CS261034B1

CS261034B1 - Woolen heat exchanger

Info

Publication number: CS261034B1
Application number: CS865016A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Masek; Vladimir Hlousek; Josef Srutek; Helena Zamecnikova; Jarmila Varvarovska
Original assignee: Vaclav Masek; Vladimir Hlousek; Josef Srutek; Helena Zamecnikova; Jarmila Varvarovska
Priority date: 1986-07-02
Filing date: 1986-07-02
Publication date: 1989-01-12
Also published as: CS501686A1

Abstract

Očelem použití vlásenkového výměníku tepla je zmenšení rozměrů výměníků tepla, úspora projekčních i výrobních nákladů, vyřešení dispozičních problémů a opakovanost použití. Tohoto účelu se dosáhne použitím vlásenkového výměníku tepla s teplosměnnými trubkami tvaru U, uspořádanými na roztečných kružnicích vnitřního svazku a vnějšího svazku.The purpose of using a hairpin heat exchanger is to reduce the dimensions of heat exchangers, save design and production costs, solve layout problems and repeatability of use. This purpose is achieved by using a hairpin heat exchanger with U-shaped heat exchange tubes arranged on the pitch circles of the inner bundle and the outer bundle.

Description

Vynález se týká vlásenkového výměníku tepla s teplosměnným! trubkami tvaru U uspořádanými na roztečných kružnicích vnitřního svazku a vnějšího svazku, zejména regenerační a teplofikační okruhy parních turbín klasických i jaderných elektráren.The invention relates to a hairpin heat exchanger with U-shaped heat exchange tubes arranged on the pitch circles of the inner bundle and the outer bundle, in particular regenerative and heating circuits of steam turbines of conventional and nuclear power plants.

Pro výměníky tepla je velmi výhodné užití teplosměnných trubek ohnutých do tvaru U, tzv. vlásenek, které jsou zakotveny svými konci do trubkovnice. Tento tvar teplosměnných trubek umožňuje jednoduchou montáž i při složité vnitřní vestavbě výměníku a je výhodný z hlediska kompenzace tepelné dilatace trubek. Jsou známy konstrukce vlásenkových výměníků tepla, u nichž oba konce vlásenek leží v trojúhleníkové mříži tak, že vstupní plocha je vytvořena na jedné polovině trubkovnice a výstupní plocha na druhé polovině trubkovnice a obě tyto plochy jsou odděleny rovinou kolmou na spojnici obou konců vlásenek a procházející geometrickým středem trubkovnice. Toto uspořádání umožňuje dokonalé vyplněni vnitřního prostoru ohříváku teplosměnnými trubkami, má však nevýhodu v tom, že trubkovnice je nepříznivě tepelně namáhána, což je zejména u regeneračních výměníků tepla závažný nedostatek, protože například při výpadku turbiny dochází během několika vteřin k prudké změně teplotních poměrů na trubkovnici. Z tohoto důvodu je takovéto uspořádání vhodné pouze pro výměníky malých průměru a pro výměníky pracující s nízkými tlaky, aby trubkovnice z pevnostního hlediska, vycházela tenká. Další nevýhoda tohoto uspořádání tkví v tom, že je značně omezena možnost vytvoření přídavných teplosměnných ploch, jako je srážeč přehřátí nebo podchlazovač kondenzátu a obtížněji se konstruuje zařízení pro odbod plynů z mezitrubkového prostoru.For heat exchangers, it is very advantageous to use heat exchange tubes bent into a U shape, so-called hairpins, which are anchored by their ends into the tube sheet. This shape of the heat exchange tubes allows for simple assembly even with complex internal installation of the exchanger and is advantageous in terms of compensation for thermal expansion of the tubes. There are known designs of hairpin heat exchangers in which both ends of the hairpins lie in a triangular lattice so that the inlet surface is formed on one half of the tube sheet and the outlet surface on the other half of the tube sheet and both these surfaces are separated by a plane perpendicular to the connecting line of both ends of the hairpins and passing through the geometric center of the tube sheet. This arrangement allows for the perfect filling of the internal space of the heater with heat exchange tubes, but has the disadvantage that the tube sheet is subjected to adverse thermal stress, which is a serious drawback, especially in regenerative heat exchangers, because, for example, in the event of a turbine failure, a sharp change in temperature conditions on the tube sheet occurs within a few seconds. For this reason, such an arrangement is only suitable for exchangers of small diameter and for exchangers operating with low pressures, so that the tube sheet is thin from a strength point of view. Another disadvantage of this arrangement is that the possibility of creating additional heat exchange surfaces, such as a superheat precipitator or a condensate subcooler, is significantly limited and it is more difficult to construct a device for the discharge of gases from the intertube space.

To vše zvyšuje náklady na výrobu výměníku tepla a omezuje univerzálnost konstrukce. Aby se odstranily uvedené nedostatky, byl vyvinut výměník tepla, u něhož jsou teplosměnné trubky uspořádány v trojúhelníkové mříži do mezikruhových svazků tak, že teplosměnné trubky tvaru U z vnitřního svazku jsou zavedeny do vnějšího-svazku. Toto uspořádání má nevýhodu v tom, že pro každý počet trubek je nutno řešit novou geometrii uspořádání trubek tak, aby montáž byla co nej jednodušší. Unifikace výměníků tepla s takto uspořádaným svazkem teplosměnných trubek je nemožná a využití NC techniky při obráběcích pracech předpokládá pro každý typ výměníku sestavení nového programu, oož je velmi nákladné.All this increases the cost of manufacturing the heat exchanger and limits the versatility of the design. In order to eliminate the above-mentioned shortcomings, a heat exchanger was developed in which the heat exchange tubes are arranged in a triangular lattice in inter-circular bundles so that the U-shaped heat exchange tubes from the inner bundle are introduced into the outer bundle. This arrangement has the disadvantage that for each number of tubes it is necessary to solve a new geometry of the tube arrangement so that the assembly is as simple as possible. The unification of heat exchangers with such an arranged bundle of heat exchange tubes is impossible and the use of NC technology in machining operations assumes the compilation of a new program for each type of exchanger, which is very expensive.

Jsou známy rovněž konstrukce výměníků tepla, u nichž je jeden konec vlásenky ukotven na roztečné kružnici vnitřního svazku a druhý konec na roztečné kružnici vnějšího svazku tak, že rovina proložená podélnými osami obou konců vlásenky má radiální směr. Průměr roztečné kružnice se pak určí ze vztahuThere are also known designs of heat exchangers in which one end of the hairpin is anchored to the pitch circle of the inner bundle and the other end to the pitch circle of the outer bundle so that the plane intersected by the longitudinal axes of both ends of the hairpin has a radial direction. The diameter of the pitch circle is then determined from the relationship

D, i-1 +,²]D, i-1 +, ² ]

0,5 kde t je minimální rozteč, z je počet trubek na roztečné kružnici, D^ je hledaný průměr roztečné kružnice, D^_^ je průměr roztečné kružnice předcházející, D^_2 je průměr roztečné kružnice předcházející kružnici s průměrem D^_^, blíže k ose výměníku tepla.0.5 where t is the minimum pitch, z is the number of tubes on the pitch circle, D^ is the desired diameter of the pitch circle, D^_^ is the diameter of the pitch circle preceding, D^_2 is the diameter of the pitch circle preceding the circle with diameter D^_^, closer to the heat exchanger axis.

Pro D^_^ . cos -A. + 2 jt² - (—2 sin -2-)²j0,5 _ _2t< aneboFor D^_^ . cos -A. + 2 jt ² - (—2 sin -2-) ² j0,5 _ _2t< or

D' -Ί pro '*'2 · ^s^^{n se ur}<5í průměr roztečné kružnice ze vztahu D^ = D^_2 + 2t. Toto uspořádání má nevýhodu v tom, že na vnějších roztečných kružnicích vnitřního i vnějšího svazku vlivem nárůstu obvodových roztečí dochází k velmi špatnému vyplnění prostoru teplosměnnými trubkami, což vede k nárůstu průměru výměníku tepla a ted ke zvýšení jeho ceny a k výraznému zhoršeni možností jeho dispozičního uspořádání.D' -Ί for '*'2 · ^s ^ ^{n is} the diameter of the pitch circle determined from the relation D^ = D^_2 + 2t. This arrangement has the disadvantage that on the outer pitch circles of the inner and outer bundles, due to the increase in the circumferential pitches, the space is very poorly filled with heat exchange tubes, which leads to an increase in the diameter of the heat exchanger and thus to an increase in its price and a significant deterioration in the possibilities of its layout.

Uvedené nevýhody odstraňuje při využití výhod známých konstrukcí vlásenkový výměník tepla sestávající z pláště, trubkovnice, teplosměnných trubek tvaru U, vnitřní vestavby, rozdělovači komory, přívodu a odvodu ohřívaného média, přívodu a odvodu ohřívacího média, odvodu plynů s teplosměnnými trubkami uspořádanými v n roztečných kružnicích, kde n>2, přičemž každá roztečná kružnice obsahuje stejný počet z teplosměnných trubek, kde z^>2 tak, že jeden konec teplosměnné trubky patří do vnitřního svazku, ohraničeného vnitřní kružnicí a střední kružnicí a druhý konec teplosměnné trubky patří do vnějšího svazku ohraničeného levou kružnicí a vnější kružnicí, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že při platnosti podmínekThe above disadvantages are eliminated by utilizing the advantages of known designs by a hairpin heat exchanger consisting of a shell, a tube sheet, U-shaped heat exchange tubes, an internal installation, a distribution chamber, a heated medium inlet and outlet, a heating medium inlet and outlet, and a gas outlet with heat exchange tubes arranged in n pitch circles, where n>2, each pitch circle containing the same number of z heat exchange tubes, where z^>2, so that one end of the heat exchange tube belongs to the inner bundle, bounded by the inner circle and the middle circle, and the other end of the heat exchange tube belongs to the outer bundle bounded by the left circle and the outer circle, according to the invention, the essence of which lies in the fact that under the conditions

0,5 D..-! . sin kL· < _t 0.5 D..-! . sin kL· < _t

D._₁ . cos + 2jt² - (0,5 Dj__1 . sin ) ²J ⁰'⁵ - 2t2D..2 se průměry prvních k roztečných kružnic, kde i c< 1, k>, stanoví ze vztahu r, _ a . , Γ.2 _c . jr ,2~1θ,5 = Dj.j · cos —- + 2 It - (0,5 . sm —) J a průměry zbývajících n-k roztečných kružnic kde i (k, η , jsou dány dýrazem 2 |t² + 0,25 - t . · cos ( /+ tu) J °'⁵ - °χ_2 ^{+ 2t}' kde značí z ..... počet teplosměnných trubek na roztečné kružnici t ..... minimální rozteč teplosměnných trubek D ..... průměr roztečné kružnice i ..... index určující pořadové číslo roztečné kružnice, vnitřní kružnice má pořadové číslo i = 1, vnější kružnice má pořadové číslo i = n n ..... počet roztečných kružnic k ..... pořadové číslo hraniční kružnice a kde <Ta w jsou určeny výrazyD._ ₁ . cos + 2jt ² - (0.5 Dj__1 . sin ) ² J ⁰ ' ⁵ - 2t2D..2 the diameters of the first k pitch circles, where i c< 1, k>, are determined from the relation r, _ a . , Γ.2 _c . jr ,2~1θ,5 = Dj.j · cos —- + 2 It - (0.5 . sm —) J and the diameters of the remaining nk pitch circles where i (k, η , are given by the formula 2 |t ² + 0.25 - t . · cos ( /+ tu) J °' ⁵ - °χ_2 ^{+ 2t} ' where z denotes ..... the number of heat exchange tubes on the pitch circle t ..... the minimum pitch of the heat exchange tubes D ..... the diameter of the pitch circle i ..... the index determining the serial number of the pitch circle, the inner circle has the serial number i = 1, the outer circle has the serial number i = nn ..... the number of pitch circles k ..... the serial number of the boundary circle and where <Ta w are determined by the expressions

J = are sin^D^_2 sin/} (D?_2 ⁺ J = are sin^D^_2 sin/} (D?_2 ⁺

W = are cos Jo,25 ( D?_₂ + D?_₁přičemž je dáno výrazem r f—J r fa = ----are cos 1(0,5 D_í_₂ ^Di_l - ²-^Di_2 · ^Di-1 · cos//)’°'(J - 2D_i_₂ . D_i_₁ . cos 4)^0,5 . ť¹] ⁺ 0,5 D.^ . 2t²) . (D..4 . D.^)'¹ JW = are cos Jo,25 ( D?_ ₂ + D?_ ₁ where it is given by the expression rf—J r fa = ----are cos 1(0,5 D _í _ ₂ ^D i_l - ² - ^D i_2 · ^D i-1 · cos//)'°'(J - 2D _i _ ₂ . D _i _ ₁ . cos 4) ^0,5 . ť ¹ ] ⁺ 0,5 D.^ . 2t ² ) . (D..4 . D.^)' ¹ J

Výhoda vlásenkového výměníku tepla podle vynálezu spočívá v tom, že vnitřní prostor pláště je vhodnějším způsobem vyplněn teplosměnnými trubkami, čímž se zásadním způsobem zmenšují jeho rozměry. Tím klesají materiálové náklady úsporou materiálu třídy 17, 15, respektive 11 a 13. Jsou tím rovněž řešeny dispoziční problémy umístění výměníku v investičním celku. To vše přináší značnou úsporu výrobních i stavebních nákladů. Další výhoda spočívá v tom, že geometrie rozmístění trubek v prostoru je matematicky jednoduše formulována, takže na jejím základě lze postavit univerzální program pro výpočet i výrobu všech rozměrů výměníků tepla konstruovaných podle tohoto vynálezu. Tím klesají projekční i výrobní náklady, je umožněn vyšší podíl užití NC techniky a jsou splněny předpoklady pro unifikaci výměníků tepla.The advantage of the hairpin heat exchanger according to the invention is that the inner space of the shell is filled with heat exchange tubes in a more suitable way, which significantly reduces its dimensions. This reduces material costs by saving material of classes 17, 15, or 11 and 13. This also solves the layout problems of the location of the exchanger in the investment unit. All this brings a significant saving in production and construction costs. Another advantage is that the geometry of the distribution of tubes in space is mathematically simply formulated, so that on its basis a universal program can be built for the calculation and production of all dimensions of heat exchangers constructed according to the present invention. This reduces design and production costs, enables a higher proportion of the use of NC technology and meets the prerequisites for the unification of heat exchangers.

Příklad uspořádání výměníku tepla podle vynálezu je zobrazen na přiložených obrázcích 1 a 2, kde na obr. 1 je podélný řez výměníkem tepla a na obr. 2 je detail řezu vnějším a vnitřním svazkem teplosměnných trubek.An example of the arrangement of a heat exchanger according to the invention is shown in the attached figures 1 and 2, where figure 1 is a longitudinal section of the heat exchanger and figure 2 is a detail of the section of the outer and inner bundles of heat exchange tubes.

Výměník tepla podle vynálezu sestává z pláště 11, který je spojen s trubkovnicí 12, kterou procházejí teplosměnné trubky 2^, na nichž je instalována vnitřní vestavba 14 pro usměrnění toku média. Na plášti 11 jsou provedena hrdla přívodu 16 ohřívacího média a odvodu 20 plynů. Pod trubkovnicí 12 se nachází rozdělovači komora 18 s vestavbou 19 komory 18. Na rozdělovači komoře 18 jsou provedena hrdla přívodu 13 ohřívaného média odvodu 15 ohřívaného média a odvodu 17 ohřívaného média. Teplosměnné trubky _2 jsou uspořádány na roztečných kružnicích 1^ které jsou sestaveny do vnitřního svazku 3^, omezeného vnitřní kružnicí 5. a střední kružnicí 6 a do vnějšího svazku 4^, omezeného levou kružnicí Ί_ a vnější kružnicí Hraniční kružnice 10 odděluje od sebe vnitřní sekci 3 a vnější sekci 21, přičemž ve vnitřní sekci 9, jsou průměry roztečných kružnic 1. počítány podle vztahuThe heat exchanger according to the invention consists of a shell 11, which is connected to a tube sheet 12, through which heat exchange tubes 2^ pass, on which an internal fitting 14 is installed for directing the flow of the medium. The shell 11 has inlets 16 for the heating medium and outlet 20 for the gases. Below the tube sheet 12 there is a distribution chamber 18 with an installation 19 for the chamber 18. The distribution chamber 18 has inlets 13 for the heated medium, outlet 15 for the heated medium and outlet 17 for the heated medium. The heat exchange tubes _2 are arranged on the pitch circles 1^ which are assembled into an inner bundle 3^, limited by the inner circle 5. and the middle circle 6 and into an outer bundle 4^, limited by the left circle Ί_ and the outer circle The boundary circle 10 separates the inner section 3 and the outer section 21 from each other, while in the inner section 9, the diameters of the pitch circles 1. are calculated according to the relationship

D. ~ D- _η ♦ cos — + 2Ít² - (0,5 D. , . sin 2L)²|°'⁵ _ai ι-l z L i-l ² JD. ~ D- _η ♦ cos — + 2Ít ² - (0.5 D. , . sin 2L) ² |°' ⁵ _a i ι-lz L il ² J

0,5 + 0,25 D.__x - t.D.^ ve vnější sekci 21 jsou průměry roztečných kružnic 2 určovány ze vztahu0.5 + 0.25 D._ _x - tD^ in the outer section 21, the diameters of the pitch circles 2 are determined from the relationship

Výměník tepla podle vynálezu je vhodný zejména jako výměník pro regenerační a teplofikační okruhy klasických i jaderných elektráten. Je však vhodný i pro jiné obory, jako je potravinářský a chemický průmysl.The heat exchanger according to the invention is particularly suitable as an exchanger for regeneration and heating circuits of conventional and nuclear power plants. However, it is also suitable for other fields, such as the food and chemical industries.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Hairpin heat exchanger consisting of shell, tube sheet, U-shaped heat transfer tubes, internal installation, manifold chamber, heated medium inlet and outlet, heating medium inlet and outlet, gas outlet with heat exchange tubes arranged in pitch circles, where n> 2, each pitch the circle comprises an equal number of heat transfer tubes, of which 2 so that one end of the heat transfer tube belongs to the inner bundle bounded by the inner circle and the middle circle and the other end of the heat transfer tube belongs to the outer bundle bounded by the left circle and the outer circle of tubes (2) anchored in the tube sheet (12) lie on the pitch circles (1), whose diameter under the conditions

0.5. sin - <t

- <0.5 D. ^. sin 4-) ² ] 'is for the first k pitch circles (1), where i ^ 1, k k is determined by

Di = D._ _x. cos ~ + 2p ² - (0,5.D · ^. sin - ~) ² J ° ' ⁵ and the diameters of the remaining nk of the pitch circles (1), where ié (k, are not given by

D. -. cos - + 2 i-1 z

2 | t ² + 0,25 D ² - _x - tD. cos i-1

0.5

2t «D.

wherein represents (<r + ^D i ^W ^{t-2 t} 2 ⁺ ..... a number of tubes (2) on a pitch circle (1) t ..... minimum spacing heat exchange tubes (2)

D ..... diameter of the pitch circle (1) i ..... the index determining the serial number of the pitch circle (1) of the inner circle (5) has the serial number i = 1, the outer circle has the serial number i = nn ... .. number of pitch circles k ..... the order number of the boundary circle and where Aa are determined by the terms £ - are sin £ ϋ _χ _ ₂ sin / J (D ² _2 + D ² _x - 2, ϋ _χ _ _2. ϋ _ _χ _χ. cos / R) ^0.5 /

O) = are cos ^ 0,25 (D ² _2 + ϋ ² _χ - 2; ο _χ _ _2. D _i _ _1. Cos /}) ⁰ ' ⁵ . t ^-1 , where β is given by the expression / 3 = --2-Σ - are cos £ (0,5. ϋ _χ _ ₂ + 0,5.D _i _ _1. 21 ² ). (D ₁ = 0 _χ ₂ ), the diameters of the inner circle (5) and the left circle (7) being known.