Кожухотрубный теплообменник

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам, которое может найти применение в теплоэнергетической, химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизации тепла дымовых газов и переработке сточных вод.
Известен кожухотрубный теплообменник, состоящий из корпуса и приваренных к нему трубных решеток, в которых герметично закреплен пучок труб. К трубным решеткам крепятся на болтах крышки, уплотняемые с помощью прокладок. На каждой крышке установлены патрубки для входа и выхода одного теплоносителя, а на корпусе установлены патрубки для входа и выхода другого топлоносителя и лапы для установки кожухотрубного теплообменника на фундамент [Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие для вузов / под общей редакцией А.С. Тимонина - Калуга: издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. - 872 с.: стр. 473, 474].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится снижение производительности во времени из-за уменьшения скорости теплопередачи при накоплении термических отложений (накипи, солевого камня, продуктов термической деструкции) на стенках труб.
Известен пленочный трубчатый теплообменный аппарат, состоящий из вертикального корпуса, верхней и нижней камер, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены теплообменные трубки, патрубков для входа и выхода газа (пара, воздуха) в трубки и патрубков для входа и выхода второго теплоносителя, герметично установленного на корпусе, при этом внутри каждый теплообменной трубки установлены цилиндрические пружины с относительным диаметром [П.м. РФ 14878 B01D 3/28, B01D 1/22, опубл.10.12.2014].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся длительность и сложность подготовки известного кожухотрубного теплообменника к работе, связанные с установкой и закреплением под каждой трубкой цилиндрической пружины фиксированной и одинаковой длины и одинаковой упругостью, а также закреплением на этих цилиндрических пружинах конических распределителей газа (пара или воздуха) с одинаковой массой. Это увеличивает время подготовки кожухотрубного теплообменника к работе, уменьшает основное время работы и производительность. Кроме того, его использование возможно только при движении в трубах газа, пара или воздуха.
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, относится 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 его производительности.
Поставленный технических 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 теплоносителей, верхняя трубная решетка герметично закреплена на кольце посредством шпилек, причем патрубкок подачи второго теплоносителя, оснащен пульсатором, на верхней крышке посредством цилиндрических пружин установлен диск с диаметром, определяемым выражением
где d - диаметр диска распределителя, м,
D - внутренний диаметр кожуха, м,
Δ - кольцевой зазор между внутренним диаметром кожуха и периферийными трубками трубного пучка, м,
а упругость каждой цилиндрической пружины определяется выражением
где а - упругость каждой цилиндрической пружины, Н/м,
π - число Пи,
ν - частота колебаний пульсатора, Гц,
М - масса диска, кг,
N -число цилиндрических пружин.
Присоединение пульсатора к крышке с патрубком входа теплоносителя в трубки трубного пучка позволяет подавать этот теплоноситель в пульсационном режиме, который интенсифицирует теплоотдачу, а значит приводит к росту производительности.
Выполнение распределителя в виде диска установленного на цилиндрических пружинах в крышке с патрубками выхода теплоносителя из трубок трубного пучка с диаметром, определяемых выражением (1), позволяет перекрывать сечение всех трубок трубного пучка, в которых двигается пульсирующий поток теплоносителя, что одинаково интенсифицирует процесс теплопереноса при вибрации потока в трубках, а установка диска распределителя на цилиндрических пружинах с упругостью, подчиняющиеся выражению (2) приводит к резонансному режиму вибрации диска распределителя с частотой, совпадающей с частотой вынужденных колебаний пульсатора и высокой амплитудой, интенсифицирующей теплоперенос и приводящей к росту производительности.
Диск с массой М, установленный на цилиндрических пружинах числом N с упругостью каждой а представляет собой физический маятник собственная частота колебаний которого определяется уравнением
где  - частота колебаний цилиндрической пружины, Гц,
а - упругость цилиндрической пружины, Н/м,
π - число Пи,
m=М/N - масса диска приходящаяся на одну пружину, кг.
Если число цилиндрических пружин равно N, а общая масса диска распределителя M, то приравнивания собственную частоту колебаний пружинного маятника  к частоте вынужденных колебаний пульсатора , то с учетом уравнения (3) получаем уравнение (2) для упругости каждой цилиндрической пружины, обеспечивающей резонансный режим колебаний диска распределителя с высокой амплитудой интенсифицирующей теплоперенос, за счет уменьшения времени подготовки теплообменника к работе и увеличении основного времени цикла его работы, а значит и производительность кожухотрубного теплообменника предлагаемой конструкции.
На фигуре изображен общий вид кожухотрубного теплообменника предлагаемой конструкции.
Кожухотрубный теплообменник состоит из кожуха 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 одного теплоносителя, для его движения в межтрубном пространстве трубок 4 трубного пучка, закрепленных герметично в трубных решетках 5 сверху и снизу. Снизу к кожуху 1 на фланцах с помощью разъемных соединений прикреплена нижняя крышка 6 с патрубком подачи второго теплоносителя 7, оснащенного пульсатором 8.
Сверху на кожухе 1, посредством разъемных соединений, установлена верхняя крышка 9 с патрубком отвода второго теплоносителя 10 из трубок 4.
Над трубками 4 трубного пучка на верхней крышке 9 посредством цилиндрических пружин 11 установлен диск 12 массой М, при этом диаметр диска 12 подчиняется уравнению (1), а упругость каждой цилиндрической пружины 11 уравнению (2).
На внешней стороне кожуха 1 выполнены лапы 13, для установки кожухотрубного теплообменника на фундамент, а трубная решетка 5 сверху герметично закреплена на кольце 14 посредством шпилек 15.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.
По патрубку входа 2 внутрь кожуха 1 подают один теплоноситель, который движется в межтрубном пространстве, омывая наружную поверхность трубок 4 трубного пучка, и выходит наружу через патрубок выхода 3. По патрубку подачи второго теплоносителя 7 внутрь кожуха 1 поступает второй теплоноситель и включают пульсатор 8. Одновременно, второй теплоноситель движется в пульсационном режиме внутри нижней крышки 6 и в трубках 4 трубного пучка, а затем из верхней крышки 9 по патрубку отвода второго теплоносителя 10 выходит наружу. Так как диаметр диска 12 подчиняется уравнению (1), то есть он своей поверхностью перекрывает все трубки 4 трубного пучка, а упругость цилиндрических пружин 11, на которых подвешен диск 12 подчиняется уравнению (2), то диск 12 совершает пульсации с частотой, равной частоте пульсации, создаваемой пульсатором 8, тогда поток теплоносителя в трубках 4 трубного пучка колеблется в резонансном режиме с высокой амплитудой интенсифицирующей процесс теплопередачи, за счет чего увеличивается основное время цикла, связанного с процессами теплопереноса от одного теплоносителя движущегося в межтрубном пространстве ко второму теплоносителю, движущемуся в трубках 4, что вызывает рост производительности работы аппарата в целом.
v0
ср
ст
0
3
2
Пример. Рассмотрим предлагаемую конструкцию кожухотрубного теплообменника, состоящим из 61 трубки с внутренним диаметром 27 мм и толщиной стенки 2,5 мм, высотой 1,25 м, когда по трубкам проходит q=13 м/час четыреххлористого углерода. Средняя температура четыреххлористого углерода t=50°С, а температура внутренней поверхности стенки труб t=24°С. Рассчитанный по критериальному уравнению коэффициент теплоотдачи при полном заполнении трубок жидким четыреххлористым углеродом составляет α=167 Вт/м⋅град.
1
0
2
При использовании пульсатора без создания резонансного режима, то есть в отсутствии диска, подвешенного на цилиндрических пружинах, возможно увеличение коэффициента теплоотдачи при амплитуде пульсаций 1 мм в 2 раза, то есть увеличения коэффициента теплоотдачи α=2×α=334 Вт/м⋅град и соответственно роста производительности по тепловой мощности
,
1
где Q - тепловая мощность с использованием пульсатора, Вт,
0
Q - тепловая мощность типового аппарата, Вт,
0
2
α - коэффециент теплоотдачи без пульсации, Вт/м⋅град,
ср
t - средняя температура четыреххлористого углерода, град,
ст
t - температура внутренней поверхности стенки труб, град.
Согласно уравнению теплового баланса
3
где ρ=1630 кг/м- плотность четыреххлористого углерода, движущегося внутри трубок 4 трубчатого пучка,
p
с - теплоемкость четыреххлористого углерода, Дж/кг,
v0
3
q - объемный расход четыреххлористого углерода, м/с,
получаем удвоение производительности
,
v1
3
где q - объемный расход четыреххлористого углерода при воздействии пульсации, м/с.
В резонансном режиме амплитуда колебаний потока четыреххлористого углерода может в несколько раз превышать амплитуду вынужденных колебаний, создаваемых пульсатором. (Например, в монографии [В.Д. Варсановьев, Э.Э. Кольман Иванов «Вибрационная техника в химической промышленности» - М.: Химия 1985, стр. 213] сказано, что теплоотдача при наложении низкочастотных колебаний может дать прирост коэффициента теплоотдачи до 700%.)
2
2
1
0
Допустим, при установке диска на цилиндрических пружинах, обеспечивающих повышение амплитуды колебаний в резонансном режиме по сравнению с амплитудой колебаний только от пульсатора, амплитуда возрастет с 1 мм до 2 мм, то есть еще в 2 раза, тогда мощность Q проектируемого аппарата работающего в резонансном режиме, станет Q=2Q=4Q и производительность также возрастет в 2 раза
,
v2
3
где q - объемный расход четыреххлористого углерода при работе аппарата в резонансном режиме, м/с.
Расчет цилиндрической пружины.
н
н
Частота пульсации пульсатора ν=10 Гц. Диаметр кожуха кожухотрубного теплообменника с 61 трубкой трубного пучка при наружном диаметре трубки d=32 мм при разбивке труб по шестиугольникам составит на диагонали 9 трубок с расстоянием между ними равном наружному диаметру труб, а кольцевой зазор Δ=1,5·d=48 мм.
Тогда внутренний диаметр кожуха составит
.
Согласно уравнению (1) диаметр диска распределителя будет
.
ст
3
Если диск выполнен из стального листа толщиной δ=3 мм, то при плотности стали ρ=8000 кг/м масса диска составит
.
При установке диска на 3х цилиндрических пружинах, то есть N=3 согласно уравнению (2) упругость каждой цилиндрической пружины должна быть
или а=9500 кг/м=9,5 кг/мм,
то есть при статической нагрузке 9,5 кг каждая цилиндрическая пружина должна растягиваться на 1 мм.
н
н
1
1
Подбираем из справочника [В.И. Анурьев Справочник конструктора-машиностроителя. Изд. 3-е, переработанное. - М.: Машиностроение, 1967, 688 с.; стр. 547] пружину цилиндрического растяжения, выполненную из проволоки диаметром d=5 мм с наружным диаметром витка D=45 мм, у которой каждый виток деформируется в статическом состоянии на t=4,2 мм при нагрузке Р=39,5 кг, то есть упругость такой пружины
.
При расчетной резонансной упругости, рассчитанной по уравнению (2)
,
1
при среднем расстоянии между витками t=9,2 мм.
Тогда под весом Р численно равном М в кг разделенном на 3 цилиндрических пружины деформация каждого витка в статическом состоянии составит
3
а с учетом выталкивающей силы Архимеда в нагреваемом четыреххлористом углероде ρ=1630 кг/м
.
0
При числе витков в каждой цилиндрической пружине n=4, общая рабочая высота составит h=t1×n=9,2×4=36,8 мм, а в нерабочем состоянии в отсутствии четырехлористого углерода h=h-4×t=36,8-4×0,25=35,75 мм, а в рабочем состоянии без вибрации .
Таким образом, использование кожухотрубного теплообменника, состоящего из кожуха, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, верхней и нижней крышек, патрубков для подвода и отвода теплоносителей, верхняя трубная решетка герметично закреплена на кольце посредством шпилек, пульсатора, диска, установленного посредством цилиндрических пружин на верхней крышке, позволяет увеличить производительность устройства в целом.