Оборудование гелиевого ожижителя Г-45

4.2. Теплообменные аппараты

В криоблоке установки Г-45 применяются витые трубчатые теплообменники трех типов: поперечно-точные, "труба в трубе", погружной в объеме жидкости. Исключительное использование трубчатых теплообменников обусловлено величиной давления криоагента прямого потока: при значениях р_m = 2,2 - 2,8 МПа применение пластинчато-ребристых теплообменников невозможно по прочностным соображениям. Сетчатые (матричные) теплообменники к моменту проектирования установки Г-45 еще не были достаточно исследованы, чтобы можно было их рекомендовать к широкому промышленному использованию.

В криогенной технике хорошо зарекомендовали себя поперечно-точные витые теплообменники, благодаря их относительно высокой компактности и малого количества соединений. Компоновка таких теплообменников хорошо "вписывается" в цилиндрические криостаты, используемые для теплоизоляции блока. В тех случаях, когда расход криоагента одного из потоков (прямого или обратного) мал, поперечноточные теплообменники конструктивно удобнее выполнять по типу "труба в трубе" с организацией противотока. Необходимость введения погружного витого теплообменника вызвана установкой в гелиевом ожижителе "азотной ванны". Рассмотрим специфику конструкций каждого типа теплообменника.

Витые поперечно-точные теплообменики (по рис. 4.1 №9 и 26) использованы для охлаждения прямого потока гелия с температуры окружающей среды до температуры перед детандером Т = 25 – 28K. При более низких температурах, объемный расход гелия становится весьма малым, что приводит к существенному снижению эффективности теплообмена при одновременном относительном усложнении технологии сборки поперечноточных теплoобменников.

Теплообменник 9 предназначен для охлаждения основной части гелия прямого потока с Т_ос до Т = 80 – 85K, а теплообменник 26 - с Т ≈ 70K до Т = 25 – 28K. В обоих теплообменниках прямой поток газа проходит, как отмечалось выше, внутри трубок, а обратный - по межтрубному пространству.

Конструктивно теплообменники выполнены на едином сердечнике диаметров 220 мм из нержавеющей стали 12X18Н10T, имеющей, как известно, малый коэффициент теплопроводности. Первый из этих теплообменников имеет четыре ряда спирально навитых медных оребренных трубок с общим их количеством 12 шт. В другом теплообменнике - три слои таких же трубок с общим количеством 6 шт. Уменьшение количества труб обусловлено снижением объемного расхода гелия прямого потока вследствие его охлаждения. Схема оребрения трубок показана на рис. 4.3. Оребрение производилось. путем механической накатки гладких медных трубок 8х15 мм*. Коэффициент оребрения такой трубки - отношение наружной поверхности одного погонного метра оребренной трубки к поверхности гладкой трубки - равен примерно пяти.

Рис. 4.3. Оребрение трубок в теплообменниках

Снаружи получившийся барабан с трубками накрыт кожухом из тонколистовой меди толщиной 0,5 мм. Применение меди, а не стали 12Х18Н10T ведет, естественно, к некоторому увеличению осевой теплопроводности. Однако высокая пластичность меди позволила обеспечить плотную посадку кожуха на наружный слой трубок. Этим была исключена необходимость установки между внутренней поверхностью кожуха и наружным рядом трубок специальных уплотнителей, препятствующих бесполезному перетоку гелия обратного потока по зазору у кожуха.

Сверху и снизу теплообменники имеют конические крышки, в которые впаяны штуцеры для подвода (отвода) обратного потока. Через эти же крышки проходят трубки прямого потока, которые вне теплообменника объединены в коллекторы. Конструкция верхней части теплообменника вместе с коллектором для прямого потока показана на рис. 4.4. Нижняя крышка выполнена аналогично.

Рис. 4.4. Коллектор и верхняя крышка поперечно-точного витого теплообменника; 1 - коллектор; 2 - тяга крепления теплообменника к крышке криоблока; 3 - патрубок для выхода обратного потока гелия; 4 - наружная обечайка теплообменника; 5 - оребренные трубки; 6 - сердечник теплообменника; 7 - коническая верхняя крышка; 8 - трубки параллельного ввода гелия прямого потока

Конструкция витых поперечно-точных теплообменников 9 и 26 (по рис. 4.1) собрана в единый блок пайкой серебряными и оловянно-свинцовыми припоями. Блок подварен к крышке криостата на трех тягах - шпильках диаметром 6 мм (поз. 2 на рис. 4.4).

Витые теплообменники типа «труба в трубе». Таких теплообменников в установке Г-45 три; по схеме рис.4.1 теплообменники 8 , 17 и 18. Конструкции их в основном аналогичны, поэтому рассмотрим только теплообменник 8, предназначенный для охлаждения относительно небольшой части гелия прямого потока от 300K до 85K парами азота. Некоторые особенности конструкций других теплообменников будут отмечены ниже.

Конструкция теплообменника 8 по схеме рис. 4.1 показана на рис. 4.5. По внутренней оребренной медной трубке, аналогичной рассмотренной выше, проходит гелий прямого потока; в кольцевом пространстве движется противотоком газообразный азот, испаряющийся в азотной ванне. Наружная трубка - гладкая медная, диаметром 28 мм.

Рис. 4.5. Конструкция теплообменника типа "труба в трубе": 1 - штуцер вывода паров азота; 2 - трубка ввода гелия прямого потока; 3-пластина; 4 - патрубок ввода паров азота из ванны; 5 - трубка вывода гелия

Длина трубок, образующих теплообменник, - более 12 м. Трубки свернуты в 10 спиральных витков с шагом 34 мм. Для придания теплообменнику жесткости смежные витки припаиваются к пластинам 3 из тонколистовой стали 12Х18Н10Т, каждая из которых смещается по окружности по отношению к предыдущей на 120^o.

Теплообменник устанавливается в криоблоке концентрично витому поперечно-точному теплообменнику, работающему в этом же температурном диапазоне (300 – 85K). Крепится он к крышке криоблока посредством трех хомутов и тяг диаметром 6 мм, как показано на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Крепление теплообменника «труба в трубе» к крышке криостата: 1 - крышка криостата; 2 - контргайка; 3 - тяга; 4 - хомут; 5 - верхний виток теплообменника

В отличие от рассмотренного другие (поз. 17 и 18 по схеме рис. 4.1) теплообменные аппараты типа "труба в трубе" выполнены комбинированными: по наружной трубе теплообменника напаяна снаружи дополнительная медная неоребренная трубка ø6 мм, по которой пропускается часть прямого потока гелия. Таким образом, в этих теплообменниках прямой поток идет по двум трубкам (оребренная - внутри и гладкая - снаружи), а обратный - как обычно в межтрубном пространстве. Поперечное сечение теплообменника приведено на рис. 4.7. Использование для прямого потока двух, а не одной трубок позволило взять их относительно меньшего диаметра, что несколько интенсифицировало процесс теплопередачи. Вместе с тем напайка снаружи гладкой трубки усложняет в целом изготовление теплообменников, затрудняет процесс навивки. Поэтому в современных гелиевых установках используется классический тип витого теплообменника "труба в трубе" (без напайки дополнительных трубок).

Рис. 4.7. Сечение витка теплообменника: 1 – внутренняя трубка для прямого потока; 2 - трубка для обратного потока; 3 - припой ПОС-40; 4 - наружная трубка для прямого потока

Наружная трубка, ограничивающая кольцевое пространство, имеет ø32 мм у теплообменника 17 и ø25 мм - у теплообменника 18. Меньший диаметр наружной трубы второго теплообменника обусловлен меньшим объемным расходом обратного потока. Количество витков у теплообменников соответственно 5 и 9.

Крепление теплообменников 17 и 18, расположенных в криоблоке коаксиально сборнику жидкого гелия, осуществляется тягами-шпильками к корпусу азотной ванны.

Витой теплообменник погружного типа использован в азотной ванне для внешнего охлаждения прямого потока гелия жидким азотом, кипящим под вакуумом (абсолютное давление 0,2 - 0,03 МПа). Азотная ванна представляет собой цилиндрический аппарат с кольцевым рабочим пространством и коническими крышкой и донышком. Выполнен аппарат из меди. Внутри рабочего пространства, предназначенного для заливки азотом, находится змеевик из гладкой медной трубки 18 мм. Змеевик свободно "висит" в ванне на концевых частях трубки, проходящих соответственно через крышку и днище ванны и припаянных к ним.

Для заливки азота и откачки его паров в верхней крышке ванны установлены штуцеры. Вся конструкция азотной ванны собирается на пайке и крепится к крышке криоблока посредством тяг - шпилек ø6 мм, выполненных из легированной стали.

Конструкция азотной ванны с витым погружным теплообменником показана на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Конструкция азотной ванны: 1 - тяга крепления азотной ванны к крышке криоблока;
2 – штуцер ввода гелия; 3 – верхняя крышка; 4 - обечайка; 5 – спираль из трубки; 6 - штуцер к уровнемеру жидкого азота; 7 - тяга крепления к азотной ванне витых теплообменников "труба в трубе"; 8 -трубка вывода гелия; 9 - днище ванны; 10 - внутренняя обечайка; 11 - штуцер вывода паров азота; 12- трубка для заливки жидкого азота

* В настоящее время оребрение медных трубок для теплообменников криогенных установок осуществляется по более простой технологии: на трубку снаружи спирально наматывается медная проволока, диаметр которой составляет примерно шестую часть от диаметра трубки, а шаг навивки равен 0,5 - 0,6 от диаметра трубки [4].

Следующая страница: 4.3. Расширительные устройства