CS240929B1 - Zařízení pro omezení přehřívání pláště tepelného výměníku - Google Patents

Abstract

Řešení se týká zařízení, které omezuje místní přehřívání vnějšího jaláště povrchového výměníku tepla ohřátým pracovním mšdiem. Zařízení je vytvořeno tak, že podél každé delší strany trubkového svazku je umístěna dvojitá dutá stěna, vytvořená z nosné stěny vodícího kanálu a ze stín ničí stěny vodícího kanálu. Dvojité duté stěny jsou shora i zdola uzavřeny a v jejich dnech jsou vytvořeny vstupní otvory, zatímco v oblasti trubkového svazku jsou v těchto dvojitých dutých stěnách vytvořeny výstupní otvory. Shora jsou tyto dvojité duté stěny překlenuty dvojitým dutým víkem, vytvořeným z nosné stěny výstupního kanálu a ze stínící stěny výstupního kanálu. Ve vrchllku^dvojitého dutého víka je vytvořena alespoň jedna řada horních vstupních otvorů, zatímco v jeho patních oblastech jsou vytvořeny patní výstupní otvory. Výstupní otvory jsou vytvořeny ve stínící stěně vodícího kanálu, patní výstupní otvory jsou vytvořeny ve stínící stěně výstupního kanálu a horní vstupní otvory v nosné stěně výstupního kanálu. Horní i dolní hrana každé stínící stěny vodícího kanálu je uložena ve vodítku, rovněž patní hrany stěny výstupního kanálu jsou uloženy v patních vodítkách, přičemž čelní hrany těchto stínících stěn jsou uloženy v celních vodítkách. Nosné stěny vodícího kanálu a nosná stěna výstupního kanálu tvoři jeden nepřerušený celek, pevně spojený s vnějším pláštěm tepelného výměníku.

Description

Vynález se týká zařízení, které omezuje místní přehříváni vnějšího pláště povrchového výměníku tepla ohřátým pracovním médiem.

U povrchových tepelných výměníků dochází k předávání tepla z topného média do ohřívaného prostřednictvím teplosměnné plochy, Ohřívané pracovní médium vstupuje do výměníku s nízkou teplotou a opouští jej s teplotou zvýšenou. V některých případech se ohřívané pracovní médium vyznačuje nízkým tlakem a velkou hmotností, tedy velkým průtočným objemem v porovnání s médiem topným, Z konstrukčních důvodů je v takovém případě nutné zavést pracovní médium do mezitrubkového prostoru výměníku, tedy do prostoru vnějšího pláště výměníku, zatímco topné médium protéká uvnitř trubek výměníku. Nezbytným důsledkem této situace je omýváni části obvodu vnějšího pláště vstupujícím pracovním médiem s nízkou teplotou, zbývající část obvodu pláště je pak ve styku s pracovním médiem po ohřátí, tedy se zvýšenou teplotou, Jelikož vnější plášt tepelného výměníku bývá nejčastěji vybaven vnější izolací k redukci tepelných ztrát, je nutno uvažovat teplotu stěny vnějšího pláště jako velmi blízkou teplotě omývajícího média s patřičnými rozdíly, vztaženými na příslušné části obvodu.

V současné době jsou provozovány konstrukce tepelných výměníků, odpovídající uvedeným zásadám. Je pro ně ovšem příznačné, že menší teplejší část obvodu pláště, která je omývána ohřátým pracovním médiem, podléhá větším tepelným dilatacím než studenější zbytek obvodu pláště, který většinou představuje jeho větší část. U delšíoh pláštů tohoto druhu dochází v důsledku rozdílných tepelných dilataci příslušných částí obvodu k tzv. banánovité de2

213 929 formaoi, nepříjemné z hlediska přídavných pnutí materiálu.

K řešení situace by eventuálně mohlo přispět použiti vnitřní izolace horké Sásti pláště, ovšem s ohledem na její nekontrolovatelnost a nevyměnítelnost se tohoto způsobu nepoužívá.

Dalším možným řešením je odvádění ohřátého média v uzavřeném výstupním kanálu, který vylučuje přímý styk ohřátého média s vnějším pláštěm. V takovém případě má stěna výstupního kanálu výrazně vyšší teplotu než stěna vnějšího pláště, tudíž část stěny vnějšího pláště, sousedící se stěnou uzavřeného kanálu, je předehřívána sálavým teplem se všemi dříve uvedenými nepřízni vými důsledky. Při velké délce vnějšího pláště i uzavřeného výstupního kanálu a při tlakovém spádu mezi prostorem vnějšího pláště a prostorem uzavřeného výstupního kanálu, který je vyvolán hydraulickým odporem trubkového svazku povrchového výměníku, je z hlediska roždíIných tepelnýoh dilataoí vyloučeno pevné zavěšení uzavřeného výstupního kanálu ve vnějším plášti. Tato okolnost může vyvolat konstrukční potíže, souvisejíoí s přenášením hmotnosti výstupního kanálu a v některých případech i trub kového svazku na vnější plášť. Vyohlazování stěny výstupního kanálu otvory je při větším hydrauliokém odporu trubkového svazku neúčinné s ohledem na vysokou rychlost v tšohto otvorech.

Uvedené ve velké míře odstraňuje zařízení pro omezení přehřív

epelného výměníku podle vynálezu, sestávající z vytápěného trubkového svazku, uloženého ve vodicím kanálu a navazujíoího na výstupní kanál pro odvádění ohřátého praoovního média; jeho podstata spočívá v tom, že podél každé delší strany trubkového svazku je umístěna dvojitá dutá stěna, vytvořená z nosné stěny vodícího kanálu a ze stínioí stěny vodioího kanálu. Tato dvojitá dutá stěna je shora i zdola uzavřená a v každém jejím dně jsou vytvořeny vstupní otvory pro vstup chladicího média do dutiny dvojité duté stěny. V oblasti trubkového svazku jsou v této dvojité duté stěně vytvořeny výstupní otvory, které spolu se jmenovanými vstupními otvory umožňují spojení dvou prostorů výměníku o různých tlaoíoh, tedy 1 proudění chladicího média dutinou dvojité duté stěny. Shora je tato dvojitá dutá stěna překlenuta dvojitým dutým víkem, vytvořeným z nosné stěny výstupního kanálu a ze stínící stěny výstupní3 240 929 ho kanálu. Ve vrchlíku tohoto dvojitého dutého víka je vytvořena alespoň jedna řada horních vstupních otvorů a v patních částech tohoto víka jsou vytvořeny patní výstupní otvory. Tyto jmenované otvory mají rovněž za účel umožnit proudění chladicího média dutinou dvojitého dutého víka. Proto jsou výstupní otvory vytvořeny ve stínioí stěně vodícího kanálu, patní výstupní otvory jsou vytvořeny ve stínioí stěně výstupního kanálu a horní vstupní otvory jsou vytvořeny v nosné stěně výstupního kanálu.

Podstatou vynálezu je i to, že horní i dolní hrana každé stínioí stěny vodícího kanálu je uložena ve vodítku, a že i patní hrany stínící stěny výstupního kanálu jsou uloženy v patních vodítkách, přičemž čelní hrany těchto stínioíoh stěn jsou uloženy v čelníoh vodítkách. Další podstatou vynálezu je také to, že nosné stěny vodícího kanálu a nosná stěna výstupního kanálu tvoří jeden nepřerušený celek, pevně spojený s vnějším pláštěm tepelného výměníku.

Hlavní výhodou řešení podle vynálezu je odstranění příčiny lokálního přehřívání vnějšího pláště i jeho nepříznivého důsledku, tj. banánovíté deformaoe celku. Je-li pracovním médiem sytá nebo mokrá pára, pak škrcením ve vstupníoh otvorech do meziprostoru stínioíoh stěn lze dosáhnout snížení teploty vyohlazovaoího média a další intensifikace chladicího účinku. Přiblížení teploty stěny výstupního kanálu k teplotě stěny vnějšího pláště výměníku umožňuje v důsledku nepatrného rozdílu tepelných dilatací obou nosnýoh částí pevnou konstrukční vazbu výstupního kanálu na vnější pláší výměníku. Tím je nosná stěna výstupního kanálu využitelná jako nosný element pro posuvně v něm uložené stínioí stěny.

Jeden z příkladů praktiokého provedeni vynálezu je znázorněn na připojených výkresech, kde obr. 1 představuje podélný osový řez povrchovým výměníkem tepla se stíněným výstupním kanálem, obr. 2 příčný řez zařízením podle vynálezu v rovině A-A, označené na obr. 1 a obr. 3 znázorňuje alternativní umístění výstupních otvorů v tomtéž řezu.

Jak je z těohto výkresů zřejmé, sestává příkladné vytvoření zařízení pro omezení přehřívání pláště tepelného výměníku pod

210 929 le vynálezu jednak z dvojice dvojitých dutýoh stán 134, zdola uzavřenýoh dnem ee vstupními otvory 25 a shora uzavřenýoh vodítky 150, 1511 a jednak z dvojitého dutého víka 167, které navazuje na tyto dvojité duté stěny 134« K vnějšímu plášti £ tepelného výměníku jsou tyto dvojité duté stěny 134, sestávající z nosnýoh stěn 13 vodícího kanálu a ze stínioíoh stěn 14 vodícího kanálu, připojeny podpěrnými žebry 18» Stínící stěny 14 vodícího kanálu 11 jsou uloženy svými spodními podélnými hranami ve vodítkách 15 a svými podélnými horními hranami v homíoh vodítkách 150* Jak je patrno z obr· 1, jsou v tomto přikladli provedení uloženy v ěelníoh vodítkách I52 i obě ěelní hrany stínioíoh stěn 14 vodícího kanálu 11 a obě ěelní hrany stínioí stěny 1? výstupního kanálu 12· Tyto stínioí stěny £4, 17 jsou ve střední části z dilataěníoh důvodů děleny· Ve dneoh 135 dvojitých dutýoh stěn 134 jsou vytvořeny vstupní otvory 25 a v horní ěásti stínioíoh stěn 14 vodícího kanálu 11 jsou vytvořeny výstupní otvory 26, Dvojité duté víko 167 sestává z nosné stěny 16 výstupního kanálu 12, která v tomto příkladu tvoří jeden celek β nosnou stěnou 13 vodioího kanálu 11, a ze stínioí stěny 17 výstupního kanálu 12t v patní části této stínioí stěny 1? jsou vytvořeny patní výstupní otvory 22, 23 a ve vrohlíku nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 je vytvořena řada homíoh vstupních otvorů 20, Celek dvojitých dutých stěn 134 a dvojitého dutého víka 167 tak vymezuje ve vnitřním prostoru pláště £ tepelného výměníku dole vstupní prostor 28, uvnitř tohto celku v oblasti trubkového svazku 4 vodioí kanál 11 a ve vnitřním prostoru dvojitého dutého víka výstupní kanál £2, do kterého zasahují hrdla £ pro výstup média· Podle obr· 1 je ve vnějším plášti £ povrchového výměníku tepla, vybaveném hrdly £, £ pro vstup a výstup ohřívaného média, uložen trubkový svazek 4, vytvořený z teplosměnných trubek ohnutýoh do tvaru písmene U, jejiohž konce navazují na otvory v trubkovnioi £. Trubkovnioe £ uzavírá na jedné straně prostor vnějšího pláště £ výměníku, na druhé straně prostor komory £ topného média. Přepážka £ rozděluje komoru £ topného média na ěást vstupní se vstupním hrdlem 8 topného média a ěást výstupní s výstupním hrdlem £ topného média· Trubkový svazek 4 je vybaven podpěrnými stěnami 10«

210 929

Podle obr. 2 je trubkový svazek 4 uložen ve vodicím kanálu 11, který nad trubkovým svazkem přechází ve vodorovný výstupní kanál 12, propojený nátrubkem s hrdly 2 P^r0 výstup ohřívaného média· Vodicí kanál 11 je od prostoru uzavřeného vnějším pláštěm £ oddělen dvěma svislými dvojitými dutými stěnami 13**. sestávajícími z vnější nosné stěny 13 vodícího kanálu 11 a ze stínioí stěny 14 této nosné stěny 13 vodícího kanálu JMU Vzdálenost mezi nosnou stěnou 13 vodícího kanálu 11 a stínioí stěnou 14 nosné stěny 13 vodícího kanálu 11 je v celé délce vodícího kanálu 11 udržována konstantní prostřednictvím pevně umístěných vodítek 15» 150, Výstupní kanál 12 je od prostorní uzavřeného vnějěím pláštěm J_ oddělen dvojitým dutým víkem 167. sestávájioím z vnější nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 a ze stínící stěny 17 této nosné stěny 16 výstupního kanálu 12. Vzdálenost mezi nosnou stěnou 16 a stínioí stěnou 17 je v celé délce výstupního kanálu 12 udržována konstantní prostřednictvím patníoh vodítek 151, Nosné stěny 13 vodícího kanálu 11 přímo přecházejí do nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 a tvoří s ní tuhý celek, pevně spojený s vnějším pláštěm 1_ prostřednictvím podpěrných žeber 18, Podpěrné stěny 10 trubkového svazku 4 mohou být vybaveny neznAxerT^ciými kladiěkami pro přenášení hmotnosti trubkového svazku 4 na nosné stěny 13 vodícího kanálu 11, Mezi horní ěástí vnějšího pláště J^ a horní částí nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 Je vytvořen meziprostor 19« Mezi nosnou stěnou 16 výstupního kanálu 12 a stínioí stěnou 17 této nosné stěny 16 vzniká drVhý meziprostor 21, Ve většině případů je nutné zajistit pro výstupní kanál 12 co největší průtočný průřez, takže šířka meziprostorů 19, 21 musí být volena minimální podle požadavků bezpečné montáže a tepelných dilatací. Nosná stěna 16 výstupního kanálu 12 je opatřena v nejvyšším místě řadou vstupních otvorů 20, spojujících meziprostor 19 s druhým meziprostorem 21. Druhý meziprostor 21 je propojen s výstupním kanálem 12 řadou výstupních otvorů 22, umístěných těsně nad trubkovým svazkem 4. Alternativně může být podle obr, 3 meziprostor 21 propojen s vodicím kanálem 11 řadou dolních výstupníoh otvorů 23, umístěnýoh v rozsahu hloubky trubkového svazku 4. Podobně mezi nosnými stěnami 13 vodícího kaná240 929 lu 11 a stínícími stěnami 14 této nosné stěny 13 vodícího kanálu 11 jsou vytvořeny boční meziprostory 24, spojené jednak řadou vstupních otvorů 25 se vstupním prostorem 28 a jednak.řadou výstupníoh otvorů 26 vytvořených ve stínioíoh stěnáoh 14 nosné stěny 13 vodícího kanálu 11 a umístěných těsně nad trubkovým svazkem 4, s výstupním kanálem 12. Alternativně podle obr. 3 mohou být boění meziprostory 24 propojeny s vodicím kanálem 11 řadou výstupních otvorů 27, umístěných v rozsahu hloubky trubkového svazku 4.

Topné médium je přiváděno vstupním hrdlem 8 topného média do vstupní části 29 komory 6 topného média, protéká uvnitř teplosměnnýoh trubek trubkového svazku 4 až do přepážkou 2. oddělené výstupní části 30 komory 6. topného média a je odváděno výstupním hrdlem £ topného média mimo zařízení.

Ohřívané pracovní médium vstupuje do tepelného výměníku hrdlem £ pro vstup pracovního média a vyplňuje vstupní prostor 28, vyme zený spodní částí vnějšího pláětě £, trubkového svazku £ a trubkovnicí χ. Vodicím kanálem 11 pak postupuje vzhůru ve směru svislém kolmo k osám teplosměnnýoh trubek trubkového svazku 4 do výstupního kanálu 12. Hrdly χ P^ro výstup pracovního média vytéká potom z výstupního kanálu 12 mimo tepelný výměník k dalšímu využití. Při průtoku praoovního média kolem teplosměnnýoh trubek vytápěného trubkového svazku 4 dochází k jeho ohřívání, provázenému poklesem tlaku pracovního média vlivem hydraulického odporu. Ve výstupním kanálu 12 je tedy teplota pracovního média vyšší a tlak nižší v porovnání s parametry v hrdlu £ pro vstup praoovního média a ve vstupním prostoru 28.

Při průtoku praoovního média výstupním kanálem 12 doohází k tepelnému toku nejprve do stínicí stěny 17 nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 a potom druhým meziprostorem 21 a meziprostorem 19 do nejbližěího okolí. Přitom přenos tepla ze stínicí stěny 17 do nosné stěny 16 a z ní do horní části obvodu vnějšího pláště £ tepelného výměníku se uskutečňuje v největší míře sáláním, jehož intenzita je přímo úměrná velikosti rozdílu teplot sálající a osálané stěny. Vytvořením řady horníoh vstupnioh otvorů 20 a patníoh výs tupni oh otvorů 22, 23 dochází k propojení meziprostorů 19, 21 o rozdílných tlacích. Ve směru tlakového spádu

243 929 nastává proudění určitého množství pracovního média o vstupníoh parametrech z vnitřního prostorní vnějšího pláště 1_ meziprostorem 19 k řadě horních vstupníoh otvorů 20 a dále druhým meziprostorem 21 k patním výstupním otvorům 22, 23. Jimi potom příslušná ěást pracovního média vstupuje do výstupního kanálu 12 a do vodioího kanálu 11. Při průtoku jmenovaného množství ohřívaného média popsanou trasou dochází k odvádění tepla do praoovního média o nižší teplotě ze všech zúčastněných stěn, ohřániŠujíoíoh mez i pros tor 19 a druhý meziprostor 21, tedy z horní části obvodu vnějšího pláště tepelného výměníku, nosné stěny 16 a stínicí stěny 17. Z těchto tří stěn je nejintenzívněji vyohlazována dvojím obtékáním nosná stěna 16 výstupního kanálu 12, což je zejména výhodné pro redukoi sálání na vnější pláší Udržování teploty této nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 na hodnotě blízké teplotě vnějšího pláště J_ tepelného výměníku umožňuje též minimalizaci vzájemných posuvů z důvodu tepelných dilatací a pevné spojení nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 s vnějším pláštěm 2 tepelného výměníku za účelem přenosu hmotnosti. Potřebné teploty nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 lze dosáhnout správnou volbou průtočnýoh průřezů horních vstupníoh otvorů 20 a patních výstupních otvorů 22 _t 23. Ze zúčastněných stěn,tj. vnějšího pláště 2., nosné stěny 16 a stínicí stěny 17 má nejvyšší teplotu stínioí stěna 17 nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 v důsledku obtékání jeho vnitřní strany praoovním médiem po ohřátí v trubkovém svazku 4. Z tohoto důvodu je nutné volit posuvné spojení stínioí stěny 17 s nosnou stěnou 16, které je podle tohoto přikladu provedeno patním vodítkem 151«

Umístění patních výstupních otvorů 22 podle obr. 2 těsně nad trubkovým svazkem 4 umožňuje využít hydraulického odporu celého trubkového svazku 4 pro vyohlazování horní části vnějěího pláště J_, nosné stěny 16 a stínicí stěny 17. Alternativní umístění patních výstupních otvorů 23 podle obr. 3 v rozsahu hloubky trubkového svazku 4 umožňuje využít pro vyohlazování stejných stěn, tj. horní části vnějšího pláště nosné stěny 16 a stínicí stěny 17 hydrauliokého odporu pouze části trubkového svazku 4. Ovšem pracovní médium vystupující z patních výstupních otvorů 23 je možno dohřát na řadáoh trubkového svazku 4 situovaných nad těmito

240 929 dolními výstupními otvory 23. oož jo přínos pro vyrovnanost teplotního pole ve výstupním kanálu 12.

S ohledem na celistvé konstrukční provedení nosné stěny 13 vodí oího kanálu 11 a nosné stěny 16 výstupního kanálu 12 je nutno udržovat teplotu obou těohto stěn 13. 16 na odpovídajíoí úrovni Vyohlazování nosné stěny 13 vodícího kanálu 11 zajišťuje poJobně jako u nosné stěny 16 výstupního kanálu 11 profukování boěníoh meziprostorů 2*t, které nastává propojením dvou prostorů o různých tlacích, tj. vstupního prostoru 28 a výstupního kanálu 12 i

prostřednictvím vstupních otvorů 25 a výstupníoh otvorů 26. Při alternativním uspořádání podle obr. 3 je prostor, uzavřený vněj Sím pláštěm j_» propojen s vodioím kanálem 1.1 prostřednictvím vstupních otvorů 25 z výstupních otvorů 27.

Claims (4)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   240 929

   1. Zařízeni pro omezení přehřívání pláště tepelného výměníku, sestávajíoí z vytápěného trubkového svazku, uloženého ve vodloím kanálu a navazujícího na výstupní kanál pro odvádění ohřátého pracovního média, vyznačené tím, že podél každé delší strany trubkového svazku (4) je umístěna dvojitá dutá stěna (134) vytvořená z nosné stěny (13) vodícího kanálu (11) a ze stínící stěny (14) tohoto vodioího kanálu (11), tctto dvojitá dutá stěna (134) je shora i zdola uzavřená, přičemž v každém jejím dně (135) Jsou vytvořeny vstupní otvory (25) a v oblasti trubkového svazku (4) jsou v ní vytvořeny výstupní otvory (26, 27), a že shora je tato dvojitá dutá stěna (134) překlenuta dvojitým dutým víkem (167) vytvořeným z nosné stěny (16) výstupního kanálu (12) a ze stínioi stěny (17) tohoto výstupního kanálu (12), v jehož vrohlíku je vytvořena alespoň jedna řada horních vstupních otvorů (20) a v jehož patníoh částích jsou vytvořeny patní výstupní otvory (22, 23).
2. 2· Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že výstupní otvory (26, 27) jsou vytvořeny ve stínící stěně (14) vodioího kanálu (11), patní výstupní otvory (22, 23) jsou vytvořeny ve stíní oí stěně (17) výstupního kanálu (12) a horní vstupní otvory (20) jsou vytvořeny v nosné stěně (16) tohoto výstupního kanálu (12).
3. 3« Zařízení podle bodu 1 a 2, vyznačené tím, že horní i dolní hrana každé stínící stěny (14) vodícího kanálu (11) je uložena ve vodítku (15, 150), a že i patní hrany stínící stěny (17) výstupního^kanálu (12) jsou uloženy v patníoh vodítkách (151), přičemž čelní hrany těchto stínících stěn (14, 17) jsou uloženy v čelních vodítkách (152),
4. 4. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že nosné stěny (13) vodioího kanálu (11) a nosná stěna (16) výstupního kanálu (12) tvoří jeden nepřerušený celek, pevně spojený s vnějším pláštěm (1) tepelného výměníku,