ТРУБА ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2015 года по МПК F28D7/10 

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.

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 ⁷ 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.

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 м³/ч, то есть при расходе, много меньшем натурного (0,98 м³/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.

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в теплообменниках ядерных энергетических установок с трубами Фильда в составе паропроизводящей ядерной энергетической установки (ЯЭУ), работающей на жидкометаллическом теплоносителе (ЖМТ) в режиме переменных нагрузок. Труба теплообменника, содержащая внутреннюю и наружную теплообменные трубы, наружная теплообменная труба выполнена в два слоя, каждый из которых заглушен донышком, жестко соединенным с соответствующим слоем, причем внутренняя часть донышка соединена с внутренним слоем наружной трубы посредством пайки. Технический результат - упрощение технологии изготовления. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Труба теплообменника, содержащая внутреннюю и наружную теплообменные трубы, наружная теплообменная труба выполнена в два слоя, каждый из которых заглушен донышком, жестко соединенным с соответствующим слоем, отличающаяся тем, что внутренняя часть донышка соединена с внутренним слоем наружной трубы посредством пайки.

2. Труба теплообменника по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя часть донышка выполнена в виде тонкостенного цилиндра со скругленным дном.

3. Труба теплообменника по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя часть донышка выполнена удлиненной, так что открытый конец внутренней теплообменной трубы расположен внутри внутренней части донышка.

4. Труба теплообменника по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между открытым торцом внутренней теплообменной трубы и скругленным дном внутренней части донышка выбирается в интервале от 10 до 40 мм.

5. Труба теплообменника по п.1, отличающаяся тем, что внешняя часть донышка открытым торцом контактирует с двумя слоями наружной теплообменной трубы и соединена с внешним слоем посредством сварки.

6. Труба теплообменника по п.1, отличающаяся тем, что снабжена радиальными ребрами, расположенными в верхней части между внутренней и наружной теплообменными трубами.