ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГАЗООХЛАЖДАЕМЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2004 года по МПК F28D7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть наиболее эффективно применено в установках с газоохлаждаемыми ядерными реакторами, используемыми в сфере производства энергии в прямом замкнутом газотурбинном цикле. Предложенный теплообменник предназначен для быстрого расхолаживания остановленного реактора до температурного состояния, позволяющего производить перегрузку топлива и ремонтные работы. Кроме того, он может быть применен в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где возникает необходимость в крупногабаритных теплообменных аппаратах, работающих при больших перепадах температуры между контурами теплоносителей.

Известен теплообменник для охлаждения газа в высокотемпературном газоохлаждаемом реакторе, выполненный из змеевиковой трубной бухты, закрепленной на двух опорных плитах, расположенных с противоположных сторон трубной бухты, см., например, Европейский патент №0172363, кл. F 28 D 7/02, 26.02.1986.

Известен также парогенератор, разработанный и изготовленный фирмой Sulzer (Швейцария) для установки Форт-Сент-Фрейн. Она была предназначена для изучения эксплуатационных возможностей крупных установок HTGR. Теплообменная поверхность парогенератора состоит из цилиндрических змеевиков, опирающихся на перфорированные плиты, соединенные с центральной опорной конструкцией.

Недостатком известных конструкций является недостаточно свободное перемещение трубного пучка относительно корпуса теплообменника, что не позволяет гасить вибрацию и компенсировать температурные деформации.

Известен теплообменник с пучком спирально изогнутых труб, предназначенный для утилизации тепла высокотемпературных газов для получения технологического пара, см. Швейцарский патент №613274, кл. F 28 D 7/02, опубл. 14.09.1979.

В вертикальном цилиндрическом корпусе расположена центральная колонна, вокруг которой размещены спиральные трубы, навитые в несколько рядов и пропущенные сквозь отверстия в радиально установленных пластинах. Последние жестко связаны шарнирными подвесками с плоскими ребрами, жестко закрепленными на верхней части колонны. В боковых стенках корпуса напротив пластин имеются окна, в которых помещены прямоугольные бруски, жестко связанные с краями пластин. Бруски имеют несколько меньшую длину, чем окна, и могут передвигаться вдоль них.

Описанная конструкция допускает свободное перемещение трубного пучка относительно корпуса теплообменника, что позволяет гасить вибрацию и компенсировать температурные деформации.

Недостатком известной конструкции является наличие байпасных потоков теплоносителя мимо теплообменной поверхности. Радиальное перемещение пластин, которые имеют более высокую температуру, чем трубы, приводит к возникновению сегментного зазора между обечайками, образующими тракт движения теплоносителя, и крайними рядами змеевиковой бухты. Причем этот зазор тем больше, чем больше разница температур между пластинами и трубами и чем больше ширина проточной части теплообменника. Данный зазор отрицательно влияет на эффективность работы теплообменника вследствие возникновения байпасных потоков теплоносителя мимо теплообменной поверхности.

По наибольшему числу общих признаков и достигаемому эффекту Швейцарский патент №613274 принят за прототип.

Решаемая техническая задача - исключение байпасных потоков теплоносителя между крайними рядами змеевиковой бухты и обечайкой, возникающих при быстром расхолаживании остановленного реактора до температурного состояния, позволяющего производить перегрузку топлива и ремонтные работы, что позволяет повысить эффективность работы теплообменника.

Задача решается за счет того, что в высокотемпературном газоохлаждаемом теплообменнике, преимущественно для установок с ядерным реактором, содержащем змеевиковую трубную бухту, закрепленную на ребрах, установленных между внутренней и наружной обечайками, образующими тракт движения теплоносителя, каждая обечайка выполнена из двух подвижно соединенных относительно друг друга слоев, состоящих из отдельных элементов, установленных с зазором между собой в пределах одного слоя и расположенных с взаимным перекрытием этих зазоров элементами смежного слоя, а каждое ребро закреплено одним концом на внутреннем или наружном слое одной из обечаек или закреплено обоими концами на противоположных внутренних и наружных слоях противоположных обечаек через компенсирующий элемент, кроме того, внутренний и наружный слой каждой обечайки соединен при помощи штифтов с возможностью их перемещения относительно друг друга.

Предлагаемая конструкция за счет того, что слои расширяются относительно ребер только по окружности, позволяет исключить радиальное расширение обечаек, тем самым исключается относительное радиальное перемещение обечаек и змеевиков теплопередающей поверхности и возникновение сегментного зазора между ними вследствие разницы температур, которая при быстром расхолаживании реактора может достигать значительных величин 500-600°С. Взаимное перекрывание зазоров между элементами наружных и внутренних слоев позволяет не допустить проход горячего газа мимо теплообменной поверхности. Закрепление ребер, на которых при помощи дистанционируюших элементов крепится змеевиковая бухта, одним концом на внутреннем или наружном слое противоположных обечаек, и имеющих длину меньшую, чем ширина проточной части, или закрепление ребер обоими концами через компенсирующий элемент допускает их свободное перемещение. Компенсация температурных расширений собственно трубной системы достигается за счет исключения дистанционирования в вертикальном направлении нескольких последних витков бухты. Таким образом, при расхолаживании реактора сохраняется расчетная геометрия проточной части теплообменника, которую она имеет в холодном состоянии.

Сущность предложенного теплообменника поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показан общий вид теплообменника;

- на фиг.2 показано сечение А-А фиг.1;

- на фиг.3 показан вид Б фиг.2;

- на фиг.4 показано сечение В-В вида Б.

Теплообменник состоит из змеевиковой бухты 1, размещенной между обечайками: наружной 2 и внутренней 3, образующими тракт движения теплоносителя. Змеевиковая бухта может состоять из нескольких коаксиально расположенных бухт, собранных воедино.

Змеевиковая бухта 1 через подводящие трубы 4 соединена с подводящим коллектором 5 и через отводящие трубы 6 с отводящим коллектором 7. Отводящие трубы 6 размещены в полости, образованной чехлом 8 и наружной обечайкой 2 и изолированной от газодувки 9 уплотнительным устройством 10.

Каждая обечайка выполнена из двух слоев и состоит из отдельных элементов 11. Элементы 11 установлены с зазором 12 между собой в пределах одного слоя и расположены с взаимным перекрытием этих зазоров в пределах обечайки. Кроме того, слои соединены между собой при помощи штифтов 13, где штифт жестко соединен с одним слоем обечайки и имеет возможность перемещения в ступенчатом пазу другого слоя. Змеевиковая бухта 1 установлена на ребрах 14. Каждое ребро 14 расположено в плоскости, проходящей через плоскость симметрии элемента 11. Ребра 14 имеют длину меньшую, чем расстояние между обечайками 2 и 3, и закреплены одним концом на элементе 11. Ребра 14 могут быть выполнены с компенсирующей деталью (на чертеже не показано) и закреплены на элементах 11 противоположных обечаек.

Теплообменник работает следующим образом: нагретый газ, выходящий из высокотемпературного реактора (на чертеже не показано), проходит сверху вниз в межтрубном пространстве теплообменника через трубную бухту 1, отдает тепло теплоносителю второго контура, который циркулирует внутри змеевиков трубной бухты 1. После чего поступает на всас газодувки 9 и опять возвращается в активную зону реактора. Теплоноситель второго контура через подводящий коллектор 5 и подводящие трубы 4 поступает во внутритрубное пространство трубной бухты 1, где нагревается до заданной температуры, и по отводящим трубам 6 поступает в отводящий коллектор 7.

При прохождении горячего газа в межтрубном пространстве трубная система змеевиковой бухты нагревается и расширяется. Через ребра 14 это расширение передается на элементы 11, которые имеют температуру, практически равную температуре охлаждаемого газа, то есть более высокую, чем температура трубной системы. За счет того, что элементы 11 расширяются относительно фикспунктов, которыми являются ребра 14, только по окружности, исключается радиальное расширение обечаек 2 и 3, тем самым исключается относительное радиальное перемещение обечаек и змеевиков и возникновение сегментного зазора между ними вследствие разницы температур.

Предлагаемая конструкция за счет исключения сегментного зазора между обечайками и змеевиками позволяет избежать прохождение газа, минуя теплообменную поверхность, и тем самым повысить эффективность ее использования. Перекрывание зазоров между элементами наружных и внутренних слоев при их взаимном перемещении также не позволяет допустить проход горячего газа мимо теплообменной поверхности. Закрепление ребер (на которых при помощи дистанционирующих элементов крепится змеевиковая бухта) одним концом на внутреннем или наружном слое противоположных обечаек, имеющих длину меньшую, чем ширина проточной части, или закрепление ребер обоими концами через компенсирующий элемент допускает их свободное перемещение. Кроме того, отсутствие промежуточного объединения змеевиков снижает вероятность отказа теплообменника за счет уменьшения количества сварных швов, а выполнение змеевиковой бухты из нескольких коаксиальных позволяет уменьшить ширину проточной части отдельно взятой бухты, что позволяет упростить конструкцию компенсирующего элемента и повысить технологичность изготовления теплообменника.

Высокотемпературный газоохлаждаемый теплообменник предназначен для применения в области энергетического машиностроения, а также может быть применен в химической промышленности. Высокотемпературный газоохлаждаемый теплообменник, преимущественно для установок с ядерным реактором, содержащий змеевиковую трубную бухту, закрепленную на ребрах между внутренней и наружной цилиндрическими обечайками, образующими тракт движения теплоносителя, причем согласно изобретению каждая обечайка выполнена из двух подвижно соединенных относительно друг друга слоев, состоящих из отдельных элементов, установленных с зазором между собой в пределах одного слоя и расположенных с взаимным перекрытием этих зазоров элементами смежного слоя, причем каждое ребро закреплено одним концом на внутреннем или наружном слое одной из обечаек. Каждое ребро может быть закреплено обоими концами на противоположных внутреннем и наружном слое противоположных обечаек через компенсирующий элемент. Внутренний и наружный слой каждой обечайки соединен при помощи штифта с возможностью перемещения относительно друг друга. Изобретение позволяет повысить эффективность работы теплообменника за счет исключения байпасных потоков теплоносителя между крайними рядами змеевиковой бухты и обечайкой, возникающих между ними при быстром расхолаживании остановленного реактора до температурного состояния, позволяющего производить перегрузку топлива и ремонтные работы. 4 ил.

1. Высокотемпературный газоохлаждаемый теплообменник, преимущественно для установок с ядерным реактором, содержащий змеевиковую трубную бухту, закрепленную на ребрах между внутренней и наружной цилиндрическими обечайками, образующими тракт движения теплоносителя, отличающийся тем, что каждая обечайка выполнена из двух подвижно соединенных относительно друг друга слоев, состоящих из отдельных элементов, установленных с зазором между собой в пределах одного слоя и расположенных с взаимным перекрытием этих зазоров элементами смежного слоя.2. Высокотемпературный газоохлаждаемый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждое ребро закреплено одним концом на внутреннем или наружном слое одной из обечаек.3. Высокотемпературный газоохлаждаемый теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждое ребро закреплено обоими концами на противоположных внутреннем и наружном слое противоположных обечаек через компенсирующий элемент.4. Высокотемпературный газоохлаждаемый теплообменник по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что внутренний и наружный слой каждой обечайки соединен при помощи штифта с возможностью перемещения относительно друг друга.