Опорное устройство для трубного пучка

007892 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к опорному устройству для пучка труб, в частности, к опорному устройству, содержащему большое количество поперечных опорных плит, известных как сегментные перегородки, размещенных с интервалом друг от друга по длине труб, для которых необходимо создание опоры. Уровень техники Основная область применения трубного пучка - кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубные теплообменники содержат цилиндрический кожух, внутри которого размещен пучок труб, который проходит в направлении продольной оси кожуха. Такой пучок труб, называемый также трубным пучком,может, в частности, представлять собой пучок из параллельных труб. Как хорошо известно, кожухотрубный теплообменник представляет собой рекуперативный теплообменник, в котором теплота передается через стенки труб от текучей среды, протекающей по трубам трубного пучка (по трубному пространству), к текучей среде, проходящей через зону, находящуюся с внешней стороны труб (межтрубная зона теплообменника). Подробное описание конструкции кожухотрубных теплообменников можно найти, например, в справочнике: Perry's Chemical Engeneers' Handbook(Справочник по химическому машиностроению. Пэрри), 6-е издание, 1984, McGraw-Hill Inc, c.11-3 - 1121. Трубный пучок является наиболее важной частью этого теплообменника. Концы труб прикреплены к трубной доске. Теплообменник может содержать две трубные доски, по одной с каждого конца цилиндрического кожуха, или же одну единственную трубную доску, смонтированную на одном конце цилиндрического кожуха, в том случае, если этот теплообменник выполнен с U-образными трубами. Понятно, что промежуточные участки труб (находящиеся между досками) необходимо поддерживать, например, с целью предотвращения повреждения вследствие вибрации труб при работе теплообменника, вызванной потоком текучей среды. Для поддерживания промежуточных участков труб опорная конструкция для труб обычно содержит поперечные опорные плиты, установленные с определенным промежутком вдоль оси. Опорные плиты иногда называют также опорными листами или опорными перегородками. Настоящее изобретение относится к теплообменникам, содержащим в качестве поддерживающих плит так называемые сегментные перегородки. Некоторые типы сегментных перегородок рассмотрены в указанном справочнике Пэрри. Известные сегментные перегородки изготавливают из круглых металлических плит, в которых вырезают круговой сегмент ("окно"), а в оставшейся части плиты пробивают или вырезают большое количество сквозных отверстий, через которые могут проходить трубы. Иногда от плиты отрезают два круговых сегмента с противоположных сторон, например, для использования перегородки в так называемых конструкциях с двухсегментными перегородками, или в конструкциях, в которых трубы через окна не проходят. Сегментные перегородки не только поддерживают трубы, но, кроме того, они влияют на характер течения текучей среды в межтрубном пространстве. Поэтому конструктивное выполнение перегородки определяется также, исходя из условий теплообмена. Опоры для труб, выполненные в виде сегментных перегородок, используют в том случае, когда в межтрубном пространстве внутри кожуха, в целях оптимизации теплопередачи, желательно организовать определенное количество поперечных ходов потока текучей среды. Конструкция сегментных перегородок может быть приспособлена, в определенных пределах, к характерным требованиям конкретного случая применения. Например, так называемый вырез в перегородке может быть выбран специально таким, что он составляет определенный процент диаметра окружности, который отсечен для формирования сегментной перегородки. Большой вырез в перегородке, в случае единственной сегментной перегородки, обеспечивает относительно малый перепад давления, однако при этом относительно большая часть труб, проходящих через окно, остается без опоры. Обычно стремятся поддерживать трубу с помощью по меньшей мере каждой второй сегментной перегородки, так что максимальный обычно принятый вырез в перегородке составляет 45%. Когда трубы проходят через окна, то их максимальная длина без опоры ("безопорная длина труб"),по меньшей мере в два раза превышает расстояние между сегментными перегородками. Следовательно,при использовании опор труб в виде сегментных перегородок, количество опорных плит по меньшей мере в два раза превышает их количество, необходимое лишь с точки зрения создания механической опоры. Сегментные перегородки вносят значительный вклад в стоимость теплообменника, поэтому стремятся обеспечивать максимальное расстояние между перегородками. Когда длина труб, на которой они лишены поддержки, становится слишком большой, это может создать проблемы, связанные с вибрацией. В других конструкциях теплообменника трубы не проходят через окна. Например, в очень высоких вертикальных теплообменниках (например, таких, которые называют "техасскими башнями" и используют, например, в крупномасштабных производственных процессах в качестве теплообменников для обмена теплотой между поступающей и отводимой текучими средами) обычно с определенными интервалами устанавливают сегментные перегородки, выполненные с одним вырезанным сегментом, при этом окна для прохода текучей среды располагают попеременно с противоположных сторон перегородок для-1 007892 реализации необходимой схемы движения потока вдоль кожуха с поперечным обтеканием пучка труб. Поскольку промежуток между перегородками желательный с точки зрения оптимальной организации течения и оптимальных гидравлических характеристик (в частности, минимального перепада давления) может быть намного больше расстояния, необходимого в целях обеспечения надежной механической опоры для предотвращения вибрации, между сегментными перегородками, выполненными с одним сегментом, размещают ряд дополнительных сегментных опорных перегородок, каждая из которых выполнена с двумя окнами. На эти дополнительные опорные элементы приходится значительная стоимость от стоимости всего опорного устройства для труб. В опубликованной заявке 05-296680 на патент Японии описана плита, служащая опорной перегородкой, в которой для подавления вибрации используют большое количество взаимосвязанных планок из листового металла. Вследствие того, что все отдельные планки листового металла должны иметь особый профиль, стоимость изготовления такой перегородки велика. Сущность изобретения Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении опорного устройства для пучка труб,которое позволяет использовать в конструкции опорных сегментных перегородок для труб более простую (дешевую) механическую опору, препятствующую возникновению вибрации. С целью решения данной задачи настоящее изобретение обеспечивает опорное устройство для пучка труб, содержащее большое количество поперечных опорных плит, размещенных с промежутками по длине труб, которые необходимо поддерживать, и снабженных отверстиями, служащими для прохождения труб, причем большое количество опорных плит содержит опорные элементы в виде сегментных перегородок и опорных элементов из просечно-вытяжного металлического листа. Понятно, что известные сегментные перегородки не должны выполнять некоторую часть функции механической опоры, присущей опорному элементу в виде сегментной перегородки, но это может с успехом быть обеспечено с помощью элементов из просечно-вытяжного металлического листа. Элемент из такого листа может быть изготовлен со значительно меньшими затратами средств, чем сегментные перегородки, поскольку в этом случае используется меньше материала, отрезают меньшее количество материала и требуется меньше трудозатрат. Настоящее изобретение позволяет создать опорное устройство для труб таким, чтобы его сегментные перегородки размещались в тех местах, где их необходимость обусловлена характером течения потока (необходимостью изменения его направления), и где они, кроме того, создают механическую опору для труб. Помимо того, механическая опора, предназначенная, в частности, для предотвращения вибрации, может быть обеспечена с помощью элементов, выполненных из просечно-вытяжного металлического листа. Следует отметить, что элемент из просечно-вытяжного металлического листа влияет на характер течения потока много меньше, чем сегментная перегородка. Данное изобретение в результате допускает гораздо большую гибкость при конструировании теплообменников с сегментными перегородками. Основные конструктивные параметры теплообменника,такие как размер труб и их взаимное расположение (например, со схемой расположения труб пучка по вершинам квадратов или равносторонних треугольников), диаметр кожуха, размеры сегментных перегородок и расстояние между ними, могут быть выбраны с целью обеспечения оптимальных параметров,таких, как расход, характеристики теплообмена и перепад давления, которые не корректируют, исходя из соображений учета вибрации. Проблема вибрации, возникновение которой возможно, может быть решена в соответствии с изобретением путем размещения внутри кожуха опорных элементов из просечновытяжного металлического листа (элементов, подобных дистанционирующим решеткам из металлических планок). Термин "опорный элемент" используется в описании изобретения и в пунктах формулы для обозначения части опорной плиты или всей опорной плиты. Опорные элементы из просечно-вытяжного металлического листа и в виде сегментных перегородок вместе могут образовать комбинированную опорную плиту. Для ее формирования просечно-вытяжной металлический лист может быть размещен таким образом, чтобы он перекрывал окно (окна), образованное в опорном элементе, выполненном в виде сегментной перегородки. Таким образом, механическая опора для труб может быть обеспечена по всему поперечному сечению опорной плиты, при этом текучая среда может проходить только через окно. Поскольку просечно-вытяжной металлический лист также накладывает некоторое ограничение на поток (которое, впрочем, является малым), может быть желательным слегка увеличить размер окна по сравнению с окном, вырезанным в известной сегментной опорной перегородке. Кроме того, опорные элементы из просечно-вытяжного металлического листа, выполненные в виде опорных плит из просечно-вытяжного металлического листа, могут быть размещены в качестве дополнительной механической опоры между двумя опорными элементами, выполненными в виде сегментных перегородок. Еще в одном примере воплощения в самой опорной плите из просечно-вытяжного металлического листа может быть образован сегментный профиль, т.е. в ней может быть вырезан один или более чем один сегмент так, чтобы было сформировано одно окно или более. Это может быть предпочтительным в тех конструкциях, в которых трубы не проходят через окна сегментных перегородок, и в которых жела-2 007892 тельно наличие дополнительной механической опоры между сегментной перегородкой при минимальном возмущении потока текучей среды. В опубликованной международной заявке WO 03/067170 описано опорное устройство для труб, состоящее исключительно из опорных элементов, выполненных из просечно-вытяжного металлического листа. Однако данная публикация не касается проблемы вибрации, возникающей в известных теплообменниках с сегментными перегородками, и в ней не раскрыта или не предложена комбинированная опора, включающая опорный элемент в виде известной сегментной перегородки и опорный элемент из просечно-вытяжного металлического листа. Краткое описание чертежей Изобретение далее описано более подробно и со ссылкой на чертежи. Фиг. 1 - схематическое изображение продольного разреза первого примера воплощения теплообменника с опорой в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 2 - схематическое изображение поперечного разреза по линии II-II на фиг. 1. Фиг. 3 - схематическое изображение поперечного разреза по линии III-III на фиг. 1. Фиг. 4 - сегментная опорная перегородка, схематическое изображение. Фиг. 5 - комбинированная опорная перегородка, сформированная из опорного элемента в виде сегментной перегородки и опорного элемента из просечно-вытяжного металлического листа. Фиг. 6 - схематическое изображение продольного разреза второго примера воплощения теплообменника с опорным устройством в соответствии с настоящим изобретением. Фиг. 7 - поперечный разрез по линии VII-VII на фиг. 6, схематическое изображение. Фиг. 8 - поперечный разрез по линии VIII-VIII на фиг. 6, схематическое изображение. Фиг. 9 - схематическое изображение другой конструкции сегментной опорной перегородки. Фиг. 10 - схематическое изображение известной сегментной перегородки, предназначенной для использования в качестве промежуточной опорной плиты в "техасской башне". Фиг. 11 - схематическое изображение промежуточной опорной плиты из просечно-вытяжного металлического листа в соответствии с изобретением. Фиг. 12 - схематическое изображение продольного разреза третьего примера воплощения теплообменника с опорным устройством, соответствующим данному изобретению. Фиг. 13 - схематическое изображение еще одного опорного элемента из просечно-вытяжного металлического листа согласно изобретению. Одинаковые номера позиций используются на всех фигурах чертежей для обозначения одних и тех же или сходных элементов конструкции. Подробное описание изобретения Нижеследующее описание изобретения иллюстрируют фиг. 1-5. На фиг. 1 показана часть вертикального кожухотрубного теплообменника 1 в продольном разрезе, а на фиг. 2 и 3 представлены два поперечных разреза по линиям II-II и III-III на фиг. 1 соответственно. Теплообменник 1 содержит кожух 3 и пучок 5 труб, из которых на фиг. 1 видны трубы 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14. Опорное устройство для трубного пучка 5 включает четыре опорных плиты 18, 19, 20, 21, показанные на фиг. 1. Эти плиты установлены на фиксированном расстоянии L1 друг от друга по длине труб 8-14. Опорные плиты 18, 19 и 21 представляют собой обычные сегментные перегородки, показанные в увеличении на фиг. 4. Эти сегментные перегородки изготовлены из круглых плит 25, от которых отрезан сегмент с образованием, при их монтаже внутри теплообменника, окна, например, окна 28. В остальной плите 25 вырезаны отверстия 30. Опорная плита 20 представляет собой комбинированную опорную плиту, более подробно показанную на фиг. 5. Комбинированная опорная плита 35 образована из опорного элемента 38 в виде сегментной перегородки 38 и опорного элемента 40 из просечно-вытяжного металлического листа, который перекрывает (занимает) окно 42, оставленное открытым в опорном элементе 38, выполненным в виде сегментной перегородки. Опорный элемент 40 из просечно-вытяжного металлического листа может быть,например, приварен к указанному опорному элементу 38 и к ободу 45, проходящему вокруг окна 42. Этот обод 45 может быть также приварен к элементу 38 в виде сегментной перегородки. Кроме того,обод может быть образован оставшейся (после вырезания окна) частью исходной круговой плиты, из которой сформирован элемент 38 в виде сегментной перегородки, например, путем фрезерования. Просечно-вытяжной металлический лист представляет собой хорошо известный материал со структурой из щелей (ячеек), полученной в результате растягивания листового материала, в котором выполнены прорези. При его растягивании формируется щелевая структура из продольно-поперечных планок, называемых лентами и связками. Исходные расположение и длина щелей, как и величина растягивания материала,определяют размер, форму и взаимное расположение полученных ячеек, которые, следовательно, могут быть получены такими, чтобы трубы проходили через них и оптимально ими поддерживались. Обычно ленты между соседними связками закручиваются относительно плоскости исходного листового металла, что приводит к уменьшению препятствия для прохождения потока текучей среды в направлении нормали к просечно-вытяжному металлическому листу. Опорная плита 20 механически поддерживает трубы по всему поперечному сечению кожуха 3, т.е. в-3 007892 такой конструкции плиты также и в окне 42. Следовательно, длина трубы без опоры, например, длина трубы 8 между опорными плитами 19 и 21 равна L1. Для сравнения длина, на которой труба 14 не поддерживается, например, длина трубы 14 между опорными плитами 18 и 20 составляет 2 L1. Настоящее изобретение таким образом создает возможность уменьшения длины участка трубы, на котором отсутствует опора для подавления вибрации. Если большее количество опорных плит в теплообменнике 1 или все они будут комбинированными опорными плитами 35, то с точки зрения механики расстояние между опорными плитами можно увеличить. Ниже со ссылками на фиг. 6-11 раскрыт второй пример осуществления настоящего изобретения. На фиг. 6 показана в продольном разрезе часть теплообменника 101 типа "техасской башни", а на фиг. 7 и 8 показаны два поперечных разреза по линиям VII-VII и VIII-VIII (на фиг. 6) соответственно. Теплообменник 101 имеет вертикальный цилиндрический кожух 103 и трубный пучок 105, проходящий внутри кожуха 103 через его центральную зону. На фиг. 6 видны трубы 108, 109 и 110. "Техасская башня" может, например, иметь высоту 24 м и диаметр 2,5 м. Опорное устройство для пучка 105 труб включает в себя пять опорных плит 117, 118, 119, 120, 121,показанных на фиг. 6 в качестве опорных элементов конструкции. Эти плиты расположены на определенном расстоянии друг от друга по длине труб 108-110. Опорные плиты 117 и 121 представляют собой обычные сегментные перегородки 124, как это показано в увеличении на фиг. 9. Такие сегментные перегородки изготовлены из круговой плиты 125, от которой вдоль линии 126 отрезан сегмент так, что при установке соответствующих плит в теплообменнике 101 образуются окна 127, 128. Эти окна, как показано, расположены внутри теплообменника с противоположных сторон. В остальной плите 125 вырезаны отверстия 130 в соответствии с размером и расположением труб 105. При этом в части 131 плиты, противоположной окну, нет ни одного отверстия, поскольку конструкция теплообменника 101, как показано на фиг. 6, является так называемой конструкцией без прохождения труб через окна. Расстояние L2 между сегментными перегородками выбирают таким, чтобы поток текучей среды был оптимизированным и проходил через окна 127 и 128, пересекая тем самым пучок 105 труб. Типичная величина L2 составляет 1,5 м. Если расстояние L2 слишком велико для того, чтобы предотвратить вибрации труб, в этом случае в известной "техасской башне" монтируют дополнительные промежуточные опорные плиты, подобные плите 133, показанной на фиг. 10. Плита 133 представляет собой сегментную опорную перегородку, которая выполнена с двумя отрезанными с противоположных сторон сегментами и снабжена отверстиями 134 для труб. Такие дополнительные промежуточные опорные плиты могут быть смонтированы, например, на таком же расстоянии, как это показано для плит 118, 119, 120,причем так, чтобы эти окна по расположению были совмещены с окнами 127 и 128. В примере осуществления изобретения, иллюстрируемом на фиг. 6-8, промежуточные опорные плиты 118, 119 и 120 выполнены из просечно-вытяжного металлического листа, наподобие плиты 135,схематически показанной на фиг. 11. Плита 135 образована с помощью листа 136 из просечно-вытяжного металлического листа и выполнена с двумя сегментами, при этом лист 136 приварен к опорному кольцу 138 и опорным полоскам 140 так, что в результате образуются окна 142 и 143. Стоимость изготовления опорной плиты 135 может быть намного меньше, чем обычной промежуточной плиты 134, показанной на фиг. 10. Далее, со ссылками на фиг. 12, 13, раскрыт третий пример осуществления изобретения. Таким примером является горизонтальный теплообменник 201 с кожухом 203, внутри которого проходит трубный пучок 205. На фиг. 12 показана часть продольного сечения, и поэтому понятно, что теплообменник может быть намного большей длины и что в нем может быть установлено большее количество опорных плит, чем показано на чертеже. Трубный пучок 205 включает трубы 208, 209, 210, 211,212, 213 и 214. На данном чертеже концевые участки труб с трубной доской не отображены. Трубы поддерживаются сегментными перегородками 218, 219, 220. В качестве дополнительной опоры против вибраций труб размещены опорные плиты 221, 222 из просечно-вытяжного металлического листа. Опорные элементы в виде сегментной перегородки и просечно-вытяжного металлического листа попеременно установлены на фиксированном расстоянии по длине труб 205. Расстояние между соседними сегментными перегородками, например, перегородками 218 и 219 равно L3. Опорные элементы 218, 219, 220 в виде сегментных перегородок подобны перегородкам, показанным и раскрытым со ссылкой на фиг. 4. Наполовине расстояния между соседними сегментными перегородками размещена опорная плита из просечно-вытяжного металлического листа, подобная плите 235,показанной на фиг. 13. Плита 235 может быть легко изготовлена, например, путем вырезания просечновытяжного металлического листа до кругового профиля, например, с помощью лазера, и приваривания его к опорному кольцу 245. Опорные плиты 221, 222 из просечно-вытяжного металлического листа служат для предотвращения вибраций труб между сегментными перегородками. Максимальная протяженность участка труб без опоры, например, трубы 214, равна L3, что соответствует промежутку между соседними сегментными перегородками. При отсутствии опорных элементов из просечно-вытяжного металлического листа длина трубы без поддержки может в два раза превышать расстояние между соседними сегментными перего-4 007892 родками. Таким образом, настоящее изобретение позволяет выбрать расстояние между соседними сегментными перегородками больше, чем в случае, когда опорное устройство для труб состоит только из сегментных перегородок. При этом сегментные перегородки могут быть размещены так, что обеспечивается оптимальное течение среды в межтрубной зоне внутри кожуха и оптимальный теплообмен, а общая стоимость опорного устройства для труб может быть сведена к минимуму. Однако в некоторых случаях применения принятие во внимание вибрации труб может налагать ограничение на минимальное расстояние между сегментными перегородками. Примером может быть случай, когда в теплообменнике желательно получить в максимальной степени поперечное течение потока текучей среды, для обеспечения максимальной теплопередачи в данном объеме теплообменника. В таком случае используются сегментные перегородки с минимальным вырезом, и желательно минимизировать расстояние между перегородками. Такое решение обуславливает большую величину перепада давления,и, кроме того, возможность вибрации труб, несмотря на относительно малое расстояние между сегментными перегородками. В данной ситуации было бы необходимым предварительно увеличить расстояние между перегородками и по возможности увеличить размеры теплообменника. Однако с помощью настоящего изобретения, используя дополнительные опорные плиты из просечно-вытяжного металлического листа, проблему вибрации можно решить. Хотя стоимость опорного устройства для труб в теплообменнике слегка возрастает за счет использования дополнительных опорных элементов из просечновытяжного металлического листа, общая стоимость теплообменника может быть уменьшена, поскольку может быть использован кожух меньшего размера. Понятно, что настоящее изобретение может быть в равной степени применимо как к горизонтальным, так и к вертикальным теплообменникам. Опорные плиты могут быть смонтированы внутри кожуха любым подходящим способом. Известный способ монтажа сегментных перегородок заключается в использовании разделительных стержней,расположенных параллельно трубам и приваренных к кожуху и к сегментным перегородкам. Такие стержни могут быть тем или иным способом приварены к опорному кольцу опорных элементов из просечно-вытяжного металлического листа. Для многих случаев применения настоящего изобретения опорные элементы из просечновытяжного металлического листа имеют подходящие ячейки с размером, достаточным для прохождения через них труб таким образом, чтобы каждая труба поддерживалась с четырех сторон по существу при отсутствии зазоров. Размер ячейки в этом случае типично должен быть таким, чтобы он максимум на 10% превышал диаметр трубы, которая может проходить через эту ячейку. Такой размер ячейки является, например, предпочтительным для примеров воплощений, рассмотренных со ссылками на фиг. 1 и 12,где предпочтительно каждый опорный элемент из просечно-вытяжного металлического листа поддерживает трубы в достаточной степени. Вместе с тем очевидно, что можно также использовать просечно-вытяжной металлический лист с такими большими ячейками, чтобы через них могли проходить трубы различного диаметра. В этом случае различные последовательно размещенные просечно-вытяжные металлические листы подходящим образом расположены относительно друг друга (поперек сечения кожуха) так, чтобы трубы поддерживались ими со всех сторон, например, при использовании промежуточных опорных элементов в конструктивном воплощении, описанном со ссыпкой на фиг. 6. Такие подходящие конструкции, образованные из различных просечно-вытяжных металлических листов, раскрыты в международной заявке WO 03/067170. Другие подходящие конструкции, типы просечно-вытяжных металлических листов, расположение и формы ячеек, образованных в таком месте, описаны в заявке на европейский патент 03077463.2, которая не опубликована на дату первоначальной подачи данной заявки (на дату приоритета настоящего изобретения). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Опорное устройство для пучка труб, содержащее большое количество поперечных опорных плит,размещенных на расстоянии друг от друга по длине труб, которые необходимо поддерживать, и снабженных отверстиями для пропускания через них труб, при этом большое количество опорных плит представляют собой опорные элементы в виде сегментных перегородок и опорные элементы из просечновытяжного металлического листа. 2. Опорное устройство по п.1, в котором большое количество опорных плит включает комбинированную опорную плиту, состоящую из опорного элемента в виде сегментной перегородки и опорного элемента из просечно-вытяжного металлического листа. 3. Опорное устройство по п.2, в котором опорный элемент из просечно-вытяжного металлического листа расположен так, что перекрывает окно, образованное между опорным элементом в виде сегментной перегородки и внешней окружностью соответствующего диаметра. 4. Опорное устройство по п.1, в котором по меньшей мере один из опорных элементов из просечновытяжного металлического листа образует опорную плиту, установленную в промежутке между двумя опорными плитами, выполненными в виде сегментных перегородок.-5 007892 5. Опорное устройство по п.4, в котором промежуточный опорный элемент из просечно-вытяжного металлического листа образует сегментную опорную плиту.