ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
VERTICAL SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к области теплотехники, а именно, к аппаратам, преимущественно большого диаметра и/или большой единичной мощности, для осуществления теплообмена двухфазных сред (жидкость - газ, пар), и может быть использовано в технологических процессах в различных областях народного хозяйства, преимущественно в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, например, в установках гидроочистки топлив, риформинга и гидрокрекинга, где нагреваются и охлаждаются газожидкостные (водород-нефтепродукт) и парогазожидкостные среды.
Из предшествующего уровня техники известен кожухотрубчатый теплообменник, содержащий корпус, распределительные камеры, штуцеры для подвода и отвода теплоносителей, трубные решетки, теплообменные трубы, турбулизирующие поперечные перегородки с сегментными вырезами, при этом основания сегментных перегородок параллельны рядам отверстий для теплообменных труб, перегородки с параллельными основаниями сегментных вырезов расположены попарно одна за другой и основания их симметричны относительно одной из взаимно перпендикулярных осей симметрии - горизонтальной или вертикальной [Заявка на изобретение №2006147172, МПК F28D 7/16. Кожухотрубчатый теплообменник / Кисляков В.В. Патентообладатель ЗАО Уральский завод «Теплообменник». - №2006147172/06 от 28.12.2006, Опубл. 10.07.2008].
Кроме того, известен одноходовой кожухотручатый теплообменный аппарат, включающий цилиндрический корпус, штуцер для ввода теплоносителя в цилиндрический корпус, штуцер для вывода теплоносителя из цилиндрического корпуса, теплопередающие трубки, трубные решетки, эллиптические крышки с отбортовкой, штуцер для ввода теплоносителя в эллиптическую крышку, штуцер для вывода теплоносителя из эллиптической крышки, при этом эллиптическая крышка со штуцером для ввода теплоносителя снабжена перфорированной круглой пластиной с площадью свободного сечения от 40 до 60%, расположенной в зоне отбортовки эллиптической крышки со штуцером ввода теплоносителя, причем отверстия в перфорированной круглой пластине составляют не более 1,5 от диаметра теплопередающих трубок [Патент №2535429 RU, МПК F28D 7/16, F28F 9/02. Одноходовой кожухотрубчатый теплообменный аппарат / Лагуткин М.Г., Сорокин В.Г., Абрамов А.С., Корюкин С.Р. Михайловский С.В., Щеглова Е.Н., Ягудина А.Е., Курбатова Е.А., Ревво И.А., Свотина К.А., Елизарова В.Г., Орлова Н.М. Патентообладатель ООО "НИУИФ-Инжиниринг" (RU) - №2013152672/06 от 28.11.2013. Опубл. 10.12.2014].
Недостатки известного решения обусловлены тем, что в распределительной камере двухфазные среды расслаиваются, в результате чего соотношение парогазовой и жидкой фаз в различных трубах кожухотрубчатого теплообменника становится неодинаковым. В трубах с преимущественным течением жидкой фазы скорость снижается, а в трубах с парогазовой фазой она возрастает. В связи с этим, а также с особенностями теплофизических свойств жидких и парогазовых потоков снижается коэффициент теплоотдачи в трубах с преимущественным течением жидкой или газовой фазы и это снижает общую эффективность теплообмена аппарата.
Ближайшим аналогом или прототипом является вертикальный кожухотрубчатый теплообменник, включающий корпус с размещенным внутри него пучком теплообменных труб, закрепленных в верхней и нижней трубных решетках, кольцевой коллектор для входа среды трубного пространства, содержащий снабженную перфорированной крышкой и установленную с зазором по отношению к нижней трубной решетке распределительную камеру, в которой с образованием кольцевого коллектора размещена обечайка с равномерно закрепленными на ней Г-образными патрубками разной длины, свободные концы которых, проходящие через центральное отверстие перфорированной крышки, расположены по концентрическим окружностям, а в остальных отверстиях перфорированной крышки установлены вертикальные патрубки, которые, как и Г-образные, сообщены с кольцевым коллектором и оснащены перфорированными отбойниками с профильными кромками [Патент №2697213 RU, МПК F28D 7/16, F28F 9/02. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник / Шершевский А.Г., Болитэр В.А., Султанов Ю.Р., Штырляев И.Е.. Патентообладатель Шершевский А.Г. (RU) - №2018138913 от 06.1 1.2018. Опубл. 13.08.2019].
Недостатком известного решения является сложность конструкции распределительного устройства, высокая металлоемкость. В то же время в устройстве устройство невозможно равномерно распределять двухфазные потоки по теплообменным трубам. В трубах с преимущественным течением жидкой среды скорость снижается, а в трубах с парогазовой средой она возрастает. В связи с этим, а также с особенностями теплофизических свойств жидких и парогазовых потоков снижается коэффициент теплоотдачи в трубах с преимущественным течением жидкой или газовой среды и это снижает общую эффективность теплообмена аппарата.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности и равномерности распределения двухфазных потоков среды, проходящих по всем трубам пучка теплообменника, преимущественно в аппаратах большого диаметра и/или большой единичной мощности, а также интенсификация процесса теплопередачи, упрощения конструкции и повышения ее надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике для двухфазных сред, включающем корпус с размещенным внутри его пучком теплообменных труб, трубную решетку, турбулизирующие поперечные перегородки с сегментными вырезами в межтрубном пространстве, распределительную камеру, штуцера для подвода и отвода теплоносителей, согласно изобретению распределительная камера снабжена двумя штуцерами для входа парогазовой и жидкой среды, при этом на входе двухфазной среды на нижних концах теплообменных труб, выступающих внутрь распределительной камеры в верхней части вблизи трубной решетки выполнены отверстия диаметром, обеспечивающим гидравлическое сопротивление в метрах столба жидкости не более длины труб ниже этого отверстия.
Теплообменные трубы могут быть выполнены прямыми и закреплены в верхней и нижней неподвижных трубных решетках. Теплообменные трубы могут быть выполнены U-образными, при этом межтрубное пространство разделено продольной вертикальной перегородкой.
При этом с целью упрощения технологии и снижения трудоемкости развальцовки труб для удлинения труб ниже трубной решетки нижние концы теплообменных труб могут быть удлинены вставкой с отверстием вблизи нижней трубной решетки, запрессованы с натягом и (или) приваренной на прихватках к нижним концам теплообменных труб.
На корпусе теплообменника с прямыми трубами имеется линзовый компенсатор.
Предлагаемое к защите техническое решение поясняется чертежами, где фиг. 1 - схема вертикального кожухотрубчатого теплообменника с U-образными трубками; фиг. 2 - схема вертикального кожухотрубчатого теплообменника; фиг. 3 - схема вертикального кожухотрубчатого теплообменника с линзовым компенсатором; фиг. 4 - схема крепления теплообменных труб в нижней трубной решетке; фиг. 5 - схема крепления теплообменных труб с запрессованной вставкой.
Заявляемое устройство (фиг. 1) содержит корпус 1, снабженный штуцером 2 для входа среды (теплоносителя) в межтрубное пространство и штуцером 3 для выхода среды (теплоносителя) из межтрубного пространства, нижнюю трубную решетку 4, расположенную в нижней части корпуса 1 и предназначенную для фиксации U-образных теплообменных труб 5, образующих пучок. Под нижней трубной решеткой размещена распределительная камера 6, оснащенная штуцером 7 для входа жидкой среды и штуцером 8 для входа парогазовой среды, и штуцера 9 для выхода среды. Внутри распределительной камеры 6 выполнена продольная вертикальная перегородка 16. Со стороны входа двухфазной среды в вертикальный кожухотрубчатый теплообменник в распределительную камеру 6 выступают концы труб 11, закрепленные в трубной решетке 4, снабженные отверстием с диаметром, обеспечивающим гидравлическое сопротивление в метрах столба жидкости не более длины труб ниже этого отверстия. В межтрубном пространстве вертикального кожухотрубчатого теплообменника с U-образными трубками установлены продольная перегородка 10 и турбулизирующие поперечные перегородки 12 с сегментными вырезами.
Заявляемое устройство (фиг. 2) содержит корпус 1, снабженный штуцером 2 для входа среды (теплоносителя) в межтрубное пространство и штуцером 3 для выхода среды (теплоносителя) из межтрубного пространства, нижнюю трубную решетку 4 и верхнюю трубную решетку 13, в которых закреплены прямые теплообменные трубы 5, образующие пучок. Под нижней трубной решеткой размещена распределительная камера 6, оснащенная штуцером 7 для входа жидкой среды и штуцером 8 для входа парогазовой среды, в верхней распределительной камере находится штуцер 9 для выхода жидкой и парогазовой среды из трубного пространства. В нижнюю распределительную камеру 6 выступают концы труб И, закрепленные в трубной решетке 4, снабженные отверстием с диаметром, обеспечивающим гидравлическое сопротивление в метрах столба жидкости не более длины труб ниже этого отверстия. В межтрубном пространстве вертикального кожухотрубчатого теплообменника установлены турбулизирующие поперечные перегородки 12 с сегментными вырезами.
С целью упрощения технологии и снижения трудоемкости развальцовки труб для удлинения труб ниже трубной решетки нижние концы теплообменных труб удлинены вставкой 11 с отверстием вблизи нижней трубной решетки, запрессованной с натягом и/или приваренной на прихватках к нижним концам теплообменных труб 5.
Увеличение числа прямых труб предотвращает срыв и унос капельной жидкости с кольцевой пленки в трубах 5, при высоких скоростях расхода газовой среды, что предотвращает снижение коэффициента теплообмена. Для компенсации температурных напряжений при большой разности температур теплоносителей и хладагента используется линзовый компенсатор 15 на корпусе (фиг. 3).
Устройство работает следующим образом (фиг. 1).
В распределительную камеру 6 вертикального кожухотрубчатого теплообменника подается через штуцер 7 жидкая среда, через штуцер 8 - парогазовая среда.
Поступающая в нижнюю распределительную камеру 6 двухфазная среда расслаивается, жидкая среда поступает в трубы 11, расположенные ниже трубной решетки 4, снизу, через верхнее отверстие, выполненное в стенке трубы 11, поступает парогазовая среда. При увеличении парогазовой среды расхода в какую-либо трубу увеличивается гидравлическое сопротивление отверстия в стенке трубы 11, что приводит к снижению давления за отверстием в этой трубе, а это увеличивает приток жидкой среды в эту трубу. Таким образом, осуществляется регулирование соотношения парогазовая среда - жидкая среда в каждую трубу 5. Это создает примерно одинаковый гидродинамический режим, например, кольцевое течение, которое увеличивает коэффициент теплопередачи между двухфазным потоком в теплообменных трубах 5 в сравнении с однофазным их течением.
При выполнении теплообменника с прямыми трубами (фиг. 2 и 3) равномерность распределения двухфазных потоков достигается следующим образом. Поступающая в нижнюю распределительную камеру 6 двухфазная среда расслаивается, жидкая среда поступает в трубы 11, расположенные ниже трубной решетки, снизу, через верхнее отверстие, выполненное в стенке трубы, поступает парогазовая среда. При увеличении расхода парогазовой среды в какую-либо трубу увеличивается гидравлическое сопротивление отверстия в боковой стенке трубы, что приводит к снижению давления за отверстием в этой трубе и это увеличивает приток жидкой среды в трубу 11. Парогазовый поток подхватывает жидкую среду и вместе с ней движется вверх по трубе 5. Таким образом, осуществляется регулирование соотношения парогазовая среда - жидкая среда в каждую трубу 5. Это создает примерно одинаковый гидродинамический режим, например, кольцевое течение, которое увеличивает коэффициент теплопередачи между двухфазным потоком в теплообменных трубах 5 в сравнении с однофазным их течением.
При поступлении парогазовой и жидкой сред в распределительную камеру 6 (а устройство работает только при наличии двухфазной среды) при достижении жидкой среды отверстий в трубах 11 возникнет препятствие поступлению парогазовой среды в отверстие, что приведет к повышению объема парогазовой среды в распределительной камере и снижению уровня жидкости в распределительной камере за счет передавливания жидкой среды через нижние концы труб 11 и далее в трубы 5. Парогазовая же среда, имеющая более низкую плотность, чем жидкая, всегда будет находиться над жидкой средой. Равномерность регулирования соотношения жидкая среда - парогазовая среда в каждую трубу зависит помимо всего прочего от величины гидравлического сопротивления отверстия в боковой стенке труб 11, то есть от расхода парогазовой среды и размера отверстия. С увеличением гидравлического сопротивления отверстия в боковой стенке трубы 11 уровень жидкой среды в распределительной камере 6 снижается, а с уменьшением гидравлического сопротивления отверстия в стенке трубы 11 движению парогазовой среды уровень жидкости в распределительной камере повышается. При большом сопротивлении отверстия в стенке трубы 11 движению парогазовой среды повышается равномерность соотношения жидкая среда - парогазовая среда во всех трубах теплообменного аппарата.
При проектировании вертикального кожухотрубчатого теплообменника в соответствии с расходами сред и требуемой равномерности регулирования соотношения жидкая среда и парогазовая среда, выбирается оптимальный размер отверстия в трубах 11 в диапазоне необходимого изменения расходов сред и их соотношения, что определяет также и длину труб 11. Если сопротивление отверстий в трубе 11 движению парогазовой среды, измеряемое в столбах жидкой среды, будет больше диаметра отверстия в стенке трубы И, то затопление отверстия жидкой средой произойти никак не может. Но такое низкое гидравлическое сопротивление отверстия в стенке трубы 11 не отвечает равномерному соотношению поступления жидкая среда - парогазовая среда.
Механизм формирования кольцевого течения, снарядного течения зависит от скорости движения сред в трубах. При проектировании вертикального кожухотрубчатого теплообменника выбирают такие размеры труб по диаметру и такое их количество, чтобы обеспечивалось кольцевое течение в заданном диапазоне нагрузок. Отсутствие кольцевого течения может наблюдаться, когда скорость газовой среды будет очень низкой. Но такой режим не может быть в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике для двухфазных сред установок гидроочистки топлив, риформинга и гидрокрекинга в связи с высоким соотношением парогазовая среда - жидкая среда. В конкретных случаях область применения устройства определяется гидравлическим расчетом.
Результатом изобретения является повышение коэффициента теплопередачи в предлагаемой конструкции теплообменников в связи с равномерным распределением газовой и жидкой среды в теплообменных трубах, снижается вероятность отложений на стенках труб, например, при низкой скорости движения жидкого потока при отсутствии или небольшом количестве парогазового потока в этой трубе. Установка продольной перегородки в теплообменнике с U-образными трубками позволяет обеспечить противоточное движение хладагента и теплоносителя в трубном и межтрубном пространстве, что повышает движущую силу процесса. Наличие поперечных перегородок в межтрубном пространстве способствует перемешиванию сред в нем, в том числе и двухфазных, что также повышает коэффициент теплопередачи.
Наращивание нижних концов труб путем установки с натягом специальных вставок в концы труб, завальцованных в нижнюю трубную решетку снижает трудоемкость процесса завальцовки труб в трубную решетку.