Теплообменник

Полезная модель относится к области аппаратного обеспечения теплообменных процессов, например, при производстве кислот, а именно к теплообменным аппаратам.
В промышленном производстве, особенно в области химического производства, при контакте с газами с высокими температурами охлаждения и сильными коррозионными условиями невозможно или сложно выбрать металлические материалы для производства оборудования, и часто выбирают неметаллическое оборудование, такое как пластмассы, керамика, стекло и т. д. Стекло является часто используемым материалом для теплообменного оборудования, особенно для высокотемпературных агрессивных сред. Так, например, испаритель, такой как концентратор серной кислоты, представляет собой теплообменник со стеклянными трубками. При теплообмене, в котором охлаждается агрессивный газ, образуется высокотемпературная коррозионная жидкость. Например, нагревание дымовых газов серной кислотой или охлаждение дымовых газов часто сопровождается конденсацией концентрированной кислоты.
Известен линейный теплообменник из стеклянных трубок (CN203928811, 05.11.2014) содержащий корпус c входом для охлаждающего воздуха в верхней части и выходом для охлаждающего воздуха в нижней части. Также верхнюю крышку и емкость для сбора жидкости, расположенные соответственно сверху и снизу. Внутри теплообменника имеются стеклянные трубки из кварцевого стекла, внутри которых находится стеклянная спираль. Стеклянные трубки расположены вертикально внутри теплообменника.
Недостатком известных теплообменников является недостаточная прочность крепления стеклянных спиралей в стеклянных трубках, так как в указанных стеклянных трубках не предусмотрены средства для удержания стеклянных спиралей. Соответственно, во время работы теплообменника, стеклянные спирали могут перемещаться, ударяться о стенки стеклянной трубки, что неизбежно приведет к быстрому выходу из строя и необходимости замены теплообменника.
Поскольку данные конструкции теплообменников применяются на масштабных производствах, таких как производство серной кислоты, нефтепереработка и т.д., то замена несвоевременно вышедших из строя теплообменников приведет к незапланированным приостановкам производства, которые не всегда возможны.
Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании теплообменников с повышенной надежностью.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности и долговечности работы теплообменника, за счёт минимизации перемещения компонентов теплообменника друг относительно друга.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что теплообменник имеет цилиндрическую форму и содержит трубку, змеевик, каплеотбойник и запирающую трубку, при этом трубка теплообменника снабжена средствами фиксации змеевика.
Предлагаемый теплообменник является единичным элементом теплообменных аппаратов и устанавливается в трубных решетках вместе с другими такими же теплообменниками для охлаждения паров технологических газов на крупных производствах.
Теплообменник включает трубка теплообменника, имеющую верхнюю, среднюю и нижнюю части. Верхняя часть трубки теплообменника выполнена с возможностью установки в ней каплеотбойника, который, в свою очередь, удерживается запирающей трубкой. Запирающая трубка устанавливается в верхней части трубки теплообменника и плотно фиксируется первыми углублениями. Предпочтительно, трубка теплообменника, содержит от двух до четырех первых углублений, наличие которых позволяет прочно удерживать запирающую трубку, а, следовательно, и каплеотбойник во время работы теплообменника.
В средней части трубки теплообменника располагается змеевик, верхняя часть которого упирается в каплеотбойник, а нижняя часть змеевика упирается в нижнюю часть трубки теплообменника. В том случае, если змеевик состоит из нескольких наборных змеевиков, то все змеевики находятся последовательно один над другим между верхней частью трубки теплообменника и нижней частью трубки теплообменника.
В средней части трубки теплообменника имеется расширенный участок, примыкающий к верхней части. Такой расширенный участок позволяет змеевикам в верхней части трубки теплообменника иметь дополнительную опору при их размещении в ней, что приводит к дополнительной надежности крепления змеевиков и минимизации перемещения компонентов теплообменника друг относительно друга.
В нижней части трубки теплообменника также выполнены средства фиксации – вторые углубления, которые имеют форму паза, простирающегося вдоль трубки теплообменника. Нижняя часть змеевика при установке упирается во вторые углубления, что повышает прочность фиксации и плотность контакта удерживаемых змеевиков. Трубка теплообменника может содержать от двух до четырех вторых углублений.
Внутренний диаметр верхней части трубки больше внутреннего диаметра нижней части и внутреннего диаметра средней части. Такое соотношение диаметров частей трубки теплообменника позволяет надежно удерживать змеевики в трубке теплообменника и плавно снижать давление проходящих паров технологических газов и минимизировать вибрационное воздействие в местах контакта змеевиков с трубкой.
Предпочтительно, трубка и змеевики выполнены из кислотостойкого борсиликатного стекла, что позволяет предотвратить коррозию трубок в условиях агрессивных сред, а, следовательно, предотвратить разрушение трубки теплообменника, что повышает надежность и долговечность работы теплообменника.
В качестве кислотостойкого борсиликатного стекла, можно использовать стекла различного состава. Например, можно использовать кислотостойкое, борсиликатное стекло марки СЛУ-49-1 «Унилакс», которое обладает повышенной термической и химической стойкостью.
Далее настоящая полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 изображен теплообменник в сборе.
На фиг.2 представлен продольный разрез трубки теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью.
На фиг.3 изображен вид сверху А первого углубления трубки теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью.
На фиг.4 изображен увеличенный вид Б продольного разреза первого углубления трубки теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью.
На фиг.5 представлено поперечное сечение по линии В-В трубки теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью.
Чертежи представлены для лучшего понимания полезной модели, однако специалисту в данной области техники будет очевидно, что раскрытая полезная модель не ограничивается вариантом, представленным на них.
В соответствии с настоящей полезной моделью теплообменник (см.фиг.1) включает трубку теплообменника (1), каплеотбойник (2), запирающую трубку (3) и змеевик (4). Трубка теплообменника (1) выполнена с наличием верхней части (5), средней части (6) и нижней части (7). Внутренний диаметр верхней части (Dв.ч) больше внутреннего диаметра нижней части (Dн.ч) и внутреннего диаметра средней части (Dср.ч).
Такое соотношение диаметров частей трубки теплообменника позволяет плавно снижать давления паров технологических газов, что снижает вибрационное воздействие на трубку теплообменника, а, следовательно, повышается надежность и долговечность работы теплообменника.
Для предотвращения утечки паров технологических газов и минимального перепада давления в верхней части (5) трубки теплообменника расположен каплеотбойник (2). Для того, чтобы каплеотбойник (2) во время работы не перемещался в трубке теплообменника, в верхней части (5) установлена запирающая трубка (3), которая надежно фиксируется первыми углублениями (8) (см.фиг.3 и фиг.4.). Количество первых углублений (8) может варьироваться от двух до четырех. В том случае, если их количество будет меньше двух, то запирающая трубка (3), будет недостаточно прочно удерживаться в трубке теплообменника, что приведет к подвижности каплеотбойника (2), его постоянному перемещению в трубке теплообменника во время работы, что увеличивает вибрационное воздействие и, следовательно, приводит к досрочному выходу из строя теплообменника.
Изготовление большего числа первых углублений трубки теплообменника неизбежно приведет к увеличению концентраторов напряжения, что негативно скажется на прочности трубки при эксплуатации, а, следовательно, снизится долговечность и надежность работы теплообменника.
Указанный каплеотбойник (2), может быть выполнен любым известным для специалиста в данной области техники образом, например, он может содержать волокна или нити перфтроалкоксидного полимера, диаметром 0,2-0,3 мм, что позволит обеспечить перепад давления в диапазоне 2-20 Мбар при скорости паров технологического газа 1-7 м/сек. Пары технологических газов при контакте с каплеотбойником (2) конденсируются в виде капель.
Запирающая трубка (3) то же выполнена из кислотостойкого материала политетрафторэтилена.
Для создания турбулентности охлаждаемых паров и увеличения площади теплообмена трубка теплообменника (1) содержит змеевик (4), который устанавливается в среднюю часть (6) трубки теплообменника. Верхней частью змеевик (4) упирается в каплеотбойник (2), а своей нижней частью змеевик (4) упирается во вторые углубления (9), которые находятся в нижней части трубки (7) и имеют форму паза, простирающегося вдоль трубки теплообменника. Такое расположение и форма паза вторых углублений трубки теплообменника позволяет повысить прочность фиксации и плотность контакта удерживаемого змеевика в трубке теплообменника без дополнительного крепления, что предотвращает их перемещение в трубке теплообменника во время работы теплообменника, минимизирует вибрационное воздействие в местах контакта змеевика с трубкой и повышает надежность и долговечность работы трубок теплообменника и, соответственно, самого теплообменника.
Трубка теплообменника (1) может содержать от двух до четырех вторых углублений (9). Такое количество вторых углублений (9), позволяет повысить прочность фиксации змеевиков в трубке теплообменника без дополнительного крепления, что предотвращает их перемещение в трубке во время работы теплообменника, минимизирует вибрационное воздействие в местах контакта змеевиков с трубкой.
Изготовление большего числа вторых углублений трубки теплообменника неизбежно приведет к увеличению концентраторов напряжения, что негативно скажется на прочности трубки при эксплуатации, а, следовательно, снизится долговечность и надежность работы трубок теплообменника. В случае меньшего числа первых углублений, уменьшится прочность фиксации змеевиков в трубке, а, следовательно, змеевик будет перемещаться в трубке теплообменника во время работы, что неизбежно приведет к досрочному выходу из строя трубки теплообменника.
Работу теплообменника приведём на примере производства серной кислоты.
При производстве серной кислоты необходимо охладить и сконденсировать пары серной кислоты. Охлаждаемый пар технологического газа подаётся под нижнюю трубную решетку теплообменной установки и попадает в теплообменники. Пар технологического газа поступает в трубку теплообменника и охлаждается атмосферным воздухом, который подается в межтрубное пространство теплообменной установки. Теплообмен проходит на границе трубок теплообменников. За счёт наличия змеевиков в трубках теплообменников создается турбулентность, процесс теплообмена интенсифицируется и охлаждаемый пар технологического газа конденсируется на стенках трубок теплообменников. Конденсат серной кислоты стекает по стенкам трубок теплообменников и собирается в емкость в нижней части теплообменной установки. Несконденсированные пары технологических газов проходят вверх по теплообменникам и при контакте с каплеотбойником конденсируются и также стекают по стенкам трубок теплообменников и собираются в емкость в нижней части теплообменной установки.
Для специалиста в данной области техники будет понятно, что другое производство с применением теплообменника будет иметь аналогичный принцип работы.