RU2690308C1

RU2690308C1 - Heat exchanging device

Info

Publication number: RU2690308C1
Application number: RU2018100459A
Authority: RU
Inventors: Александр Ефимович Красильщиков; Владислав Васильевич Родин; Григорий Владимирович Каргин; Дмитрий Владимирович Щекин; Михаил Евгеньевич Тюхтин; Виталий Иванович Полуничев
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2019-05-31

Abstract

FIELD: heat exchange.SUBSTANCE: invention relates to the field of heat exchange equipment used in various industries, in particular to coil heat exchangers that can be used in emergency cooling systems of nuclear power plants. In a heat exchanger, comprising a cylindrical body with a central shell arranged concentrically with the body, forming an annular cavity with the body in which the heat exchange elements are located, each of which is made in the form of multiple coils with collectors for the supply and removal of coolant, made in the form of a torus and connected through tees to intermediate pipelines, which, in turn, are connected to water and steam manifolds located under the hull and above the hull, intermediate pipelines are connected to water and steam collectors through connecting pipes located in an arbitrary plane relative to the plane of the collectors. Connecting pipes can be equipped with tees, and the heat exchange elements are combined into groups with several steam and water collectors.EFFECT: reducing the size of the heat exchanger by reducing the distance between the housing and the collectors.3 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области теплообменного оборудования, используемого в различных отраслях промышленности, в частности к змеевиковым теплообменникам, которые могут быть применены в системах аварийного расхолаживания ядерных энергетических установок.The proposed solution relates to the field of heat exchange equipment used in various industries, in particular to coil heat exchangers that can be used in emergency cooling systems of nuclear power plants.

Известны вертикальные змеевиковые теплообменники, содержащие цилиндрический корпус, по оси которого установлена цилиндрическая обечайка с рядами витков змеевиковых теплообменных труб, объединенных при помощи коллекторов, (см., например, а.с. №879237 опуб. 07.11.1981, кл. МПК F28D 7/02, а.с. №1206598 опуб. 23.01.1986, кл. МПК F28D 7/02)Known vertical coil heat exchangers containing a cylindrical body, along the axis of which is installed a cylindrical shell with rows of coils of coil heat exchange tubes, combined with the help of collectors (see, for example, A.C. No. 879237 published 07.11.1981, cl. IPC F28D 7 / 02, A.S. №1206598 published on Jan. 23, 1986, cl. MPC F28D 7/02)

Теплообменники имеют значительные габариты и металлоемкость, в таких теплообменниках затруднен ремонт текущих секций и невозможна их замена.Heat exchangers have significant dimensions and metal intensity, in such heat exchangers repair of the current sections is difficult and their replacement is impossible.

Известен вертикальный кольцевой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, концентрично размещенную обечайку и расположенные между ними изогнутые относительно вертикальной оси теплообменные элементы, заключенные в кожух и подключенные к первичным коллекторам подвода и отвода циркулирующего внутри труб теплоносителя образуя модули. Коллектора подвода и отвода соединены с трубопроводами подвода и отвода теплоносителя. (См., например, патент RU №2041439 опубл. 09.08.1995 по кл. МПК F28D 7/10.)A vertical annular heat exchanger is known, comprising a cylindrical body, concentrically placed shell and heat exchange elements bent relative to the vertical axis, enclosed in a casing and connected to primary collectors for supplying and discharging the coolant circulating inside the tubes forming modules. The inlet and outlet manifolds are connected to the coolant inlet and outlet pipelines. (See, for example, patent RU No. 2041439 publ. 08/09/1995 according to cl. IPC F28D 7/10.)

В теплообменнике такой конструкции упрощается поиск текущих модулей и повышается ремонтопригодность, так как появляется возможность замены вышедших из строя модулей.In the heat exchanger of such a construction, the search for current modules is simplified and maintainability increases, since it becomes possible to replace the failed modules.

Известен теплообменный аппарат, содержащий цилиндрический корпус с размещенной концентрично корпусу центральной обечайкой образующей с корпусом кольцевую полость, в которой расположены теплообменные элементы, каждый из которых выполнен в виде многозаходных змеевиков с коллекторами подвода и отвода теплоносителя, выполненными в виде тора и соединенными через тройники с промежуточными трубопроводами, которые в свою очередь соединены с водяным и паровым коллекторами, расположенными под корпусом и над корпусом. (См., например, патент на полезную модель Ru №146849 от 19.09.2014 г. по кл. МПК F28F 7/02)A heat exchanger is known, which comprises a cylindrical case with a central shell placed concentrically with the case and forming an annular cavity with the case, in which heat exchange elements are located, each of which is made in the form of multiple serpentines with heat transfer inlet and outlet collectors made in the form of a torus and connected through tees with intermediate pipelines, which in turn are connected to water and steam manifolds located under the hull and above the hull. (See, for example, patent for a useful model of Ru No. 146849 dated 09/19/2014 according to cl. IPC F28F 7/02)

Недостатком, обусловленным наличием непосредственного соединения промежуточных трубопроводов с водяным и паровым коллекторами, является проблематичность компенсации температурных расширений между корпусом теплообменника и паровым и водяным коллекторами, расположенными над крышкой и под днищем теплообменника, а также компенсация нагрузок на патрубки паровых и водяных коллекторов от подсоединяемых трубопроводов.The disadvantage due to the direct connection of intermediate pipelines with water and steam collectors is the difficulty of compensating for temperature expansions between the heat exchanger body and the steam and water collectors located above the lid and under the bottom of the heat exchanger, as well as the compensation of the loads on the steam and water manifold nozzles from the connected pipelines.

Кроме того, недостатками являются сложность и повышенные массогабаритные характеристики конструкции паровых и водяных коллекторов из-за наличия на них дополнительных штуцеров для поиска неплотного теплообменного элемента, а также отсутствие секционирования теплообменной поверхности.In addition, the disadvantages are the complexity and increased weight and size characteristics of the design of steam and water collectors due to the presence of additional fittings to search for a loose heat exchange element, as well as the lack of sectioning of the heat exchange surface.

По наибольшему числу общих признаков теплообменник по данному патенту выбран за прототип.According to the greatest number of common features, the heat exchanger according to this patent is chosen as a prototype.

Технической задачей является создание теплообменника, в котором теплообменные элементы объединены в группы несколькими паровыми и водяными коллекторами, а соединительные трубы снабжены тройниками.The technical task is to create a heat exchanger in which the heat exchange elements are combined into groups with several steam and water collectors, and the connecting pipes are equipped with tees.

Решение поставленной задачи позволит не компенсировать подводящие трубопроводы, упростить конструкцию паровых и водяных коллекторов и, при увеличении мощности теплообменника, иметь пониженные массогабаритные характеристики системы аварийного расхолаживания.Solving this problem will not compensate for the supply pipelines, simplify the design of steam and water collectors and, with increasing heat exchanger power, have reduced weight and size characteristics of the emergency cooling system.

Задача решается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем цилиндрический корпус с размещенной концентрично корпусу центральной обечайкой образующей с корпусом кольцевую полость, в которой расположены теплообменные элементы, каждый из которых выполнен в виде многозаходных змеевиков с коллекторами подвода и отвода теплоносителя, выполненными в виде тора и соединенными через тройники с промежуточными трубопроводами, которые в свою очередь соединены с водяным и паровым коллекторами, расположенными под корпусом и над корпусом, промежуточные трубопроводы соединены с водяным и паровым коллекторами через соединительные трубы, расположенными в произвольной плоскости относительно плоскости коллекторов.The task is solved by the fact that in a heat exchanger, containing a cylindrical case with a central shell placed concentrically with the case, forming an annular cavity with the case, in which heat exchange elements are located, each of which is made in the form of multi-feed coils with inlet and outlet collectors connected via tees with intermediate pipelines, which in turn are connected to water and steam manifolds located under the casing and above the casing, weft ducts are connected to a water and steam collector through the connection pipe, arranged in an arbitrary plane relative to the plane collectors.

Кроме того соединительные трубы снабжены тройниками, а теплообменные элементы объединены в группы несколькими паровыми и водяными коллекторами.In addition, the connecting pipes are equipped with tees, and the heat exchange elements are combined into groups with several steam and water collectors.

Это дает возможность за счет дополнительных соединительных труб необходимой для компенсации температурных расширений конфигурации не компенсировать подводящие трубопроводы. Имея тройники на дополнительных трубах обеспечить через них поиск неплотных теплообменных элементов, тем самым исключить дополнительные штуцера на коллекторах, тем самым упростить их конструкцию. Наличие нескольких паровых и водяных коллекторов объединяющих группы теплообменных элементов позволяет иметь в системе аварийного расхолаживания несколько независимых контуров расхолаживания по второму контуру в одном корпусе, что существенно снижает массогабаритные характеристики всей системы, что особенно актуально для судовых ЯЭУ.This makes it possible, due to the additional connecting pipes necessary to compensate for temperature expansion of the configuration, not to compensate for the supply pipelines. Having tees on additional pipes to ensure through them the search for loose heat-exchange elements, thereby excluding additional fittings on the collectors, thereby simplifying their design. The presence of several steam and water collectors combining groups of heat exchange elements allows to have several independent cooling circuits along the second circuit in one case in the emergency cooling system, which significantly reduces the weight and size characteristics of the entire system, which is especially important for shipboard NPPs.

Сущность технического решения поясняется чертежами, где:The essence of the technical solution is illustrated by drawings, where:

- фиг. 1 показан общий вид теплообменного аппарата, который предназначен для осуществления теплообмена между средой второго контура (пар-вода), циркулирующей во внутритрубном пространстве, и охлаждающей средой (вода-пар), циркулирующей в межтрубном пространстве. Теплообмен происходит в условиях естественной циркуляции по контуру охлаждающей и охлаждаемой сред в системе аварийного расхолаживания парогенерирующего блока ядерной энергетической установки при авариях, связанных с длительным обесточиванием;- FIG. 1 shows a general view of a heat exchanger, which is designed to carry out heat exchange between the secondary circuit medium (steam-water) circulating in the in-line space and the cooling medium (water-steam) circulating in the annular space. Heat transfer occurs under conditions of natural circulation along the contour of the cooling and cooled media in the emergency cooling system of the steam generating unit of a nuclear power plant in case of accidents associated with a prolonged blackout;

- на фиг. 2 показан вид А на фиг. 1;- in fig. 2 shows view A in FIG. one;

- на фиг. 3 показан выносной элемент Б на фиг. 1.- in fig. 3 shows the extension B in FIG. one.

Теплообменный аппарат состоит из цилиндрического корпуса 1, снабженного крышкой 2 и днищем 3. Внутри корпуса 1 размещена цилиндрическая обечайка 4, которая закреплена на крышке 2 соосно с патрубком подвода 5 охлаждающего теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве. Обечайка 4 служит для организации циркуляции среды в межтрубном пространстве. В верхней части обечайки 4 выполнены отверстия 6, гидравлически связывающие внутреннюю полость обечайки 4 с кольцевой полостью 7, образованной обечайкой 4 и корпусом 1. В кольцевой полости расположена теплообменная поверхность, образованная теплообменными элементами 8, образующими модули и выполненными в виде нескольких рядов многозаходных змеевиков, навитых на оправку 9. Концы змеевиков теплообменных элементов 8 объединены по входу и выходу первичными коллекторами подвода 10 и отвода 11, выполненными в виде торов. Первичные коллекторы 10 и 11 через тройники 12, промежуточные трубопроводы 13, 14 и через соединительные трубы 15, 16, 17, 18 соединены с вторичными раздающими 19, 20 и собирающими 21, 22 коллекторами, расположенными соответственно под днищем 3 и над крышкой 2, которые также выполнены в виде тора. Таким образом, теплообменные элементы 8 объединены в независимые группы. Соединительные трубы 15, 16, 17, 18 снабжены тройниками 23 через которые обеспечивается поиск неплотного теплообменного элемента при его разгерметизации. На днище 3 корпуса 1 расположен штуцер 24 для соединения с емкостью запаса воды.The heat exchanger consists of a cylindrical body 1, equipped with a lid 2 and a bottom 3. Inside the body 1 there is a cylindrical shell 4, which is fixed to the lid 2 coaxially with the inlet pipe 5 of the cooling coolant circulating in the annular space. Shell 4 serves to organize the circulation of the medium in the annular space. In the upper part of the shell 4, holes 6 are made, which hydraulically connect the internal cavity of the shell 4 with an annular cavity 7 formed by the shell 4 and the housing 1. In the annular cavity there is a heat exchange surface formed by heat exchange elements 8 forming modules and made in the form of several rows of multiple-use coils, wound on the mandrel 9. The ends of the coils of heat exchange elements 8 are combined at the inlet and outlet by the primary collectors of the inlet 10 and outlet 11, made in the form of tori. Primary collectors 10 and 11 through the tees 12, intermediate pipelines 13, 14 and through connecting pipes 15, 16, 17, 18 are connected to the secondary distributors 19, 20 and collecting collectors 21, 22 located respectively below the bottom 3 and above the cover 2, which also made in the form of a torus. Thus, the heat exchange elements 8 are combined into independent groups. The connecting pipes 15, 16, 17, 18 are equipped with tees 23 through which the search for a loose heat exchange element during its depressurization is ensured. On the bottom 3 of the housing 1 there is a fitting 24 for connection with the water storage capacity.

На наружной поверхности корпуса 1 закреплены опоры 25 для установки и закрепления теплообменного аппарата.On the outer surface of the housing 1 fixed support 25 for installation and fixing of the heat exchanger.

Во время нормальной эксплуатации реакторной установки теплообменный аппарат по внутритрубному и межтрубному пространству заполнен водой.During normal operation of the reactor installation, the heat exchanger in the inner tube and annular space is filled with water.

По внутритрубному пространству теплообменный аппарат подсоединен к парогенератору, а по межтрубному пространству к аварийной емкости с запасом воды (на чертежах не показано).In the inner tube space, the heat exchanger is connected to the steam generator, and in the inter-tube space to the emergency tank with a supply of water (not shown in the drawings).

При авариях пар из парогенератора поступает во вторичные раздающие коллектора 19, 20, откуда через первичные коллектора 10 раздается по теплообменным элементам 8. Проходя через теплообменные элементы 8, пар конденсируется, охлаждаясь водой, находящейся в межтрубном пространстве, и поступает в собирающие коллектора 21, 22. Вода, находящаяся в межтрубном пространстве, испаряется, и пар или пароводяная смесь выходит из теплообменного аппарата в аварийную емкость с запасом воды.In case of accidents, steam from the steam generator enters secondary distribution manifolds 19, 20, from where it is distributed through primary collectors 10 through heat exchange elements 8. Passing through heat exchange elements 8, the steam condenses, being cooled by water in the annular space, and enters collecting manifolds 21, 22 . The water in the annular space evaporates, and steam or steam-water mixture leaves the heat exchanger in an emergency tank with a supply of water.

Соединительные трубы 15, 16, 17, 18 за счет необходимой конфигурации компенсируют температурные расширения между корпусом теплообменника и вторичными раздающими 19, 20 и собирающими 21, 22 коллекторами, что позволяет сократить до минимума промежуточные трубопроводы 13 и тем самым уменьшить габариты теплообменника (при непосредственном соединении промежуточных трубопроводов со вторичными коллекторами компенсация температурных расширений достигается за счет увеличения расстояния между корпусом и коллекторами).The connecting pipes 15, 16, 17, 18 due to the required configuration compensate for temperature expansions between the heat exchanger housing and the secondary distributors 19, 20 and collecting manifolds 21, 22, which allows reducing the intermediate pipelines 13 to a minimum and thereby reducing the dimensions of the heat exchanger (with direct connection intermediate pipelines with secondary manifolds compensation of temperature expansions is achieved by increasing the distance between the casing and the collectors).

Поиск неплотного элемента осуществляется через тройники 23 на соединительных трубопроводах. При этом на них срезаются заглушки. К одному из тройников подсоединяется гидропресс при этом соединительный трубопровод, отсекается от коллектора, а другой - глушится, при этом соединительный трубопровод также отсекается от коллектора. Неплотный теплообменный элемент определяется по падению давления при гидравлических испытаниях. Данная операция проводится последовательно с каждым теплообменным элементом теплообменника.The search for a loose element is carried out through the tees 23 on the connecting pipelines. At the same time on them stubs are cut off. The hydraulic press is connected to one of the tees, the connecting pipe is cut off from the collector, and the other is shut off, while the connecting pipe is also cut off from the collector. A loose heat exchange element is determined by the pressure drop during hydraulic testing. This operation is carried out sequentially with each heat exchange element of the heat exchanger.

Коллектора 19, 20 и 21, 22 объединяют теплообменные элементы 8 в независимые группы расхолаживания по второму контуру располагаемых в одном корпусе, тем самым позволяя сократить число корпусных конструкций теплообменников и снизить массогабаритные характеристики всей системы.Collectors 19, 20 and 21, 22 unite the heat exchange elements 8 into independent cooldown groups along the second circuit located in one housing, thereby making it possible to reduce the number of case designs of heat exchangers and reduce the weight and size characteristics of the entire system.

Таким образом, соединение промежуточных трубопроводов с водяным и паровым коллекторами через соединительные трубы, снабженные тройниками и расположенные в произвольной плоскости относительно плоскости коллекторов, позволяет не компенсировать подводящие трубопроводы, упростить конструкцию паровых и водяных коллекторов и иметь, при увеличении мощности теплообменника, пониженные массогабаритные характеристики системы аварийного расхолаживания.Thus, the connection of intermediate pipelines with water and steam collectors through connecting pipes equipped with tees and located in an arbitrary plane relative to the plane of the collectors allows not to compensate the supply pipes, to simplify the design of steam and water collectors and to have, with increasing power of the heat exchanger, reduced overall size emergency cooling down.

Claims

1. Heat exchanger containing a cylindrical case with a central shell placed concentrically to the case, forming an annular cavity with the case in which heat exchange elements are located, each of which is made in the form of multiple serpentines with heat transfer inlet and outlet collectors made in the form of a torus and connected through tees with intermediate pipelines, which, in turn, are connected to water and steam manifolds located under the hull and above the hull, characterized in that pipelines are connected face to face with the water and steam collector through the connecting pipe disposed in an arbitrary plane relative to the plane collectors.

2. Heat exchanger according to claim. 1, characterized in that the connecting pipes are equipped with tees.

3. Heat exchanger according to claim. 1, characterized in that the heat exchange elements are combined into groups of several steam and water collectors.