КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Техническое решение относится к теплообменным аппаратам может найти применение в химической, нефтехимической, биохимической, фармакологической, пищевой, энергетической и других отраслях промышленности, в которых охлаждающая вода подается в межтрубное пространство кожухотрубного теплообменника.
Известен кожухотрубный теплообменник, который состоит из корпуса или кожуха и приваренных к нему трубных решеток. В трубных решетках закреплен пучок труб. К трубным решеткам крепятся на прокладках и болтах крышки. Для поперечного обтекания труб в межтрубном пространстве установлены дополнительные перегородки (Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 8-е, переработанное. - М.: Химия, 1971, С.344-345).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится снижение скорости теплоотдачи от наружной поверхности труб к охлаждающей воде из-за постепенного образования биопленки микроорганизмов на этой поверхности, что приводит к уменьшению интенсивности теплообмена.
Известен кожухотрубный теплообменник по способу предупреждения образования отложений в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника, основанный на постоянном псевдоожижении мелкозернистого материала, помещенного в межтрубное пространство, жидким теплоносителем, участвующим в процессе теплообмена. Теплоноситель подается восходящим потоком со скоростью большей, чем скорость начала псевдоожижения используемых частиц (авт. св. СССР №408598, F28F 19/00, 1973 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность использования известной конструкции при скоростях теплоносителя в межтрубном пространстве меньших скорости псевдоожижения частиц мелкозернистого материала или скоростях, больших скорости уноса этих частиц, а также крайняя неравномерность псевдоожиженного слоя по высоте труб, что не позволяет предотвратить образование биопленки микроорганизмов на внешней поверхности трубок и снижает интенсивность теплообмена.
Известен вертикальный кожухотрубный теплообменник, содержащий трубный пучок, трубные решетки, крышки, перегородки и кожух с компенсатором и патрубки для ввода сред в трубное и межтрубное пространства и для их вывода (заявка на изобретение №94038325 РФ, F28D 7/16, 1996 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится уменьшение интенсивности теплообмена из-за обрастания наружной поверхности труб биопленкой микроорганизмов.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков и принятым за прототип является кожухотрубный теплообменник, содержащий распределительную камеру с крышкой и горизонтальной перегородкой, соединенную с кожухом, теплообменные трубы, соединенные перегородками с сегментными вырезами, плавающую головку, размещенную в крышке кожуха со стороны противоположной распределительной камеры, и штуцера для межтрубного и трубного пространства (патент РФ №2306515, F28D 7/00, 2007 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится обрастание наружной поверхности труб биопленкой микроорганизмов, когда в межтрубном пространстве движется вода, что приводит к уменьшению интенсивности теплообмена между охлаждаемой средой в трубах и водой.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника является увеличение интенсивности теплообмена за счет подавления жизнедеятельности микроорганизмов, образующих на наружной поверхности труб биопленку.
Поставленный технический результат достигается тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем распределительную камеру с крышкой, соединенную с кожухом, теплообменные трубы, соединенные перегородками с сегментными вырезами, и штуцера для межтрубного и трубного пространства, причем распределительная камера разделена горизонтальной перегородкой, а со стороны противоположной распределительной камере в крышке кожуха размещена плавающая головка, при этом поверхности отверстий для труб и торцовая поверхность в каждой перегородке с сегментными вырезами покрыты электроизоляционным материалом, соседние перегородки подключены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а кожух теплообменника заземлен.
Покрытие поверхностей отверстий для труб в каждой перегородке с сегментными вырезами электроизоляционным материалом позволяет изолировать поверхность перегородки (при подаче на нее потенциала от источника постоянного тока) от наружной поверхности труб.
Покрытие торцовой поверхности каждой перегородки с сегментными вырезами электроизоляционным материалом позволяет изолировать ее от внутренней поверхности кожуха (при подаче на нее потенциала от источника постоянного тока).
Подключение соседних перегородок с сегментными вырезами к противоположным полюсам источника постоянного тока позволяет пропускать через воду, находящуюся между этими перегородками, электрический ток, который подавляет жизнедеятельность микроорганизмов в воде, предотвращает образование биопленки на внешней поверхности труб, уменьшает термическое сопротивление, приводит к возрастанию скорости теплоотдачи и интенсификации теплообмена между охлаждаемой средой в трубах и водой в межтрубном пространстве.
Заземление кожуха теплообменника необходимо по правилам техники безопасности при работе оборудования (в данном случае кожухотрубного теплообменника) с электрическим током.
Таким образом, покрытие поверхностей отверстий для труб и торцевых поверхностей в каждой перегородке с сегментными вырезами электроизоляционным материалом и подключение соседних перегородок к противоположным полюсам источника постоянного тока позволяет весь ток пропускать между перегородками с сегментными вырезами через воду без утечек тока на стенки труб и стенку кожуха. Под действием этого тока жизнедеятельность микроорганизмов в электрообрабатываемой воде подавляется, что препятствует образованию биопленки на наружной поверхности труб, снижает их термическое сопротивление, и увеличивает скорость теплоотдачи от наружной поверхности труб к воде и в целом интенсифицирует теплообмен между средой в трубах и водой.
На фиг.1 представлен продольный разрез кожухотрубного теплообменника; на фиг.2 - поперечный разрез по А-А; на фиг.3 - поперечный разрез перегородки по Б-Б.
Кожухотрубный теплообменник содержит распределительную камеру 1 с крышкой 2, соединенную с кожухом 3, теплообменные трубы 4, перегородки 5 с сегментными вырезами, штуцера 6 для межтрубного пространства, штуцера 7 для трубного пространства и крышку 8 кожуха, внутри которой размещена крышка 9 плавающей головки. Распределительная камера 1 разделена горизонтальной перегородкой 10. Теплообменные трубы 4 герметично установлены в трубных решетках 11 и 12. Незакрепленная на кожухе 3 трубная решетка 12 вместе с внутренней крышкой 9, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует плавающую головку, исключающей температурные напряжения в кожухе 3 и трубах 4.
Поверхности отверстий для труб 4 в каждой перегородке 5 с сегментными вырезами покрыты электроизоляционным материалом, например, в них вставлены гильзы 13 из полимерных трубок. Торцевая поверхность каждой перегородки 5 с сегментными вырезами также покрыта электроизоляционным материалом, например, окантована прорезанным вдоль резиновым шлангом 14 и вставленным в эту прорезь торцом перегородки 5 с сегментными вырезами. На каждой перегородке 5 с сегментными вырезами установлена клемма 15 для присоединения к полюсу источника постоянного тока, причем соседние перегородки подключены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а кожух 3 теплообменника заземлен.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом. Вода поступает и выходит через штуцера 6 для межтрубного пространства, а рабочая среда поступает и выходит через штуцера 7. Перегородки 5 с сегментными вырезами, установленные в кожухе 3, направляют поток воды, который несколько раз меняет свое направление.
На клеммы 15 соседних перегородок 5 с сегментными вырезами подают напряжение от противоположных полюсов источника постоянного тока, так как вода в межтрубном пространстве является проводником II рода, то между соседними перегородками 5 с сегментными вырезами по воде идет ток, который приводит к подавлению жизнедеятельности микроорганизмов и препятствует образованию биопленки на внешней поверхности труб 4, что интенсифицирует теплоотдачу от их внешней поверхности к воде.
Так как стенки труб 4 отделены от отверстий в перегородках 5 с сегментными вырезами, в которых трубы 4 смонтированы, электроизоляционным материалом в виде гильз 13, то утечки тока по трубам 4 не происходит. Кроме того, покрытие торцевой поверхности перегородок 5 с сегментными вырезами электроизоляционным материалом в виде ее окантовки резиновым шлангом 14 также предупреждает утечку тока на кожух 3. Поэтому затраты электрической энергии, идущей на обеззараживание воды от микрофлоры, будут незначительными.
Таким образом, предлагаемая конструкция кожухотрубного теплообменника, использующего для охлаждения рабочей среды, воду, которую подают в межтрубное пространство, позволяет подавлять жизнедеятельность микроорганизмов в воде и предотвращать образование биопленки на внешней поверхности труб. Отсутствие такой биопленки на внешней поверхности труб увеличивает коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности труб к охлаждающей воде, а значит приводит к интенсификации теплообменного процесса в целом. Кроме того, предупреждение обрастания наружной поверхности труб биопленкой увеличивает время стабильной работы кожухотрубного теплообменника, а в период ремонта уменьшает трудозатраты, которые бывают особенно большими и сложными при очистке наружной поверхности труб.