F28D7 / 00 - Теплообмінні апарати з нерухомими трубчастими каналами для двох теплоносіїв, причому обидва теплоносія контактують з розділяють стінками каналу
Власники патенту RU 2534337:
Товариство з обмеженою відповідальністю "акме-інжиніринг" (RU)
Винахід відноситься до машинобудування, а саме до труб Фильда для високотемпературних трубчастих теплообмінних апаратів, наприклад, для прямоточних парогенераторів ядерних енергетичних установок з нагріваючим жідкометалліческім теплоносієм (наприклад, сплав свинцю з вісмутом). Труба Фильда прямоточного парогенератора містить опускні трубу, проміжну трубу, встановлену з зазором на опускний трубі і зовнішню трубу із зовнішньою поверхнею, що омивається потоком нагріває теплоносія. Зазор містить теплоізоляційний матеріал, в нижній торцевій частині зазору розміщений герметизирующий елемент. На зовнішній поверхні проміжної труби розташований спіральний елемент, виконаний з можливістю інтенсифікації теплообмінних процесів між нагріваючим теплоносієм і внутрішнім теплоносієм в трубі Фильда. Технічний результат - підвищення коефіцієнта тепловіддачі між внутрішньою поверхнею зовнішньої труби і внутрішнім теплоносієм. 1 н. і 7 з.п. ф-ли, 4 іл.
Винахід відноситься до машинобудування, а саме до труб Фильда для високотемпературних трубчастих теплообмінних апаратів, наприклад для прямоточних парогенераторів ядерних енергетичних установок з нагріваючим жідкометалліческім теплоносієм (наприклад, сплав свинцю з вісмутом).
Завдання, на вирішення якої спрямовано заявляється винахід, полягає в підвищенні техніко-економічних показників ядерної енергетичної установки, що використовує прямоточний парогенератор з трубами Фильда. Зокрема, вона полягає в збільшенні температури перегрітої пари, що виробляється парогенератором.
Технічним результатом пропонованого винаходу є усунення перерахованих вище недоліків, а саме: підвищення коефіцієнта тепловіддачі між внутрішньою поверхнею зовнішньої труби (нагрітої зовнішнім теплоносієм) і стикаються з нею потоком внутрішнього теплоносія, а також зменшення паразитного теплообміну між теплоносієм в каналі внутрішньої труби (наприклад, тих, що сходять потоком живильної води) і теплоносієм в каналі (наприклад, висхідним потоком перегрітої пари), утвореним зовнішньою поверхнею вну тертя труби і внутрішньою поверхнею зовнішньої труби.
На зазначені технічні результати впливають такі істотні ознаки труби Фильда.
Труба Фильда прямоточного парогенератора містить опускні трубу, проміжну трубу, встановлену з зазором на опускний трубі, і зовнішню трубу із зовнішньою поверхнею, що омивається потоком нагріває теплоносія, причому зазор містить теплоізоляційний матеріал, в нижній торцевій частині зазору розміщений герметизирующий елемент, на зовнішній поверхні проміжної труби розташований спіральний елемент, виконаний з можливістю інтенсифікації теплообмінних процесів між нагріваючим теплоносієм і внутрішнім теплоносієм в трубі Фильда.
Труба Фильда може містити в верхній торцевій частині зазору додатковий герметизуючий елемент. Теплоізоляційний матеріал може бути вибраний з групи або суміші матеріалів, що включають пар і воду. Теплоізоляційний матеріал може бути газом. На проміжній трубі можуть бути сформовані поперечні гофри, виконані з можливостями компенсації різниці температурних подовжень опускний і проміжної труб і дистанціювання проміжної труби. Глибина гофр на проміжній трубі може бути менше ширини зазору, а внутрішня труба містити дистанціюється елемент. Дистанціюється елемент може являти собою поздовжні ребра, які стикаються з вищевказаними гофрами, або дріт, закріплену на торцях опускний труби. Спіральний елемент може бути виконаний у вигляді спірально навитого дротяного елемента з діаметром, рівним або менше ширини зазору між зовнішньою і проміжної трубами, і кроком навивки h = (0,5 ÷ 50) D, де D - зовнішній діаметр проміжної труби.
Короткий опис креслень
На Фиг.1 показаний варіант конструкції труби Фильда з додатковим герметизирующим елементом у верхній торцевій частині зазору і гофрованої проміжної трубою.
На Фіг.2 показаний поперечний розріз труби Фильда для варіанту труби Фильда по Фиг.1.
На Фіг.3 показаний варіант конструкції труби Фильда з дистанціюється елементом у вигляді дроту, закріпленої на торцях опускний труби.
На фіг.4 показаний поперечний розріз труби Фильда для варіанту труби Фильда по Фіг.3.
У пропонованому винаході пристрій - труба Фильда є основним вузлом парогенератора, що виробляє перегріту пару. До складу труби Фильда входять зовнішня труба 2, що омивається потоком нагріває теплоносія, проміжна труба 3, встановлена з зазором 6 на опускний трубі 4. Зазор 6 містить теплоізоляційний матеріал і, відповідно, є теплоізоляційним зазором. Герметизуючий елемент 1 розміщений в нижній торцевій частині зазору 6 між опускний 4 і проміжної трубами 3. Додатковий герметизирующий елемент розміщують у верхній торцевій частині зазору 6 між зовнішньою 2 і проміжної 3 трубами. Спіральний елемент 5 розміщений на зовнішній поверхні проміжної труби 3. дистанціюється елемент 7 закріплений на торцях опускний труби 3. Трубні дошки парогенератора 8 утворюють канал для перегрітої пари, що виходить з труби Фильда.
Виконання проміжної труби 3 з поперечними гофрами з заданими розрахунковими або емпірично заданими розмірами (глибиною) забезпечує компенсацію різниці температурних подовжень опускний 4 і проміжної труб 3. Крім того, такі гофри забезпечує дистанціювання проміжної труби по відношенню до опускний трубі. Спіральний елемент 5 виконаний у вигляді спірально навитого дротяного елемента з діаметром, рівним або менше ширини зазору між зовнішньою і проміжної трубами, і кроком навивки h = (0,5 ÷ 50) D, де D - зовнішній діаметр проміжної труби. Крок навивки вибирається із заданого діапазону і обраний експериментальним шляхом підбору оптимальних умов теплообміну.
Пристрій функціонує в такий спосіб (див. Фіг 1, 3). Внутрішній теплоносій (живильна вода на вході опускний труби 4) опускається вниз по опускний трубі теплообмінної труби Фильда прямоточного парогенератора. Далі потік внутрішнього теплоносія повертає у закритого кінця зовнішньої труби 2 на 180 ° і по зазору між проміжної трубою і внутрішньою поверхнею зовнішньої труби 2 піднімається вгору. При підйомі вгору внутрішній теплоносій нагрівається через передачу йому тепла з боку нагріває (зовнішнього) теплоносія через стінки зовнішньої труби.
При русі вгору внутрішній теплоносій нагрівається з перетворенням в пароводяну суміш, що переходила в перегрітий пар, в результаті теплопередачі, від нагріває теплоносія. У нижній зоні підйому (по зазору між проміжної трубою і внутрішньою поверхнею зовнішньої труби 2) теплоносій являє собою рідину з частинками пара всередині. Далі при підйомі теплоносій являє собою пар з краплями води (середня зона). І нарешті, у верхній зоні підйому утворюється перегрітий пар (пар, що не містить крапель води), що надходить в канал з трубними дошками 8.
При взаємодії зі спіральним елементом 5 потік внутрішнього теплоносія закручується, його швидкість збільшується, відповідно зростає коефіцієнт тепловіддачі (від стінки зовнішньої труби 2 до внутрішнього теплоносія) і відбувається інтенсифікація теплових процесів, що забезпечують формування перегрітої пари. Такий ефект діє в нижній і верхніх зонах підйому. У середній зоні інтенсифікація теплообміну відбувається за рахунок дії відцентрової сили (виникає при закручуванні крапель води в парі з-за взаємодії їх зі спіральним елементом) на краплі води в потоці пари, яка також веде до збільшення коефіцієнта тепловіддачі.
Наявність теплоізольованого зазору 6 перешкоджає небажаному радіальному теплообміну між проходить вниз по опускний трубі 4 живильної води і формується пароводяної сумішшю, що піднімається по зазору між зовнішньою і проміжної трубами. Це, в кінцевому рахунку, також веде до більш ефективному формуванню пара.
Запропонована конструкція труби Фильда може бути виготовлена промисловим способом і використана в високотемпературних трубчастих теплообмінних апаратах типу прямоточних парогенераторів.
1. Труба Фильда, що містить опускні трубу, проміжну трубу, встановлену з зазором на опускний трубі, і зовнішню трубу із зовнішньою поверхнею, що омивається потоком нагріває теплоносія, причому зазор містить теплоізоляційний матеріал, в нижній торцевій частині зазору розміщений герметизирующий елемент, а на зовнішній поверхні проміжної труби розташований спіральний елемент.
2. Труба Фильда по п.1, що відрізняється тим, що в верхній торцевій частині зазору розміщений герметизирующий елемент.
3. Труба Фильда по п.1, що відрізняється тим, що теплоізоляційний матеріал вибраний з групи або суміші матеріалів, що включають пар і воду.
4. Труба Фильда по п.2, що відрізняється тим, що теплоізоляційний матеріал є газом.
5. Труба Фильда по п.1, що відрізняється тим, що на проміжній трубі сформовані поперечні гофри, виконані з можливістю компенсації різниці температурних подовжень опускний і проміжної труб і забезпечення дистанціювання проміжної труби.
6. Труба Фильда по п.5, що відрізняється тим, що глибина гофр на проміжній трубі менше ширини зазору, а опускна труба містить дистанціюється елемент.
7. Труба Фильда по п.6, що відрізняється тим, що дистанціюється елемент являє собою поздовжні ребра, які стикаються з гофрами, або дріт, закріплену на торцях опускний труби.
8. Труба Фильда по п.1, що відрізняється тим, що спіральний елемент виконаний у вигляді спірально навитого дротяного елемента з діаметром, рівним або менше ширини зазору між зовнішньою і проміжної трубами, і кроком навивки, рівним від 0,5 до 50 величини зовнішнього діаметра проміжної труби.