КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Техническое решение относится к теплообменным аппаратам и может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, горноперерабатывающей, строительной, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизации тепла дымовых газов и сточных вод.
Известна конструкция кожухотрубного теплообменника, описанная в способе предупреждения образования отложений в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника, содержащего кожух с размещенными внутри него трубами и размещенным в межтрубном пространстве мелкозернистым материалом, патрубки для подачи и отвода первого теплоносителя в трубы, патрубки для подачи и отвода второго теплоносителя в межтрубное пространство и распределительное устройство для равномерного распределения второго теплоносителя по сечению межтрубного пространства. Для сохранения частиц мелкозернистого материала в межтрубном пространстве их диаметр и плотность подбираются таким образом, чтобы рабочие скорости потока второго теплоносителя обеспечивали создание псевдоожиженного состояния, а для предупреждения уноса частиц из кожуха предусмотрено расширение в верхней части теплообменника (авторское свидетельство №408598, СССР, F28F 19/00, 1984 г.).
Известна конструкция кожухотрубного теплообменника с расширяющейся верхней частью, мелкозернистым материалом в межтрубном пространстве, подключенным к распределителю жидкого теплоносителя для псевдоожижения слоя материала и коллектору для равномерного удаления теплоносителя, выполненного в виде карманов, расположенных снаружи расширяющейся части корпуса по его периметру (авторское свидетельство №500695, СССР, F28D 7/00, F28F 19/00,1984 г.).
Известен кожухотрубный теплообменник с расширяющейся верхней частью и мелкозернистым материалом в межтрубном пространстве, подключенном к распределителю жидкого теплоносителя для псевдоожижения материала, при этом в расширяющейся части кожуха по ее оси установлен коллектор желобчатого типа с окнами на боковой поверхности для слива жидкого теплоносителя. Теплообменник содержит корпус, переднюю крышку, трубную решетку, заднюю крышку, трубный пучок, вертикальные перегородки, разделяющие межтрубное пространство на секции, распределитель жидкого теплоносителя, коллектор желобчатого типа с окнами для слива жидкого теплоносителя, штуцеры для отвода и подвода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, стаканы с колпачками для равномерного распределения теплоносителя в межтрубном пространстве, чтобы обеспечить равномерное распределение мелкозернистого материала по высоте и сечению межтрубного пространства. Теплообменник может быть как одноходовым, так и многоходовым по трубному пространству (авторское свидетельство №457367, СССР, F28D 7/00, F28F 19/00, 1984 г.).
Недостатком данных технических решений является то, что теплообменники являются одноходовыми по межтрубному пространству, что определяет малое время пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве и, соответственно, низкую эффективность его использования, что, в свою очередь, уменьшает движущую силу процесса теплообмена и снижает его эффективность в целом.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, является кожухотрубный теплообменник, содержащий корпус с расширяющейся верхней частью, переднюю и заднюю крышки трубного пространства, трубные решетки с горизонтальным трубным пучком, распределитель теплоносителя в межтрубном пространстве в виде стаканов с колпачками, штуцеры подвода и отвода теплоносителей в трубы трубного пучка и межтрубное пространство, содержащее слой мелкозернистого материала, при этом в межтрубном пространстве установлены вертикальные перегородки с образованием многоходового межтрубного пространства, состоящего из чередующихся друг с другом секций с восходящим и нисходящим движением теплоносителя, причем в секциях с восходящим движением теплоносителя плотность частиц мелкозернистого материала больше плотности теплоносителя, в секциях с нисходящим движением теплоносителя плотность частиц мелкозернистого материала меньше плотности теплоносителя, а под трубным пучком каждой секции с нисходящим движением теплоносителя установлены сетки (патент РФ №154574, МПК F28D 7/00, F28D 17/00, 27.08.2015 г.).
Недостатком данной конструкции являются сложность подбора диаметра и плотности частиц мелкозернистого материала, которые должны иметь плотность меньшую плотности теплоносителя в секциях с нисходящим его движением, причем скорость движения теплоносителя должна обеспечивать псевдоожижение этого материала и его расширение на всю высоту трубного пучка в секциях. Также недостатком является необходимость установки в секциях с нисходящим движением теплоносителя ограничительных сеток, препятствующих провалу частиц мелкозернистого материала в момент загрузки и его уносу в соседнюю секцию в режиме псевдоожижения частиц.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника является увеличение эффективности процесса теплообмена.
Технический результат достигается тем, что кожухотрубный теплообменник, содержащий корпус с расширяющейся верхней частью, переднюю и заднюю крышки трубного пространства, трубные решетки с горизонтальным трубным пучком, распределитель теплоносителя в межтрубном пространстве в виде стаканов с колпачками, штуцеры подвода и отвода теплоносителей в трубы трубного пучка и многоходовое межтрубное пространство из чередующихся друг с другом секций, содержащее слой мелкозернистого материала, при этом расширяющаяся верхняя часть корпуса каждой секции снабжена переливной перегородкой и закрыта кожухом, снабженным штуцером отвода теплоносителя из межтрубного пространства, соединенным трубой со штуцером подвода теплоносителя в следующую секцию, причем плотность мелкозернистого материала больше плотности теплоносителя.
Установка в расширяющейся верхней части корпуса в каждой секции переливной перегородки, закрытой кожухом, имеющим штуцер отвода теплоносителя из межтрубного пространства, соединенный трубой с входным штуцером в нижней части соседней секции, позволяет во всех секциях теплообменника создать восходящее движение теплоносителя. При этом переток теплоносителя по ходу его движения из каждой секции в соседнюю осуществляется по трубе, соединяющей смежные секции. Это обстоятельство приводит к тому, что для создания в каждой секции с восходящим движением теплоносителя псевдоожиженного слоя необходимо в каждую секцию аппарата загружать слой мелкозернистого материала, состоящий только из частиц, плотность которых должна быть больше плотности теплоносителя. Это, в свою очередь, позволяет использовать в каждой секции одинаковый мелкозернистый материал, частицы которого имеют плотность большую плотности теплоносителя.
Таким образом, переток теплоносителя по трубам по ходу его движения из предыдущей секции в последующую позволяет увеличить время его пребывания в межтрубном пространстве и, соответственно, повысить эффективность его использования, что, в свою очередь, увеличивает движущую силу процесса теплообмена и повышает его эффективность в целом.
На фиг. 1 показан поперечный разрез кожухотрубного теплообменника. На фиг. 2 показан продольный разрез кожухотрубного теплообменника. На фиг. 3 показан фронтальный вид кожухотрубного теплообменника.
Кожухотрубный теплообменник содержит корпус 1 с расширяющейся верхней частью 2 с переливной перегородкой 3, которые закрыты кожухом 4, переднюю 5 и заднюю 6 крышки трубного пространства, трубные решетки 7 и горизонтальные трубы 8 трубного пучка, распределитель жидкого теплоносителя в виде стаканов 9 с колпачками 10, штуцеры подвода 11 и отвода 12 теплоносителя межтрубного пространства, штуцеры подвода 13 и отвода 14 теплоносителя трубного пространства, вертикальные перегородки 15, разделяющие межтрубное пространство равномерно по длине трубного пучка на чередующиеся друг с другом секции, в которые загружен мелкозернистый материал 16. Каждая секция со следующей по ходу движения теплоносителя соединена трубой 17 и имеет крышки 18 для загрузки частиц мелкозернистого материала 16.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.
В секции межтрубного пространства загружается мелкозернистый материал 16 с плотностью большей плотности теплоносителя. По штуцеру 11 теплоноситель подают в первую секцию межтрубного пространства со скоростью в диапазоне скоростей существования псевдоожиженного слоя данного мелкозернистого материала 16. Количество мелкозернистого материала 16, загружаемого в каждую секцию, определяется таким образом, чтобы при данной скорости теплоносителя слой расширялся на всю высоту трубного пучка. Расширение 2 верхней части корпуса 1 увеличивает площадь проходного сечения для теплоносителя, что снижает скорость его движения до скорости, меньшей скорости начала псевдоожижения частиц мелкозернистого материала. Соответственно, частицы остаются в псевдоожиженном состоянии в межтрубном пространстве, но не выносятся в расширенную часть корпуса 1. Далее теплоноситель, не содержащий твердые частицы, переливается через переливную перегородку 3, попадает в кожух 4 и через отводящий штуцер 12 по трубе 17 подается в подводящий штуцер 11 следующей секции, а через стакан 9 и колпачок 10 попадает в межтрубное пространство и осуществляет в ней псевдоожижение мелкозернистого материала. Аналогично происходит псевдоожижение мелкозернистого материала, движение теплоносителя и его переток во всех последующих секциях.
Трубный пучок, сформированный трубными решетками 7 и горизонтальными трубами 8, закрыт задней крышкой 6 и передней крышкой 5, в которую по штуцеру 13 подается, а по штуцеру 14 выводится теплоноситель трубного пространства. I-I - вход и выход теплоносителя межтрубного пространства, II-II - вход и выход теплоносителя трубного пространства (фиг. 1, 2, 3).
Таким образом, наличие в расширяющейся верхней части корпуса каждой секции переливной перегородки и кожуха, снабженного штуцером отвода теплоносителя из межтрубного пространства, соединенного трубой со штуцером подвода теплоносителя в следующую секцию, а также наличие в каждой секции кожухотрубного теплообменника слоя мелкозернистого материала, плотность которого больше плотности теплоносителя, улучшает степень использования тепловых свойств теплоносителя межтрубного пространства, увеличивает движущую силу процесса и, соответственно, эффективность процесса теплообмена в целом.