ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ КОНДЕНСАТОР
VERTICAL SHELL-AND-TUBE CONDENSER

Изобретение относится к области анаэробной энергетики, а более конкретно к воздухонезависимым энергоустановкам (ЭУ), использующим углеводородное горючее и кислород для получения энергии. Оно может быть применено в теплообменных аппаратах этих ЭУ и других установок, в которых охлаждение теплоносителя (газ или смесь газов) сопровождается конденсацией хотя бы одного компонента.
Актуальным является обеспечение устойчивой работы конденсатора двуокиси углерода, основного продукта энергогенерирующей реакции углеводородного горючего и кислорода, которая содержится в отработавших газах, отводимых из воздухонезависимых ЭУ при давлении Р>1 МПа. Нагреваемым теплоносителем может служить кислород при Т≥217К, потребляемый работающей ЭУ.
Одно из необходимых условий непрерывного приема и охлаждения отводимой из ЭУ смеси отработавших газов с ожижением основного их компонента - двуокиси углерода состоит в раздельном, устойчивом отводе образовавшегося конденсата и не сконденсировавшихся (не ожиженных) газов. Одновременно для ЭУ подводных объектов особую значимость приобретают ограничения по габаритам и массе всего комплектующего оборудования и, в частности, теплообменных аппаратов.
За основу устройства конденсатора отдельных компонентов из охлаждаемой смеси газов принят вертикальный кожухотрубчатый теплообменник, конструктивная схема которого приведена, например, в справочнике «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника», книга 4, М., «Энергоатомиздат», 1991, стр.156, рис.4.7.
Охлаждаемые газы с образующимся конденсатом движутся по трубам сверху вниз. Нагреваемый теплоноситель, по преимуществу, однофазный, омывает внешнюю поверхность труб. Для интенсификации теплоотдачи к нему посредством уменьшения площади проходного сечения и увеличения скорости его движения применяются внешние трубы. Они устанавливаются соосно, с образованием межтрубных сквозных кольцевых каналов, по которым движется нагреваемый теплоноситель.
Известны кожухотрубчатые теплообменники с соосными трубами для охлаждения газа кипящей водой. Соосные трубы устанавливаются для создания скоростного напора нагреваемого теплоносителя в наиболее нагретых местах внутренней поверхности теплообменника, в которых интенсивно осаждается шлам из кипящей воды. Это позволяет снимать и уносить шлам, снижая скорость локальной коррозии. Такими являются кожухотрубчатые теплообменники по патентам №3715713, 21.07.1988, Германия и №2145698, 21.04.1998, Россия.
По основным признакам, к которым помимо соосных труб относятся вертикальное расположение теплообменника, наличие промежуточной перегородки с закрепленными внешними трубами, предлагаемое техническое решение наиболее близко к кожухотрубчатому теплообменнику по патенту №2145698, который принят за прототип.
Указанный вертикальный кожухотрубчатый теплообменник содержит цилиндрический корпус с нижним патрубком ввода и верхним патрубком вывода нагреваемого теплоносителя, пучок внутренних теплообменных труб и установленных соосно с образованием межтрубных сквозных кольцевых каналов внешних труб, который размещен в цилиндрическом корпусе, а также нижнюю и верхнюю решетки для крепления внутренних труб и решетку для крепления верхних концов внешних труб. При этом на упомянутом цилиндрическом корпусе имеются крышка и днище с патрубками для подвода охлаждаемого и отвода охлажденного теплоносителя.
В теплообменнике - прототипе газ, охлаждаясь без образования конденсата, отводится из теплообменных труб через камеру сбора и патрубок отвода охлажденного теплоносителя. Второй путь для отвода конденсата в этом теплообменнике отсутствует. В вертикальном кожухотрубчатом конденсаторе, рассматриваемом в качестве предлагаемого изобретения, осуществляется конденсация отдельных компонентов из состава охлаждаемых газов с получением газожидкостной смеси на выходе из теплообменных труб. Для обеспечения устойчивой и надежной работы конденсатора необходим дополнительный отвод получаемого конденсата, конструктивно отделенный от вывода не сконденсировавшихся газов. Отсутствие такого отвода получаемого конденсата в кожухотрубчатом теплообменнике по патенту №2145698 не позволяет применить его без конструктивных изменений для устойчивой и надежной работы в режиме конденсации отдельных компонентов из охлаждаемой смеси газов. Кроме того, в теплообменнике - прототипе внешние трубы охватывают только часть внешней греющей поверхности теплообменных труб, оставляя основную часть этой поверхности открытой для теплоотдачи с кипением, сравнительно высокая интенсивность которой не зависит от площади сечения для прохода и от скорости движения нагреваемого теплоносителя между теплообменными трубами. Исключение кипения нагреваемого теплоносителя в рассматриваемом вертикальном кожухотрубчатом конденсаторе обусловит при его движении через сечение между теплообменными трубами существенное снижение интенсивности теплоотдачи и, как следствие, увеличение размеров конденсатора, неприемлемое для его практического применения, что дополнительно вызывает необходимость конструктивных изменений теплообменника по патенту 2145698.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение конструктивными средствами устойчивой и надежной работы вертикального кожухотрубчатого конденсатора путем раздельного отвода конденсата и не сконденсировавшихся газов при ограничении размеров конденсатора.
Это достигается тем, что в известный вертикальный кожухотрубчатый конденсатор дополнительно введена решетка для крепления нижних концов внешних труб, образующая вместе с нижней решеткой внутренних труб и цилиндрическим корпусом конденсатора камеру распределения нагреваемого теплоносителя, направляемого в межтрубные сквозные кольцевые каналы. При этом часть пространства между нижней решеткой внутренних труб и днищем конденсатора сообщена трубами, закрепленными в нижних решетках, с объемным пространством, заключенным между внешними трубами, их решетками и цилиндрическим корпусом, который оснащен патрубком вывода не сконденсировавшихся газов. Причем патрубок отвода охлажденного теплоносителя оборудован поплавковым клапаном.
Введение решетки для крепления нижних концов внешних труб с образованием камеры распределения нагреваемого теплоносителя по межтрубным сквозным кольцевым каналам, которые соединяют ее с камерой сбора нагреваемого теплоносителя из кольцевых зазоров на верхних концах внешних труб, создает конструктивные особенности конденсатора, которые состоят в следующем.
Во-первых, межтрубные сквозные каналы отделяются от непроницаемого для нагреваемого теплоносителя объемного пространства, образующегося между внешними трубами, их решетками и корпусом конденсатора.
Во-вторых, верхние концы дополнительно введенных труб, соединяющих часть пространства между нижней решеткой внутренних труб и днищем конденсатора с упомянутым объемным пространством и проходящих через камеру распределения нагреваемого теплоносителя, крепятся в нижней решетке внешних труб.
В результате создания отмеченных конструктивных особенностей образуется гидравлически изолированный путь движения нагреваемого теплоносителя, состоящий из последовательно соединенных участков: патрубок ввода - камера распределения - межтрубные сквозные кольцевые каналы - камера сбора - патрубок вывода. Одновременно открывается беспрепятственный путь для отвода не ожиженных газов из части пространства между нижней решеткой внутренних труб и днищем конденсатора, который включает: дополнительно введенные трубы, объемное пространство между внешними трубами, их решетками, цилиндрическим корпусом конденсатора и патрубок вывода не сконденсировавшихся газов.
Кроме того, в результате образования межтрубных сквозных кольцевых каналов от камеры распределения до камеры сбора нагреваемого теплоносителя, омывающего внешнюю греющую поверхность внутренних труб, уменьшается площадь сечения для его прохода через зону интенсивного теплоотвода. Как следствие этого, возрастает скорость движения нагреваемого теплоносителя и коэффициент теплоотдачи к нему вдоль всей длины внутренних труб с интенсивным теплоотводом. Это является существенным для сокращения необходимой площади поверхности теплообменных труб и уменьшения габаритов конденсатора в целом. При этом скорость нагреваемого теплоносителя, а следовательно, и интенсивность теплоотдачи к нему, определяется выбором величины межтрубного кольцевого зазора с учетом допустимых значений скорости.
Поплавковый клапан вводится с целью изменения площади проходного сечения на входе в патрубок отвода охлажденного теплоносителя (конденсата) от нулевой величины до максимально установленной в зависимости от уровня конденсата в части пространства между нижней решеткой внутренних труб и днищем конденсатора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена конструктивная схема вертикального кожухотрубчатого конденсатора.
Вертикальный кожухотрубчатый конденсатор имеет цилиндрический корпус 1, внутри которого размещены внутренние теплообменные трубы 2 и внешние трубы 3. Верхние концы внутренних труб 2 закреплены в верхней решетке 4, а их нижние концы - в нижней решетке 5. Верхние концы внешних труб 3 закреплены в своей верхней решетке 6, а их нижние концы - в нижней решетке 7. Между внешней греющей поверхностью внутренних труб 2 и внутренней поверхностью внешних труб 3 образованы межтрубные сквозные кольцевые каналы 8, которые соединяют камеру распределения 9 нагреваемого теплоносителя с камерой его сбора 10 из этих каналов. Камера распределения 9 нагреваемого теплоносителя образована нижними решетками 5 и 7 внутренних труб 2 и внешних труб 3 соответственно, а также корпусом 1 с нижним патрубком ввода 11. Камера сбора 10 нагреваемого теплоносителя образована верхними решетками 4 и 6 внутренних труб 2 и внешних труб 3 соответственно, а также корпусом 1 с верхним патрубком вывода 12. Крышка 13 теплообменника с патрубком 14 и верхняя решетка 4 образуют часть пространства 15 для распределения охлаждаемого теплоносителя по теплообменным трубам 2. Днище 16 с патрубком 17 и нижняя решетка 5 образуют часть пространства 18 для сбора охлажденного теплоносителя и не сконденсировавшихся газов. Вход патрубка 17 отвода охлажденного теплоносителя оборудован поплавковым клапаном 19. Последний вертикально перемещается по направляющей 20. Трубы 21 закреплены своими концами в решетках 5 и 7 и служат для отвода не сконденсировавшихся газов из части пространства 18 между нижней решеткой 5 внутренних труб 2 и днищем 16 в объемное пространство 22, ограниченное внешними трубами 3, их решетками 6 и 7 и цилиндрическим корпусом 1. Для вывода не сконденсировавшихся газов служит патрубок 23.
Вертикальный кожухотрубчатый конденсатор работает следующим образом.
Смесь газов или моногаз через патрубок 14 попадает в часть пространства 15 между верхней решеткой 4 внутренних труб 2 и крышкой 13 и распределяется по внутренним трубам 2. Образующаяся на внутренней поверхности труб 2 конденсатная пленка стекает вниз, в часть пространства 18 между нижней решеткой 5 внутренних труб 2 и днищем 16, в которую одновременно из этих же труб поступают не ожиженные газы. Охлажденный теплоноситель (конденсат) из этой части пространства 18 отводится через патрубок 17 с расходом, определяемым положением поплавкового клапана 19, который, перемещаясь по направляющей 20, «следит» за изменением уровня. Расход отводимого конденсата увеличивается по мере перемещения поплавкового клапана 19 вверх.
Не ожиженные газы, которые собираются непосредственно под нижней решеткой 5 внутренних труб 2, по трубам 21 попадают в объемное пространство 22, ограниченное внешними трубами 3, их решетками 6 и 7 и цилиндрическим корпусом 1, откуда выводятся через патрубок 23.
Нагреваемый теплоноситель с температурой, которая меньше температуры конденсации ожижаемого газа, вводится через патрубок 11 в камеру 9 распределения по межтрубным сквозным кольцевым зазорам. Поднимаясь по межтрубным сквозным кольцевым каналам 8 со скоростью, которая зависит от площади проходного сечения межтрубных зазоров, он нагревается и попадает в верхнюю камеру его сбора 10, из которой через патрубок 12 выводится из теплообменника.
Предложенный вертикальный кожухотрубчатый конденсатор обеспечивает раздельный отвод не сконденсировавшихся газов и образовавшегося конденсата при ограничении своих габаритов, что создает условия для устойчивой, надежной работы и выгодно отличает его от прототипа.