Теплообменник для нагрева чистых агрессивных сред

Полезная модель относится к области нагрева чистых агрессивных сред в протоке, таких как кислоты, щелочи, органические растворители, с вязкостью, равной вязкости воды.
Известно устройство по авторскому свидетельству №954783 F28D 7/00, F28F 21/06, дата опубликования 05.09.82, содержащее трубный пучок конденсатора, образованный U-образными трубками с длиной, уменьшающейся от периферии к центру, при этом концы трубок закреплены в подающем и сборном коллекторах охлаждающей среды, отличающийся тем, что, с целью интенсификации теплообмена и уменьшения гидравлического сопротивления межтрубного пространства, две или более трубок одинаковой длины переплетены в полотнища, все трубки одной длины в местах поворота закреплены в дополнительно установленном кольце с образованием полых цилиндров, при этом полые цилиндры, образованные трубками меньшей длины, установлены внутри полых цилиндров, образованных трубками большей длины. Недостатком этого устройства является то, что теплообменник используется для конденсации из парогазовой среды высококоррозионных веществ и не может быть применим для нагрева в протоке кислот, щелочей и других агрессивных сред, т.к. выполнен из материалов, не выдерживающих кислоты и другие агрессивные среды при высокой температуре.
Известно также устройство по авторскому свидетельству №1525424 F28D 7/00, F28F 21/06, приоритет изобретения от 02.03.1988 г.
Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в полупроводниковой технике для нагрева ультрачистых жидкостей, например, деионизованной воды.
Теплообменник содержит корпус, в котором размещен пучок полимерных трубок, подключенных к раздающему и собирающему коллекторам, и нагреватели. Трубки переплетены между собой попарно и образуют коаксиально установленные полые цилиндры. Каждый цилиндр при этом образован несколькими автономными змеевиковыми секциями. Трубки каждой секции цилиндров переплетены между собой и подсоединены к коллекторам и таким образом, что в смежных трубках организованно противоточное движение жидкости. На корпусе установлена крышка, а по оси трубного пучка - крыльчатка для перемешивания теплоносителя. Трубки в каждой секции расположены с шагом, равным 1,2-1,3 их наружного диаметра.
Теплообменник работает следующим образом.
В раздающий коллектор подается холодная деионизованная вода, которая, проходя далее по полимерным трубкам подогревается за счет теплообмена с теплоносителем, заполняющим межтрубное пространство корпуса. Нагретая вода удаляется из теплообменника через собирающий коллектор. Нагрев теплоносителя при этом осуществляется нагревателями. При необходимости с помощью крыльчатки производится перемешивание теплоносителя. Так как движение деионизованной воды в смежных трубках происходит в противоположном направлении, а трубки расположены с шагом 1,2-1,3 их наружного диаметра, то осуществляется усреднение температур стенок трубок и исключается деформация трубного пучка.
Выполнение полых цилиндров в виде нескольких автономных секций позволяет уменьшить длину трубок и соответственно увеличить производительность теплообменника.
Однако и это устройство, выбранное в качестве прототипа и применяемое для нагрева воды так же не лишено недостатков и не может применяться для нагрева агрессивных сред, т.к. конструкционно он выполнен (и применяется в установках) в вертикальном положении. Это может представлять опасность при разрыве трубок, в которых протекает нагреваемая среда, т.е. кислот и других агрессивных сред, что недопустимо по технике безопасности.
2
1
Предлагается конструкция устройства для нагрева агрессивных сред - теплообменник, преимущественно для нагрева чистых агрессивных сред (кислот, щелочей, органических растворителей), содержащий цилиндрической формы корпус 1 с размещенным внутри пучком 2 переплетенных между собой полимерных трубок 3, подключенных к раздающему и собирающему коллекторам 4 и 5 соответственно, установленными на торцы 6 и 7 корпуса 1 и образующим цилиндры 8 из трубок 3, изготовленных из фторопласта-4 (фиг. 3). При этом внутренняя поверхность корпуса 1 армирована слоем 9 из фторопласта, а нагретый теплоноситель подается через окно 10 и отводится через такое же окно 11, причем, объем внутренней полости 12 теплообменника в рабочем состоянии представляет собой объем V, теплоносителя, а общее количество всех полимерных трубок 3 с диаметром 4 мм составляет общий объем нагреваемой среды V, соотношение которых  определяется выполненным расчетом.
Благодаря наличию в своей структуре большого количества атомов фтора, фторопласты отличаются очень высокой химической, радиационной и коррозионной стойкостью, а также обладают отличной атмосферостойкостью, теплостойкостью и морозостойкостью. Фторопласты негорючи или самозатухают при возгорании. Эти полимерные материалы имеют низкий коэффициент трения, очень низкое водопоглощение и газопроницамость, хорошие диэлектрические характеристики и высокую электрическую прочность.
Фторопласт-4 плохо или вообще нерастворимы во многих органических растворителях. Фторопласт-4 стоек ко всем кислотам, нефтепродуктам, щелочам в интервале -269 - +260°С, за что удостоился названия «пластиковая платина».
Фторопласт-4 является самым стойким из всех известных материалов. На него совершенно не действуют кислоты, окислители, щелочи, растворители. На фторопласт-4 действуют только расплавленные щелочные металлы и их комплексные соединения с аммиаком, нафталином, пиридином, а также трехфтористый хлор и элементный фтор при повышенных температурах. Обработка этих материалов не предусматривается в предлагаемом теплообменнике.
Технология сборки (сварки) трубок с коллекторами предопределяет изготовление их из одной марки фторопласта, т.к. коэффициенты теплопроводности и линейного расширения у этих деталей должны быть одинаковы. Полезная модель проиллюстрирована чертежами, где на фиг. 1 схематичный вид переплетенных пучком трубок, а на фиг. 2 схематичный вид с прямыми трубками, а на фиг. 3 - вид теплообменника с торца.
3
Технический результат - повышение эксплуатационной надежности достигается тем, что трубки и коллекторы выполнены из фторопласта-4 с плотностью 2,2 г/см и температурным диапазоном -269 - +260°С. При этом при нагреве более вязких агрессивных сред трубки 3 могут быть не переплетены, а выполнены в виде прямых линий от раздающего 4 к собирающему 5 коллектору, при этом раздающий и собирающий коллекторы расположены на противоположных торцах корпуса 1; внутренняя поверхность корпуса 1 армирована фторопластом 9, а нагретый теплоноситель подается и отводится через окна 11 (фиг. 2).
Одной из важных характеристик теплообменника является отношение объема нагреваемой среды к объему теплоносителя.
Чтобы определить это отношение, необходимо взять предельно минимальные и предельно максимальные размеры теплообменника и рассчитать конечные объемы теплоносителя и среды.
Минимальные размеры теплообменника.
Длина корпуса (1) L=500 мм.
Диаметр корпуса (1) D=300 мм (R=150 мм).
Внутренний диаметр трубок d=4 мм (r=2 мм).
Количество трубок в пучке N=200 шт.
Длина трубок I=500 мм.
Расчет.
1
1
Внутренний объем трубок V, т.е. объем нагреваемой среды V.
1
2
2
3
V=πr×|×N=3,14×(2)×500×200=1256000 мм.
2
Внутренний объем теплообменника V, т.е. объем теплоносителя.
2
2
2
3
V=πr×L=3,14×(150)×500=35325000 мм.
Максимальные размеры теплообменника.
Длина корпуса L=4000 мм.
Внутренний диаметр корпуса D=400 мми (R=200 мм).
Внутренний диаметр трубок d=4 мм (r=2 мм).
Длина трубок I=4000 мм.
Количество трубок в пучке N=200 шт.
Расчет.
1
Внутренний объем трубок, т.е. объем нагреваемой среды V.
1
2
2
3
V=πr×|×N=3,14×(2)×4000×200=10048000 мм.
2
Внутренний объем теплообменника, т.е. объем теплоносителя V.
2
2
2
3
V=πr×L=3,14×200×4000=502400000 мм.
1
2
Берем крайние значения объема нагреваемой среды, т.е. внутреннего объема трубок V и объема теплоносителя, т.е. внутреннего объема теплообменника Vкак:
Предлагаемый теплообменник работает следующим образом. Через собирающий коллектор 4 и трубки 3 подается нагреваемая агрессивная среда. Через входное отверстие 10 нагретый теплоноситель с исходной температурой подается во внутреннюю полость теплообменника 12, а на выходе нагретая через стенки трубок теплоносителем среда, через раздающий коллектор 5 выходит с требуемой температурой.
Кроме того, корпус (1) может быть выполнен открытого типа в виде ванны, заполненной нагреваемым теплоносителем, в который свободно помещается пучок трубок, соединенных (сваренных) с собирающим и раздающим коллекторами (на фиг. 1 не показано).
Этим значительно упрощается конструкция предлагаемого теплообменника, который может применяться для нагрева малоагрессивных сред, например, органических растворителей.