ШНЕКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована, например, в процессе варки древесной технологической щепы в сфере или автоклавного выщелачивания боксита для регенеративного нагрева сырой бокситовой пульпы теплом выщелоченной пульпы.
Известен теплообменник (а.с. СССР №995571), содержащий кожух (корпус) с патрубками подвода и отвода теплоносителя, с установленной внутри него обечайкой с внутренней продольной перегородкой, наружными продольными ребрами и кольцевой поперечной наружной перегородкой. Аппарат содержит также верхнюю растворную камеру, стыкующуюся с трубной решеткой, нижнюю растворную камеру, стыкующуюся с нижней трубной решеткой, снабженную патрубками подвода и отвода нагреваемой среды и верхнюю крышку, стыкующуюся герметично с корпусом. В трубные решетки развальцованы теплообменные трубы. При работе аппарата в трубную часть (в трубы) подается нагреваемая среда, а в межтрубную часть (противотоком) - теплоноситель. Аппарат является двухходовым, как по трубной, так и по межтрубной части.
Недостатком аппарата является ненадежность (малая эффективность) теплообмена, т.к. продольные наружные перегородки (ребра) обечайки, формирующие двухходовой поток теплоносителя в межтрубной части, не стыкуются герметично с корпусом аппарата; также не стыкуется герметично и верхний торец обечайки с верхней трубной решеткой. В результате значительная часть теплоносителя через неплотности (зазоры) может переходить, минуя межтрубную часть, и входящего патрубка в выходящий, не отдавая максимально тепло нагреваемой среде.
В качестве прототипа выбран теплообменник (а.с. СССР №1178171), в котором устранен указанный недостаток. Аппарат содержит все те же основные элементы, что и вышеописанный: корпус с патрубками и установленной в нем обечайкой с теплообменными трубами внутри, верхнюю и нижнюю растворные камеры, состыкованные с трубными решетками и крышку, состыкованную сверху с корпусом. Отличием от аппарата-аналога является отсутствие продольных наружных ребер и кольцевой поперечной перегородки на обечайке. Вместо этого предусмотрено герметичное соединение патрубков корпуса с обечайкой, что дает возможность всему потоку теплоносителя, например, выщелоченной бокситовой пульпе, проходить через межтрубную часть аппарата и максимально отдавать тепло нагреваемой среде, например, сырой бокситовой пульпе.
К недостаткам такого аппарата следует отнести низкий коэффициент теплопередачи. Объяснение этому является низкая скорость теплоносителя в межтрубной части теплообменника (несмотря на установку в корпусе обечайки, уменьшающей поперечное сечение) в сравнении с трубной частью. Низкая скорость теплоносителя в межтрубной части приводит к интенсивному зарастанию наружной поверхности теплообменных труб осадком, ухудшающему теплообмен. Кроме того, движение теплоносителя происходит вдоль греющих труб, в которых движется нагреваемая среда, что приводит к механическому забиванию мертвых зон шламом, особенно при остановке теплообменника.
Задачей полезной модели является устранение недостатков вышеприведенных аппаратов - аналога и прототипа.
Техническим результатом является организация в межтрубной части теплообменника движения потока теплоносителя не вдоль греющих труб, как в аппарате-аналоге и прототипе, а под углом атаки меньшем, чем 90° при винтовом движении теплоносителя относительно трубного пучка. Кроме того, можно значительно повысить скорость теплоносителя в межтрубной части, т.к. он движется криволинейно по спирали и скорость потока может быть регулируемой (чем меньше шаг винтовой закрутки, тем больше скорость и наоборот).
Технический результат достигается тем, что в формователе потока, т.е. в дополнительной к основной обечайке, устанавливается шнек. Установка шнека дает возможность теплоносителю обтекать теплообменные трубы по винтовой траектории. При этом теплоноситель движется не вдоль труб, в которых движется нагреваемая среда, а под углом, меньшим, чем 90°. При прохождении всего потока в один проход с углом атаки к теплообменным трубам меньшим, чем 90° создаются условия не только для наибольшей эффективности теплообмена, но и повышения эксплуатационной надежности теплообменника. Повышение эксплуатационной надежности теплообменника определяется тем, что снижается износ теплообменных труб, а шламовая пульпа при остановке теплообменника может быть легко удалена с лопастей шнека при остановке теплообменника.
На фиг.1 дан разрез общего вида предлагаемого теплообменника. На фиг.2 и фиг.3 даны другие варианты конструкции предлагаемого теплообменника.
Предлагаемый теплообменник состоит: 1 - цилиндрический корпус, 2 - формователь потока, 3 - шнек, 4 - теплообменные трубы, развальцованные в трубные решетки, 5, 6 - трубные решетки, 7 - растворная камера, 8 - крышка, 9, 10 - патрубки для подвода и отвода нагреваемой среды, 11, 12 - патрубки для подвода и отвода теплоносителя, 13 - уплотнительное устройство, 14 - фланец корпуса, 15 - фланец крышки.
Теплообменник работает следующим образом: нагреваемая среда поступает через патрубок (9) в левую часть пучка теплообменных труб (4), затем в растворную камеру (7) и из нее в правую часть пучка теплообменных труб (4) нагреваясь при этом, и выходит из аппарата через патрубок (10). Теплоноситель поступает в межтрубную часть аппарата - внутрь формователя потока (2) через патрубок (11). Далее теплоноситель начинает движение по шнеку (3) вокруг верхней части пучка теплообменных труб (4). После завершения движения теплоноситель делает последний оборот вокруг нижней части пучка теплообменных труб (4) и выходит из аппарата через патрубок (12).
Данная конструкция теплообменника с применением формователя потока (2) дает возможность легко реконструировать паро-пульповые теплообменники, широко применяемые в химической технологии, в более эффективные пульпо-пульповые, т.к. гораздо проще и дешевле изготовить отдельный формователь потока со шнеком, начиненным теплообменными трубами, чем новый теплообменник. При этом требования к его прочности самые минимальные, т.к. формователь потока, находясь внутри корпуса аппарата, не несет никакой нагрузки (не испытывает давления).
На фиг.2 представлен вариант конструкции предлагаемого теплообменника, отличающийся от основного (фиг.1) способом крепления формователя потока (2) в корпусе (1) - вводится дополнительный элемент (16) - фланец формователя потока, зажатый между фланцами (14) и (15) корпуса (1) и крышки (8). Такая конструкция позволяет легко производить замену теплообменных труб и значительно облегчает их промывку и очистку.
Для улучшения гидродинамики движения теплоносителя шнек (3) предлагаемого аппарата выполняют двухходовым - такой вариант конструкции представлен на фиг.3.