КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к разработке и проектированию теплообменных аппаратов и может быть использовано в промышленной теплоэнергетике, химической, пищевой и других областях промышленности.
Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий соединенные между собой идентичные секции, каждая из которых содержит размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках (Патент РФ №2011945, МКИ F28D 7/16, заявл. 16.0692, опубл. 30.04.94). В этом теплообменнике достигается повышенная производительность в меньшем объеме за счет более плотной компоновки секций, однако использование специальных коллекторов трубной и межтрубной сред значительно утяжеляет и усложняет его конструкцию.
Наиболее близким по технической сущности является кожухотрубный теплообменник, содержащий 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 (Патент РФ №2133004, МКИ F28D 7/00, заявл. 29.08.96, опубл. 10.07.99). Данное техническое решение позволяет создать относительно компактную конструкцию и увеличить эффективность использования поверхности нагрева теплоносителя за счет применения коллекторных камер вместо промежуточных подводящих и отводящих соединительных патрубков. Несмотря на уменьшение занимаемой теплообменником площади, он имеет высокую массу и металлоемкость.
Известен кожухотрубный теплообменник (Патент РФ №95391, МПК F28D 7/16, заявл. 29.04.2009, опубл. 27.06.2010), содержащий полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, выполненных в форме правильного шестиугольника, причем диаметр вписанной в этот шестиугольник окружности равен диаметру внешней круговой поверхности дистанционных элементов трубы, что позволяет создать тесный трубный пучок и уменьшить внешние габариты теплообменника. Несмотря на уменьшение диаметра корпуса теплообменника, способ соединения секций между собой не позволяет добиться уменьшения габаритов теплообменника.
Изобретение решает задачу уменьшения веса кожухотрубного теплообменника, уменьшения его габаритов и повышения технологичности при создании теплообменников различного назначения.
Сущность изобретения заключается в том, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем соединенные между собой идентичные секции, каждая из которых содержит размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных в трубных решетках, коллекторные камеры трубной и межтрубной сред, при этом каждая секция снабжена торцевыми жесткими полыми крышками, в боковых стенках которых перпендикулярно продольной оси секции выполнены сквозные проходные отверстия, при этом секции соединены между собой по осям выполненных отверстий в крышках через уплотнительные элементы между боковыми стенками крышек, полости которых образуют коллекторную камеру трубной среды, при этом каждая секция дополнительно снабжена, по крайней мере, одной жесткой плотно охватывающей кожух обечайкой, размещенной в промежутке между торцевыми крышками, в областях, примыкающих к трубным решеткам, в боковых стенках которой заодно с кожухом выполнены сквозные проходные отверстия, ось которых лежит в одной плоскости с осями отверстий торцевых крышек, при этом секции дополнительно соединены между собой по осям выполненных отверстий в обечайке и кожухе через упомянутые уплотнительные элементы между боковыми стенками обечайки, полости которых образуют коллекторную камеру межтрубной среды.
В других вариантах предпочтительным является то, что каждая секция снабжена двумя жесткими обечайками, размещенными на противоположных сторонах кожуха, а секции могут быть соединены между собой стягивающими шпильками, параллельными осям проходных отверстий в крышке и обечайке.
При этом, по крайней мере, часть уплотнительных элементов, установленных между боковыми стенками крышек и обечаек, может быть выполнена в виде заглушек, образующих перегородки коллекторных камер.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена конструктивная схема выполнения и соединения секций кожухотрубного теплообменника, на фиг.2 - ступенчатое поперечное сечение одной секции, на фиг.3 - схема формирования кожухотрубного теплообменника с заданными направлениями движения сред путем установки заглушек.
Кожухотрубный теплообменник содержит две и более идентичных теплообменных секций 1 (фиг.1), каждая из которых включает пучок труб 2, размещенных в кожухе 3 и закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках 4. Каждая секция снабжена торцевыми жесткими полыми крышками 5, в боковых стенках которых выполнены сквозные проходные отверстия 6. Ось 7 проходных отверстий в крышках ориентирована перпендикулярно продольно продольным осям 8 секций 1. Секции примыкают друг к другу боковыми стенками крышек 5 и соединены между собой по осям проходных отверстий 6 в этих крышках через уплотнительные элементы 9 по контуру отверстий. При этом из внутренних полостей крышек 5 образуется коллекторная камера 10 трубной среды для, например, двух секций. Для простоты обеспечения герметичного соединения секций боковые стенки крышек 5 могут быть выполнены плоскими (фиг.2).
Каждая секция может быть снабжена хотя бы одной жесткой плотно охватывающей кожух 3 обечайкой 11, в которой заодно с кожухом выполнены сквозные проходные отверстия 12, ось 13 которых расположена в одной плоскости с осью 7 проходных отверстий в крышках. Таким образом, секции могут быть дополнительно соединены между собой по оси 13 проходных отверстий в обечайке через уплотнительные элементы, аналогичные элементам 9 для крышек 5. В результате области пространственно соединенных между собой полостей обечаек образуют коллекторную камеру 14 межтрубной среды. Обе коллекторные камеры 10 и 14 снабжаются присоединительными фланцами 15.
Наиболее эффективно выполнение каждой секции с двумя обечайками 11, размещенными на противоположных сторонах кожуха в областях, примыкающих к трубным решеткам 4 (фиг.1). Соединение секций между собой и герметизация коллекторных камер осуществляется с помощью стягивающих шпилек 16 и опор 17 (фиг.3). Некоторые уплотнительные элементы могут быть выполнены в виде заглушек 18 (фиг.3). Стрелкой 20 на фиг.3 показан вход в теплообменник внутри трубной среды, а стрелкой 19 - вход межтрубной среды.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом. Идентичные секции 1, в каждую из которых конструктивно заложены элементы коллекторных камер межтрубной и трубной сред, достаточно просто набираются в батарею с заданным числом секций. После герметизации батареи с помощью, например, стягивающих шпилек 16 коллекторные 10 и 14 камеры для каждой из сред образуются без каких-либо дополнительных конструктивных элементов и технологических операций. Это позволяет значительно унифицировать теплообменники различного назначения, т.к. при сборке теплообменников с заданным числом секций на определенные тепловые характеристики не требуется для каждого такого теплообменника проектирование и изготовление специальных коллекторных камер. В результате достигается повышение массогабаритных характеристик за счет снижения материалоемкости конструкции, а также сокращения количества узлов и крепежных средств. В целом заметно повышается технологичность изделий, т.к. снижаются затраты на проектирование, материалы и изготовление теплообменников.
При функционировании теплообменника одна среда через один из присоединительных фланцев 15 поступает в коллекторную камеру 14 межтрубной среды, другая среда поступает через другой фланец в коллекторную камеру 10 трубной среды. С помощью перегородок, функции которых выполняют уплотнительные элементы в виде заглушек 18, обеспечивается противоток межтрубной и трубной сред. Путем варьирования мест размещения заглушек в теплообменнике с большим числом секций, последние могут объединяться в блоки, в которых задается параллельное течение сред. При этом увеличивается поверхность теплообмена и уменьшаются гидравлические сопротивления потокам сред. Кроме того, без специальных соединительных элементов реализуются многоступенчатые схемы теплообмена.