МНОГОХОДОВОЙ КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Техническое решение относится к теплообменной аппаратуре и может найти применение в энергетической, газовой, металлургической, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен двухходовой кожухотрубный теплообменник жесткой конструкции с перекрестным током по межтрубному пространству, состоящий из кожуха, трубных решеток, трубок трубного пучка с крышкой, имеющей продольную перегородку по трубному пространству, и поперечные перегородки по межтрубному пространству, а также патрубков для входа и выхода теплоносителей движущихся в перекрестном токе по трубному и межтрубному пространству (Машины и аппараты химических производств / под ред. А.С. Тимонина. - Калуга: Ноосфера, 2014, с. 450-451).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится недостаточная производительность из-за перекрестного тока, создаваемого поперечными перегородками для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, относительно продольного движения второго теплоносителя, движущегося в трубках трубного пучка, так как поперечное движение теплоносителей снижает движущую силу процесса теплопередачи.
Известен многоходовой кожухотрубный теплообменник пленочного типа, состоящий из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой - в пространстве между трубами. Жидкий теплоноситель не заполняет всего сечения труб, а стекает пленкой по внутренней поверхности труб.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится то прямоточное, то противоточное движение второго теплоносителя в межтрубном пространстве относительно первого теплоносителя движущегося в трубах трубного пучка. Это приводит к снижению производительности из-за уменьшения полезной температуры теплоносителей (движущей силы) в ходах с проточным их движением [Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. - Процессы и аппараты химической технологии, 5-е изд., стереотип., 1986, с. 425].
Известен кожухотрубный теплообменный аппарат, в котором кроме поперечных перегородок межтрубном пространстве в камерах между ними дополнительно размещены продольные перегородки с противоположными углами закрутки [Патент США №395630, F28F 9/22, 1976 г.]
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, является то, что с такой организацией потока часть среды не участвует в противоточном обтекании трубок, а обтекает их прямотоком вдоль через зазоры в отверстиях промежуточных перегородок, что в итоге ухудшает теплообмен.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип являются конструкции многоходовых кожухотрубных теплообменников (двух, четырех, шести и двенадцатиходовые), состоящие из цилиндрического корпуса (кожуха), в средней части которых вварен линзовый компенсатор, служащий для компенсации температурных расширений трубок. Кожух имеет два днища, распределительную камеру, которые соединены между собой с помощью фланцев с прокладками, трубки трубного пучка, закрепленные в двух трубных решетках, приваренных к корпусу. Распределительная камера, например, двухтрубного теплообменника имеет перегородку, которая служит для образования двух ходов по трубкам. Два штуцера на корпусе служат для направления в межтрубное пространство второго теплоносителя. Для создания загзагообразного движения теплоносителя в межтрубном пространстве установлены перегородки, соединенные стяжками. Аппарат устанавливается с помощью опор, приваренных к корпусу (Шаповалов Ю.Н., Шеин B.C. Машины и аппараты общехимического назначения. Учебное пособие. Издательство Воронежского университета. Воронеж, 1982, 108 с.)
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится перекрестное движение теплоносителя в межтрубном пространстве относительно осевого движения теплоносителя в каждом ходе трубного пучка, что снижает производительность теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному.
Техническим результатом предлагаемой конструкции многоходового кожухотрубного теплообменника является увеличение производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что в многоходовом кожухотрубном теплообменнике, 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, причем 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.
Установка перегородок в межтрубном пространстве трубного пучка, соосно с перегородками, установленным внутри распределительных камер для образования ходов теплоносителя по трубам позволяет равномерно распределять теплоноситель, движущийся в межтрубном пространстве, пропорционально числу труб в каждом ходе теплоносителя, движущемуся внутри труб, что обеспечивает высокую скорость теплопередачи в каждом ходе обеих теплоносителей и способствует росту производительности.
Создание поперечной щелевой прорези в каждой перегородке, установленной в межтрубном пространстве вдоль труб трубного пучка, в зоне, примыкающей к ней перегородки в распределительной камере, обеспечивает противоточное движение обоих теплоносителей для каждого хода, то есть при изменении направления теплоносителя в трубках трубного пучка, изменяется на противоположное направление теплоносителя в межтрубном пространстве, а противоточное движение теплоносителей позволяет как известно охлаждать горячий теплоноситель до более низких температур, а холодный нагреватель до более высоких температур, что увеличивает среднюю движущую силу процесса теплопередачи и ведет к увеличению производительности.
На фиг. 1 представлена схема двухходового кожухотрубного теплообменника предлагаемой конструкции, фиг. 2 - трехходового теплообменника, на рис. 3 - четырехходового теплообменника.
Многоходовой кожухотрубный теплообменник состоит из цилиндрического корпуса 1, днища 2, распределительных камер 3 с перегородками 4 для образования ходов теплоносителя в трубках 5 трубного пучка. Днище 2 и распределительные камеры 3 соединены с кожухом 1 с помощью фланцев 6 с прокладками 7 разъемными соединениями (болтами с шайбами и гайками). Концы труб 5 трубного пучка герметично закреплены в трубных решетках 8, приваренных к корпусу 1. Внутри межтрубного пространства соосно с перегородками 4, установленными внутри распределительных камер 3 для образования ходов теплоносителя по трубам 5 трубного пучка, вдоль труб 5 установлены перегородки 9 для образования ходов теплоносителя в межтрубном пространстве труб 5 трубного пучка. Каждая из перегородок 9 имеет поперечную щелевую прорезь 10 в зоне, примыкающую к ней перегородки 4 в распределительной камере 3, чтобы при изменении направления потока одного теплоносителя в трубах 5 трубного пучка, изменять направление потока другого теплоносителя в межтрубном пространстве, позволяющие обеспечить противоточное движение теплоносителей в каждом ходе многоходовог кожухотрубного теплообменника. Патрубки входа 11 и выхода 12 на распределительной камере 3 для теплоносителя, движущегося в трубах 5, и патрубки входа 13 и выхода 14 для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве выполнены на корпусе 1.
Многоходовой кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.
По патрубку 11 подают первый теплоноситель, который из распределительной камеры 3 сверху вниз течет по трубам 5 первого хода, а по патрубку 13 подают снизу вверх в межтрубное пространство первого хода второй теплоноситель (линии тока со стрелками обоих теплоносителей показаны на фиг. 1-3).
Выходя из крышки 2 первый теплоноситель разворачивается и меняя направление движения на противоположное, то есть снизу вверх движется по второму ходу труб 5. Так как перегородки 9, установленные в межтрубном пространстве вдоль труб 5 соосно с перегородками 4 распределительных камер 3, имеют поперечную прорез 10 в зоне, примыкающей к ней перегородки 4 в распределительной камере 3, то в этой прорези второй теплоноситель поворачивает и меняет направления потока на противоположное, поэтому в каждом ходе многоходового кожухотрубного теплообменника оба теплоносителя движутся противотоком друг относительно друга, и выходят наружу соответственно первый теплоноситель из последнего хода труб 5 трубного пучка по патрубку 12, а второй из последнего хода межтрубного пространства по патрубку 14.
Таким образом, установка перегородок 9 в межтрубном пространстве вдоль труб 5 трубного пучка соосно с перегородками 4 распределительных камер 3 и создание в каждой перегородке 9, установленной в межтрубном пространстве поперечной щелевой прорези 10 в зоне, примыкающей к ней перегородки 4 в распределительной камере 3, обеспечивает число ходов в межтрубном пространстве одинаковое с числом ходов в трубном пучке и противоточное движение теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве в каждом ходе многоходового кожухотрубного теплообменника, что приводит к увеличению средней движущей силы, интенсификации теплообменных процессов и росту производительности по теплоносителям.