ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, к теплообменной аппаратуре и может быть применена в энергетической, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, при осуществлении гетерогенно-каталитического окисления, дегидрирования и других процессов.
Известен кожухотрубный теплообменный аппарат, содержащий кожух цилиндрической формы, трубы с трубными решетками, поперечные решетки и перегородки винтообразной формы в межтрубном пространстве, днища и патрубки входа и выхода потоков, (а.с. СССР №345336, МПК F28D 7/16, опубликовано 1970 г.). Теплообменник сложный в изготовлении и обладает большой металлоемкостью.
Известен кожухотрубный теплообменник содержащий винтообразно закрученные теплообменные трубы овального профиля. При циркуляции теплообменивающихся сред в трубах и в межтрубном пространстве поддерживаются закрученные потоки посредством закрученной конструкции труб. (а.с. СССР №840662, МПК F28D 7/00 F28, F 1/06, опубликовано 1979 г.) Данный теплообменник может быть использован в ограниченных случаях, так как при больших скоростях потоков возможны усиление вибрации, ремонт и очистка труб достаточно проблематичны.
Известен реактор для каталитической очистки газообразных выбросов, содержащий в цилиндрическом корпусе ряд устройств, в том числе трубчатый теплообменник, трубы которого выполнены наклонными и расположены по круговому периметру корпуса, а также закреплены в трубных досках, отделяющих полости корпуса для очищаемого и очищенного газовых потоков. Газы, проходя через трубы, затем между трубами, должны подвергаться закручиванию из-за наклона труб, усиливая теплообмен между исходным и нагретым потоками. (Патент РФ 2299089, МПК B01D 53/86, F23G 7/06, опубликован 2005 г.). Недостатками являются неравномерные скорости в центральном и периферийном участках аппарата, а также нерациональное использование рабочего объема.
Известен теплообменный аппарат, наиболее близкий к заявляемому изобретению, который содержит корпус в виде усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, перегородки, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены трубы в форме усеченных конусов под углом к центральной оси аппарата, а также одну центральную трубу, ось которой совпадает с осью аппарата (патент РФ №2372572, МПК F28D 15/00, опубликован 2009 г.).
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении интенсивности теплообмена при уменьшении металлоемкости, сопротивления потоку в межтрубном пространстве и упрощение конструкции.
Технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси аппарата трубы в форме усеченных конусов, вертикальную центральную трубу для размещения термопар, новым является то, что трубы дополнительно наклонены путем смещения концов по окружностям их размещения на трубной решетке.
Углы наклона труб составляют 0,5÷50 градусов, а отверстия в трубных решетках выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми вершинами.
На фиг.1 представлен разрез теплообменного аппарата с наклонными трубами; на фиг.2 - вид по поперечному сечению А-А; на фиг.3 представлен узел I - выполнение отверстий в трубных решетках.
Теплообменный аппарат (фиг.1) содержит корпус 1 в форме усеченного конуса с днищами 2 и 3, патрубки 4 и 5 ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки 6 и 7 соответственно ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, трубные решетки 8 и 9, в отверстиях которых закреплены трубы в форме усеченного конуса 10 и 11. В центральной трубе 11 в кожухе установлены термопары 12. Трубы 10 расположены под углом к центральной оси корпуса 1, расширяются в направлении его расширения, при этом угол наклона труб 10, расположенных ближе к центральной оси корпуса меньше углов наклонов труб 10, расположенных на периферии. Наклоны труб 10, полученные смещением концов труб 10 по окружностям их размещения на решетках 8 и 9, существенно больше наклона относительно оси аппарата. Величина углов дополнительных наклонов труб 10 составляет 0,5÷50 градусов. Смещению труб 10 могут быть подвергнуты как верхние, так и нижние концы, а также одновременно, но в противоположные направления. Форма корпуса 1 и труб 10, представляющая собой усеченные конусы, а также наличие наклона относительно оси аппарата, позволяют добиться дополнительного наклона труб 10 в направлении вокруг оси аппарата на достаточно большие углы относительно секущих плоскостей, проходящих через трубы 10 в радиальном направлении. В результате, не меняя расстояния между трубами 10, достигается оптимальное их расположение для протока теплоносителей в закрученном режиме в трубном и межтрубном пространствах. В целях упрощения сборки, отверстия в трубных решетках 8 и 9 выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами. Корпус аппарата 1, трубный пучок и трубы 10 и 11, имеющие форму усеченного конуса, наличие наклонов труб 10 одновременно относительно оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата в совокупности позволили пропускать теплоносители в режиме закрученных потоков. При этом увеличивается интенсивность теплообмена без применения дополнительных устройств интенсификаторов, а также высота трубного пучка уменьшена по сравнению с высотой пучка в аппарате-прототипе.
Теплообменный аппарат работает следующим образом. При организации работы аппарата прямотоком, теплоноситель трубного пространства поступает через патрубок 4 и днище большого диаметра 2 в трубы 10 и 11 (фиг.1), затем, проходя в виде закрученного потока по этим трубам 10 и 11, отдавая или принимая тепло через стенки от теплоносителя межтрубного пространства, выходит через днище малого диаметра 3 и патрубок 5 из аппарата. Теплоноситель межтрубного пространства поступает в аппарат через патрубок 6, проходя в виде закрученного потока, отдает или принимает тепло через стенки труб 10 и 11 и выходит через патрубок 7.
По мере продвижения теплоносителей в область малых диаметров корпуса 1 и труб 10 и 11, разность температур между теплоносителями постепенно уменьшается; в то же время потоки сужаются, следовательно, скорости потоков увеличиваются. Это компенсирует уменьшающуюся интенсивность теплообмена, вызываемую уменьшением разности температур. В результате интенсивность теплообмена остается более постоянной на всей теплообменной поверхности. Одновременно, существенное отклонение от прямолинейного движения потока в трубах 10, вызванное изменениями углов атак на внутренние стенки, из-за наклонов труб 10, усиливает теплопередачу и приближает к значениям, достигаемым при использовании дополнительных устройств-интенсификаторов. Если высокая интенсивность теплообмена вблизи входа теплоносителей определялась высокой температурной разностью, то вблизи выхода - высокими скоростями потоков. В закрученном потоке теплоносителя меньше разность температур в радиальном направлении между центральным и пристенном участками труб 10, что весьма важно при низких теплопроводностях загруженного материала и потока. В заполненных высокопористыми ячеистыми материалами или твердыми катализаторами трубах 10 и 11, меньше вероятность неравномерного износа, накопления загрязнений и образования каналов наименьшего сопротивления.
При использовании теплообменного аппарата в качестве реактора экзотермического процесса, реакционная смесь начальной высокой концентрации реагирующих веществ подвергается через стенки труб 10 и 11 воздействию свежего теплоносителя межтрубного пространства, а также большему количеству катализатора на единице пути. Интенсивная реакция, сопровождаемая интенсивным тепловыделением, протекает в зоне интенсивной теплопередачи, вызванной большой разностью температур. При поступлении в область сужений реакционная масса в трубном пространстве обедняется реагирующими компонентами, скорость реакции уменьшается, тепловыделение должно было бы уменьшаться. Однако в этой области скорости теплоносителей увеличиваются, благоприятствуя сдвигу равновесия в сторону образования целевых продуктов, частота столкновений с частицами катализатора также увеличивается, уменьшенный диаметр труб способствует быстрой передаче тепла реакции. Вследствие этих факторов интенсивность реакции и тепловыделение остаются высокими, интенсивность теплообмена не снижается. В итоге происходит более полное и равномерное протекание процесса в аппарате. Более того, увеличение скорости реакционной массы вблизи выхода из аппарата позволяет избежать распада некоторой части целевого продукта, который усиливается при долгом пребывании в реакционной зоне. Ориентировочные расчеты показали увеличение выхода целевого продукта на 3,0-5,0% за счет оптимизации теплосъема.
В случае организации теплообмена прямотоком, теплоноситель трубного пространства поступает через патрубок 5 и днище 3 в трубы 10 и 11; при прохождении по трубам 10 и 11 происходит теплообмен с теплоносителем межтрубного пространства, затем, через днище 2 и патрубок 4 выходит из аппарата. Теплоноситель межтрубного пространства поступает через патрубок 7, проходит, закручиваясь и обмениваясь теплом с теплоносителем трубного пространства, между трубами 10 и 11 и выходит через патрубок 6 из аппарата. В процессах каталитического превращения углеводородов в начальный период реакции реакционная смесь богата сырьем, интенсивность реакции и теплопоглощение высоки. Подача свежего теплоносителя в область высоких скоростей обеих теплоносителей (в область входа сырья), а также закрученность потоков компенсируют начальное теплопоглощение. По мере продвижения реакционной смеси вдоль аппарата, она обедняется сырьем, при этом поглощение тепла уменьшается. Постепенно начинает влиять увеличение катализаторной массы в единице длины труб 10 и 11. Образование целевых продуктов остается на прежнем уровне. Использование предлагаемого аппарата в качестве реактора дегидрирования по этой схеме позволяет избежать затухания реакции и увеличивать выход целевых продуктов на 5-7 процентов, а также несколько снизить начальную температуру нагревающего теплоносителя.
При организации теплообмена противотоком нагревающийся поток поступает через патрубок 5 и днище 3 в трубы 10 и 11 и выходит через днище 2 и патрубок 4. Нагревающий поток поступает через патрубок 6, проходя между трубами 10 и 11, выходит через патрубок 7. Данная схема предпочтительна в случае использования аппарата в качестве испарителя или кипятильника. В этом случае, испаряющийся теплоноситель проходит по трубам 10 и 11, а испаряющий - по межтрубному пространству. По мере приближения этого потока в область расширений, он нагревается до кипения за счет все более увеличивающегося повышения теплосодержания испаряющего теплоносителя и пути прохождения. У выхода из трубок общая площадь испарения или кипения увеличивается за счет расширения труб 10 и 11. Следовательно, процесс парообразования и теплообмена происходит более интенсивно. Дополнительное тепло, необходимое для парообразования, компенсируется начальной высокой температурой испаряющего теплоносителя и закрученных потоков.
Начальное соприкосновение теплоносителя в межтрубном пространстве с поверхностями периферийных труб 10 происходит под углом гораздо меньшим 90 градусов. Поток быстрее и с меньшим сопротивлением по сравнению с сопротивлением в аппарате-прототипе, распределяется в объеме около входа и выхода, что позволяет избежать местных перегревов. Это в сочетании с закручиванием потока, обеспечивает более равномерную его плотность, стабильную турбулентность и уменьшение сопротивления.
Уменьшение высоты трубного пучка позволяет уменьшить объем межтрубного пространства, что приводит к увеличению объемного расхода теплоносителя при неизменном начальном расходе в межтрубном пространстве и способствует более интенсивному теплообмену и осуществлению высокотемпературных процессов, кроме того, уменьшаются габариты теплообменного аппарата и следовательно металлоемкость.