МНОГОХОДОВОЙ КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
MULTI-PASS SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к рекуперативным теплообменным устройствам и может быть использовано в энергетике, нефтегазопереработке, химической и пищевой промышленности и в других отраслях техники для нагрева и охлаждения текучих сред не претерпевающих фазовых переходов.
Широко используемые многоходовые кожухотрубчатые теплообменники с поперечными перегородками в межтрубном пространстве [1] имеют перекрестное движение греющего и нагреваемого теплоносителей по смешанной схеме тока. Средняя разность температур теплоносителей при этом существенно ниже достигаемой при противоточной схеме их движения, которая в теплотехническом отношении является лучшей. Значительная часть теплопередающей трубчатой поверхности расположена в застойных зонах, образуемых поперечными перегородками, где интенсивность теплообмена со стороны теплоносителя в межтрубном пространстве понижена. Все это приводит к ухудшению тепловой эффективности теплообменников и к повышенным металлозатратам на их изготовление.
В известном кожухотрубчатом теплообменнике [2] более равномерное обтекание труб и исключение застойных зон достигается за счет установленных в корпусе отражающих перегородок с направляющей поверхностью без разрывов в виде сплошной винтовой поверхности, закрепленной на центральной трубе. Недостатком известного теплообменника [2] является сложность его изготовления и наличие центральной трубы большого диаметра, которая не участвует в процессе теплопередачи и занимает значительную часть объема межтрубного пространства в корпусе.
Общим недостатком известных теплообменников [1,2] является повышенное гидравлическое сопротивление и наличие вибрации теплообменных труб при их поперечном обтекании теплоносителем в межтрубном пространстве. Через кольцевые щели между кромками отверстий в перегородках и стенками теплообменных труб и между кромками перегородок и внутренней поверхностью стенки корпуса идут неконтролируемые паразитные протечки теплоносителя из одного его хода в другой.
Противоточное движение греющего и нагреваемого теплоносителей создается в известных многоходовых кожухотрубчатых теплообменниках с продольными перегородками, которые делят межтрубное пространство на столько ходов, сколько ходов имеет трубное пространство [3]. Плоские перегородки установлены параллельно теплообменным трубам, одной стороной примкнуты к трубной решетке, а между кромкой противоположной стороны и другой трубной решеткой образуют зазор для перетока теплоносителя из одного хода в другой. Известные многоходовые кожухотрубчатые теплообменники с продольными перегородками [3] имеют более равномерное поле скорости потока теплоносителя, меньшее количество и объем застойных зон в межтрубном пространстве. Уменьшены неконтролируемые паразитные протечки теплоносителя из одного хода в другой из-за отсуствия отверстий в перегородках для прохода теплообменных труби соответствующих кольцевых зазоров между ними.
Известен многоходовой кожухотрубчатый теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, к торцовым сторонам которого приварены трубные решетки, соединенные с трубными решетками с помощью фланцев крышки, образующие совместно с трубными решетками распределительные камеры, установленные на корпусе и на крышках патрубки входа и выхода первого и второго теплоносителей, закрепленные своими концами в отверстиях трубных решеток теплообменные трубы, глухие продольные перегородки в распределительных камерах, продольные перегородки в межтрубном пространстве, имеющие щелевые проемы, которые в смежных перегородках примыкают к противоположно расположенным трубным решеткам [4] - прототип. В известном многоходовом кожухотрубчатом теплообменнике [4] процесс теплопередачи возможно проводить как в условиях прямоточного движения теплоносителей, так и противоточного. Минимизированы или отсутствуют паразитные протечки теплоносителя между ходами в межтрубном пространстве. Из-за уменьшения застойных зон с вихревым характером движения теплоносителя и продольным обтеканием теплообменных труб транзитным потоком понижается гидравлическое сопротивление течению теплоносителя. При продольном обтекании теплообменных труб устраняется их вибрация и опасность вибрационных повреждений.
Недостатком известных многоходовых кожухотрубчатых теплообменников с продольными перегородками в межтрубном пространстве [4], [3] состоит в том, что при работе по наиболее эффективной противоточной схеме движения теплоносителей в поперечных сечениях устройства могут возникать недопустимо большие температурные перекосы из-за различий температур теплообменных труб, принадлежащих отдельным ходам. Значительной может быть неравномерность температуры и в поперечных сечениях стенки корпуса. Максимальные величины температурных перекосов в элементах устройства примерно равны значениям перепадов температур первого и второго теплоносителей между их входом и выходом в теплообменник. Неравномерность температур конструкционных элементов в поперечных сечениях устройства может привести к большим термическим напряжениям в жестко связанной системе «корпус-теплообменные трубы-трубные решетки» и, как следствие, к их деформации и утрате герметичности. Недостатком является и уменьшение заполняемое™ теплообменными трубами объема корпуса при размещении в межтрубном пространстве продольных плоских перегородок.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в повышении компактности и надежности устройства.
Поставленная проблема решается тем, что многоходовой кожухотрубчатый теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, к торцовым сторонам которого приварены трубные решетки, соединенные с трубными решетками с помощью фланцев крышки, образующие совместно с трубными решетками распределительные камеры, установленные на корпусе и на крышках патрубки входа и выхода первого и второго теплоносителей, закрепленные своими концами в отверстиях трубных решеток теплообменные трубы, глухие продольные перегородки в распределительных камерах, продольные перегородки в межтрубном пространстве, имеющие щелевые проемы, которые в смежных перегородках примыкают к противоположно расположенным трубным решеткам, причем продольные перегородки в распределительных камерах и в межтрубном пространстве выполнены с замкнутыми по периметру стенками и общей осью симметрии с цилиндрическим корпусом, внутренняя продольная перегородка в межтрубном пространстве соединена проточным каналом с патрубком на цилиндрическом корпусе, в щелевых проемах установлены распорки между трубными решетками и кромками продольных перегородок, теплообменные трубы имеют элементы дискретной шероховатости в виде поперечных канавок и (или) навитой проволочной спирали, продольные перегородки в межтрубном пространстве выполнены гофрированными.
В отличие от известного устройства [4], исполнение продольных перегородок в распределительных камерах и в межтрубном пространстве с замкнутыми по периметру стенками и общей осью симметрии с цилиндрическим корпусом, а также соединение внутренней продольной перегородки в межтрубном пространстве проточным каналом с патрубком на цилиндрическом корпусе, устраняет температурный перекос элементов устройства в поперечных его сечениях, обеспечивает симметричное распределение температуры. Температурное поле корпуса становится более однородным. Улучшаются условия самокомпенсации температурных расширений элементов теплообменника.
Наличие в щелевых проемах распорок между трубными решетками и кромками продольных перегородок позволяет фиксировать продольные перегородки в рабочем положении и за счет упругих свойств распорок обеспечивает плотное прилегание противоположно расположенных кромок продольных перегородок к трубным решеткам, исключая тем самым паразитные перетоки теплоносителя из одного хода в другой.
Наличие элементов дискретной шероховатости в виде поперечных канавок и (или) навитой проволочной спирали на теплообменных трубах способствует интенсификации теплообмена [5]. По данным в [5], увеличение интенсивности теплообмена потока теплоносителя при продольном обтекании наружной поверхности стенок труб по отношению к гладким трубам может достигать 1,4 раза для труб с поперечными кольцевыми канавками и 2,2-2 раза для труб с проволочными спиралями при умеренном росте гидравлического сопротивления. Получаемый за счет интенсификации теплообмена элементами дискретной шероховатости продольно обтекаемых труб положительный эффект выше, чем при традиционно применяемом в кожухотрубчатых теплообменниках поперечном обтекании труб.
Исполнение продольных перегородок в межтрубном пространстве гофрированными дает возможность размещения перегородок между трубами при их тесной и равномерной по всей площади трубных решеток компоновке. При этом устраняется необходимость выделять на площади трубных решеток участки свободные от закрепленных на них теплообменных труб и служащие для размещения продольных перегородок, что способствует компактности устройства и уменьшению его материалоемкости.
Предлагаемое техническое решение устраняет вибрацию теплообменных труб и опасность их разрушения по данной причине.
Многоходовой кожухотрубчатый теплообменник может работать как по схеме прямотока, так и по схеме противотока.
Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную техническую проблему.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с протипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Известные многоходовые кожухотрубчатые теплообменники [1, 2, 3] менее эффективны и надежны в работе, чем предлагаемый.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».
На фиг. 1 представлено схематичное изображение трехходового кожухотрубчатого теплообменника; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схематичное изображение шестиходового кожухотрубчатого теплообменника.
Многоходовой кожухотрубчатый теплообменник содержит цилиндрический корпус 1, к которому с торцовых сторон приварены трубные решетки 2 и 3. С помощью фланцевых разъемов трубная решетка 3 соединена с крышкой 4, а трубная решетка 2 с крышкой 5. Замкнутое пространство между трубной решеткой 3 и крышкой 4 образует распределительную камеру 6. Пространство между крышкой 5 и трубной решеткой 2 образует другую распределительную камеру 7. На корпусе 1 установлены патрубки 8 и 9 для входа и выхода первого теплоносителя. На крышках 4 и 5 установлены патрубки 10 и 11 для входа и выхода второго теплоносителя при нечетном числе его ходов (фиг. 1), а при четном числе ходов (фиг. 3) патрубки 10 и 11 установлены на одной из крышек (на фиг. 3 - крышка 5). В отверстиях трубных решеток 2 и 3 своими концами закреплены теплообменные трубы 12. Теплообменные трубы 12 могут иметь элементы дискретной шероховатости (на фиг. не показаны). В распределительных камерах 6 и 7 расположены глухие продольные перегородки 13, а в межтрубном пространстве - продольные перегородки 14 с замкнутыми по периметру стенками, которые могут выполняться гофрированными. Продольные перегородки 14 в межтрубном пространстве имеют щелевые проемы 15, которые в смежных перегородках примыкают к противоположно расположенным трубным решеткам 2 и 3. Внутренняя продольная перегородка 14 в межтрубном пространстве соединена проточным каналом 16 с патрубком 8 на корпусе 1. В щелевых проемах 15 установлены распорки 17 между трубными решетками 2 и 3 и кромками продольных перегородок 14.
Работа, например, 3-х ходового кожухотрубчатого теплообменника (фиг. 1 и фиг. 2) по схеме противотока осуществляется следующим образом. Первый теплоноситель через патрубок 8 на цилиндрическом корпусе 1 поступает в проточный канал 16, через который протекает в центральную часть межтрубного пространства, ограниченную внутренней перегородкой 14, и совершает первый ход в направлении к щелевому проему 15, примыкающему к трубной решетке 3. Пройдя через щелевой проем 15 и развернувшись на 180°, поток первого теплоносителя совершает второй ход в части межтрубного пространства, ограниченной внутренней и внешней продольными перегородками 14. Достигнув щелевого проема 15 во внешней перегородке 14, примыкающем к трубной решетке 2, поток первого теплоносителя проходит через этот проем и, развернувшись на 180°, совершает третий ход в части межтрубного пространства, ограниченной внешней продольной перегородкой 14 и корпусом 1. При продольном обтекании теплообменных труб 12 в каждом из ходов первый теплоноситель участвует в процессе теплообмена с наружной поверхностью стенок труб, охлаждаясь или же нагреваясь.
Второй теплоноситель перемещается во встречном направлении по отношению к первому теплоносителю, поступая через патрубок 11 в часть объема распределительной камеры 7, которая ограничена глухой продольной перегородкой 13. Распределившись по теплообменным трубам 12, находящимся в пространстве ограниченном внутренней продольной перегородкой 14, поток второго теплоносителя совершает свой первый ход по трубам. В части объема распределительной камеры 6, ограниченной глухой продольной перегородкой 13, второй теплоноситель разворачивается на 180° и во втором своем ходе протекает по теплообменным трубам 12, находящимся в части пространства, ограниченной внутренней и внешней продольными перегородками 14. Разворот на 180° между вторым и третьим ходами второй теплоноситель совершает в части объема распределительной камеры 7, ограниченной глухой продольной перегородкой 13 и стенкой распределительной камеры 7. Третий ход второго теплоносителя осуществляется в теплообменных трубах 12, находящихся в пространстве ограниченном внешней продольной перегородкой 14 и стенкой корпуса 1. Участвуя в обмене теплотой с внутренней поверхностью стенок теплообменных труб 12, второй теплоноситель нагревается или же охлаждается. Вывод второго теплоносителя из теплообменника осуществляется через патрубок 10 на крышке 4.
Таким образом, в многоходовом кожухотрубчатом теплообменнике реализуется схема полного противотока теплоносителей, обладающая наилучшей тепловой эффективностью. За счет упругих свойств распорок 17, расположенных в щелевых проемах 15, обеспечивается плотное прижатие продольных перегородок 14 своими кромками к трубным решеткам 2 и 3 и тем самым устраняется возможность перетоков первого теплоносителя между ходами.
Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:
- конструкция компактна и технологична в изготовлении;
- высокая заполняемость теплообменными трубами объема корпуса;
- уменьшенное гидравлическое сопротивление теплоносителя в межтрубном пространстве;
- пониженные термические напряжения в элементах устройства в процессе работы за счет более равномерного и симметричного температурного поля;
- отсутствуют паразитные перетоки теплоносителя между ходами в межтрубном пространстве;
- отсутствуют вибрация и обусловленные вибрацией повреждения теплообменных труб в процессе работы;
- повышенная тепловая эффективность за счет реализации схемы полного противотока теплоносителей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Фролов В.Ф. Лекции по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003. - с. 299, рис. 3.42.
2. Патент РФ №112753 U1. МПК F28F 9/22. Опубл. 20.01.2012. Бюл. №2.
3. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.: Агропромиздат, 1985. - с. 216, рис. XIII - 3.
4. Патент РФ №182526 U1. МПК F28D 7/16, F28F 9/22. Опубл. 28.08.2018. Бюл. №24.
5. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. - М.: Машиностроение, 1990.-е. 86-93, с. 103-106.