах 8 и 10 и на участках 16 испарителя 9 имеет форму спиральной ленты, одна сторона которой в продольном диаметральном сечении представляет прямую, а другая - выпуклость, плавно примыкающую своими концами к прямой, причем ширина ленты В больше ее высоты h в 5-8 раз. Этим обеспечивается интенсивная теплопередача от греющей среды к рабочей за счет турбулизации сред в кольцевом канале 12 и трубе 7 и развитой поверхности теплообмбена между ними.

Навивка каждого из участков 16 внутренней трубы 7 в зоне испарителя 9 выполнена с плавно изменяющимся шагом от 5 до 20 диаметров труб 7, причем в начале участка он постоянно уменьшается, а от середины увеличивается. Диаметр навивки каждого участка 16 к обеим его концам плавно уменьшается до нуля (фиг. 4).

Как вариант, труба 7 в зоне испарения 9 выполнена по всей длине испарителя навитой, причем шаг t_н навивки монотонно увеличивается в направлении к пароперегревателю (фиг. 5).

Навивка трубы 7 в зонах экономайзера 10 и пароперегревателя 8 выполнена, как вариант, в виде повторяющихся участков 18 с изменяющимся диаметром навивки: плавно уменьшающимся в начале, а затем плавно увеличивающимся и постоянным шагом навивки (фиг. 6).

Парогенератор работает следующим образом.

Греющая среда через патрубок 5 подается одновременно в межтрубное пространство 6 парогенератора и внутренние трубы 7, охлаждается, нагревая трубы 13 и 7, и отводится через патрубок 14. Рабочая среда подается через патрубок 11 в кольцевые полости 12 между трубами 13 и 7 и последовательно проходит через экономайзер 10, испаритель 9, пароперегреватель 8. Проходя по экономайзеру, участки 16 испарителя и пароперегревателю, рабочая среда активно турбулизируется и нагревается, интенсивно охлаждая трубы 7 и 13. Так как длина участков 17 в 4-8 раз больше длины участков 16, а длина участков 16 выбирается минимальной для закрутки потока, то турбулизация рабочей среды в зоне испарителя 9 не значительна и не нарушает режима пленочного кипения.

В пароперегревателе 8 обеспечивается интенсивная теплоотдача от греющей среды к пару за счет их интенсивной турбулизации.

При применении предложенного парогенератора обеспечивается снижение гидравлического сопротивления за счет использования внутренней трубы без навивки или с небольшими участками навивки с плавно увеличивающимся и плавно уменьшающимся диаметром навивки в испарителе, а также интенсификация теплообмена в экономайзере и пароперегревателе за счет навивки внутренней трубы теплообменных элементов, обеспечивается компактность и энергонапряженность парогенератора.

Использование: в парогенераторах, преимущественно ядерных энергетических установок. Сущность изобретения: парогенератор содержит корпус, включающий экономайзерную, испарительную и пароперегревательную зоны, теплообменные элементы типа "труба в трубе", по две трубных доски для закрепления наружных и внутренних труб теплообменных элементов, патрубок подвода греющей среды сверху одновременно в межтрубное пространство и во внутренние трубы, патрубок подвода рабочей среды снизу в кольцевые полости между наружными и внутренними трубами, патрубки отвода греющей среды и пара. Кольцевые полости снабжены турбулизаторами потока, роль которых выполняет навивка внутренней трубы, выполненная в зонах экономайзера и пароперегревателя. Как вариант, внутренняя труба в зоне испарителя снабжена одним или несколькими навитыми участками заданной длины. Возможна навивка этих участков с плавно изменяющимся шагом. Как вариант, навивка внутренней трубы в зонах экономайзера и пароперегревателя выполнена в виде примыкающих друг к другу участков с плавно уменьшающимся и плавно увеличивающимся диаметром и постоянным шагом навивки. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Прямоточный вертикальный парогенератор, содержащий закрепленные в его трубных досках теплообменные элементы типа "труба в трубе", патрубок подвода греющей среды одновременно в межтрубное пространство и во внутренние трубы, патрубок подвода рабочей среды снизу в кольцевые полости между наружными и внутренними трубами, патрубки отвода греющей среды и пара, отличающийся тем, что внутренние трубы каждого из теплообменных элементов на участке подвода среды в кольцевую полость, образующем в процессе работы зону экономайзера, а также на участке отвода среды из кольцевой полости, образующем в процессе работы зону пароперегревателя, выполнены витыми. 2. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что каждая из внутренних труб в средней части, расположенной между участками подвода и отвода рабочей среды в кольцевую полость, образующей в процессе работы зону испарителя, снабжена не менее чем одним навитым участком, причем длина прямых участков в 4 8 раз больше длины навитых участков. 3. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что диаметр внутренней трубы выполнен в пределах от 0,5 до 0,8 от внутреннего диаметра наружной трубы, а диаметр ее навивки равен разности внутреннего диаметра наружной трубы и диаметра внутренней трубы. 4. Парогенератор по п. 2, отличающийся тем, что навивка каждого из участков внутренней трубы в зоне испарителя выполнена с плавно изменяющимся шагом от 5 до 20 диаметров внутренней трубы, причем в начале участка он монотонно уменьшается, а от середины увеличивается, и с плавно уменьшающимся до нуля к обоим концам каждого участка диаметром навивки. 5. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя труба в зоне испарителя выполнена навитой, причем шаг навивки монотонно увеличивается в направлении к пароперегревателю. 6. Парогенератор по п.1, отличающийся тем, что навивка внутренней трубы в зонах экономайзера и пароперегревателя выполнена в виде примыкающих друг к другу участков с плавно уменьшающимся и плавно увеличивающимся диаметром и постоянным шагом навивки.