КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплоэнергетической, химической и нефтехимической промышленности и предназначено для использования в многотоннажных промышленных установках.
Известен кожухотрубный теплообменник и его трубная решетка с большим числом просверливаемых в большом диске отверстий для трубок, развальсовываемых с торцов на шестигранники или многогранники с соприкосновением стенок и образованием сплошной сотовой конструкции. Затем кромки спаиваются между собой. Внутри обоймы сделаны несколько многоугольных вырезов по числу трубок наружного ряда. Одна обойма выполняется скользящей в корпусе теплообменника, а другая неподвижно, зажимается между фланцами кожуха и крышки. Известная трубная решетка сборная, притом одна из них подвижная, играет роль компенсатора тепловых напряжений в конструкции (Франция, заявка №2233587, F28F 9/04, B21D 19/00, опубл. 10.01.1975).
Данный кожухотрубный теплообменник и его конструкция трубной решетки сложны в изготовлении, особенно проблемно обеспечивать равномерность пайки. Наличие обоймы создает большой промежуток между крайним рядом трубок и обечайкой, где сопротивление потоку в этом промежутке меньше, чем сопротивление между трубками, следовательно, скорость потока между трубками меньше, а в промежутке больше. Интенсивность теплообмена в центральной области теплообменника ниже, чем в периферийной области.
Известен также кожухотрубный теплообменник и способ изготовления его трубной решетки, где трубная решетка состоит из трех пластин, накладываемых одна на другую («сэндвич»). Диаметры отверстий в пластинах больше диаметра трубок, кроме того, отверстия в средней пластине больше остальных двух. Благодаря этому образуются канавки для размещения в пластине эластичных колец, с помощью которых трубки фиксируются в пластине (Заявка №04333 международная, РСТ, МПК F28F 9/02, опубл. 04.03.1993). Данная конструкция трубной решетки работоспособна в теплообменниках лишь при небольших температурах и давлениях. Упругие вставки имеют небольшую продолжительность службы, так как при долгом нахождении под напряжением они теряют эластичность и, следовательно, герметичность теплообменника.
Известная трубная решетка кожухотрубного теплообменника имеет компенсаторы. Они расположены со стороны межтрубного пространства и снаружи теплообменника. Служат для уменьшения толщины самой решетки, а также примыкающих к ней участков распределительной камеры и корпуса, к которым приварена решетка. Обе плоскости решетки имеют кривизну. Также выполнены под радиус примыкающие к решетке участки распределительной камеры и корпуса (Патент США №4207944, МПК F28F 9/02, опубл. 17.06.1980).
Система компенсации тепловых изменений в теплообменнике не пригодна для крупных теплообменников и гетерогенно-каталитических реакторов, работающих под высоким давлением и температурах, сами компенсаторы приходится изготавливать массивными, подверженными температурным напряжениям в нежелательных направлениях.
В целях уменьшения общей массы и упрочнения трубной решетки создан химический реактор или теплообменник, где трубная решетка собрана из тонких пластин для трубок с приваренными перпендикулярно к пластине элементами жесткости (патент РФ №2316389, МПК B01J 8/06). Недостатком является то, что меняется равномерное распределение потока в трубное пространство, а также наличие дополнительных деталей на трубной решетке приводит к уменьшению числа размещенных трубок на решетке.
Известен теплообменник, наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип, в котором трубная решетка выполнена в виде гофрированных гибких дисков. Профиль гофр выполнен по сложной линии, имеет волнообразную форму. Гофры расположены концентрично и имеют высокую деформационную способность. Трубки прикреплены к трубным решеткам в области вершин гофр, выступающих в сторону полости расположения трубок. Крепление трубок к гофрированной трубной решетке уменьшает концентрации напряжений на стыке. Колебания и автоколебания трубок предотвращают образование накипи и отложений (патент РФ №2267070, МПК F28D 7/00, опубл. 27.12.2005).
Теплообменник с гофрированными трубными решетками не обладает достаточной универсальностью, так как может использоваться только в узком диапазоне изменения режимных параметров по температуре, давлению и расходам. Необходимость применения дорогостоящих высоколегированных сталей увеличивает стоимость теплообменника.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении диапазона параметров эксплуатации теплообменника по температуре, давлению и расходам, повышении надежности работы и долговечности, а также снижении материалоемкости.
Технический результат достигается тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем корпус, днище, трубный пучок, закрытый с двух сторон трубными решетками, выполненными в форме диска с непрерывными, расположенными концентрично выступами и впадинами, в которых выполнены отверстия для крепления трубок трубного пучка, новым является то, что любой выступ или впадина в поперечном сечении имеют форму прямоугольного треугольника, одна сторона которого перпендикулярна плоскости трубной решетки, а другая наклонна к ней, при этом отверстия для крепления трубок выполнены на середине наклонной стороны, а в центре трубной решетки имеется цилиндрический выступ с отверстием для крепления центральной трубки.
Шаг между выступами равен расстоянию между рядами отверстий для трубок на трубных решетках. Выступы, обращенные в сторону трубного пучка, больше, чем обращенные в сторону днища, и равны толщине трубной решетки в ее фланцевой части. Шаги и высоты выступов на трубной решетке больших диаметров выполнены большими, чем на трубной решетке малых диаметров. Угол, противолежащий высотам выступов составляет 2÷15°. В случае использования трубной решетки в теплообменниках с наклонными трубками, высота выступа для центральной трубки больше высот остальных выступов на величину разности длин центральной трубки и остальных наклонных трубок. Цилиндрический выступ в центре трубной решетки направлен в сторону днища. Высоты выступов в зависимости от нагрузок могут быть увеличивающимися от периферии к центру.
На фиг.1 представлен общий вид теплообменника.
На фиг.2 показан общий вид трубной решетки.
На фиг.3 представлена трубная решетка и ее разрез по А-А.
На фиг.4 - увеличенная половина разреза А-А, подобного фиг.3 с большим содержанием круговых рядов отверстий для трубок.
Кожухотрубный теплообменник фиг.1, преимущественно круглого сечения цилиндрической или конусообразной формы, содержит корпус 1 с днищами 2, внутри расположен трубный пучок 3, закрытый с двух сторон трубными решетками 4, фиг.2, образующими трубное и межтрубное пространства. Внешний диаметр трубных решеток соответствует внешнему диаметру фланцев днища 2. Крепление к кожуху осуществляется сваркой, а к днищу 2 - шпильками через герметизирующую прокладку.
Трубные решетки 4 выполнены в форме диска с непрерывными, расположенными концентрично выступами и впадинами 5, в которых выполнены отверстия 6 для крепления трубок 7 трубного пучка 3. Выступы и впадины 5 в поперечном сечении имеют форму прямоугольного треугольника, одна сторона которого перпендикулярна плоскости трубной решетки 3, а другая - наклонная к ней, при этом отверстие 6 для крепления трубок 7 выполнены на середине наклонной стороне под различным углом и различной формой. В центре трубной решетки 4 имеется цилиндрический выступ 8 с отверстием 9 для крепления центральной трубки 9, направленный в сторону днища 2. Ось выступа 8 совпадает с осью теплообменника. Выступы и впадины 5 составляют единое целое с фланцевым кольцом 10 трубной решетки 4 с отверстиями 11 для крепления фланца днища.
1
2
3
1
2
Шаг(n) между выступами (а также впадинами) 5 на трубных решетках 4 равен расстоянию между рядами отверстий для трубок (m). Высоты (a) выступов 5 (фиг.3 и 4), обращенные в сторону трубного пучка, больше высот (a) выступов 5, обращенных в сторону днищ, и равны толщине конкретной трубной решетки 4 в ее фланцевой части (a). Угол α, противолежащий высотам выступов (a и a), составляет 2÷15°.
Центральная трубка 9 может быть цилиндрической или конусообразной, но во всех модификациях вертикальной. Трубки 7 могут быть цилиндрическими, конусообразными, а также наклонными.
В зависимости от назначения теплообменника высоты всех выступов могут меняться в радиальном направлении, увеличиваясь от периферии к центру. В случае использования трубной решетки 4 в теплообменниках с наклонными трубками 7 высота центрального выступа 8 больше высот остальных выступов 5. При этом диаметр отверстия выступа 8 для крепления центральной трубки 9 может быть больше диаметра отверстий 6 для крепления трубок 7 трубного пучка 3.
Кожухотрубный теплообменник работает следующем образом.
Теплоноситель трубного пространства поступает через днища 2 на трубную решетку 4 и в трубки 7 и 9, закрепленные в ней. Проходя через трубки 7 и 9, теплоноситель обменивается теплом через их стенки с теплом теплоносителя межтрубного пространства, которое ограничено корпусом 1 теплообменника и трубными решетками 4, затем через вторую трубную решетку 4, в которой трубки 7 и 9 закреплены другими концами, поступает в противоположное днище 2 и через отверстие в этом днище проходит в другой аппарат. При этом на трубную решетку 4 действуют напор теплоносителя, собственная масса, масса трубок 7 и 9 с содержащимся в них интенсификатором теплообмена, а также вызванные перепадом температур напряжения. Выступы и впадины 5 на трубных решетках 4 способствуют рассеиванию напряжений в нескольких направлениях, предотвращая возникновение выпуклостей или трещин, повышают жесткость трубной решетки 4 и позволяют уменьшить ее массу. Достигается более равномерное распределение потока трубного пространства по всем трубкам 7 и 9, а также более интенсивный теплообмен вблизи трубных решеток 4.
Таким образом, предлагаемый кожухотрубный теплообменник обладает высокой надежностью и долговечностью в эксплуатации, универсальностью за счет возможности эксплуатации в широком диапазоне параметров, а также в качестве химических реакторов.