КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ЖЕСТКОЙ КОНСТРУКЦИИ С КОМПЕНСАТОРОМ Российский патент 2023 года по МПК F28D7/16 F28F9/00 

Изобретение относится к компенсации термических расширений кожухотрубных теплообменников жесткой конструкции и может быть использовано в энергомашиностроении, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности, где используются такие теплообменники.

Обеспечение надежной работы теплообменника является важнейшей задачей. Трубные пучки, вследствие разного термического расширения корпуса и трубок подвержены высокой статической нагрузке, из-за чего может произойти разгерметизация вальцовочных соединений трубок с трубными досками, а также снижение коррозионной стойкости трубок из-за коррозионного растрескивания их материала под напряжениями, что не допустимо.

Кожухотрубные теплообменники жесткой конструкции нуждаются в обязательной компенсации температурных деформаций, возникающих вследствие различного температурного удлинения элементов их конструкции.

Для снижения термических деформаций в кожухотрубных теплообменниках жесткой конструкции используются различные виды упругих компенсаторов, в частности пластинчатый компенсатор температурных напряжений для сетевых подогревателей горизонтального типа (патент RU 2382940 C2 F22 D 1/32; F24H 1/00).

К недостаткам данного технического решения относятся:

Пластинчатый компенсатор кольцевого типа не исключает термических напряжений в аппарате, а только их снижает.

Изготовление такого пластинчатого компенсатора кольцевого типа заодно с трубной доской требует заготовки трубной доски большого диаметра и большей толщины, что приводит к нерациональному использованию материала заготовки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является теплообменный аппарат жесткой конструкции (Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-10 / Теплообменные аппараты технологических подсистем турбоустановок. - М.: Инновационное машиностроение. 2016, 472 с.), содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода греющего теплоносителя с приваренными по торцам корпуса трубными решетками и закрепленными в отверстиях трубных решеток прямыми трубками, камерами подвода и отвода нагреваемого теплоносителя, закрепленными на трубных решетках, при этом корпус выполнен составным из двух цилиндрических частей одинакового диаметра, соединенных друг с другом упругим компенсатором, выполненным в виде одной или нескольких линз.

Кожухотрубный теплообменный аппарат жесткой конструкции с таким линзовым компенсатором принят за прототип.

Недостатками линзовых компенсаторов в конструкциях кожухотрубных теплообменных аппаратов жесткой конструкции являются следующие:

Линзовые компенсаторы не исключают термических напряжений, а только их снижают, что сохраняет термические усилия, действующие на трубки и вальцовочные соединения трубок с трубными досками.

Линзовые компенсаторы сложны в производстве, поскольку для каждого диаметра корпуса требуется новая пресс-форма для их изготовления.

Линзовые компенсаторы затрудняют нанесение тепловой изоляции на корпус теплообменника.

Линзовые компенсаторы приводят к снижению сопротивления изгибу корпуса аппарата.

Сущностью настоящего изобретения является повышение надежности работы кожухотрубного теплообменного аппарата жесткой конструкции при стационарном тепловом режиме его эксплуатации путем полного исключения дополнительных термических напряжений, возникающих при различном термическом расширения корпуса и трубного пучка за счет использования дополнительного цилиндрического кольца-компенсатора, встречно поглощающего разность термических деформаций корпуса и трубок, при этом сохраняется достаточно высокая технологичность изготовления аппарата.

Достижение указанных преимуществ обусловлено тем, что кожухотрубный теплообменный аппарат жесткой конструкции, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода греющего теплоносителя с приваренными по торцам корпуса трубными решетками и закрепленными в отверстиях трубных решеток прямыми трубками, камерами подвода и отвода нагреваемого теплоносителя, закрепленными на трубных решетках, при этом корпус выполнен составным из двух цилиндрических частей различного диаметра так, что одна часть корпуса вставлена в другую с нахлестом и радиальным зазором, причем в зазор между частями корпуса установлено цилиндрическое кольцо-компенсатор с толщиной стенки, равной радиальному зазору, и шириной, равной величине нахлеста частей корпуса, закрепленное с одного торца с одной частью корпуса, а с другого торца закрепленное с другой частью корпуса, причем температурный коэффициент линейного расширения материала кольца-компенсатора больше температурного коэффициента линейного расширения материала корпуса.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена конструкция кожухотрубного теплообменного аппарата жесткой конструкции с кольцом-компенсатором.

Конструкция аппарата содержит цилиндрический корпус, разделенный на две части 1 и 2, при этом часть 1 имеет меньший диаметр, чем часть 2 и вставлены друг в друга с радиальным зазором и с нахлестом, а между ними установлено кольцо-компенсатор 3 с толщиной стенки, равной радиальному зазору, и шириной, равной величине нахлеста, соединенное с одной стороны с частью корпуса 1, а с другой стороны - с частью корпуса 2; части корпуса 1 и 2 соединены с двумя трубными решетками 5, в которых закреплены трубки трубного пучка 4; на корпусе также закреплены патрубки подвода и отвода греющего теплоносителя 6, а на трубных решетках закреплены подводящая и отводящая камеры нагреваемого теплоносителя 7.

Предлагаемая конструкция кожухотрубного теплообменного аппарата жесткой конструкции с компенсатором при эксплуатации работает следующим образом.

При включении в работу теплообменного аппарата части корпуса 1 и 2 и трубный пучок 4 приобретают соответствующие рабочие температуры стационарного режима эксплуатации, при этом температура корпуса, как правило, равна температуре греющего теплоносителя, а температура трубного пучка ниже температуры корпуса. Установленное между частями корпуса кольцо-компенсатор в силу того, что оно изготовлено из материала с большим температурным коэффициентом линейного расширения по сравнению с температурным коэффициентом линейного расширения материала частей корпуса, стягивает части корпуса между собой, приводя к равенству температурных деформаций корпуса и трубного пучка. Ширина кольца-компенсатора l_ком рассчитывается исходя из значений температурных коэффициентов линейного расширения материалов корпуса α_к, кольца-компенсатора α_ком и трубок трубного пучка α_т и условий эксплуатации аппарата при стационарном режиме (температура греющего теплоносителя - температура корпуса аппарата t_к и среднеинтегральная температура материала трубок трубного пучка t_т):

l _ком = [l_к α_к(t_к- t₀) - l_т α_т(t_т- t₀)]/[α_ком(t_ком- t₀) - α_к(t_к- t₀)],

где l_к - длина корпуса аппарата, l_т - длина трубок, t_ком - температура кольца-компенсатора, t₀ - температура сборки аппарата.

Таким образом, для одноходового кожухотрубного теплообменного аппарата жесткой конструкции с использованием предлагаемого компенсатора можно обеспечить при стационарной работе аппарата исключение возникновения дополнительных термических нагрузок на элементы аппарата. Такой компенсатор позволяет существенно снизить общие силовые нагрузки, прежде всего, на трубки и вальцовочные соединения трубок с трубными решетками, что повысит надежность и долговечность эксплуатации аппарата.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в кожухотрубных теплообменных аппаратах. Кожухотрубный теплообменный аппарат жесткой конструкции, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода греющего теплоносителя с приваренными по торцам корпуса трубными решетками и закрепленными в отверстиях трубных решеток прямыми трубками, камерами подвода и отвода нагреваемого теплоносителя, закрепленными на трубных решетках, причем корпус выполнен составным из двух цилиндрических частей различного диаметра так, что одна часть корпуса вставлена в другую с нахлестом и с радиальным зазором, причем в зазор между частями корпуса установлено цилиндрическое кольцо-компенсатор с толщиной стенки, равной радиальному зазору и шириной, равной величине нахлеста частей корпуса, закрепленное с одного торца с одной частью корпуса, а с другого торца закрепленное с другой частью корпуса, причем температурный коэффициент линейного расширения материала кольца-компенсатора больше температурного коэффициента линейного расширения материала корпуса. Технический результат - исключение дополнительных термических напряжений, возникающих при различном термическом расширения корпуса и трубного пучка, снижение силовых нагрузок при эксплуатации аппарата. 1 ил.

Кожухотрубный теплообменный аппарат жесткой конструкции, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода греющего теплоносителя, с приваренными по торцам корпуса трубными решетками и закрепленными в отверстиях трубных решеток прямыми трубками, камерами подвода и отвода нагреваемого теплоносителя, закрепленными на трубных решетках, отличающийся тем, что корпус выполнен составным из двух цилиндрических частей различного диаметра так, что одна часть корпуса вставлена в другую с нахлестом и с радиальным зазором, причем в зазор между частями корпуса установлено цилиндрическое кольцо-компенсатор с толщиной стенки, равной радиальному зазору и шириной, равной величине нахлеста частей корпуса, закрепленное с одного торца с одной частью корпуса, а с другого торца закрепленное с другой частью корпуса, причем температурный коэффициент линейного расширения материала кольца-компенсатора больше температурного коэффициента линейного расширения материала корпуса.