Многоходовый кожухотрубчатый теплообменник
MULTISTAGE SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Заявляемое изобретение относится к области теплотехники, в частности, к многоходовым теплообменным аппаратам, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства, преимущественно, в нефтеперерабатывающей, химической и энергетической отраслях.
Из предшествующего уровня техники известен многоходовой кожухотрубный теплообменник, состоящий из цилиндрического корпуса, соединенных между собой с помощью фланцев с прокладками днищ и распределительных камер с перегородками для образования ходов теплоносителя по трубкам, закрепленным в двух трубных решетках, приваренных к корпусу, образуя трубный пучок, перегородок в межтрубном пространстве, патрубков входа и выхода обоих теплоносителей и опор, приваренных к корпусу, при этом перегородки в межтрубном пространстве установлены вдоль трубок трубного пучка соосно с перегородками, установленными внутри распределительных камер, и каждая из перегородок в межтрубном пространстве имеет поперечную щелевую прорезь в части, к которой примыкают перегородки в распределительной камере (патент № 182526 на полезную модель «Многоходовой кожухотрубный теплообменник», дата подачи 16.04.2018 г., опубликовано 22.08.2018 г.).
Недостатки данного решения обусловлены большими потерями не только скорости движения среды, но и тепла из-за постоянных противотоковых течений, что приводит к снижению эффективности и производительности аппарата.
Известен теплообменный многоходовой кожухотрубный аппарат, содержащий трубные решетки с закрепленными в них теплообменными трубами, размещенные в цилиндрическом кожухе с днищами и образующие с днищами кожуха торцевые растворные камеры, разделенные сплошными перегородками, примыкающими к стенкам днищ и трубным решеткам на входную, выходную и поворотные камеры, соединяющие последовательно между собой теплообменные трубы прямого и обратного хода в единый растворный тракт, причем поворотные камеры снабжены разделительными перегородками, установленными на трубных решетках между трубами прямого и обратного хода с образованием полостей, сообщающихся между собой через образованные под днищами перепускные отверстия, при этом полости над трубами входа раствора каждого прямого и обратного хода снабжены сотовыми/ячеистыми решетками с прямыми направляющими пластинами стабилизации потока, смонтированными под обрез верхней кромки разделительных перегородок (патент № 2319918 на изобретение «Теплообменный многоходовой кожухотрубный аппарат», дата подачи 30.08.2005 г., опубликовано 20.03.2007 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является теплообменный аппарат, содержащий корпус с трубным пучком и патрубками подвода и отвода охлаждаемой среды, размещенными на многоходовой распределительной камере с горизонтальными перегородками, при этом распределительная камера дополнительно снабжена центральной вертикальной перегородкой, делящей камеру и горизонтальные перегородки на две части, причем одна часть горизонтальной перегородки образует с корпусом и вертикальной перегородкой герметичный отсек, другая, смежная с ней, срезана, а в герметичных отсеках на входе в трубный пучок под срезанными перегородками дополнительно установлены форсунки (А.С. № 1320618 на изобретение «Теплообменный аппарат», дата подачи 22.08.1985 г., опубликовано 30.06.1987 г.).
Недостатки известных решений также связаны со снижением скорости движения среды при ее прохождении через средство входа в распределительную камеру по сравнению со скоростью среды в подводящем трубопроводе. Торможение среды, в свою очередь, влияет на коагуляцию, которая может проявляться в виде свёртывания, сгущения и/или укрупнения и объединения мелких диспергированных в среде частиц в  по размеру агрегаты и, как следствие, к выпадению осадка в виде, например, сгустков (фиг. 4), который со временем, попадая на трубную решетку, забивает проходное сечение теплообменных труб, что приводит к образованию застойных зон и уменьшению общей поверхности теплообмена. В результате снижается эффективность теплообменных процессов, производительность аппарата, а также срок его службы.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое к защите изобретение, является повышение эффективности протекания теплообменных процессов, эксплуатационной надежности и производительности аппарата, а также увеличение срока его службы.
Указанный результат достигается тем, что многоходовой кожухотрубчатый теплообменник, содержащий корпус с размещенным внутри него пучком теплообменных труб, патрубками входа и выхода среды межтрубного пространства, распределительную камеру с патрубками входа и выхода среды трубного пространства, снабженную перегородками, в том числе срезанной, и разделенную горизонтальной перегородкой на части, одна из которых представляет собой отсек, согласно изобретению в отсеке распределительной камеры посредством двух профильных элементов, расположенных симметрично по отношению друг к другу и связанных между собой через верхние вертикальные направляющие, образован канал с профилем трубы Вентури, при этом один из профильных элементов соединен с горизонтальной перегородкой, крышкой распределительной камеры и вогнутым отбойником, который по касательной закреплен на крышке распределительной камеры, а другой профильный элемент, выполненный срезанным, соединен с нижними вертикальными направляющими и поперечной перегородкой, образующих над входом среды в трубное пространство поворотную камеру и снабжен горизонтальной площадкой, примыкающей к трубной решетке, при этом площадь проходного сечения теплообменных труб, расположенных напротив секций, на которые отсек разделен верхними вертикальными направляющими, пропорциональна площади проходных сечений соответствующих секций.
Предлагаемое к защите изобретение поясняется чертежами, где
Фиг. 1 - многоходовой кожухотрубчатый теплообменник в разрезе;
Фиг. 2 - герметичный отсек распределительной камеры в разрезе;
Фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1;
Фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1;
Фиг. 5 - фото поверхности трубной решетки с выпавшим на нее осадком.
Заявляемый теплообменник содержит цилиндрический корпус 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 среды межтрубного пространства. Внутри корпуса размещены теплообменные трубы 4, образующие трубный пучок, зафиксированный в трубной решетке 5, которая жестко связана с корпусом. Трубы выполнены U-образными. Со стороны входа среды трубного пространства корпус связан с многоходовой распределительной камерой 6, которая оборудована штуцерами входа 7 и выхода 8 среды трубного пространства и разделена герметично установленной горизонтальной перегородкой 9 на части, одна из которых является отсеком. Распределительная камера 6, образованная обечайкой и двумя фланцами, снабжена крышкой 10. Под перегородкой 9 размещен отбойник 11 в виде профильного элемента, состоящего из горизонтального и восходящего участков, при этом горизонтальная часть отбойника жестко связана с крышкой 10 распределительной камеры, а конец восходящего участка - с горизонтальной перегородкой 9.
Внутри распределительной камеры на крышке 10 по касательной закреплен выполненный вогнутым отбойник 12, упирающийся одним концом в отбойник 11, другим - в обечайку. Отбойник 12 может иметь, например, гемисферическую (полушаровую) или преимущественно эллиптическую форму. Кромка отбойника 12 отбортована, что позволяет повысить жесткость элемента, который при эксплуатации аппарата принимает на себя усилие внутреннего избыточного давления, оказываемого набегающим на него потоком среды трубного пространства. При этом кромка отбойника 12 должна быть отбортована таким образом, чтобы переход между сопрягаемыми элементами, с одной стороны, с профильным элементом 11, с другой стороны - с обечайкой, был плавным. За счет плавного перехода, исключающего образование угловых соединений, снижается вероятность возникновения застойных зон (угловых зон) с малой скоростью движения среды.
Над входом среды в трубное пространство размещена поперечная перегородка 13, препятствующая продвижению потока среды в сторону трубной решетки 5 после его поступления в распределительную камеру.
С отбойниками 11 и 12 жестко соединены установленные перпендикулярно им верхние вертикальные направляющие 14, которые делят отсек на секции. При этом площадь проходного сечения теплообменных труб, расположенных напротив секций, на которые отсек разделен верхними вертикальными направляющими, пропорциональна площади проходных сечений соответствующих секций. Площадь проходного сечения теплообменных труб рассчитывается по внутреннему диаметру труб. Все соотношения должны быть одинаковы, что позволяет обеспечить более равномерное распределение среды трубного пространства по всем теплообменным трубам.
Верхние вертикальные направляющие 14 разбивают поток среды трубного пространства, который сформирован после набегания на вогнутый отбойник 12, отражения от него и последующего движения в сторону пучка теплообменных труб. Возникшие отдельные локальные течения проходят через секции, образованные соседними верхними направляющими 14, и после этого ориентировано воздействуют на определенную зону теплообменной поверхности.
Под верхними направляющими 14 расположены нижние вертикальные направляющие 15, с помощью которых входящая через патрубок 7 среда трубного пространства, также разбивается на отдельные течения, которые равномерно распределяются по всему объему. Направляющие 14 и 15 отделены друг от друга срезанной перегородкой 16 и с разных сторон закреплены на ней. Срезанная перегородка 16 выполнена аналогично отбойнику 11 в виде профильного элемента с горизонтальной частью и наклонной, которая, в свою очередь, заканчивается горизонтальным участком, упирающимся в трубную решетку и находящимся на уровне ее периферийных отверстий, перекрывая, таким образом, неэффективную площадь поперечного сечения теплообменной поверхности.
Профильные элементы расположены симметрично по отношению друг к другу, имеют зеркальную конфигурацию. Линия перехода горизонтального участка в наклонный определяется в зависимости от положения и формы срезанной перегородки, которые, в свою очередь, зависят от параметров распределительной камеры, в частности, ее длины, а также диаметра и месторасположения входящего патрубка, расположения теплообменных труб и пр.
Поперечная перегородка 13 и срезанная перегородка 16, имеющая ломанный профиль, создают пространство (полость) поворотной камеры, в которой поступающий из подводящего трубопровода (на чертеже не показан) поток среды трубного пространства разворачивается в противоположную от трубной решетки сторону и направляется к вогнутому отбойнику 12.
Параметры полости поворотной камеры задаются таким образом, чтобы скорость движения среды в нем совпадала со скоростью ее прохождения по подводящему трубопроводу. Для этого площадь сечения в плоскости, перпендикулярной движению среды в поворотной камере, должна быть близкой к площади сечения штуцера 7 по внутреннему диаметру. Если площадь сечения в плоскости, перпендикулярной движению среды в поворотной камере, будет меньше площади сечения входящего патрубка, то возникают гидравлические сопротивления, а, если больше, то скорость движения среды в поворотной камере резко снижается, что может привести к образованию застойных зон. Однако при малом диаметре входного штуцера и больших параметрах распределительной камеры такое соотношение не всегда может быть реализовано.
Кроме того, следует учитывать, что параметры поворотной камеры должны обеспечивать возможность ее изготовления, собираемости, монтажа и обслуживания.
Отбойник 11 и срезанная перегородка 16, расположенные симметрично по отношению друг к другу, образуют для потока среды проход (канал) с профилем трубы Вентури: узкая горловина, созданная двумя горизонтальными участками, и диффузор в виде расширяющейся части, образованной наклонными участками.
Горизонтальная площадка отбойника 12, торцем упирающаяся в трубную решетку и находящаяся на уровне ее периферийных отверстий, способствует более эффективному протеканию теплообменных процессов, т.к. поток среды воздействует только на теплообменную поверхность и не затрагивает зону трубной решетки, в которой теплообменные трубы не размещены.
Все направляющие и перегородки в предлагаемом устройстве, выполнены, преимущественно, пластинчатыми.
Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.
Среда трубного пространства через штуцер входа 7 из подводящего трубопровода проходит в отсек распределительной камеры, образованный горизонтальной перегородкой 9 и обечайкой распределительной камеры, далее поступает в полость поворотной камеры, в которой изменяет траекторию своего движения на противоположную по отношению к трубной решетке. На выходе из поворотной камеры поток посредством нижних вертикальных направляющих 15 разбивается на отдельные локальные течения, равномерно занимая весь объем, и направляется в сторону вогнутого отбойника 12. Двигаясь с постоянной скоростью, среда набегает на вогнутый отбойник 12, отражается от его криволинейной поверхности и меняет траекторию, разворачиваясь в сторону трубного пучка 4. Благодаря тому, что поверхность отбойника 12 выполнена вогнутой, поток среды после его отражения от сферической или эллиптической поверхности, не сохраняет гомоцентричность, а равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, исключается возможность образования застойных зон, в частности, в местах контакта крышки 10 и горизонтальной перегородки 9, а также снижается возможность протекания процесса коагуляции механических включений, содержащихся в среде, и их последующее выпадение в виде осадка. Взвешенные частицы, принесенные потоком среды, в данном случае не оседают, и, следовательно, многократно снижается вероятность возникновения подшламовой коррозии, что, в свою очередь, способствует повышению срока эксплуатации аппарата.
Развернувшись в сторону трубной решетки 5, поток входит в канал с профилем трубы Вентури, образованный двумя профильными элементами: отбойником 11 и срезанной перегородкой 16. При входе в канал за счет сужения его проходного сечения происходит увеличение скорости движения среды. Помимо этого, в узкой части канала поток посредством верхних вертикальных направляющих 14 разбивается на локальные течения, которые распределяются и проходят через секции, образованные соседними направляющими 14, и направляются в диффузор, в котором поток расширяется и начинает ориентированно двигаться в сторону определенных зон трубной решетки, расположенных напротив секций. Расширение потока в диффузоре, а также пропорциональное соотношение площади проходного сечения теплообменных труб, установленных в решетке, и площади проходных сечений расположенных напротив них секций, позволяет равномерно перераспределить поток и максимально охватить, таким образом, теплообменную поверхность. Такое равномерное по всему объему течение потока среды, поступающего из диффузора, исключает образование застойных зон, обеспечивает одинаковое распределение среды по всем теплообменным трубам и, соответственно, повышает эффективность теплообменных процессов.
Несмотря на сложную траекторию движения, скорость потока сохраняется такой же, как в подводящем трубопроводе. Отсутствие застойных зон позволяет снизить вероятность возникновения коагуляции, что, в свою очередь, является условием повышения эксплуатационной надежности, и, следовательно, увеличения срока службы теплообменного аппарата.
Одновременно с подачей среды трубного пространства через патрубок входа 2 подают теплоноситель межтрубного пространства, который проходит в межтрубное пространство и циркулирует в нем, соприкасаясь с поверхностью теплообменных труб. По окончании процесса теплообмена среда межтрубного пространства удаляется через патрубок выхода 3.
На базе ЗАО «ЛОТОС», г. Екатеринбург, разработан и изготовлен многоходовой теплообменный аппарат, диаметром 1200 мм, в котором установлено 264 теплообменные трубы диаметром 38×2 мм. Двумя нижними вертикальными направляющими поворотная камера делится на три одинаковые по площади проходного сечения секции. Поток равномерно распределяется по всему объему полости поворотной камеры. Дальнейшее движение среды протекает по проходному сечению одного размера, что обеспечивает равномерную скорость движения. Посредством двух верхних направляющих герметичный отсек делится на 3 секции одинаковой площади проходного сечения. В первом по ходу движения среды отсеке происходит распределение потока по 66 трубам, следовательно, напротив каждой секции расположено по (66:3)=22 теплообменные трубы Проходящий через каждую секцию поток среды ориентированно направляется в определенную зону трубной решетки. Таким образом, обеспечивается равномерное распределение потока по теплообменным трубам.
За счет верхних и нижних вертикальных направляющих происходит разделение потока и его равномерное распределение по всему объему. В предлагаемой конструкции не образуются застойные зоны, движение среды происходит с одинаковой скоростью, что минимизирует и возможность возникновения процесса коагуляции. При этом, поток равномерно распределяется по теплообменным трубам.