Кожухотрубный теплообменник

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменному оборудованию, которое может найти применение в энергетической, атомной, химической, нефтехимической, металлургической, биохимической, фармакологической, машиностроительной, строительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки промышленных и коммунальных сточных вод, а также очистке и утилизации тепловой энергии вентиляционных выбросов и дымовых газов.
Известна конструкция промышленного кожухотрубного теплообменника, состоящего из корпуса (кожуха) и приваренных к нему трубных решеток, в которых закреплен пучок труб, к трубным решеткам крепятся на болтах крышки, а стык между крышками и трубными решетками уплотняется с помощью прокладок. На крышках установлены патрубки для входа и выхода одного теплоносителя, движущегося в трубах трубного пучка, а на корпусе (кожухе) установлены патрубки для входа и выхода второго теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве [Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие для вузов/ под общей редакцией А.С. Тимонина. - Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкарёвой, 2008, 872 с.: стр. 473, 474].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится постепенное нарастание термических отклонений на внутренней и наружной боковой теплопередающей поверхности труб в виде сажи, накипи, солевого камня и продуктов деструкции. Это требует периодической остановки работы и очистки наружной и внутренней поверхности труб и трубного пучка от вышеназванных отклонений. Если внутреннюю поверхность трубок чистить сравнительно просто, то очистка наружной поверхности трубок - сложная технологическая и длительная операция. Всё сказанное увеличивает время ремонта и простоя, а значит снижает основное время работы и производительность. Кроме того, сами отложения на стенках труб в период работы снижают интенсивность теплопередачи, что также способствует снижению производительности.
Известна конструкция пленочного кожухотрубного теплообменника, включающего вертикальный корпус с патрубком входа и выхода одного теплоносителя и теплообменника трубки, закрепленными в верхней и нижней трубных решетках, верхнюю и нижнюю камеру с патрубками ввода и вывода другого теплоносителя, а также патрубки ввода и вывода жидкости, образующей плёнку на внутренней поверхности трубок, при этом внутри каждой трубки закреплена цилиндрическая пружина с грузом.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится накопление термических отложений (сажи, накипи, солевого камня, продуктов деструкции) на внешней поверхности труб, приводящее к уменьшению теплопереноса и как следствие снижению производительности. Кроме того, накопление вышеназванных отложений на внешней поверхности трубок требует периодической остановки работы теплообменника, длительной и сложной операции по удаления этих отложений, что уменьшает основное время работы и также снижает производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, является кожухотрубный теплообменник [Патент РФ № 209163, МПК: F28D 7/16, F28F 9/013, опубл. 03.02.2022 г.], состоящий из кожуха, трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, крышки, днища и патрубков для подвода и отвода теплоносителей, в котором верхняя трубная решетка выполнена с заданным наружным диаметром, а верхняя трубная решетка посредством шпилек соединена с герметично закрепленным в разъемных соединениях, скрепляющих верхнюю крышку с кожухом, кольцом, наружный диаметр которого равен наружному диаметру нижней трубной решетки.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся снижение производительности во времени из-за уменьшения скорости теплопередачи при накоплении термических отложений: (накипи, солевого камня, продуктов термической деструкции) на стенках труб. Это увеличивает время подготовки кожухотрубного теплообменника к работе, уменьшает основное время работы и производительность в целом.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника является увеличение интенсификации процесса теплоотдачи на внешней поверхности труб.
Поставленный технический результат достигается в кожухотрубном теплообменнике, состоящем из кожуха, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, верхней и нижней крышек, патрубков для подвода и отвода первого и второго теплоносителей, причем патрубок подачи второго теплоносителя оснащён пульсатором, каждая трубка трубного пучка оснащена цилиндрической пружиной, снабжённой грузом в виде кольца и жестко закреплённой на верхней трубной решетке, соотношение диаметров витков цилиндрической пружины и кольца определяется выражением
n
H
d/d=1,031,08, (1)
n
где d - внутренний диаметр витков пружины и кольца, м,
H
d - наружный диаметр трубки, м,
а масса кольца определяется выражением
2
m=a/(2πν), (2)
где m - масса кольца, кг,
а - упругость витков пружины, Н/м,
π - число Пи,
ν - частота колебаний пульсатора, Гц.
Присоединение пульсатора к патрубку входа теплоносителя в кожух кожухотрубного теплообменника, заставляет вибрировать входящий поток теплоносителя в межтрубном пространстве, а данная вибрация увеличивает теплоотдачу и способствует интенсификации процесса на внешней поверхности труб.
Оснащение каждой трубки цилиндрической пружиной с внутренним диаметром витков, подчиняющимся выражению (1) позволяет совершать осевые колебания витков вблизи наружной стенки трубки в тепловом пограничном слое без дополнительного механического воздействия на эти стенки. Уменьшение отношения ниже заявленного предела, равного 1,03, может привести к механическому трению витков пружины о наружную стенку трубки, их адгезионному износу или прекращению вибрации. Увеличение отношения выше заявленного предела, равного 1,08, значительно отодвигает витки из теплового пограничного слоя, снижает воздействия колебаний на интенсивность теплоотдачи.
Жесткая фиксация цилиндрической пружины к верхней трубной решетке и снабжение ее кольцом снизу, образует физический маятник с собственной частотой колебаний
, (3)
где m - масса кольца, кг,
а
- упругость витков пружины, Н/м,
π - число Пи,
с
ν - частота колебаний цилиндрической пружины, Гц.
Так как масса кольца определяется выражением (2) то собственная частота колебаний совпадает с частотой колебаний пульсатора, что приводит к резонансным колебаниям цилиндрических пружин с кольцами с большой амплитудой, значительно превышающей амплитуду колебаний создаваемой пульсатором в теплоносителе, при его движении в межтрубном пространстве кожуха. Эти резонансные колебания витков пружин с большой амплитудой разрушают тепловой пограничный слой вблизи наружных теплопередающих поверхностей трубок, таким образом, интенсифицируя процесс теплоотдачи, что приводит к росту производительности аппарата в целом.
На фиг. 1 - изображена схема предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника.
На фиг. 2 - показана трубка с цилиндрической пружиной и кольцом.
Кожухотрубный теплообменник состоит из кожуха 1 с патрубками подачи второго теплоносителя 2 и выхода второго теплоносителя 3, движущегося в межтрубном пространстве. Внутри кожуха 1 установлены трубки 4 трубного пучка, закрепленных герметично в трубные решётки 5 сверху и снизу. Верхняя крышка 6 и нижняя крышка 7 соединены посредством разъёмного соединения с трубными решетками 5, сверху и снизу соответственно. На верхней крышке 6 выполнен патрубок подачи 8 теплоносителя, а на нижней крышке 7 выполнен патрубок отвода 9 теплоносителя.
Каждая трубка 4 трубного пучка оснащена цилиндрической пружиной 10, жестко закреплённой на верхней трубной решетке 5 и снабжённой грузом в виде кольца 11 снизу. Соотношение диаметров витков цилиндрической пружины 10 и кольца 11 определяется выражением (1), а масса кольца 11, определяется выражением (2).
Патрубок подачи второго теплоносителя 2 оснащен пульсатором 12, а для установки на фундамент кожухотрубный теплообменник снабжен лапами 13.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.
По патрубку подачи 8 внутрь верхней крышки 6, а из нее в трубки 4 трубного пучка подаётся первый теплоноситель, который, проходя нижнюю крышку 7, выходит через патрубок отвода 9 наружу. Второй теплоноситель одновременно, через патрубок подачи второго теплоносителя 2 подаётся внутрь межтрубного пространства кожуха 1 и, омывая наружную поверхность трубок 4, выходит наружу по патрубку выхода второго теплоносителя 3. Одновременно с подачей теплоносителей пульсатор 12 создаёт во входящем потоке второго теплоносителя колебания с частотой ν.
а
Так как каждая цилиндрическая пружина 10, имеющая упругость витков  и снабжена кольцом 11 с массой m, является физическим маятником, имеющим собственную частоту колебаний ν, равной частоте колебаний пульсатора 12, то создаются резонансные колебания с высокой амплитудой. Витки цилиндрической пружины 10 имеют диаметр, соответствующий выражению (1), то есть витки пружины колеблются в пограничном тепловом слое снаружи трубок 4. Под действием колебаний с частотой ν и резонансом амплитуды этот пограничный тепловой слой разрушается, интенсифицируя процесс теплоотдачи в тепловом пограничном слое с большой резонансной амплитудой, что предотвращает образование и накопление слоя термических отложений, сохраняя при том высокую скорость теплопереноса и способствуя работе кожухотрубного теплообменника с повышенной производительностью.
Пример проектирования кожухотрубного теплообменника предлагаемой конструкции.
За основу берем вертикальный кожухотрубный теплообменник, описанный в примере 18 учебника на стр. 222 [Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Изд. 7-е перераб. и доп. - Химия: Ленинградское отделение, 1970, 624 с.].
Наружный диаметр труб 32 мм с толщиной 2,5 мм, высотой 1,25 м. Расстояние между трубками равно наружному диаметру, то есть также равно 32 мм. Из справочника конструктора машиностроителя [Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. Изд. 3-е, переработанное и дополненное. - М.: Машиностроение, 1967, 688 с.: стр. 546, 547] выбираем цилиндрическую пружину, чтобы её внутренний диаметр подчинялся выражению (1), то есть
.
При толщине проволоки, из которой изготавливается цилиндрическая пружина 0,5 мм наружный диаметр каждой цилиндрической пружины
мм.
а
а
Изготавливаем мягкую цилиндрическую пружину, чтобы уменьшить массу кольца. Например, упругость витков цилиндрической пружины =400 Н/м, или переводя силу растяжения из Ньютонов в килограммы, а метры в миллиметры =0,040 кг/мм, то есть каждый виток такой цилиндрической пружины будет растягиваться на 1 мм при нагрузке 0,040 кг.
Тогда при частоте пульсаций ν=15 Гц масса кольца должна быть
кг.
Принимаем внутренний диаметр кольца равный внутреннему диаметру цилиндрической пружины, чтобы кольцо при осевых колебаниях легко скользило вдоль наружного диаметра трубки, не задевая ее стенки
мм.
H
в
Наружный диаметр кольца выбираем D=D+20=55 мм, в этом случае (фиг 2) расстояние между краями ближайших смежных колец будет около 10 мм, то есть эти кольца, как и смежные цилиндрические пружины, при осевых колебаниях не будут задевать друг друга.
Н
3
3
3
Определяем высоту  каждого кольца, изготовленного из стали с плотностью ρ=8000 кг/м или ρ=8г/см. Расчёт объёма кольца в см будет иметь вид
, так как .
Тогда  см
к
То есть высота кольца Н=4 мм.
В проектируемой цилиндрической пружине каждый виток под действием веса кольца в Р=45 г будет растянут в статическом состоянии на величину
мм
У цилиндрических пружин растяжения при наружном диаметре витка D=35 мм шаг витка t=7,5 мм.
Общая высота трубок будет определяться уравнением:
,
3
где Н10 мм, чтобы кольцо при резонансных колебаниях не ударилось о нижнюю трубную решетку.
Тогда число витков цилиндрической пружины определяется как
.
Эти 128 витков без кольца с шагом t=7,5 мм будут занимать высоту в нерастянутом состоянии 960 мм. В вертикальном статическом положении, когда под действием веса кольца каждый виток растянется на 1,125 мм, высота, занимаемая всеми витками цилиндрической пружины, составит
ст
L=960+144=1104 мм.
При резонансных вертикальных колебаниях каждый виток будет опускаться на величину амплитуды А=1 мм и общая наибольшая длина всех витков составит 1104+129=1232 мм, а с учетом подвешенного на нижний виток кольца высотой 4 мм
max
L=1232+4=1236 мм.
То есть максимальная длина колеблющегося кольца на цилиндрической пружине при расстоянии в резонансном режиме составит
1236 мм при длине трубок 1250 мм, а при сжатии
.
Следовательно, каждая цилиндрическая пружина с кольцом будет совершать резонансные колебания с амплитудой в 1 мм вдоль наружной поверхности трубок с частотой ν=15 Гц, равной частоте пульсатора, предотвращая образования термических отложений на наружной поверхности трубок, и интенсифицируется теплоотдачу за счет разрушения теплового пограничного слоя у этой поверхности, что приводит к росту производительности предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника.
Таким образом, использование кожухотрубного теплообменника, состоящего из кожуха, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, оснащенные цилиндрической пружиной с грузом, верхней и нижней крышек, патрубков для подвода и отвода первого и второго теплоносителей, пульсатора, позволяет увеличить интенсификацию процесса теплоотдачи на внешней поверхности труб.