Спирально закрученный теплообменник
SPIRALLY SWIRLED HEAT EXCHANGER

Данное изобретение относится к спирально закрученному теплообменнику.
Теплообменник указанного типа служит для осуществления косвенного теплообмена между по меньшей мере одной первой и одной второй средой и имеет пространство кожуха для размещения в нем первой среды и трубный пучок, который расположен в пространстве кожуха и имеет многочисленные трубы для размещения в них второй среды; при этом эти трубы намотаны по спирали на центральную трубу теплообменника в виде множества слоев труб.
Между слоями труб предпочтительно обеспечены разделители, посредством которых соответствующий слой труб опирается на слои труб, расположенные под ним.
Что касается распределения по трубному пучку пропускаемой через пространство кожуха первой среды, особенно важно, чтобы первая среда была распределена по трубному пучку как можно равномернее, чтобы можно было обеспечить эффективный теплообмен.
В этом отношении было обнаружено, что из-за различных эффектов, существующих в пространстве кожуха, пропускаемую через пространство кожуха первая текучая среда направляется к слоям труб, которые являются внешними в радиальном направлении трубного пучка. Одной из причин этого является центробежная сила, которая, ввиду спиральной намотки отдельных труб трубного пучка теплообменника, действует на те части первой среды, которые протекают вдоль поверхностей труб. Таким образом, упомянутые части первой среды вынуждены смещаться вовне, по направлению к внешним слоям труб, в радиальном направлении трубного пучка. Вследствие этого даже в случае идеального распределения первой среды по верхней части трубного пучка, получается неоднородное распределение первой среды, смещенное в сторону внешних слоев труб.
Исходя из этого, целью данного изобретения является создание теплообменника упомянутого во введении типа, который снимает вышеупомянутую проблему.
Данная проблема решается посредством теплообменника, обладающего признаками, указанными в п. 1 формулы изобретения.
Предпочтительные конфигурации спирального теплообменника по данному изобретению указаны в зависимых пунктах формулы изобретения и описаны ниже.
Что касается п. 1, согласно данному изобретению предусмотрено, что по меньшей мере один разделитель обладает средством направления потока, которое выполнено с возможностью отклонять часть первой среды, протекающую вдоль первого (внешнего) слоя труб в пространстве кожуха, в направлении второго слоя труб, расположенного в радиальном направлении ближе к центру.
В данном случае изобретение сначала описано на основе расположенного дальше от центра (первого) слоя труб и соседнего с ним (второго) слоя труб, расположенного под ним. Не является абсолютно необходимым, чтобы расположенный дальше от центра слой труб был самым внешним слоем труб. Конечно, в теплообменнике по данному изобретению (см. также ниже) можно расположить множество слоев труб таким образом, чтобы в каждом случае между двумя соседними (в радиальном направлении) слоями труб во всех случаях был обеспечен один или большее количество разделителей с упомянутым средством направления потока; при этом поток части первой среды, о которой идет речь, всегда отклоняют от в каждом случае расположенного в радиальном направлении дальше от центра (первого) слоя труб к соседнему, расположенному в радиальном направлении ближе к центру (второму) слою труб. Разделительные элементы с упомянутым средством направления потока в этом случае обеспечены таким образом, чтобы получить возможно более однородное распределение первой среды по трубному пучку (в отношении общей длины трубного пучка вдоль продольной оси кожуха/центральной трубы теплообменника). В некоторых случаях это может также означать, что разделители указанного типа устанавливают не между всеми слоями труб, но только между некоторыми слоями труб (в соответствии с предполагаемым неоднородным распределением первой среды). Таким образом, между остальными слоями труб можно обеспечить, например, обычные разделители или разделители, которые не дают эффекта отведения потока по данному изобретению или дают этот эффект в значительно меньшей степени.
С помощью данного изобретения успешно противодействуют неоднородному распределению, по преимуществу к внешним слоям труб, так что в результате находящийся в пространстве кожуха теплоноситель, или первая среда, лучше распределяется и, соответственно, улучшаются характеристики спирально закрученного теплообменника.
В соответствии с одним из предпочтительных примеров воплощения теплообменника по данному изобретению предусмотрено, что упомянутое средство образовано торцевой стороной по меньшей мере одного разделителя или имеет такую торцевую сторону. Предпочтительно упомянутая торцевая сторона составляет единое целое с по меньшей мере одним разделителем или является частью разделителя, сформированной с ним в едином блоке. В этом случае упомянутая торцевая сторона соединяет, в частности, переднюю сторону разделителя, обращенную от центральной трубы, с задней стороной разделителя, обращенной к центральной трубе. Таким образом, торцевая сторона проходит по существу в радиальном направлении по отношению к трубному пучку и, в данном случае, имеет, в частности, наклон по отношению к радиальному направлению.
Кроме того, упомянутая торцевая сторона может также участками выступать между двумя в каждом случае соседними трубными секциями первого слоя труб, при этом каждый из этих участков торцевой стороны может быть частью выступа разделительного элемента, а каждый из этих выступов может быть расположен между двумя соседними трубными секциями или витками труб первого слоя труб, и каждый выступает в радиальном направлении трубного пучка от краевой части основания по меньшей мере одного разделителя. С помощью указанных выступов, таким образом, фиксируют расстояния по вертикали между витками труб в соответствующем слое труб.
Кроме того, в соответствии с одним из предпочтительных примеров воплощения данного изобретения, для того чтобы воздействовать на поток первой среды или отклонить его, предусмотрено, чтобы упомянутая торцевая сторона по меньшей мере одного разделителя имела наклон по направлению ко второму слою труб или наклон по отношению к тангенциальному направлению трубных секций второго слоя труб, которые опираются на разделитель, так что та часть первой среды, которая течет вдоль трубы первого слоя труб и на торцевую сторону по меньшей мере одного разделителя, отклоняется торцевой стороной в направлении второго слоя труб.
Кроме того, согласно одному из предпочтительных примеров воплощения данного изобретения, предусмотрено, что центральная труба проходит вдоль продольной оси, которая предпочтительно ориентирована так, чтобы она была параллельна вертикали для теплообменника, установленного в рабочем положении.
Предпочтительно, кроме того, теплообменник имеет кожух, который окружает пространство кожуха и проходит коаксиально по отношению к центральной трубе вдоль упомянутой продольной оси.
Предпочтительно также предусмотрено, чтобы по меньшей мере один разделитель или упомянутая влияющая на поток торцевая сторона разделителя проходили вдоль продольной оси.
В соответствии с другим предпочтительным примером воплощения теплообменника по данному изобретению, упомянутое средство из по меньшей мере одного разделителя образовано по меньшей мере одним направляющим элементом или имеет по меньшей мере один такой направляющий элемент, например, в форме по меньшей мере одной отражательной пластины, которая закреплена на основании разделителя, и это основание проходит вдоль продольной оси и через первый слой труб опирается на второй слой труб. Таким образом, в данном случае это основание осуществляет функцию формирования зазора между отдельными слоями труб или распределения нагрузки от слоя труб, который в каждом случае является внешним, по слою труб, расположенному под ним, в то время как по меньшей мере один направляющий элемент осуществляет просто функцию направления потока.
Кроме того, в соответствии с одним из предпочтительных примеров воплощения теплообменника по данному изобретению, предусмотрено, что по меньшей мере один направляющий элемент образует поверхность соударения, с которой сталкивается упомянутая часть первой среды, которая должна быть отклонена; при этом эта поверхность соударения, в свою очередь, имеет наклон по направлению ко второму слою труб (или наклон по отношению к тангенциальному направлению трубных секций второго слоя труб, которые опираются на разделитель), так что часть первой среды, которая течет вдоль трубы первого слоя труб и на поверхность соударения, отклоняется поверхностью соударения в направлении второго слоя труб.
Кроме того, согласно одному из предпочтительных примеров воплощения, предусмотрено, что направляющий элемент проходит частями между соседними трубными секциями второго слоя труб или слоя труб, расположенного ближе к центру в радиальном направлении.
Вместо направляющего элемента по меньшей мере один разделитель может также иметь множество направляющих элементов, которые зафиксированы на основании вдоль продольной оси, так, чтобы между каждыми двумя направляющими элементами, соседними друг с другом в направлении продольной оси, имелся зазор. Далее отдельные направляющие элементы проходят частями между в каждом случае двумя соединенными трубными секциями второго слоя труб или выступают в промежуточное пространство между двумя трубными секциями.
Кроме того, согласно одному из предпочтительных примеров воплощения, предусмотрено, что по меньшей мере один направляющий элемент (или множество направляющих элементов) расположен, по отношению к направлению потока упомянутой части первой среды, на каком-либо участке основания по меньшей мере одного разделителя, расположенном выше или ниже по ходу технологического потока, в частности на торцевой стороне основания, причем эта торцевая сторона соединяет переднюю сторону основания с задней стороной основания, при этом задняя сторона обращена к центральной трубе.
Кроме того, в соответствии с одним из предпочтительных примеров воплощения, предусмотрено, что упомянутое средство образовано множеством каналов, которые сформированы в разделителе, или имеют такие каналы. В данном случае каждый из каналов проходит к центру в радиальном направлении, при этом они опускаются в направлении центра таким образом, что часть первой среды, которая течет вдоль первого слоя труб, в частности, сверху вниз, может входить в эти каналы и в них отклоняться к центру, по направлению ко второму слою труб. В данном случае каналы сформированы, например, на торцевой стороне соответствующего разделителя, на который попадает первая среда, протекающая вдоль первого слоя труб или вдоль трубы из первого слоя труб, или на торцевую сторону которого стекает первая среда сверху вниз.
Кроме того, в соответствии с одним из предпочтительных примеров воплощения, предусмотрено, что упомянутое средство (в частности, по меньшей мере один направляющий элемент) может также быть выполнено с возможностью отклонять часть первой среды, и эта часть другим образом протекает в пространстве кожуха вдоль продольной оси или вдоль первого слоя труб сверху вниз в направлении второго слоя труб.
Вышеупомянутые возможные направляющие поток компоненты (например, торцевые стороны, направляющие элементы, каналы) можно также комбинировать друг с другом в отдельных примерах воплощения любым желаемым образом. Таким образом, разделитель может иметь один, два или три упомянутых компонента для изменения направления потока.
Кроме того, согласно одному из предпочтительных примеров воплощения, предусмотрено, что теплообменник имеет множество разделительных элементов между первым и вторым слоем труб, при этом каждый разделительный элемент имеет средство направления потока, которое выполнено с возможностью отклонять часть первой среды, протекающую в пространстве кожуха вдоль первого слоя труб в направлении второго слоя труб, расположенного в радиальном направлении ближе к центру. В этом случае, в свою очередь, можно сформировать упомянутое средство в соответствии с одним из примеров воплощения, описанных или заявленных в данном тексте.
Кроме того, согласно одному из предпочтительных примеров воплощения, предусмотрено, что теплообменник имеет разделительные элементы между несколькими или между всеми соседними слоями труб, при этом соответствующий разделительный элемент предпочтительно имеет средство направления потока, которое выполнено с возможностью отклонять часть первой среды, протекающую в пространстве кожуха вдоль внешнего из двух соседних слоев труб, в направлении того из соседних слоев труб, который расположен ближе к центру в радиальном направлении. В частности, в этом случае возможно, в свою очередь, чтобы упомянутое средство было сформировано в соответствии с одним из примеров воплощения, описанных или заявленных в данном тексте.
Кроме того, в соответствии с одним из предпочтительных примеров воплощения, предусмотрено, чтобы количество разделителей, расположенных между соседними слоями труб, было постоянным, при этом в каждом случае множество разделителей расположено один поверх другого в радиальном направлении трубного пучка с целью поддержки слоев труб. Таким образом, вес всех слоев труб можно поддерживать с помощью разделителей без повреждения труб в отдельных слоях труб.
Дополнительные детали и преимущества данного изобретения разъяснены при последующем описании чертежей примеров воплощения, на основе этих чертежей.
На чертежах:
Фиг. 1 изображает вид в частичном разрезе спирального теплообменника по данному изобретению с воздействующими на поток разделителями;
Фиг. 2 изображает пример воплощения разделителей по данному изобретению, с соответствующим разделителем, имеющим наклонную торцевую сторону для изменения направления первой среды;
Фиг. 3 изображает еще один пример воплощения разделителей по данному изобретению, с соответствующим разделителем, имеющим направляющий элемент для изменения направления первой среды;
Фиг. 4 изображает модификацию примера воплощения, изображенного на Фиг. 3; и
Фиг. 5 изображает еще один пример воплощения разделителей по данному изобретению, которые имеют каналы для изменения направления первой среды.
Фиг. 1 изображает спирально закрученный теплообменник 1. Он имеет кожух 10, который окружает пространство М кожуха теплообменника 1. Кожух 10 проходит вдоль вертикальной продольной, или цилиндрической, оси L и окружает трубный пучок 2, который расположен в пространстве М кожуха и на который поступающая сверху, относительно продольной оси L, первая текучая среда S должна действовать таким образом, чтобы указанная среда приходила в косвенный теплообменный контакт с по меньшей мере одной второй средой S', направляемой по трубному пучку 2. В данном случае трубный пучок 2 сформирован из множества труб 20, каждая из которых намотана по спирали вокруг центральной трубы 21, так что трубный пучок имеет множество слоев 201, 202, … труб, расположенные один на другом в радиальном направлении R трубного пучка 2 (см. Фиг. 2-4). В данном случае центральная труба 21 проходит коаксиально по отношению к кожуху 10, при этом радиальное направление трубного пучка 2 перпендикулярно продольной оси L или центральной трубе 21 и направлено наружу, к кожуху 10.
Образованные таким образом слои 201, 202, … труб, расположенные один на другом в радиальном направлении R трубного пучка 2, опираются друг на друга посредством разделителей 6, которые проходят вдоль продольной оси L и которые предпочтительно образуют решетку, так что нагрузки от слоев 201, 202, … труб передаются через разделители 6 на центральную трубу 21. Кроме того, трубный пучок 2 может быть окружен так называемой рубашкой 3, чтобы предотвратить возможность протекания первой среды S мимо трубного пучка 2, с внешней стороны. Первую среду S можно, например, подавать в пространство М кожуха через соединительный элемент 101, обеспеченный сбоку на кожухе 10, и отводить из пространства М кожуха через другой соединительный элемент 102, обеспеченный сбоку на кожухе 10. Для максимально равномерного распределения первой среды S по верхней стороне О трубного пучка 2, которая проходит перпендикулярно к продольной оси L, в пространстве М кожуха выше трубного пучка 2 можно обеспечить распределительное устройство, например, известного типа (в данном случае не показанное более подробно). Кроме того, вторую среду S', направляемую по трубному пучку 2, можно вводить в трубный пучок 2 через соединительный элемент 103, обеспеченный на кожухе 10, и отводить из трубного пучка 2 через другой соединительный элемент 105, обеспеченный на кожухе 10. В случае, когда по трубному пучку 2 направляют несколько сред, трубы 20 могут быть объединены в соответствующие группы 104, и тогда по каждой группе направляют одну из сред.
Вследствие вышеупомянутых эффектов, даже в случае равномерного распределения первой среды S по верхней стороне О трубного пучка возможно неравномерное распределение первой среды S в радиальном направлении R трубного пучка 2.
Для того, чтобы противодействовать упомянутому неравномерному распределению, в соответствии с данным изобретением предусмотрено, что у теплообменника 1 имеется по меньшей мере один разделитель 6, посредством которого первый слой 201 труб, расположенный дальше от центра в радиальном направлении R трубного пучка 2, опирается на второй слой 202 труб, расположенный ближе к центру в радиальном направлении R, причем разделитель 6 имеет средство 6а направления потока, которое выполнено с возможностью отклонять часть первой среды S, протекающую в пространстве М кожуха вдоль трубы 20 первого слоя 201 труб, в направлении расположенного ближе к центру второго слоя 202 труб.
Согласно примеру воплощения, изображенному на Фиг. 2, упомянутое средство 6а представляет собой, например, торцевую сторону 6а разделителя 6, и эта торцевая сторона соединяет переднюю, обращенную от центральной трубы 21, сторону 6b разделителя 6 с задней, обращенной к центральной трубе 21, стороной 6 с разделителя 6; при этом упомянутая торцевая сторона 6а имеет наклон в направлении второго слоя 202 труб, так что та часть первой среды S, которая течет вдоль трубы 20 первого слоя 201 труб и на торцевую сторону 6а, поворачивает, под действием торцевой стороны 6а, в направлении второго слоя 202 труб. Наклон торцевой стороны 6а по отношению к первому слою 201 труб в этом случае характеризуется острым углом W, который вторая торцевая сторона 6а образует со вторым слоем 202 труб или с теми трубными секциями второго слоя 202 труб, которые прилегают к разделителю 6.
Предпочтительно между в каждом случае соседними двумя слоями 201, 202, … труб обеспечено множество разделителей 6 вышеописанного типа, при этом количество разделителей 6, расположенных между двумя слоями 201, 202, … труб, предпочтительно является постоянным, и предпочтительно разделители 6 из различных слоев труб расположены один на другом в радиальном направлении R, чтобы посредством разделителей 6 можно было соответствующим образом распределить нагрузку от расположенных один на другом слоев 201, 202, … труб на центральную трубу 21.
Как дополнительно показано на Фиг. 2, трубы 20 в слоях 201, 202, … труб могут иметь различное направление наматывания. Результатом этого является то, что в соседних слоях 201, 202, … труб первая среда S может протекать вдоль соответствующей трубы 20 в разном направлении. Поэтому торцевую сторону 6а соответствующего разделителя 6 ориентируют таким образом, чтобы соответствующая часть первой среды S, которую следует отклонить к центру, натекала на соответствующую торцевую сторону 6а.
Как дополнительно показано на Фиг. 2, по меньшей мере один (или специально предназначенный для этой цели) разделитель 6 может иметь выступы 61, которые выступают от центра в радиальном направлении R, от торца основания 60 соответствующего разделителя 6. Упомянутые выступы 61 служат для установления желаемого расстояния по вертикали между витками труб в соответствующем слое труб. Кроме того, выступы 61 могут составлять часть торцевой стороны 6а соответствующего разделителя 6. Таким образом, торцевая сторона 6а соответствующего разделителя 6 может быть расположена, по меньшей мере частями, между соседними трубными секциями слоя 201 труб, который в каждом случае расположен дальше от центра.
Фиг. 3 изображает другой пример воплощения данного изобретения, в котором по меньшей мере один разделитель 6 имеет по меньшей мере один направляющий элемент 62, например, в форме отражательной пластины, который закреплен на основании 60 (например, в виде решетки) по меньшей мере одного разделителя 6, причем это основание проходит вдоль продольной оси L; при этом в данном случае предпочтительно, чтобы основание 60 выполняло функцию распределения нагрузки, то есть чтобы расположенный в каждом случае дальше от центра (первый) слой 201 труб опирался, посредством упомянутого основания 60, на (второй) слой 202 труб, расположенный под ним, в то время как направляющий элемент 62 предпочтительно осуществлял функцию направления потока или отклонения потока и образовывал упомянутое средство 6а разделителя 6, которое в данном случае выполнено в виде поверхности 6а соударения направляющего элемента 62; при этом упомянутая поверхность имеет наклон по направлению ко (второму) слою 202 труб, расположенному ближе к центру в радиальном направлении R (или наклон относительно соседних трубных секций второго слоя 202 труб), так что та часть первой среды S, которая течет вдоль трубы 20 первого слоя 201 труб и на поверхность 6а соударения, отклоняется этой поверхностью 6а соударения в направлении расположенного ближе к центру (второго) слоя 202 труб. Ввиду наклона поверхность 6а соударения направляющего элемента 62 образует острый угол W со (вторым) слоем 202 труб, расположенным в каждом случае ближе к центру в радиальном направлении.
Направляющий элемент 62 может представлять собой отдельный элемент, который прикреплен к основанию 60 соответствующего разделителя 6, а конкретно предпочтительно к торцевой стороне 60а основания 60, причем эта торцевая сторона соединяет обращенную к центральной трубе 21 заднюю сторону, на которую опирается расположенный ближе к центру (второй) слой 202 труб, с передней стороной основания 60, на которую опирается расположенный дальше от центра (первый) слой 201 труб. Однако направляющий элемент 62 можно также сформировать как единое целое с основанием 60 (из одного куска).
Аналогично Фиг. 2, возможно, так же, как показано на Фиг. 3, обеспечить, в свою очередь, множество разделителей 6; при этом разделители из различных слоев труб предпочтительно расположены один на другом в радиальном направлении R (см. выше).
Кроме того, Фиг. 3 изображает также ситуацию, когда направление течения той части первой среды S, которая течет вдоль трубы 20 соответствующего слоя 201, 202, … труб, является различным от одного слоя труб к другому из-за направления намотки соответствующей трубы 20; при этом, в соответствии с Фиг. 3, предпочтительно обеспечивают, чтобы соответствующий направляющий элемент 62 был установлен (или закреплен) по отношению к направлению течения той части первой среды S, которая должна быть отклонена, на той торцевой стороне 60а основания 60 соответствующего разделителя 6, которая расположена ниже по ходу потока. В этом случае упомянутая поверхность 6а соударения обращена, в частности, к соответствующему основанию 60 и обеспечивает, в частности, отклонение части первой среды S после того, как указанная часть прошла соответствующее основание 60, на задней стороне соответствующего основания 60.
Фиг. 4 изображает модификацию направляющих элементов 62, где, в противоположность Фиг. 3, каждый из направляющих элементов 62 обеспечен на той торцевой стороне 60а основания 60 соответствующего разделителя 6, которая расположена выше по ходу потока; при этом поверхность 6а соударения соответствующего направляющего элемента 62 обращена от связанного с ней основания 60 и имеет наклон относительно (второго) слоя 202 труб, расположенного в каждом случае ближе к центру, причем этот наклон таков, что она образует острый угол W с упомянутым слоем труб.
Как в примере воплощения по Фиг. 3, так и в примере воплощения по Фиг. 4 предпочтительно предусмотрено, чтобы направляющий элемент 62 соответствующего разделителя 6 проходил частями между соседними трубными секциями расположенного в каждом случае ближе к центру слоя 202 труб. Вместо направляющего элемента 62, для обоих примеров воплощения (Фиг. 3 и Фиг. 4) возможно, чтобы соответствующий разделитель 6 также имел соответствующие многочисленные направляющие элементы 62, которые тогда в каждом случае выступают в промежуточное пространство между двумя соседними трубными секциями расположенного в каждом случае ближе к центру слоя 202, … труб.
Наконец, Фиг. 5 изображает пример воплощения разделителей 6 по данному изобретению, которые, как и раньше, расположены между соседними слоями 201, 202, … труб теплообменника 1 (см. выше); при этом здесь средство 6а направления потока образовано каналами 6а (или имеет такие каналы), каждый из которых выполнен с возможностью отклонять часть первой среды S, протекающую вдоль первого, или внешнего слоя 201 труб сверху вниз, в направлении второго, или расположенного в радиальном направлении ближе к центру слоя 202 труб. Для этой цели упомянутые каналы предпочтительно опускаются к следующему расположенному ближе к центру (второму) слою 202 труб. Каналы 6а могут быть обеспечены, например, на торцевой стороне 60а соответствующего разделителя 6 или основания соответствующего разделителя 6. Разделители 6 также могут, в свою очередь, иметь выступы 61, которые выступают от соответствующего основания 60 в радиальном направлении R и определяют расстояние по вертикали между соседними витками труб или соседними трубными секциями труб 20 в направлении продольной оси L кожуха.
Разделители 60 могут иметь, в качестве средства направления потока, только упомянутые каналы 6а. Однако упомянутые каналы 6а могут также присутствовать в разделителях 6 Фиг. 1-4 в качестве дополнительных направляющих поток компонентов.