5.1. Прямые и u-образные трубки

5.1.1. Прямые трубки. Они являются наиболее простой конструкцией теплообменной поверхности, обеспечивают наиболее плотный пучок, технологичный, компактный в хранении. Основным недостатком является необходимость в таком трубном пучке предусматривать мероприятия по компенсации температурных расширений (удлинений).

5.1.2. U-образные трубки. Это широко распространенная конструкция теплообменной поверхности. К ее достоинствам можно отнести:

- полную самокомпенсацию температурных расширений;

- простоту и технологичность конструкции;

- компактность образуемого трубного пучка;

- вибростойкость пучка.

Однако наряду с достоинствами имеют место и некоторые недостатки:

• сложность дистанцирования;

• различие в длине наружных и внутренних трубок пучка;

• при продольном омывании трубного пучка часть трубок участвует в теплообмене по схеме «прямоток», а часть по схеме «противоток»;

• сложная механическая очистка внутренней поверхности трубки из-за имеющегося перегиба.

5.2. Прямые и эвольвентные ширмы, в том числе п- и l- образные

5.2.1. Прямые ширмы. Широко используются в тепловой энергетике, в частности в качестве теплообменной поверхности котлов, а в последнее время находят место и в некоторых аппаратах ядерной энергетики. В частности предлагается использовать такого вида теплообменную поверхность в конструкции вертикального парогенератора к реакторам типа ВВЭР.

Ширма – пакет труб, набранных в плоскости (прямые ширмы) или расположенных по криволинейной поверхности (например, эвольвентная ширма) рис. 5.2.

а) б)

Рис. 5.2. Виды ширмовых теплообменных поверхностей в цилиндрическом корпусе в горизонтальном сечении: а – прямые(радиальные); б – эвольвентные; 1 – корпус; 2 – трубчатка; 3 – коллектор

К достоинствам рассматриваемой теплообменной поверхности (рис. 5.2,а) относят следующее:

• заделка трубок осуществляется по вертикальной поверхности коллектора, что исключает осаждение образующегося шлама на места заделки. Это преимущество перед вертикальным парогенератором фирмы Вестигауз, который широко используется как в Европе, так и в США;

• ширма обеспечивает полную самокомплектацию температурных расширений;

• конструкция проста и технологична, а также компактна при хранении;

• обеспечивается продольно-поперечное обтекание пучка.

• Основным недостатком такой конструкции является то, что при радиальной компоновке ширм, как это показано на рис.5.2,а, в поперечном сечении по межтрубному пространству из-за расхождения лучей ширм скорость среды не одинакова. Вблизи коллектора из-за плотной упаковки пакетов скорость и расход будут меньше. На периферии пучка будет проходить основная часть среды, не эффективно участвуя в теплообмене.

Этот недостаток предлагается устранять при помощи ширм-проставок. Они представляют собой короткие прямые ширмы, которые устанавливают в периферийную часть пучка с целью уравнять скорости в поперечном сечении аппарата.

5.2.2. Эвольвентные ширмы, в том числе П- и L-образные. Для устранения основного недостатка радиальных ширм в конструкции вертикального парогенератора известный конструктор А.С. Шамароков (ВНИИАМ г. Москва), предложил плоские ширмы деформировать в поперечном сечении по эвольвенте.

Эвольвента представляет собой развертку окружности, разворачиваемую с ее поверхности. Основное достоинство эвольвенты заключается в том, что даже при разных радиусах кривизны зазор между соседними ширмами сохраняется постоянным по всей длине (рис. 5.2,б).

Однако при изготовлении ширм возникли технологические проблемы. В начале 80-х гг. на ПО «Атоммаш» эвольвентные ширмы пытались изготовить путем вальцовки плоской ширмы. Но при этом прямые участки труб и их повороты имели существенно различную жесткость и поэтому деформировались по-разному. Необходима была довальцовка уже поворотов труб, но и она не обеспечила достаточной точности соблюдения проектных размеров. Следует вспомнить, что трубный пучок парогенератора является наиболее плотным (зазоры между трубками до 2 мм). Поэтому при сборке на ПО «Атоммаш» модели ПГ (пакета ширм) тепловой мощностью 5 МВт не обошлось без кувалды.

В середине 90-х гг. по инициативе А.С. Шамарокова между машиностроительными НИИ и КБ заводов был организован конкурс по разработке технологии изготовления эвольвентных ширм. В результате группа молодых ученых и инженеров ЦНИИТМАШ (г. Москва) разработала уникальную технологию деформирования трубчатки в любую пространственную форму, даже безопорно на наружную поверхность труб. До настоящего времени эта технология не имеет аналогов в мире.

5.2.3. Ширмовые теплообменные поверхности. Эти поверхности обнаружили в себе и другие существенные недостатки. Так, если рассматривать плоскую ширму, как плоский пакет труб с подогнутыми сверху и снизу к коллектору концами труб в виде буквы П, как это показано на рис. 5.3,а, то, в этом случае возникают следующие проблемы:

• все трубы ширмы будут иметь различную длину, причем наружные – максимальную, а внутренние – минимальную;

• в результате имеет место существенная гидравлическая неравномерность, которая приводит к теплогидравлической разверке.

5.2.4. Сблизить длины труб и таким образом снизить влияние гидравлической неравномерности на теплообмен удалось за счет использования пакета изогнутого в плоскости в виде буквы W, как это показано на рис. 5.3,б.

При использовании рассмотренных конструкций в вертикальных парогенераторах с выделенным экономайзерным и испарительным участками горячая часть коллектора и места заделки трубок, выходящих из него, неизбежно попадают на испарительный участок. Он характерен интенсивным пузырьковым кипением и концентрированием в воде солей и шлама. Эти химические и динамические процессы могут неблагоприятно воздействовать на заделку трубок, усугублять щелевую коррозию, в целом снижать надежность аппарата.

5.2.5. L-образная ширма. Чтобы избежать указанных явлений, А.С. Шамароков предложил использовать L-образную ширму, вертикальная компоновка которой представлена на рис. 5.3,в. В этой конструкции коллектор выведен из зоны кипения в экономайзерную зону.

Рис. 5.3. Компановка ширм в вертикальном сечении: а - П-образная; б – W-образная; в – L-образная; 1 – трубчатка; 2 – коллектор; 3 – конец экономайзерного, начало испарительного участка