Трубная система теплообменного аппарата
Относится к области трубных систем теплообменных аппаратов. Трубная система теплообменного аппарата содержит цилиндрическую трубную доску (ТД) с коническими выступами на ее основаниях и диаметральной прямоугольной канавкой, U-образные теплообменные трубки (ТТ), трубные перегородки (ТП). Отличается тем, что разница диаметров цилиндрической части ТД и больших оснований конусов составляет 1,55...1,80 высоты цилиндра, а высоты конусов составляют 0,10...0,12 высоты цилиндра, кроме того, глубина диаметральной прямоугольной канавки равна высоте конуса, а ширина составляет 3,0...3,5 глубины, кроме того, в теле ТД выполнены сквозные круглые отверстия, диаметры которых составляют 1,018...1,032 диаметра ТТ, причем на поверхности отверстий выполнено не менее двух рядов рельефов в виде круговых впадин и выступов, кроме того, отверстия сгруппированы в две симметричные относительно плоскости симметрии канавки в ТД группы, а ТТ не менее двух из наиболее удаленных от канавки в ТД рядов и ТТ не менее одного из наиболее близких к канавке в ТД рядов выполнены П-образными, причем угол между плоскостями внутренних П-образных ТТ и плоскостью симметрии канавки в ТД составляет 10...12°, кроме того, ТТ закреплены в ТД вальцеванием со стороны канавки в ТД на глубину 0,7...0,9 толщины ТД, а выступающие над поверхностью ТД концы ТТ развальцованы "колокольчиком" и приварены к поверхности ТД, кроме того, прямые участки поворотов П-образных ТТ наиболее удаленных от канавки рядов переплетены не менее чем двумя рядами демпферных лент, причем расстояние между лентами составляет 0,1...0,2 диаметра ТТ, ширина лент составляет 1,0...1,5 диаметра ТТ, а толщина составляет 0,005...0,01 диаметра ТТ, кроме того, установленные в межтрубном пространстве ТП типа "кольцо", выполнены в виде круглых пластин с круглыми отверстиями и овальным окном, большая полуось которого параллельна канавке в ТД, а ТП типа "диск" выполнены в виде круглых пластин с круглыми отверстиями и прямыми срезами по краям, причем суммарная площадь срезов на ТП типа "диск" равна площади овального окна в ТП типа "кольцо", кроме того, в проемы между трубными перегородками и симметричными относительно плоскости симметрии канавки в ТД группами ТТ со стороны наиболее удаленных от оси ТД ТТ установлены заглушки в виде V-образных пластин. Технический результат, достигаемый применением предлагаемой трубной системы теплообменного аппарата, состоит в повышении теплопередачи, снижении гидравлического сопротивления трактов, повышении надежности теплообменного аппарата, повышении компактности, приспособленности к встраиванию в существующие компоновки, возможности формирования рядов теплообменных аппаратов с такой трубной системой. 1 пункт формулы, 2 фиг.
Полезная модель относится к области трубных систем теплообменных аппаратов.
В практике проектирования теплообменных аппаратов, применяемых, в частности, для подогрева природного газа перед редуцированием на газораспределительных станциях, имеет место задача их модернизации для повышения тепловой эффективности, надежности и компактности, особенно важная при встраивании таких теплообменников в уже существующие компоновки. Такая задача может быть решена путем замены только трубной системы при сохранении корпусных элементов, системы уже существующих подводящих и отводящих теплоносители трубопроводов и фундаментов. Это дает значительную экономию за счет уменьшения строительно-монтажных работ и ускорения ввода в строй оборудования, а повышение тепловой эффективности дает экономию топливного газа при подогреве греющего теплоносителя и уменьшение стоимости теплообменной поверхности.
Известна трубная система теплообменного аппарата, содержащая трубные доски, трубные перегородки сегментного типа, прямые теплообменные трубки, закрепленные в трубных досках (см. рис. 1.9 на стр. 11 в кн. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М.: Атомиздат, 1971. - 358с.). В этой трубной системе трубные доски соединены с корпусом, в результате чего затруднена компенсация разницы тепловых расширений корпуса и трубок, что сильно понижает надежность такого теплообменника, кроме того, при необходимости замены трубной системы нужно заменить и корпус. Совокупность этих недостатков делает невозможным применение данной трубной системы при модернизации теплообменных аппаратов, находящихся в эксплуатации.
Прототипом предлагаемой трубной системы является трубная система подогревателя газа, содержащая цилиндрическую трубную доску с коническими выступами и диаметральной прямоугольной канавкой, LJ-образные теплообменные трубки, сегментные трубные перегородки, штанги (см. рис. на стр. 40 в издании Каталог оборудования. Верхняя Салда: изд. ОАО "Вехнесалдинское металлургическое производственное объединение", 2001. - 80с.). Греющий теплоноситель движется в межтрубном пространстве, природный газ - в трубах. Ходы по греющему теплоносителю организуются системой сегментных трубных перегородок, приваренных к системе штанг, которые в свою очередь приварены к трубной доске. Такая компоновка трубной системы обладает низкой технологичностью, так как подразумевает большой объем ручных
сварочных работ. Использование только U-образных теплообменных трубок также нетехнологично, так как требует использования большого числа типоразмеров трубных плетей с разными радиусами гибов. Внешние ряды теплообменных трубок имеют большие вылеты над последней трубной перегородкой, что создает опасность возникновения их вибраций, то есть снижения надежности теплообменного аппарата. Внутренние ряды теплообменных трубок, которые не могут быть выполнены с произвольно малыми радиусами гибов, увеличивают неиспользованное пространство в объеме теплообменного аппарата, то есть снижают его компактность. Применение сегментных трубных перегородок приводит к несимметричности температурного поля теплоносителей и температурным перекосам в деталях, что также снижает надежность конструкции. Схема течения теплоносителей при U-образных теплообменных трубках и сегментных трубных перегородках не обеспечивает достаточное приближение к противотоку, тем самым понижается тепловая эффективность теплообменного аппарата. Указанные недостатки ограничивают возможность применения данной трубной системы при модернизации теплообменных аппаратов, находящихся в эксплуатации.
Технический результат, достигаемый применением предлагаемой трубной системы, заключается в повышении технологичности изготовления, тепловой эффективности, надежности и компактности теплообменных аппаратов, находящихся в эксплуатации, путем модернизации посредством замены их трубных систем на предлагаемую. Это достигается тем, что в известной трубной системе, содержащей цилиндрическую трубную доску с коническими выступами на ее основаниях и диаметральной прямоугольной канавкой, U-образные теплообменные трубки, трубные перегородки, разница диаметров цилиндрической части трубной доски и больших оснований конусов составляет 1,55...1,80 высоты цилиндра, а высоты конусов составляют 0,10...0,12 высоты цилиндра, кроме того, глубина диаметральной прямоугольной канавки равна высоте конуса, а ширина составляет 3,0...3,5 глубины, кроме того, в теле трубной доски выполнен сквозной Г-образный канал круглого сечения, входное отверстие которого размещено на поверхности меньшего основания конуса трубной доски со стороны межтрубного пространства на расстоянии 2,5...3,0 диаметров отверстия от края этого основания, а выходное, выполненное резьбовым, - на образующей цилиндрической части трубной доски на расстоянии от ее оснований, равном половине ее толщины, причем плоскость симметрии канала совпадает с плоскостью симметрии канавки в трубной доске, кроме того, в теле трубной доски выполнены сквозные круглые отверстия, оси которых параллельны оси цилиндрической части трубной доски, а диаметры составляют 1,018...1,03 2 диаметра теплообменных трубок, причем на поверхности отверстий выполнено не менее двух рядов
рельефов в виде круговых впадин и выступов, кроме того, отверстия сгруппированы в две симметричные относительно плоскости симметрии канавки в трубной доске группы, внутри которых центры отверстий размещены в вершинах равносторонних треугольников со сторонами 1,3...1,5 диаметров отверстий, а центры отверстий второго от плоскости симметрии канавки в трубной доске ряда теплообменных трубок отстоят от нее на расстояние 2,5...3,0 диаметра отверстий, а центры отверстий теплообменных трубок наиболее близких к краю меньшего основания конуса трубной доски отстоят от него на расстояние 1,25...1,50 диаметра отверстий, кроме того, в теле трубной доски на поверхности меньшего основания конуса трубной доски со стороны межтрубного пространства выполнены глухие резьбовые отверстия глубиной 1,5...2,0 наружного диаметра резьбы, причем центры отверстий отстоят от края этого основания на расстояние 1,25...1,50 наружного диаметра резьбы, а линии, соединяющие эти центры, параллельные оси канавки в трубной доске, совпадают с осями рядов теплообменных труб, наиболее близких к этим линиям, кроме того, теплообменные трубки не менее двух из наиболее удаленных от канавки в трубной доске рядов и теплообменные трубки не менее одного из наиболее близких к канавке в трубной доске рядов выполнены П-образными, а остальные теплообменные трубки выполнены U-образными, причем угол между плоскостями внутренних П-образных теплообменных трубок и плоскостью симметрии канавки в трубной доске составляет 10...12°, кроме того, теплообменные трубки своими концами вставлены в сквозные отверстия в трубной доске так, что их концы выступают над поверхностью трубной доски со стороны канавки в трубной доске на 1,0...1,5 толщины стенки теплообменных трубок, причем теплообменные трубки закреплены в трубной доске вальцеванием со стороны канавки в трубной доске на глубину 0,7...0,9 толщины трубной доски, а выступающие над поверхностью трубной доски концы теплообменных трубок развальцованы "колокольчиком" и приварены к поверхности трубной доски кольцевым швом, кроме того, прямые участки поворотов П-образных теплообменных трубок не менее одного из наиболее удаленных от канавки рядов переплетены не менее чем двумя рядами симметричных относительно канавки в трубной доске и параллельных ей демпферных лент, причем расстояние между лентами составляет 0,1...0,2 диаметра теплообменных трубок, ширина лент составляет 1,0...1,5 диаметра теплообменных трубок, а толщина составляет 0,005...0,01 диаметра теплообменных трубок, кроме того, в межтрубном пространстве установлены трубные перегородки толщиной не менее 0,125...0,250 диаметра теплообменных трубок, и перпендикулярные осям теплообменных трубок, причем трубные перегородки типа "кольцо" выполнены в виде круглых пластин с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой
размещения сквозных отверстий в трубной доске, и с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения резьбовых отверстий в трубной доске, а также с овальным окном, большая полуось которого параллельна канавке в трубной доске, а трубные перегородки типа "диск" выполнены в виде круглых пластин с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения сквозных отверстий в трубной доске, и с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения резьбовых отверстий в трубной доске, а также имеющих прямые срезы параллельные осям рядов теплообменных трубок, наиболее удаленных от оси трубной доски, причем расстояние от краев этих срезов до осей наиболее близких к ним отверстий составляет не менее 1,1...1,2 толщины перегородки, а суммарная площадь срезов на трубной перегородке типа "диск" равна площади овального окна в трубной перегородке типа "кольцо", кроме того, в резьбовые отверстия в трубной доске своими резьбовыми окончаниями ввернуты стяжки, выполненные в виде прямых цилиндрических стержней, на которые надеты распорные трубы, внутренний диаметр которых составляет не менее 1,15...1,20 диаметра стяжек, кроме того, поверх распорных труб на стяжки поочередно надеты трубные перегородки типа "диск" и типа "кольцо", причем ближайшей к трубной доске и наиболее удаленной от нее является трубная перегородка типа "кольцо", а длина наиболее близкой к трубной доске распорной трубы составляет 2,5...2,6 длины остальных распорных труб, кроме того, в проемы между трубными перегородками и симметричными относительно плоскости симметрии канавки в трубной доске группами теплообменных трубок со стороны наиболее удаленных от оси трубной доски теплообменных трубок установлены заглушки в виде V-образных пластин с плоскими вершинами, причем высота заглушек равна высоте распорных труб, а их выпуклая сторона обращена к оси трубной доски.
Выполнение трубной доски с разницей диаметров цилиндрической части и больших оснований конусов в 1,55...1,80 высоты цилиндра и высотами конусов, составляющими 0,10...0,12 высоты цилиндра, обеспечивает повышение прочности и жесткости трубной доски, поскольку ее сечение приближается к равнопрочному при минимальном увеличении толщины, то есть при минимальном повышении материалоемкости.
Выполнение диаметральной прямоугольной канавки в трубной доске, служащей для размещения межходового уплотнителя перегородки в камере подвода и отвода теплоносителя, двигающегося в трубках, с глубиной, равной высоте конуса, и шириной в 3,0...3,5 глубины, обеспечивает достаточный объем уплотнителя и удельную нагрузку на него, достаточную для восприятия им перепада давления между ходами
без большой деформации. При этом исключается выдавливание уплотнителя из-под перегородки. Кроме того, канавка с таким соотношением размеров не создает большой концентрации напряжений изгиба в трубной доске.
Выполнение в теле трубной доски сквозного Г-образного канала круглого сечения с входным отверстием, размещеным на поверхности меньшего основания конуса трубной доски со стороны межтрубного пространства на расстоянии 2,5...3,0 диаметров отверстия от края этого основания, и выходным, выполненным резьбовым, - на образующей цилиндрической части трубной доски на расстоянии от ее оснований, равном половине ее толщины, причем с плоскостью симметрии канала совпадающей с плоскостью симметрии канавки в трубной доске, обеспечивает решение комплекса задач: возможность слива греющего теплоносителя из межтрубного пространства, возможность присоединения резьбового штуцера сливного трубопровода, возможность размещения входного отверстия вне зоны отверстий под теплообменные трубки, сохранение симметричности конструкции трубной доски, то есть симметричности ее деформаций и сохранения формы диаметральной прямоугольной канавки, что обеспечивает надежность межходового уплотнителя перегородки в камере подвода и отвода теплоносителя, двигающегося в трубках.
Выполнение в трубной доске сквозных круглых отверстий с осями, параллельными оси цилиндрической части трубной доски, обеспечивает возможность формирования трубного пучка с требуемой пространственной ориентацией теплообменных трубок, а выполнение их с диаметрами, составляющими 1,018...1,032 диаметра теплообменных трубок и выполнение на их поверхности не менее двух рядов рельефов в виде круговых впадин и выступов, обеспечивает возможность получения герметичного и надежного вальцованного соединения теплообменных трубок с трубной доской при минимальных пластических деформациях материала теплообменных трубок и минимальных контактных напряжениях на поверхностях отверстий. Группировка отверстий в две группы, симметричные относительно плоскости симметрии канавки в трубной доске, позволяет организовать двухходовой трубный пучок из U-образных и П-образных теплообменных трубок, концы которых закреплены в отверстиях.
Размещение внутри каждой из групп центров отверстий в вершинах равносторонних треугольников позволяет разместить на трубной доске наибольшее число теплообменных трубок и, тем самым, достичь наибольшей компактности теплообменника, а выполнение сторон этих треугольников с размерами в 1,3...1,5 диаметров отверстий обеспечивает возможность выполнить крепление концов теплообменных трубок в отверстиях в виде сочетания вальцованного соединения с обваркой
участков теплообменных трубок, выступающих над поверхностью трубной доски со стороны с канавкой, в результате будет повышена герметичность и надежность теплообменника.
Размещение центров отверстий второго от плоскости симметрии канавки в трубной доске ряда теплообменных трубок на расстоянии от нее в 2,5...3,0 диаметра отверстий обеспечивает выполнение U-образных теплообменных трубок этих рядов с минимальными радиусами гибов и достижение, тем самым, наибольшей компактности теплообменника.
Размещение центров отверстий теплообменных трубок наиболее близких к краю меньшего основания конического выступа на трубной доске на расстоянии от него в 1,25...1,50 диаметра отверстий обеспечивает отсутствие боковых смещений отверстий при их сверлении на высоких режимах и при вальцевании в них теплообменных трубок, а также проплавления края конического выступа при обварке концов теплообменных трубок.
Выполнение в теле трубной доски на поверхности меньшего основания конуса со стороны межтрубного пространства глухих резьбовых отверстий позволяет разместить в них резьбовые концы стяжек, скрепляющих систему трубных перегородок в трубном пучке, а выполнение этих отверстий глубиной 1,5...2,0 наружного диаметра резьбы обеспечивает надежную затяжку резьбовых концов стяжек без осадки резьбы и гарантирует их от отворачивания без применения специальных приемов стопорения резьбы. Размещение центров указанных отверстий на расстоянии от края основания конуса в 1,25...1,50 наружного диаметра резьбы и обеспечение совпадения линий, соединяющих эти центры, параллельных оси канавки в трубной доске, с осями рядов теплообменных труб, наиболее близких к этим линиям, позволяет поместить эти отверстия в общем ряду с теплообменными трубками без нарушения принятой системы размещения отверстий под теплообменные трубки по вершинам равносторонних треугольников и без выделения под них специальных зон на трубной доске и, тем самым, достичь наибольшей компактности теплообменника.
Выполнение П-образными теплообменных трубок не менее двух из наиболее удаленных от канавки в трубной доске рядов и теплообменных трубок не менее одного из наиболее близких к канавке в трубной доске рядов, то есть внешних и внутренних теплообменных трубок трубного пучка, при выполнении остальных теплообменных трубок U-образными, позволяет увеличить поверхность теплообмена трубного пучка без увеличения его объема, поскольку П-образные теплообменные трубки имеют большую длину при одинаковых с U-образными трубками габаритах и достичь, тем самым, наибольшей компактности теплообменника при росте его теплопроизводительности.
Размещение плоскостей внутренних П-образных теплообменных трубок под углом к плоскости симметрии канавки в трубной доске позволяет увеличить расстояние между ветвями П-образных теплообменных трубок, то есть дает возможность изготовить эти трубки с минимальными радиусами гибов по простой технологии с обкаткой роликами, а выполнение указанного угла в 10...12° позволяет разместить наибольшее число внутренних П-образных теплообменных трубок, тем самым, увеличить поверхность теплообмена трубного пучка и достичь высокой компактности теплообменника при росте его теплопроизводительности.
Размещение теплообменных трубок своими концами в сквозных отверстиях в трубной доске так, чтобы их концы выступали над поверхностью трубной доски со стороны канавки в трубной доске на 1,0...1,5 толщины стенки теплообменных трубок, создает возможность развальцевать эти концы "колокольчиком" и приварить их к поверхности трубной доски кольцевым швом. Первое их этих технических решений уменьшает гидравлические потери теплоносителя на входе и выходе теплообменных трубок, а второе - повышает надежность и герметичность крепления трубок в трубной доске.
Крепление теплообменных трубок в трубной доске вальцеванием со стороны канавки в трубной доске на глубину 0,7...0,9 толщины трубной доски обеспечивает высокую герметичность и надежность вальцованного соединения и создает гарантию от подреза теплообменных трубок краем отверстия в трубной доске со стороны, противоположной входу вальцовки в трубку.
Переплетение прямых участков поворотов П-образных теплообменных трубок не менее одного из наиболее удаленных от канавки рядов не менее чем двумя рядами симметричных относительно канавки в трубной доске и параллельных ей демпферных лент и выполнение расстояния между лентами в 0,1...0,2 диаметра теплообменных трубок приводит к ужесточению пролетов П-образных теплообменных трубок внешних рядов, выступающих над последней трубной перегородкой, что предотвратит вибрации этих трубок и, тем самым, повысит надежность теплообменника. Выполнение лент шириной в 1,0...1,5 диаметра теплообменных трубок обеспечит их высокую надежность, поскольку уменьшит контактное давление между трубками и лентами, при создании, в тоже время, достаточно высокого демпфирующего трения, а выполнение лент толщиной в 0,005...0,01 диаметра теплообменных трубок обеспечит их гибкость и подвижность при выполнении переплетения труб лентами.
Установка в межтрубном пространстве трубных перегородок толщиной не менее \ 0,125...0,250 диаметра теплообменных трубок обеспечивает достаточную жесткость каркаса трубного пучка, состоящего из трубных перегородок, распорных труб и стяжек, при контактных
давлениях между теплообменными трубами и поверхностями отверстий в трубных перегородках, исключающих натиры и надрезы трубок краями отверстий.
Перпендикулярность трубных перегородок осям теплообменных трубок задает такой характер течения теплоносителя в межтрубном пространстве, при котором будут исключены его возвратные потоки и застойные зоны, что минимизирует гидравлические потери в теплообменнике.
Выполнение трубных перегородок типа "кольцо" в виде круглых пластин позволяет минимизировать зазоры между краями этих перегородок и корпусом теплообменника и, тем самым, минимизировать "паразитные" протечки теплоносителя через данные зазоры, что повышает теплопроизводительность теплообменника.
Выполнение в трубных перегородках типа "диск" и типа "кольцо" круглых отверстий, система размещения которых совпадает с системой размещения сквозных отверстий в трубной доске, и с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения резьбовых отверстий в трубной доске обеспечивает безошибочную сборку трубного пучка при проходе плетей U-образных и П-образных теплообменных трубок, а также стяжек через соответствующие отверстия в перегородках и трубной доске.
Выполнение в трубных перегородках типа "кольцо" окна в виде овала, большая полуось которого параллельна канавке в трубной доске, обеспечивает переход из хода в ход теплоносителя в межтрубном пространстве и распределение его вдоль фронта труб следующего хода без побочных перетоков, то есть с минимальными гидравлическими потерями.
Выполнение трубных перегородок типа "диск" в виде круглых пластин на части их контура вне срезов позволяет минимизировать зазоры между круговыми краями этих перегородок и корпусом теплообменника и, тем самым, минимизировать "паразитные" протечки теплоносителя через данные зазоры, что повышает теплопроизводительность теплообменника.
Выполнение на краях трубных перегородок типа "диск" прямых срезов параллельных осям рядов теплообменных трубок, наиболее удаленных от оси трубной доски формирует проходы между этими перегородками и корпусом, обеспечивая переход из хода в ход теплоносителя в межтрубном пространстве и распределение его вдоль фронта труб следующего хода без побочных перетоков, то есть с минимальными гидравлическими потерями
Выполнение расстояния от краев срезов на перегородках типа "диск" до осей наиболее близких к ним отверстий величиной не менее 1,1...1,2 толщины перегородки обеспечивает отсутствие боковых смещений отверстий при их сверлении на высоких режимах.
Обеспечение равенства суммарной площади срезов на трубной перегородке типа "диск" и площади овального окна в трубной перегородке типа 
кольцо приводит к равенству в этих зонах скоростей протекающего через них теплоносителя, то есть реализация в межтрубном пространстве теплообменника принципа изокинетичности, что минимизирует гидравлические потери в теплообменнике.
Размещение в резьбовых отверстиях в трубной доске резьбовых окончаний стяжек, выполненных в виде прямых цилиндрических стержней, с надетыми на них распорными трубами, поверх которых на стяжки поочередно надеты трубные перегородки типа "диск" и типа "кольцо", причем в этом порядке ближайшей к трубной доске и наиболее удаленной от нее является трубная перегородка типа "кольцо", формирует жесткий каркас для сборки трубного пучка из теплообменных трубок, образующий вместе с теплообменными трубками межтрубное пространство теплообменника.
Выполнение внутреннего диаметра распорных труб величиной в 1,15...1,20 диаметра стяжек обеспечивает наличие зазора между ними, который облегчит сборку трубной системы при возможной кривизне достаточно длинных стяжек.
Выполнение длины наиболее близкой к трубной доске распорной трубы величиной в 2,5...2,6 длины остальных распорных труб обеспечивает такое же увеличение высоты первого хода в межтрубном пространстве, что позволяет согласовать отвод теплоносителя из межтрубного пространства с положением отводящего этот теплоноситель патрубка на уже имеющемся корпусе при модернизации теплообменника.
Установка в проемы между трубными перегородками и симметричными относительно плоскости симметрии канавки в трубной доске группами теплообменных трубок со стороны наиболее удаленных от оси трубной доски теплообменных трубок заглушек в виде V-образных пластин с плоскими вершинами и высотой, равной высоте распорных труб, таким образом, что их выпуклая сторона обращена к оси трубной доски, позволяет закрыть указанные проемы, и исключая, тем самым, "паразитные" протечки, направить весь поток теплоносителя в межтрубное пространство, что повышает теплопроизводительность теплообменника.
На фиг.1 и фиг.2 изображена предлагаемая трубная система теплообменного аппарата и ее конструктивные элементы. На позиции а) фиг.1 представлен продольный разрез трубной системы, на позиции б) фиг.1 представлен вид на трубную систему сбоку, на позиции в) представлен вид на трубную систему сверху, на позиции г) представлен вид на поперечные разрезы трубной системы по сечению А-А и по сечению Б-Б на позиции б) фиг.1, на позиции а) фиг.2 представлена выноска I с позиции а) фиг.1, показывающая соединение теплообменных трубок с трубной доской, на позиции б) фиг.2 представлена выноска II с
позиции б) фиг.1, показывающая соединение стяжек с трубной доской, на позиции в) фиг.2 представлена выноска III с позиции б) фиг.1, показывающая взаимное положение стяжек, распорных труб и трубных перегородок, на позиции г) фиг.2 представлена выноска IV с позиции в) фиг.1, показывающая взаимосвязь прямых участков поворотов П-образных труб и демпферных лент, на позиции д) фиг.2 представлена выноска V с позиции г) фиг.1, показывающая систему размещения теплообменных трубок в трубном пучке по сторонам равностороннего треугольника, на позиции е) фиг.2 представлен вид на поверхность отверстия в трубной доске с выполненными на ней рельефами в форме впадин и выступов, на позиции ж) фиг.2 представлен вид на трубную перегородку типа "диск" с прямыми срезами краев, на позиции з) фиг.2 представлен вид на трубную перегородку типа "кольцо" с овальным окном.
Предлагаемая система теплообменного аппарата содержит (см фиг.1 а, б, в, г) трубную доску (1) с глухими резьбовыми отверстиями (17) и диаметральной прямоугольной канавкой (18), трубные перегородки типа "диск" (2), трубные перегородки типа "кольцо" (3), стяжки (4), распорные трубы короткие (5), распорные трубы длинные (6), U-образные теплообменные трубки (7), П-образные теплообменные трубки (8) и (8а), заглушки короткие (9), заглушки длинные (10), стопорные шайбы стяжек (11), гайки стяжек (12), Г-образный канал (13) с входным отверстием (14) и с резьбовым выходным отверстием (15), демпферные ленты (16).
Устройство работает следующим образом. Греющий теплоноситель поступает через патрубок на корпусе теплообменника в зону длинных распорных труб (6) и, расходясь по межтрубному пространству, проходит, обтекая теплообменные трубки, к овальному окну в трубной перегородке типа "кольцо" (3), через которое проходит в следующий ход, и вновь, расходясь по межтрубному пространству, обтекает теплообменные трубки. Затем через окно, образованное краями прямых срезов трубной перегородки типа "диск" и корпусом теплообменника, теплоноситель проходит в очередной ход межтрубного пространства. При этом трубные перегородки (2) и (3) и заглушки (9) и (10) направляют греющий теплоноситель внутрь трубного пучка, исключая "паразитные" перетекания через зазор между трубными перегородками и корпусом. В следующих ходах трубной системы указанные процессы повторяются. При протекании внутри теплообменных трубок подогреваемый теплоноситель воспринимает теплоту, отданную греющим теплоносителем теплообменным трубкам при протекании между ними, чем и достигается функциональная цель работы трубной системы, как основного компонента теплообменного аппарата.
Возможность осуществления предлагаемой полезной модели и достижения технического результата основывается на том, что в конструкции трубной системы теплообменного аппарата реализован ряд
мер по повышению теплопередачи, снижению гидравлического сопротивления трактов, повышению надежности трубной системы, повышению компактности, минимизации веса, обеспечению приспособляемости конструкции к встраиванию в существующую компоновку теплообменного аппарата.
Теплопередача в трубной системе теплообменного аппарата обеспечивается на высоком уровне ходом теплоносителей близким к противотоку за счет установки системы трубных перегородок типа "кольцо" и типа "диск", равномерным распределением теплоносителя в межтрубном пространстве по поверхности теплообмена за счет выполнения трубных перегородок типа "кольцо" с овальным окном, а трубных перегородок типа "диск" с системой прямоугольных срезов по краям, а также установкой системы заглушек, предотвращающих "паразитные" протечки теплоносителя через зазоры между трубными перегородками и корпусом теплообменного аппарата.
Гидравлическое сопротивление трактов трубной системы теплообменного аппарата минимизируется изокинетичностью течения теплоносителя в межтрубном пространстве за счет равенства суммарной площади срезов на трубной перегородке типа "диск" и площади овального окна в трубной перегородке типа "кольцо", а также выполнения входных зон теплообменных трубок с развальцовкой "колокольчиком".
Надежность теплообменных трубок трубной системы теплообменного аппарата обеспечивается выполнением переплетения прямых участков П-образных теплообменных трубок демпферными лентами, что повышает их жесткость и предотвращает их вибрацию, выполнением крепления концов теплообменных трубок в отверстиях трубной доски в виде сочетания вальцованного соединения с обваркой, а также снижением динамических термических нагрузок на теплообменные трубки за счет выполнения их U-образными и П-образными, у которых исключена проблема компенсации разницы термических расширений трубок и корпуса, кроме того, надежность теплообменного аппарата повышается за счет выполнения диаметральной прямоугольной канавки в трубной доске, служащей для размещения межходового уплотнителя перегородки в камере подвода и отвода теплоносителя, двигающегося в трубках, с глубиной, равной высоте конуса, и шириной в 3,0...3,5 глубины, что обеспечивает достаточный объем уплотнителя, исключающий его выдавливание при удельной нагрузке на него, достаточной для восприятия им перепада давления между ходами без большой деформации.
Компактность трубной системы, с целью встраивания ее в габариты существующего теплообменного аппарата, обеспечивается выполнением П-образными теплообменных трубок не менее двух из наиболее удаленных от канавки в трубной доске рядов и теплообменных трубок не менее одного из наиболее близких к канавке в трубной доске рядов, то есть
внешних и внутренних теплообменных трубок трубного пучка, поскольку такие трубки плотнее заполняют объем теплообменного аппарата. Этому же способствует размещение плоскостей внутренних П-образных теплообменных трубок под углом 10...12° к плоскости симметрии канавки в трубной доске, так как при этом плотнее заполняется объем внутри основной части трубной системы, выполненной из U-образных трубок.
Приспособляемость конструкции трубной системы к встраиванию в габариты существующего теплообменника обеспечена выполнением длины наиболее близкой к трубной доске распорной трубы величиной в 2,5...2,6 длины остальных распорных труб, поскольку это обеспечивает такое же увеличение высоты первого хода в межтрубном пространстве, что позволяет согласовать отвод теплоносителя из межтрубного пространства с положением отводящего этот теплоноситель патрубка на уже имеющемся корпусе при модернизации теплообменника.
По описанной полезной модели выполнен проект трубной системы теплообменного аппарата, принятый к реализации и внедрению на предприятии производящем оборудование для промысловых газораспределительных станций. Теплогидравлические расчеты, выполненные для спроектированной трубной системы теплообменного аппарата показали, что теплопроизводительность и суммарное гидравлическое сопротивление его трактов достаточны для трубной системы теплообменного аппарата, предназначенной для замещения существующей трубной системы теплообменного аппарата с учетом габаритных и весовых ограничений. Проведенные для данной трубной системы теплообменного аппарата расчеты статической и длительной прочности, выполненные по нормативным методикам (ГОСТ 14249-89 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность", ГОСТ 25859-83 "Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках", РД 26-14-88 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность элементов теплообменных аппаратов"), показали, что ее конструкция выдержит не менее 5000 циклов нагружения и сохранит работоспособность в течение не менее 100000 часов.
Изложенное доказывает возможность достижения технического результата от применения предлагаемой трубной системы теплообменного аппарата, заключающегося в повышении технологичности изготовления, тепловой эффективности, надежности и компактности теплообменных аппаратов, находящихся в эксплуатации, путем модернизации посредством замены их трубных систем на предлагаемую, обладающую повышенной надежностью и высокой эффективностью.
Трубная система теплообменного аппарата, содержащая цилиндрическую трубную доску с коническими выступами на ее основаниях и диаметральной прямоугольной канавкой, U-образные теплообменные трубки, трубные перегородки, отличающаяся тем, что разница диаметров цилиндрической части трубной доски и больших оснований конусов составляет 1,55-1,80 высоты цилиндра, а высоты конусов составляют 0,10-0,12 высоты цилиндра, кроме того, глубина диаметральной прямоугольной канавки равна высоте конуса, а ширина составляет 3,0-3,5 глубины, кроме того, в теле трубной доски выполнен сквозной Г-образный канал круглого сечения, входное отверстие которого размещено на поверхности меньшего основания конуса трубной доски со стороны межтрубного пространства на расстоянии 2,5-3,0 диаметров отверстия от края этого основания, а выходное - на образующей цилиндрической части трубной доски на расстоянии от ее оснований, равном половине ее толщины, причем плоскость симметрии канала совпадает с плоскостью симметрии канавки в трубной доске, кроме того, в теле трубной доски выполнены сквозные круглые отверстия, оси которых параллельны оси цилиндрической части трубной доски, а диаметры составляют 1,018-1,032 диаметра теплообменных трубок, причем на поверхности отверстий выполнено не менее двух рядов рельефов в виде круговых впадин и выступов, кроме того, отверстия сгруппированы в две симметричные относительно плоскости симметрии канавки в трубной доске группы, внутри которых центры отверстий размещены в вершинах равносторонних треугольников со сторонами 1,3-1,5 диаметров отверстий, а центры отверстий второго от плоскости симметрии канавки в трубной доске ряда теплообменных трубок отстоят от нее на расстоянии 2,5-3,0 диаметра отверстий, а центры отверстий теплообменных трубок наиболее близких к краю меньшего основания конуса трубной доски отстоят от него на расстоянии 1,25-1,50 диаметра отверстий, кроме того, в теле трубной доски на поверхности меньшего основания конуса трубной доски со стороны межтрубного пространства выполнены глухие резьбовые отверстия глубиной 1,5-2,0 наружного диаметра резьбы, причем центры отверстий отстоят от края этого основания на расстоянии 1,25-1,50 наружного диаметра резьбы, а линии, соединяющие эти центры, параллельные оси канавки в трубной доске, совпадают с осями рядов теплообменных труб, наиболее близких к этим линиям, кроме того, теплообменные трубки не менее двух из наиболее удаленных от канавки в трубной доске рядов и теплообменные трубки не менее одного из наиболее близких к канавке в трубной доске рядов выполнены П-образными, а остальные теплообменные трубки выполнены U-образными, причем угол между плоскостями внутренних П-образных теплообменных трубок и плоскостью симметрии канавки в трубной доске составляет 10-12°, кроме того, теплообменные трубки своими концами вставлены в сквозные отверстия в трубной доске так, что их концы выступают над поверхностью трубной доски со стороны канавки в трубной доске на 1,0-1,5 толщины стенки теплообменных трубок, причем теплообменные трубки закреплены в трубной доске вальцеванием со стороны канавки в трубной доске на глубину 0,7-0,9 толщины трубной доски, а выступающие над поверхностью трубной доски концы теплообменных трубок развальцованы “колокольчиком” и приварены к поверхности трубной доски кольцевым швом, кроме того, прямые участки поворотов П-образных теплообменных трубок не менее одного из наиболее удаленных от канавки рядов переплетены не менее чем двумя рядами симметричных относительно канавки в трубной доске и параллельных ей демпферных лент, причем расстояние между лентами составляет 0,1-0,2 диаметра теплообменных трубок, ширина лент составляет 1,0-1,5 диаметра теплообменных трубок, а толщина составляет 0,005-0,01 диаметра теплообменных трубок, кроме того, в межтрубном пространстве установлены трубные перегородки толщиной не менее 0,125-0,250 диаметра теплообменных трубок, и перпендикулярные осям теплообменных трубок, причем трубные перегородки типа “кольцо” выполнены в виде круглых пластин с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения сквозных отверстий в трубной доске, и с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения резьбовых отверстий в трубной доске, а также с овальным окном, большая полуось которого параллельна канавке в трубной доске, а трубные перегородки типа “диск” выполнены в виде круглых пластин с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения сквозных отверстий в трубной доске, и с круглыми отверстиями, система размещения которых совпадает с системой размещения резьбовых отверстий в трубной доске, а также имеющих прямые срезы параллельные осям рядов теплообменных трубок, наиболее удаленных от оси трубной доски, причем расстояние от краев этих срезов до осей наиболее близких к ним отверстий составляет не менее 1,1-1,2 толщины перегородки, а суммарная площадь срезов на трубной перегородке типа “диск” равна площади овального окна в трубной перегородке типа “кольцо”, кроме того, в резьбовые отверстия в трубной доске своими резьбовыми окончаниями ввернуты стяжки, выполненные в виде прямых цилиндрических стержней, на которые надеты распорные трубы, внутренний диаметр которых составляет не менее 1,15-1,20 диаметра стяжек, кроме того, поверх распорных труб на стяжки поочередно надеты трубные перегородки типа “диск” и типа “кольцо”, причем ближайшей к трубной доске и наиболее удаленной от нее является трубная перегородка типа “кольцо”, а длина наиболее близкой к трубной доске распорной трубы составляет 2,5-2,6 длины остальных распорных труб, кроме того, в проемы между трубными перегородками и симметричными относительно плоскости симметрии канавки в трубной доске группами теплообменных трубок со стороны наиболее удаленных от оси трубной доски теплообменных трубок установлены заглушки в виде V-образных пластин с плоскими вершинами, причем высота заглушек равна высоте распорных труб, а их выпуклая сторона обращена к оси трубной доски.
