ДВУХПОТОЧНЫЙ БЛОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано в химической промышленности, а также в глиноземном производстве алюминиевой промышленности, в частности, для регенеративного нагрева бокситовой пульпы в процессе выщелачивания боксита.
Во многих производствах осуществляются технологические процессы теплообмена между двумя потоками жидкости или растворов, содержащих взвеси твердых веществ. Характерным примером такого процесса является регенеративный нагрев исходной бокситовой пульпы суспензии, направляемой на выщелачивание теплом, отводимым от потока нагретой выщелоченной пульпы в глиноземном производстве. На основе термодинамических исследований установлено, что наивысший тепловой КПД установки выщелачивания достигается при использовании в технологической операции теплообменников, в которых нагреваемый и греющий потоки пульпы представляют концентрированную суспензию частиц боксита, (см. статью: Казаков В.Г. и др. «Термодинамическое исследование схемы автоклавного выщелачивания боксита с комбинированной регенерацией тепла», Цветные металлы, 1981, №3, с.50).
Однако, использование для этой цели широко известных кожухотрубных теплообменников, в которых один жидкостный поток проходит по трубам, а другой подают в межтрубное пространство, неэффективно вследствие неизбежного оседания взвешенных частиц из обрабатываемой жидкости в межтрубном пространстве с образованием завалов, выключающих из работы часть теплообменной поверхности, а также из-за того, что в межтрубном пространстве не обеспечиваются гидродинамические условия, благоприятные для осуществления интенсивной теплопередачи.
Известен также графитовый двухпоточный блок к теплообменным аппаратам, (авт. свид. СССР №488055, Кл. F 28 F 9/02, БИ №38, 1975),
предназначенный в основном для работы с агрессивными средами, такими как кислотные растворы (устройство принято в качестве прототипа).
Устройство содержит графитовый прямоугольный блок-модуль к теплообменным аппаратам, в монолитном теле которого выполнены две системы непересекающихся каналов перекрестного тока теплоносителя и нагреваемой рабочей среды. Каждая система содержит ряд параллельных каналов с выходом отверстий на гранях блока. Особенность устройства состоит в том, что для повышения степени теплообмена в теле блока выполнены пазы, соединяющие между собой каналы одной из систем. Теплообмен между рабочими средами в каналах систем определяется теплопроводностью разделяющего их промежутка графита монолитного блока. При этом в теплообменных прямоточных каналах аппарата предупреждается оседание взвешенных частиц. Таким образом, на процесс теплопередачи не оказывают влияние такие негативные факторы, как температурная депрессия раствора и потери потенциала греющей среды на фазовые превращения (на самоиспарение раствора с образованием вторичного пара и на последующую конденсацию), т.е. потенциал греющей среды используется более полно чем в известных кожухотрубных теплообменниках, обогреваемых паром самоиспарения.
К основным недостаткам этого устройства следует отнести то, что возможность повышения интенсивности теплообмена за счет сокращения расстояния между теплообменными каналами или увеличения глубины каналов, сдерживается механически относительно непрочным конструкционным материалом графита, требующим соблюдения определенного шага между отверстиями каналов при механообработке и специального инструмента выполнения более глубоких отверстий. При этом габариты блока существенно влияют на удельные потери тепла при теплообмене и ограничивают коэффициент теплопередачи в нем. Кроме того, из-за низких абразивных свойств графита, каналы при обработке бокситовой пульпы, содержащей взвешенные твердые частицы, подвержены сильному эрозионному износу, что приводит практически к невозможности применения графитовых блоков в таком назначении. Определенные проблемы возникают также на монтаже при уплотнении стыка на границе графитового блока с металлическим коллектором.
Указанные недостатки стимулировали поиск новых технических решений.
Предложенное техническое решение направлено на решение задачи повышения интенсивности / эффективности теплообмена между рабочими средами в каналах систем теплообменника за счет повышения теплопроводности межтрубного пространства и увеличения эксплуатационного ресурса устройства за счет повышения абразивной стойкости стенок теплообменных каналов.
Для реализации поставленной задачи предлагаются варианты устройства, где по первому варианту в двухпоточном блочном теплообменнике, содержащем две системы непересекающихся каналов, образующих пучки для прохода теплообменных потоков рабочих сред, каналы размещены в теле блока, выполненного из твердого плотного теплопроводного материала, согласно полезной модели, тело блока армировано металлическими трубами, образующими системы каналов, выполненных в виде двух кассет, а межтрубное пространство заполнено затвердевшим расплавом металла с высоким коэффициентом теплопроводности, с температурой плавления ниже температуры плавления материала труб, например, расплавом: меди, алюминия, чугуна или металлическими сплавами, а торцы труб в кассетах закреплены на трубных решетках, выполненных в виде стенок блока, образующих соответственно его грани.
При этом в зависимости от назначения и условий работы двухпоточный блочный теплообменник по первому варианту может быть выполнен в виде многоходового аппарата, смонтированного из нескольких, например, из трех блоков, состыкованных друг с другом каналами одного из потоков.
Согласно второму варианту в предлагаемом двухпоточном блочном теплообменнике - кассеты могут быть выполнены в виде секционных трубных гребенок параллельного тока, трубы в каждой секции выполнены профильными в виде пакета убывающих по размеру [-образных скоб, смонтированных в плоскости каждой секции на трубной решетке эквидистантно, при этом секции гребенки одной кассеты установлены в шаге между секциями сопряженной гребенки ответной кассеты, а межтрубное пространство заполнено затвердевшим расплавом металла с высоким коэффициентом теплопроводности, с температурой плавления ниже температуры плавления материала труб, например, расплавом: меди, алюминия, чугуна или металлическими сплавами.
Кроме того по второму варианту:
- трубы в пакетах секций одной из кассет гребенки могут быть выполнены прямоточными и установлены параллельно полкам [-образных скоб ответной кассеты, а трубные решетки выполнены в виде смежных стенок - граней блока;
- трубы в пакетах секций каждой кассеты гребенки могут быть выполнены Г-образными, а трубные решетки каждой кассеты выполнены в виде смежных стенок - граней блока;
- трубы в пакетах секций каждой кассеты гребенки могут быть выполнены Z-образными, а трубные решетки каждой кассеты выполнены в виде противоположных стенок - граней блока.
Заявляемые конструкции двухпоточного блочного теплообменника объединены в одну заявку как варианты, поскольку оба варианта устройства и их модификации выполняют одну и ту же функцию, у них общий прототип и они решают одну и ту же задачу - повышение теплообменных характеристик тела блока в сочетании с улучшением эксплуатационных свойств.
Технический результат в случае реализации совокупности отличительных признаков в заявляемом устройстве выражается особенностью выполнения корпуса блока, позволяющей разместить каналы систем на минимально технологически возможном расстоянии в монолитном теле блока из материала заполнения межтрубного пространства. Кроме того армирование тела блока металлическими трубами, образующими системы каналов, позволяет выполнять каналы различной конфигурации с увеличением их протяженности. При этом выполнение кассет с каналами предложенной конфигурации параллельного тока позволяет организовать противоточное движение потоков рабочих сред, что обеспечивает повышение средней движущей силы процесса теплопередачи / теплообмена. Повышенная по сравнению с графитом механическая прочность и абразивная стойкость металлических труб позволяют надежно применять устройство при регенеративном теплообмене концентрированных бокситовых пульп.
Предложенные решения позволяют применять двухпоточный блочный теплообменник в качестве как отдельного блок - модуля, так и в различной компоновке отдельных блоков, технологически связанных между собой в батареи.
Проведенный поиск в научно-технической и патентной литературе не выявил технических решений, совпадающих с заявляемой совокупностью отличительных признаков, что, в сочетании с получением ожидаемого технического результата, позволяет сделать вывод о соответствии предполагаемого изобретения критерию «новизна».
Примеры конкретного выполнения предложенного устройства по первому варианту иллюстрируются чертежами, где на фиг.1 схематически в разрезе изображен блок - модуль двухпоточного теплообменника. На фиг.2 приведено сечение А-А на фиг.1. На фиг.3 - изображен в разрезе скомпонованный из нескольких блок - модулей / калачей двухпоточный многоходовой теплообменник. По второму варианту на фиг.4 изображены отдельно кассеты секционных трубных гребенок, составляющие две ответные системы теплообменных каналов. На фиг.5 - сечение этих секций в плоскости по Б-Б, показанной на фиг.4. На фиг.6 показан трубный пучок блочного теплообменника в разрезе, образованный совмещением кассет двух систем приведенных на фиг.4 и 5. На фиг.7 дан вид этого пучка теплообменных трубок в сечении В-В, На фиг.8, 9, 10 - приведены возможные конфигурации теплообменных трубок в секциях кассет.
По первому варианту двухпоточный блочный теплообменник на фиг.1, 2 содержит блок-модуль 1, в котором размещены кассеты 2, 3 систем прямоточных непересекающихся теплообменных каналов 4, 5 для двух потоков - теплоносителя и нагреваемой рабочей среды. Кассеты выполнены из металлических труб 6. Торцы труб закреплены в трубных решетках 7, которые образуют стенки / грани блока-модуля. Межтрубное пространство заполнено промежуточной средой - расплавом металла и образующим его тело 8. Трубы каждого из двух потоков в кассетах 2, 3 сообщаются с соответственными приемными 9, 10 и отводными 11, 12 коллекторными камерами, закрытыми крышками 13, содержащими подводящие 14, 15 и отводящие 16, 17 патрубки.
При необходимости увеличения тепловой эффективности аппарата число отдельных блоков теплообменника может быть увеличено и они могут соединяться в виде калачей 18, 19, 20 в многоходовую батарею, как это показано на фиг.3.
Минимально допустимый зазор между стенками труб кассет в пучке, обеспечивающий исключение воздушных раковин при выполнении тела блока,
определен так, чтобы при заполнении расплавом трубного пучка, между трубами не могли остаться прослойки не вытесненного воздуха, которые будут оказывать большое термическое сопротивление тепловому потоку и тем самым значительно снизить эффективность работы аппарата.
При увеличении расстояния между теплообменными трубами также нерационально возрастает термическое сопротивление и ухудшается работа аппарата. Диаметр труб выбирается исходя из условия создания гидродинамического режима движения потока, обеспечивающего высокоинтенсивный теплоперенос как от потока к стенке трубы так и от стенки трубы к потоку, а материал трубы - исходя из условия коррозионной стойкости в этом потоке.
По второму варианту двухпоточный блочный теплообменник имеет разновидности конструкции приведенные на фиг.4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, особенность которых заключаются в исполнении кассет систем в виде секционных трубных гребенок 21, 22. Каждая секция 23 в гребенке образована плоским пакетом эквидистантно размещенных в нем профильных труб 24, которые могут быть выполнены как в виде [-образных скоб 25, так и Г-образного профиля 26, или Z-образного профиля 27. Секции 23 смонтированы на трубных решетках 28 в шаге, обеспечивающим совмещение гребенок кассет двух систем в единый трубный пучок. При этом трубные решетки 28 в зависимости от профиля труб в секциях и кассетах образуют соответственные стенки/грани блока.
Двухпоточный блочный теплообменник по первому варианту работает следующим образом.
Одна из теплообменных сред, например, горячий выщелоченный раствор, через патрубок подается в приемную коллекторную камеру одной кассеты, где, распределяясь по теплообменным трубам, попадает в отводящую коллекторную камеру, а затем выводится через патрубок. Более холодная пульпа, направляемая на выщелачивание, подается в коллекторную камеру второй кассеты, распределяясь в ней по теплообменным трубам нагревается и выводится через коллекторную камеру из устройства.
Теплообмен потоков горячего раствора с потоками нагреваемого происходит между каналами кассет последовательно через стенки труб и материал промежуточного теплоносителя, заполняющего межтрубное пространство.
При отсутствии в теплообменных потоках взвесей и растворенных солей, обуславливающих повышенный коррозионно-эрозионный износ, а также при больших тепловых потоках между теплообменными средами или при малых разностях температур между ними, применяются конструкции второго варианта, приведенные на фиг.4-10, в которых рабочий процесс происходит аналогично с первым вариантом.
Преимуществом предложенного устройства является возможность выполнения теплообменных каналов различной конфигурации, компоновки и протяженности без механообработки, позволяющая в сочетании с особенностью выполнения межтрубного пространства осуществлять выбор материала тела блока с высокой теплопроводностью, а материала трубок - стойкого к механическому воздействию и эрозионному износу. В результате достигается повышенная эффективность теплообменного процесса регенеративного нагрева бокситовой пульпы. Кроме того прямолинейность каналов обеспечивает доступ для механической чистки их от отложений, а их более плотная компоновка в теле блока рационально сокращает габариты устройства.