ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, коммунального и сельского хозяйств, преимущественно в промышленных биогазовых установках.
Биомассу в биореакторе биогазовой установки необходимо поддерживать при определенной температуре для создания оптимальных условий повышенной продуктивности бактерий. Подогрев биомассы во внешнем теплообменнике перед ее помещением в биореактор позволяет существенно снизить затраты энергии на подогрев биомассы в биореакторе.
В качестве нагревательного устройства для биомассы применяют большей частью кожухотрубные теплообменники, особенность которых заключается в том, что пучок труб, собранный в двух трубных решетках, вместе с ними жестко закреплен в корпусе теплообменника.
В RU 2334187 С1, МПК F28D 7/06, опубл. 20.09.2008, описан теплообменник, который содержит кожух с пучком теплообменных труб, закрепленных в трубной решетке, и поперечные перегородки, создающие поперечные потоки в межтрубном пространстве. Кожух снабжен патрубками ввода и вывода межтрубной среды, а к его фланцу прикреплена коллекторная камера с продольной перегородкой, разделяющей входную и выходную полости, соединенная с одним из торцов кожуха, прилегающим к трубной решетке, и снабженная патрубками ввода и вывода трубной среды. Перед патрубком вывода в кожухе установлена сплошная поперечная перегородка, а за патрубком вывода - дополнительные поперечные перегородки, создающие поперечные потоки в межтрубном пространстве, причем сплошная перегородка снабжена перепускными каналами, имеющими выход в последней перегородке перед трубной решеткой. При таком выполнении повышается интенсивность теплообмена за счет ликвидации застойных зон.
В RU 2647942 С1, МПК F28D 7/16, F28F 9/22, опубл. 21.03.2018, описан теплообменный аппарат, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода теплоносителей трубной и межтрубной полостей и расположенный в нем пучок труб с по крайней мере одной имеющей свободные проходы в заданных местах для перетока среды межтрубной полости поперечной перегородкой, цилиндрическая поверхность которой снабжена дугообразным упругим уплотнительным элементом, охватывающим эту поверхность и входящим в контакт с внутренней поверхностью корпуса. Для повышения надежности упругий уплотнительный элемент выполнен из сетчатого материала, а свободный объем под дугообразным элементом заполнен эластичным материалом, теплообменного аппарата.
Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена. Однако одиночные кожухотрубные теплообменники по патентам RU 2334187, 2008 г. и RU 2647942, 2018 г. имеют недостаточную производительность из-за малого межтрубного пространства.
Увеличение производительности в кожухотрубном теплообменнике по патенту RU 2133004, МКИ F28D 7/00, опубл. 10.07.1999, обеспечивается за счет увеличения количества соединенные между собой идентичных секций, каждая из которых содержит размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках, и коллекторных камер трубной и межтрубной сред с перегородками, образующих пространственные соединения между секциями и задающими направления течения сред в них Данное техническое решение позволяет создать относительно компактную конструкцию и увеличить эффективность использования поверхности нагрева теплоносителя за счет применения единых коллекторных камер. В этом теплообменнике перегородки в коллекторных камерах задают обычное направление движения сред, то есть среды последовательно проходят через каждую смежную секцию. Такое движение ограничивает возможности регулирования и оптимизации по заданному критерию соотношений параметров теплопередачи и гидравлических характеристик потоков.
Этот недостаток устранен в кожухотрубном теплообменнике по патенту RU 2494329 С1, МПК F28D 7/16, F28F 9/22, опубл. 27.09.2013, который содержит соединенные между собой идентичные секции, каждая из которых содержит размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках, и коллекторные камеры трубной и межтрубной сред с перегородками, образующими пространственные соединения между секциями и задающими направления течения сред в них. Коллекторные камеры трубной и межтрубной сред содержат участки, в которых перегородки установлены после каждых двух или более входов сред в секции, образуя последовательно соединенные группы, соответственно, двух и более секций с параллельным движением сред в каждой группе. Такая организация движения сред повышает эффективность использования тепловой энергии первичного источника за счет уменьшения гидравлических потерь.
Недостатком теплообменников по патентам RU 2133004 и RU 2494329 является повышенная металлоемкость из-за размещения каждого пучка труб в своем кожухе. Кроме того, при их использовании для подогрева органического сырья происходит быстрое закоксовывание межтрубного пространства из-за его малых размеров.
В основу настоящего изобретения положена задача создания теплообменника, обеспечивающего повышенную производительность и имеющего меньшую металлоемкость его изготовления.
Указанная задача решается тем, что теплообменник содержит горизонтально ориентированный цилиндрический корпус, днища выпуклой формы с седлами, патрубки подвода и отвода трубной среды, входной и выходной патрубки межтрубной среды, теплообменные элементы в виде пучков труб, закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках, которые закреплены в противоположно расположенных седлах, при этом центральный пучок труб расположен по продольной оси корпуса, а боковые пучки труб размещены на удалении от продольной оси на равном расстоянии друг от друга, с одной стороны корпуса центральное седло соединено с патрубком подвода трубной среды, а боковые седла соединены с вводами сборного коллектора, выход которого соединен с патрубком отвода трубной среды, с другой стороны корпуса центральное седло соединена с входом распределительного коллектора, отводы которого соединены с боковыми седлами, с обеспечением возможности протекания трубной среды в прямом направлении через центральный пучок труб и в обратном направлении через боковые пучки труб.
Задача решается также тем, что:
сборный коллектор выполнен в виде цилиндра, торцевая сторона цилиндра в направлении днища закрыта сферической крышкой, другая торцевая сторона цилиндра является выходом сборочного коллектора, а по цилиндрической поверхности расположены вводы сборочного коллектора;
распределительный коллектор выполнен в виде цилиндра, торцевая сторона цилиндра в направлении днища является входом распределительного коллектора, другая торцевая сторона цилиндра закрыта сферической крышкой, а по цилиндрической поверхности расположены отводы распределительного коллектора;
входной патрубок межтрубной среды расположен сверху корпуса около днища со стороны сборного коллектора, а выходной патрубок межтрубной среды расположен снизу корпуса около днища со стороны распределительного коллектора;
на корпусе установлена, по крайней мере, одна колба для термодатчика;
на концевом участке верхних седел со стороны сборного коллектора установлен, по крайней мере, один воздухоотводчик;
на концевом участке нижнего седла со стороны сборного коллектора установлен сливной патрубок трубного теплоносителя;
на корпусе, сборном и распределительном коллекторах установлена теплоизоляция с защитным кожухом.
Повышение производительности теплообменника и снижение металлоемкости его изготовления достигается за счет размещения группы теплообменник пучков труб в одном корпусе и обеспечения двухходового теплообмена греющей среды.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает теплообменник (сечение А-А на фиг. 2)
фиг. 2 изображает теплообменник, вид со стороны сборного коллектора;
фиг. 3 изображает днище с седлами, вид сбоку;
фиг. 4 изображает днище с седлами, вид сверху;
фиг. 5 изображает общий вид нагревательного элемента в изометрии;
фиг. 6 изображает вид теплоизолированного теплообменника в разрезе.
Теплообменник содержит цилиндрический корпус 1, на противоположных торцевых сторонах которого закреплены днища 2 выпуклой формы с жестко закрепленными седлами 3, патрубок 4 подвода и патрубок 5 отвода трубной среды, входной патрубок 6 и выходной патрубок 7 межтрубной среды.
Предпочтительной является торосферическая или эллиптическая форма днищ 2. Одно из седел 3 расположено в центре каждого днища 2, а боковые седла размещены эквидистантно по окружности на удалении от центра (см. фиг. 6). Теплообменные элементы выполнены в виде пучка труб 8, закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках 9 (см. фиг. 7). Пучки труб 8 для придания жесткости могут быть снабжены перемычками 10. Трубные решетки 9 жестко закреплены в противоположно расположенных седлах 3, что обеспечивает расположение центрального пучка труб 11 по продольной оси корпуса, а боковых пучков труб 12 - на удалении от продольной оси на равном расстоянии друг от друга. Трубные решетки 9 в седлах 3 могут иметь как неразборное соединение, например, при помощи сварки, так и разборное, например, фланцевое.
С одной стороны корпуса центральное седло соединено с патрубком 4 подвода трубного теплоносителя, а боковые седла соединены с вводами 13 сборного коллектора 14. Предпочтительным является выполнение сборного коллектора в виде цилиндра 15, торцевая сторона которого в направлении днища закрыт сферической крышкой 16, другая торцевая сторона цилиндра является выходом сборного коллектора, а вводы 13 расположены на цилиндрической поверхности. Выход сборного коллектора 14 соединен с патрубком 5 отвода трубной среды.
С другой стороны корпуса центральное седло соединено с входом распределительного коллектора 17, отводы 18 которого соединены с боковыми седлами. Предпочтительным является выполнение распределительного коллектора в виде цилиндра 19, торцевая сторона которого в направлении днища является входом распределительного коллектора, другая торцевая сторона цилиндра закрыта сферической крышкой 20, а отводы 18 расположены на цилиндрической поверхности.
Такое подключение пучков труб к коллекторам обеспечивает протекание трубной среды в прямом направлении через центральный пучок труб 11 и в обратном направлении через боковые пучки труб 12. Количество теплообменных элементов и их расположение выбирают из условий равномерного обогрева во всем объеме теплообменника.
Устройство работает следующим образом.
Трубная среда последовательно проходит через патрубок 4, трубное пространство центрального пучка труб 11, и попадает в цилиндр 19 распределительного коллектора 17, где, отражаясь от его сферической крышки 20, равномерно распределяется по отводам 18 и поступает в боковые пучки труб 12. По трубным пространствам боковых пучков труб 12 трубная среда проходит в обратном направлении, по вводам 13 поступает в цилиндр 15 сборного коллектора 14 и выходит через патрубок отвода 5 в обратный трубопровод трубной среды. Таким образом по трубной среде теплообменник является двухходовым.
Межтрубная среда по входному патрубку 6 поступает в теплообменник и движется, проходя по межтрубному пространству теплообменных элементов, через выходной патрубок 7 в обратный трубопровод межтрубной системы. За счет расположения входного и выходного патрубков межтрубной среды на противоположных концах корпуса сверху и снизу, соответственно, межтрубная среда по отношению к трубной среде в боковых пучках труб 12 движется противотоком, что повышает эффективность теплопередачи.
Теплообменник обладает меньшими гидродинамическими потерями по сравнению с системой кожухотрубчатых теплообменных аппаратов.
Контроль температуры межтрубной среды производят с помощью термодатчика, устанавливаемого в колбе 21. С целью выпуска воздуха из трубного пространства, при его заполнении трубной средой, на концевом участке седел, ориентированных вверх, установлен, по крайней мере, один воздухоотводчик 22, а для слива трубной среды на концевом участке седла, ориентированного вниз, установлен сливной патрубок 23. В горизонтальном положении теплообменник устанавливают на опорах 24. Для уменьшения тепловых потерь, особенно при использовании теплообменника вне отапливаемого помещения, корпус, сборный и распределительный коллекторы покрывают утеплителем 25 с защитным кожухом 26.
Теплообменник может работать как в проточном, так и накопительном режимах.
При использовании теплообменника для подогрева биомассы перед загрузкой в биореактор в качестве трубной среды предпочтительно использовать воду, нагретую до температуры 60°С. Более высокая температура, повышает риск налипания взвешенных твердых частиц на поверхность теплообменника.
Теплообменник можно использовать при различных вариантах трубной и межтрубной сред, например, пар - жидкость, газ - газ, жидкость - жидкость в различных отраслях промышленности, коммунального и сельского хозяйств.