Теплообменный аппарат
HEAT EXCHANGE DEVICE

Изобретение относится к теплоэнергетике, теплообменной аппаратуре и может быть применено в энергетической, нефтехимической и других отраслях промышленности, при осуществлении гетерогенно-каталитического окисления, дегидрирования и других процессах.
Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий корпус с днищами, трубный пучок, закрытый с двух сторон трубными решетками, выполненными в форме диска с непрерывными, расположенными концентрично выступами и впадинами, в которых выполнены отверстия для крепления трубок трубного пучка, а в центре трубной решетки имеется отверстие для крепления центральной трубки. (Патент RU 2516998, МПК C2F28, опубл. 27.05.2014, Бюл. №15.) Трубная решетка данного теплообменника, обладает дополнительной прочностью, однако достаточно сложна в изготовлении.
Известен наиболее близкий к изобретению теплообменный аппарат, содержащий корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и в межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата трубки, в форме усеченных конусов, центральную вертикальную конусообразную трубку для расположения термопар. (патент RU 2457415, МПК С2 F28D 7/00, опубликован 27.07.2012 Бюл. №21). Трубные решетки расположены перпендикулярно относительно оси аппарата. В межтрубном пространстве между патрубками и трубными решетками выполнены всегда острые углы. В этих углах возникают торможение потоков по сравнению с потоками в других участках. В результате появляются неравномерность теплообменного процесса в виде перегрева или остывания.
Технической проблемой является повышение интенсивности теплообмена в теплообменниках и химических реакторах, основанных на кожухотрубных аппаратах, а также в уменьшении массы аппарата.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении равномерности потоков теплоносителей во всех трубках трубного пространства и во всем объеме межтрубного пространства, а также в увеличении прочности трубных решеток без их утолщения.
Технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате или реакторе, содержащем корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата трубки, в форме усеченных конусов, вертикальную центральную трубку для расположения термопар, при этом отверстия в трубных решетках выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами новым является то, что трубные решетки выполнены выпуклыми в сторону обоих днищ.
На фиг. 1 представлен теплообменный аппарат с вырезом некоторой части объема, где видны небольшое количество наклонных трубок и центральная вертикальная трубка, а также часть трубных решеток выпуклой формы; на фиг. 2 - упрощенный вид по поперечному сечению А-А.
Теплообменный аппарат (фиг. 1) содержит корпус 1 в форме усеченного конуса с днищами 2 и 3, патрубки 4 и 5 ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки 6 и 7 соответственно ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства. В отверстиях трубных решеток 8 и 9 закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси аппарата и вокруг оси аппарата с наклоном трубки 10 в форме усеченных конусов. Трубные решетки 8 и 9 выполнены выпуклыми в сторону днищ 2 и 3. В центральной вертикальной трубке 11 расположены термопары 12 в защитном кожухе. Отверстия в трубных решетках 8 и 9 выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами. Данный теплообменник расположен малым концам вертикально вверх.
Теплообменный аппарат работает следующим образом. При подаче теплоносителя трубного пространства сверху и организации работы прямотоком, теплоноситель поступает через патрубок 4 и днище 3 на трубную решетку 9 и в трубки 10, 11 (фиг. 1), затем, проходя в виде закрученного потока по этим трубкам 10, 11, отдавая или принимая тепло через стенки другого теплоносителя, выходит через трубную решетку 8, днище 2, патрубок 5 из аппарата 1. Одновременно другой теплоноситель (межтрубного пространства) поступает в аппарат 1 через патрубок 6, проходит в виде множество сложных потоков между трубками 10, 11, отдает или принимает тепло трубками 10, 11, и выходит через патрубок 7 из аппарата 1.
При организации работы аппарата 1 противотоком, теплоноситель трубного пространства поступает через патрубок 4, днище 3, трубную решетку 9 в трубки 10, 11, где, сложными закрученными потоками удаляется через трубную решетку 8, днище 2, патрубок 5 и в аппарат 1. Одновременно теплоноситель межтрубного пространства поступает в аппарат 1 через патрубок 7, проходит в виде множество сложных потоков между трубками 10, 11, отдает или принимает тепло трубками 10, 11, и выходит через патрубок 6, из аппарата 1.
Теплоносители трубного и межтрубного пространств были направлены сверху вниз; в другом случае, теплоноситель трубного пространства так же был направлен сверху вниз, а теплоноситель межтрубного пространства - снизу вверх навстречу обоим потокам.
В первом случае классифицируют как прямоток, во втором - противоток.
Часть потока межтрубного пространства, направленная от патрубка 7 (фиг. 1) в большую выпуклую трубную решетку 8, плавно и спокойно огибает ее, не вызывая локального сопротивления. Подобным образом, поток межтрубного пространства, проходящий через патрубок 6 в направление к малой выпуклой трубной решетке 9, более спокойно и равномерно огибает ее с уменьшенным местным сопротивлением.
Равномерность потока в межтрубном пространстве уменьшает местный перегрев или остывание более чем на 1% по сравнению с другими участками потока.
Кривизна большого 8 и малого 9 трубных решеток позволяет разместить в аппарате 1 одинаковые по длине наклонные трубки 10, кроме вертикальной осевой конусообразной трубки 11. Ее расчет ведут исходя из равенства расходов в наклонных трубках 10. Расход в любой из наклонных трубок 10 равен расходу в осевой трубке 11.
Расположение наклонных трубок 10 одинаковой длины обеспечивает более равномерный поток в трубном пространстве, уменьшает разность напора в периферийных трубках 10.
В аппаратах значительной единичной мощности, по технологическим соображениям, подачу теплоносителя в трубное пространство осуществляют в большую 8 или в малую 9 трубную решетки. При этом, из-за выпуклости, равномерно распределенные нагрузки на трубные решетки 8 и 9 уменьшаются на 2-2,5% по сравнению с нагрузками у прототипа.
Таким образом, за счет выполнения трубных решеток 8 и 9 выпуклыми при размещении трубок одинаковой длины увеличивается равномерности потоков теплоносителей во всех трубках трубного пространства и во всем объеме межтрубного пространства, кроме того увеличивается прочности трубных решеток без их утолщения.