ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК F28D7/00 

Изобретение относится к промышленной энергетике, а также к судовой энергетике. Оно находит применение в подогревателях жидкости и парогенераторах, работающих на использовании тепла теплоносителей - рабочих тел, отработавших в главных энергетических установках (пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива).

В технике известны многочисленные примеры таких устройств. Так, известный в отечественной промышленности однокорпусный горизонтальный парогенератор АЭС [1, с. 247, рис. 150] содержит в своем составе горизонтальный цилиндрический тонкостенный корпус с приварными эллиптическими торцевыми донышками, патрубок подвода питательной воды, патрубок отвода пара, коллектор теплоносителя с подводящими и отводящими патрубками, трубную теплообменную поверхность, устройство сепарации влаги и другие элементы. Поверхность теплообмена выполнена из U-образных змеевиковых труб, скомпонованных в два пучка, между которыми образованы вертикальные коридоры, обеспечивающие устойчивую циркуляцию воды. Использование U-образных труб дает возможность для компенсации температурных удлинений труб теплообменного пучка. Трубы в теплообменных пучках размещены в шахматном порядке. Концы труб завальцованы на всю толщину стенки коллектора с предварительной их сваркой с коллектором. Такие парогенераторы обеспечивают получение пара высокого качества, надежны и безопасны в работе. Однако наличие в их составе U-образных змеевиковых труб обусловливает большую сложность рассматриваемого устройства.

В другой известной конструкции теплообменная поверхность выполнена в виде набора спиральных труб, расположенных концентрично относительно друг друга [1, с. 252, рис. 151. Вертикальный парогенератор АЭС со спиралевидной поверхностью теплообмена].

Такая форма труб обеспечивает самокомпенсацию их температурных растяжений и более высокую компактность этому устройству по сравнению с устройством, описанным выше. Однако изготовление спиральных труб и сборка теплообменного пучка из них являются весьма трудоемкими процессами.

Другой известный парогенератор [2] имеет теплообменную поверхность, выполненную, как и в предыдущем случае, в виде набора спиральных труб. Трубы навиты на вертикальные цилиндрические коллекторы. Пароперегревательный пучок труб разделен концентрическими перегородками на кольцевые секции, что обеспечивает противоточное движение греющей и нагреваемой сред. Однако спиралевидность теплообменных труб обусловливает довольно высокую сложность и данной конструкции.

Более простой является конструкция сетевого вертикального подогревателя типа ПСВ-500-14-23 [3, с. 139, рис. 4-28]. Этот подогреватель выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Подогреватель-прототип имеет цилиндрический корпус с приварным эллиптическим нижним донышком и верхним фланцем. Теплообменная поверхность выполнена в виде набора двух пучков прямых труб, торцы которых герметично закреплены в верхней и нижней трубных досках. На нижней трубной доске смонтирована эллиптическая крышка, герметизирующая проходную полость теплообменных труб относительно внутреннего объема корпуса. Пучки теплообменных труб вместе с нижней доской и ее крышкой введены в корпус через его верхний открытый торец, а верхняя трубная доска уложена через герметизирующую прокладку на фланец корпуса. На верхнюю трубную доску установлено герметично верхнее эллиптическое донышко, закрепленное болтами, ввернутыми во фланец корпуса. Между наружной цилиндрической поверхностью нижней трубной доски и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса выдержан кольцевой зазор, за счет чего обеспечена свобода осевого перемещения нижней трубной доски с ее крышкой при нагреве. Между нижней трубной доской и ее крышкой образована герметичная камера, служащая для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка труб в другой. Внутренняя полость верхнего донышка разделена перегородкой, разделяющей теплообменные трубы на два пучка.

Общим между предлагаемым и известным устройствами является то, что каждое из них содержит цилиндрический корпус с торцевыми донышками, систему труб, образующих транспортную магистраль для подогреваемой с помощью теплоносителя жидкости, герметично закрепленных своими торцами в трубных досках, одна из которых размещена подвижно вдоль оси корпуса с зазором между ее наружной цилиндрической поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, и камеру для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка труб в другой, расположенную в районе подвижной трубной доски.

Достоинством устройства-прототипа является простота его теплообменной поверхности, что обеспечено прямолинейностью его теплообменных труб.

Недостатки известного устройства можно выявить при рассмотрении конструкции его камеры для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка теплообменных труб в другой. Камера образована специальной крышкой, устанавливаемой на торец подвижной трубной доски. Это довольно сложная деталь. Для своего закрепления она требует наличия фланца под крепежные детали и самих крепежных деталей. Все это несколько снижает массогабаритные характеристики известного подогревателя, что и является его недостатком. Кроме того, наличие специальной крышки в известном устройстве вносит определенную сложность в его конструкцию. Это второй недостаток устройства-прототипа. При определенных конструктивных мероприятиях указанные недостатки устройства-прототипа можно устранить.

Задача изобретения - снижение массогабаритных характеристик известного устройства при упрощении его конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в известном подогревателе жидкости, содержащем цилиндрический корпус с торцевыми донышками, систему труб, образующих транспортную магистраль для подогреваемой с помощью теплоносителя жидкости, герметично закрепленных своими торцами в трубных досках, одна из которых размещена подвижно вдоль оси корпуса с зазором между ее наружной цилиндрической поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, и камеру для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка труб в другой, расположенную в районе подвижной трубной доски, изменена конструкция последней и иначе выполнена упомянутая выше перепускная камера. Кроме того, в состав устройства введено эластичное кольцо, герметизирующее кольцевой зазор между наружной цилиндрической поверхностью подвижной трубной доски и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Так, подвижная трубная доска выполнена по меньшей мере с одной кольцевой канавкой, размещенной на ее наружной цилиндрической поверхности, в которую и установлено эластичное кольцо. А перепускная камера образована внутренним объемом, ограниченным подвижной доской и размещенным вблизи нее донышком корпуса.

Таким образом, необходимость в наличии специальной крышки, устанавливаемой на подвижную трубную доску, отпадает. Ее функции передаются одному из донышек корпуса. За счет этого и достигается упрощение конструкции, снижение ее массогабаритных характеристик. Следует отметить, что герметизация двух цилиндрических поверхностей эластичным кольцом выполнима лишь при сопряжении этих поверхностей по ходовой посадке с малым кольцевым зазором, причем чистота сопрягаемых поверхностей должна быть высокой. Получение внутренней цилиндрической поверхности корпуса на всей его протяженности путем механической обработки представляется весьма сложной операцией, которая бы значительно уменьшила ожидаемое упрощение конструкции. Поэтому достижение поставленной цели осуществляется также и тем, что размер диаметра герметизируемой внутренней цилиндрической поверхности корпуса, находящейся в районе расположения подвижной трубной доски и сопрягаемой с ее наружной цилиндрической поверхностью, меньше размера диаметра внутренней цилиндрической поверхности остальной части корпуса. Благодаря этому признаку механическая обработка внутренней цилиндрической поверхности корпуса ведется на небольшом участке длины корпуса, расположенном у того его торца, где находится подвижная трубная доска.

При высоких температурах теплоносителя и подогреваемой жидкости, превышающих 200-250^oC, условия работы эластичного кольца становятся жесткими, поэтому продолжительность эксплуатации подогревателя между сменами этих колец резко сокращается (эксплуатация эластичных колец при более низких температурах может осуществляться продолжительное время [4, с. 81, 82]. Поэтому при работе подогревателя в жестких условиях достижение поставленной цели осуществляется также и тем, что подвижная трубная доска снабжена кольцевым выступом, наружная цилиндрическая поверхность которого выполнена в виде продолжения наружной цилиндрической поверхности этой доски и на ней размещена по меньшей мере одна кольцевая канавка, в которую установлено эластичное кольцо, герметизирующее кольцевой зазор между этой поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Это кольцо дублирует работу кольца, размещенного в самой трубной доске, повышая надежность конструкции. Такое решение целесообразно реализовать в том случае, если толщина стенки подвижной трубной доски оказывается недостаточной для размещения в ней нескольких кольцевых канавок. С целью уменьшения подвода тепла к эластичным кольцам в конструкцию предложено ввести теплосъемное разделительное кольцо из высокопроводного материала. Это кольцо предложено установить в одну из кольцевых канавок трубной доски, лежащую у того ее торца, который обращен в сторону расположения другой трубной доски. При особо тяжелых условиях эксплуатации подогревателя предложено корпус выполнить с кольцевыми выступами, расположенными на его наружной цилиндрической поверхности в районе размещения подвижной трубной доски. Указанные выступы предложено закрыть кожухом с патрубками для подвода и отвода рабочего тела, охлаждающего корпус в месте расположения герметизирующих эластичных колец (например, воздуха).

Из анализа существующей техники следует, что известные подогреватели жидкости и парогенераторы содержат в своем составе цилиндрический корпус с торцевыми донышками, систему труб, образующих транспортную магистраль для подогреваемой с помощью теплоносителя жидкости, герметично закрепленных своими торцами в коллекторах [1, с. 247, рис. 150] или в трубных досках (устройство-прототип). Все известные конструкции выполнены таким образом, что в них осуществлена компенсация температурных удлинений труб теплообменного пучка. Так, в первом из указанных известных устройств компенсация температурных удлинений труб осуществлена за счет использования U-образной формы труб, а во втором - за счет подвижности одной из трубных досок вдоль корпуса. Между цилиндрической внутренней поверхностью корпуса и наружной цилиндрической поверхностью подвижной трубной доски образован кольцевой зазор. При этом размер диаметра внутренней цилиндрической поверхности корпуса имеет постоянную величину и превышает размер диаметра наружной цилиндрической поверхности подвижной трубной доски. Известно также и то, что камера для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка труб в другой, - расположенная в районе подвижной трубной доски (устройство-прототип), образованная пространством, ограниченным этой трубной доской и закрепленной на ней специальной крышкой. Однако среди множества известных конструкций подогревателей жидкости не существует такой, у которой бы подвижная трубная доска имела бы по меньшей мере одну кольцевую канавку, размещенную на ее наружной цилиндрической поверхности, в которую было бы установлено эластичное кольцо, герметизирующее кольцевой зазор между этой поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса. Тем более нет никаких сведений о наличии кольцевого выступа на подвижной трубной доске со своими кольцевыми канавками и эластичными герметизирующими кольцами, а также о соотношении размеров сопрягаемых герметизируемых поверхностей (корпуса и подвижной трубной доски) и внутренней цилиндрической поверхности остальной части корпуса. Авторам изобретения неизвестно и о существовании в составе известных конструкций аналогичного назначения теплосъемного разделительного кольца. Не обнаружено также никакой информации о том, что камера для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка труб в другой в известных подогревателях жидкости образована внутренним объемом, ограниченным подвижной трубной доской и размещенным вблизи ее донышком корпуса. Среди известных подогревателей жидкости нет такого, корпус которого был бы снабжен устройством для его охлаждения в районе расположения эластичных герметизирующих колец.

Совокупность всех этих признаков является новой, не описанной до сих пор в источниках патентной и научно-технической литературы. Поскольку перечисленные новые отличительные признаки предлагаемого устройства позволяют осуществить цель изобретения - снижение массогабаритных характеристик этого устройства при упрощении его конструкции, это позволяет сделать вывод об улучшении части технических характеристик известного устройства. Это свидетельствует о том, что предлагаемое устройство находится на новом, более совершенном техническом уровне по сравнению с тем, который присущ устройству-прототипу. Иначе говоря, технический уровень предлагаемого устройства соответствует изобретательскому уровню.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства по диаметральной плоскости; на фиг. 2-6 - выносные элементы А, Б, В, Г и Д соответственно (фиг. 1) с вариантами исполнения нижней части корпуса и подвижной трубной доски.

В качестве конкретного примера исполнения предлагаемого технического решения приведен вертикальный подогреватель жидкости, хотя с таким же успехом продолжение может быть распространено и на горизонтальный подогреватель. Цилиндрический тонкостенный корпус 1 (фиг. 1) предлагаемого подогревателя жидкости выполнен с двумя торцевыми фланцами 2 и 3. Теплообменная поверхность подогревателя скомпонована из набора прямых труб 4, концы которых герметично закреплены в стенках верхней и нижней 6 трубных досок (например, при помощи сварки и развальцовки). Трубы 4 расположены в шахматном порядке и с зазором между их наружными поверхностями. Нижняя трубная доска 6 вместе с трубами 4 введена внутрь корпуса 1 через отверстие верхнего фланца 2, а верхняя трубная доска 5 уложена через герметизирующую прокладку 7 на верхний фланец 2. На верхнюю трубную доску 5 в свою очередь установлена еще одна герметизирующая прокладка 7 и верхнее донышко 8, поджатое к верхней трубной доске 5, а через нее и к верхнему фланцу 2 болтами, ввернутыми в этот фланец. Донышко 8 снабжено патрубком, выполненным в виде тройника с двумя свободными фланцами 9 и 10. Внутренний объем, ограниченный трубной доской 5 и верхним донышком 8, а также проходное отверстие патрубка этого донышка разделены на две равные плоскости 11 и 12 перегородкой 13, имеющейся в этом донышке и патрубке.

Таким образом, трубы 4 оказываются разделенными перегородкой 13 также на два изолированных относительно друг друга в районе верхней трубной доски 5 пучка.

Один пучок труб через проходное отверстие патрубка полости 11, выведенное в его фланец 10, сообщен с окружающей средой, а другой пучок труб сообщен с ней через проходное отверстие патрубка полости 12, выведенное во фланец 9. Концы обоих пучков труб, закрепленные в нижней трубной доске 6, сообщены с перепускной камерой 14. Последняя образована внутренним объемом подогревателя, ограниченным нижним донышком 15 и нижней трубной доской 6. Нижнее донышко 15 закреплено болтами на нижнем фланце 3 корпуса. Между фланцами корпуса и нижнего донышка установлена герметизирующая прокладка 7. Наружная цилиндрическая поверхность 16 (фиг. 2) нижней трубной доски 6 сопряжена с внутренней цилиндрической поверхностью 17 корпуса 1, имеющей постоянный размер диаметра на всей длине корпуса, по ходовой посадке (8...9 квалитеты точности), т.е. с обеспечением минимального гарантированного зазора между этими поверхностями. На поверхности 16 трубной доски 6 выполнена кольцевая канавка 18, в которую установлено эластичное кольцо 19, герметизирующее сопрягаемые поверхности 16 и 17. Таким образом, полость 14 (фиг. 1) оказалась герметичной относительно полости 20, заключенной между трубными досками 5 и 6, внутренней цилиндрической поверхностью 17 корпуса 1 и наружными поверхностями труб 4, а конструкция крепления теплообменной поверхности обеспечивает возможность осевого перемещения нижней трубной доски 6 вместе с концами закрепленных в ней труб 4. На наружной боковой поверхности корпуса 1 установлены патрубки 21, 22, через которые полость 20 сообщена с внешней средой, окружающей подогреватель. В полости 20 размещены перегородки 23, выполненные в виде сегмента окружности. Каждая из двух соседних перегородок расположена таким образом, что вырез одной из них находится в диаметрально противоположном положении по отношению к вырезу другой.

На фиг. 3 представлен вариант исполнения нижней части корпуса 1 подогревателя. Внутренняя цилиндрическая поверхность 24 корпуса, находящаяся в районе расположения нижней (в дальнейшем - подвижной) трубной доски 6, и наружная цилиндрическая поверхность 16 этой доски имеют диаметр, меньший диаметра цилиндрической поверхности 17 остальной части корпуса.

На фиг. 4 представлен еще один вариант исполнения, отличающийся конструкцией подвижной трубной доски 6. Последняя выполнена с кольцевым торцевым выступом 25. Наружная цилиндрическая поверхность 26 этого выступа является продолжением наружной цилиндрической поверхности 16 доски. Таким образом, поверхности 16 и 26 являются единой цилиндрической поверхностью. На поверхности 26 кольцевого выступа 25 прорезана по меньшей мере одна кольцевая канавка, такая же, как и канавка 18 трубной доски 6. В каждую канавку 18 кольцевого выступа 25 установлено свое эластичное кольцо 19, герметизирующее кольцевой зазор между поверхностями 26 и 24 (фиг. 4) или поверхностями 26 и 17 (применительно к фиг. 1 и 2).

В одну из канавок 18 трубной доски 6, лежащую вблизи ее торца 27, обращенного в сторону другой трубной доски 5, установлено теплосъемное разделительное кольцо 28 из высокотеплопроводного материала вместо эластичного кольца 19 (фиг. 5).

На фиг. 6 представлен еще один вариант исполнения нижней части корпуса 1. На наружной цилиндрической поверхности 29 корпуса 1 размещены несколько кольцевых выступов (ребер) 30. Выступы находятся в районе расположения подвижной трубной доски 6. Они закрыты кожухом 31. Внутреннее пространство, находящееся между выступами 30, через отверстия двух патрубков 32 и 33 кожуха 31 сообщено с внешней средой, окружающей подогреватель.

Перед началом работы с предлагаемым подогревателем его необходимо подключить к системе подогрева жидкости. Для этого фланец 10 патрубка верхнего донышка 8 подсоединяют к трубопроводу, транспортирующему жидкость для подогрева в предлагаемом устройстве. Фланец 9 этого патрубка соединяют с трубопроводом, отводящим подогретую жидкость от предлагаемого устройства. Патрубки 21 и 22 подключают к магистрали теплоносителя (например, пара, отработавшего в турбине), причем один из них, например, патрубок 21 - к подводящему трубопроводу, а другой 22 - к отводящему. Патрубок 32 подсоединяют к подводящему рабочее тело(например, холодный воздух) трубопроводу (фиг. 6), а патрубок 33 - к отводящему.

Предлагаемый подогреватель работает следующим образом.

Жидкость, подлежащая подогреву, под напором поступает в полость 11 через отверстие фланца 10 патрубка верхнего донышка 8. Из полости 11 она направляется в проходные отверстия труб 4 первого пучка этих труб и далее - в перепускную камеру 14. Перегородка 1 предупреждает перетекание жидкости непосредственно из полости 11 в полость 12. Из камеры 14 жидкость поступает в проходные отверстия труб 4 второго пучка этих труб и поднимается в полость 12, откуда через отверстие во фланце 9 патрубка верхнего донышка 8 вытекает в отводящий трубопровод, по которому и доставляется к потребителю уже в подогретом состоянии. Подогрев же осуществляется за счет теплообмена между теплоносителем и наружными стенками труб 4, а также между внутренними стенками труб 4 и подогреваемой жидкостью.

Путь подогреваемой жидкости отмечен стрелками из сплошных размерных линий. Теплоноситель подается по подводящему трубопроводу своей магистрали к патрубку 21, из которого он поступает в изолированную полость 20. Теплоноситель проходит последовательно один за другим участки полости 20, отделенные друг от друга перегородками 23 и, пройдя через патрубок 22, направляется в отводящий трубопровод своей магистрали уже охлажденным. Путь теплоносителя отмечен штрих-пунктирными стрелками. В процессе подогрева жидкости трубы 4 становятся длиннее и их концы вместе с подвижной трубной доской 6 смещаются вдоль корпуса 1, за счет чего и происходит компенсация температурных удлинений. Эластичные кольца герметизируют камеру 14 и полость 20 друг относительно друга, т.е. изолируют подогреваемую жидкость от соприкосновения с теплоносителем. Часть тепла от теплоносителя передается и эластичным кольцам 19, ухудшая условия их эксплуатации. Теплосъемное разделительное кольцо 28 воспринимает на себя часть тепла и передает его корпусу 1, уменьшая тем самым количество тепла, поступающего к эластичным кольцам 19, за счет чего условия работы эластичных колец 19 улучшаются и увеличивается срок их эксплуатации. Рабочее тело, имеющее температуру, более низкую, чем температуру теплоносителя и подогреваемой жидкости, нагнетается во внутреннее пространство, заключенное между выступами 30, через патрубок 32. Обтекая наружную поверхность 29 корпуса 1, рабочее тело получает от корпуса часть тепла и охлаждает его, удаляясь через патрубок 33 в отводящий трубопровод магистрали этого тела. За счет этого количество тепла, передаваемого эластичным кольцам 19, резко сокращается, значительно улучшаются условия работы этих колец, а срок службы их увеличивается. Путь рабочего тела отмечен пунктирными стрелками.

Подогреватель жидкости совершеннее устройства-прототипа. Такое мнение обусловлено тем, что только благодаря предлагаемым новым отличительным признакам удалось упразднить специальную крышку, устанавливаемую на подвижную трубную доску устройства-прототипа и оформляющую камеру для подогреваемой жидкости, перепускающую жидкость из одного пучка труб в другой. Вместе с крышкой отпала необходимость и в наличии большого числа крепежных деталей, необходимых для монтажа этой крышки на подвижной трубной доске. Роль аннулированной специальной крышки в предлагаемом устройстве выполняет нижнее донышко, установленное на нижнем фланце корпуса. Это донышко входит и в состав известного устройства. Таким образом, исключение из состава известного устройства специальной крышки позволило сократить длину подогревателя, т.е. уменьшить один из его габаритов, а также уменьшить его массу. Кроме того, сокращение количества деталей позволило упростить конструкцию (это утверждение не может быть отнесено лишь к исполнению, изображенному на фиг. 6, где имеются дополнительные элементы конструкции). Следует отметить, что указанное улучшение массогабаритных характеристик известного устройства достигнуто не просто за счет упразднения части деталей в этом устройстве, а за счет изменения формы подвижной трубной доски и за счет новых признаков, относящихся к образованию перепускной камеры для подогреваемой жидкости находящейся в районе размещения этой доски.

Натурные испытания образцов дадут возможность для окончательного решения о целесообразности использования в судостроении предлагаемого технического решения. Предложение может быть использовано также и в промышленных энергосистемах.

Использование: в промышленной энергетике, а также судовой энергетике, в устройствах отопительных систем. Сущность изобретения: подогреватель содержит корпус 1 с торцевыми донышками 8 и 15, систему труб 4, образующих транспортную магистраль для подогреваемой с помощью теплоносителя жидкости, герметично закрепленных своими торцами в трубных досках 5 и 6. Одна из досок размещена подвижно вдоль оси корпуса 1 с зазором между ее наружной цилиндрической поверхностью 16 и внутренней цилиндрической поверхностью 17 корпуса 1. Камера 14 для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка труб 4 в другой расположена в районе подвижной трубной доски 6, выполненной с одной кольцевой канавкой, размещенной на ее наружной цилиндрической поверхности, в которую установлено эластичное кольцо, герметизирующее кольцевой зазор между этой поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью. Кроме того, камера 14 образована внутренним объемом, ограниченным подвижной трубной доской 6 и размещенным вблизи нее донышком 15 корпуса 1. 6 ил.

Подогреватель жидкости, содержащий цилиндрический корпус с торцевыми донышками, систему труб, образующих транспортную магистраль для подогреваемой с помощью теплоносителя жидкости, герметично закрепленных своими торцами в трубных досках, одна из которых размещена подвижно вдоль оси корпуса с зазором между ее наружной цилиндрической поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, и камеру для перепуска подогреваемой жидкости из одного пучка труб в другой, расположенную в районе подвижной трубной доски, отличающийся тем, что подвижная трубная доска выполнена по меньшей мере с одной кольцевой канавкой, размещенной на ее наружной цилиндрической поверхности, в которую установлено эластичное кольцо, герметизирующее кольцевой зазор между этой поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, причем камера для перепуска подогреваемой жидкости образована внутренним объемом, ограниченным подвижной трубной доской и размещенным вблизи нее донышком корпуса.