КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Техническое решение относится к теплообменным аппаратам и может найти применение в химической, нефтехимической, машиностроительной, горно-перерабатывающей, 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 (описание изобретения к авторскому свидетельству №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 (описание изобретения к авторскому свидетельству №500695, СССР, F28D 7/00, F28F 19/00, 1984 г.).
Недостатками данных технических решений являются малое время пребывания теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве со скоростью, обеспечивающей создание псевдоожиженного слоя частиц мелкозернистого материала, что уменьшает время его пребывания и контакта с наружной поверхностью труб, и, соответственно, недостаточная эффективность использования тепловой мощности теплоносителя.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является 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 (описание изобретения к авторскому свидетельству №457367, СССР, F28D 7/00, F28F 19/00, 1984 г).
Недостатком данного технического решений является малое время пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве из-за необходимости его движения со скоростью, обеспечивающей равномерное псевдоожижение мелкозернистого материала по высоте межтрубного пространства, а малое время пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве снижает эффективность использования его тепловой мощности.
Задача, на которую направлено данное техническое решение - увеличение времени пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника является повышение эффективности использования тепловой мощности теплоносителя в межтрубном пространстве.
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 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.
Разделение межтрубного пространства по длине трубного пучка вертикальными перегородками на чередующиеся друг с другом секции позволяет перевести кожухотрубный теплообменник по классификации межтрубного пространства из одноходового к многоходовому, что увеличивает время пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве пропорционально числу секции и повышает эффективность использования тепловой мощности этого теплоносителя.
Кроме того, равномерное разделение межтрубного пространства по длине труб трубного пучка вертикальными перегородками на чередующиеся друг с другом секции обеспечивает равные площади сечений межтрубного пространства всех секций, а значит и одинаковые скорости (но противоположно направленные в смежных секциях) теплоносителя в них, что обеспечивает равномерное распределение мелкозернистого материала по объему межтрубного пространства каждой секции, что, в свою очередь, еще больше повышает эффективность использования тепловой мощности теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника.
Также, наличие в межтрубном пространстве вертикальных перегородок препятствует перетоку теплоносителя вдоль труб из одной секции в другую (в местах крепления вертикальных перегородок к корпусу теплообменника) и обеспечивает сохранение частиц мелкозернистого материала и постоянство расхода теплоносителя в каждой секции межтрубного пространства, что способствует устойчивому равномерному распределению этих частиц по объему каждой секции и повышению эффективности использования тепловой мощности теплоносителя в межтрубном пространстве с противоположно направленным движением теплоносителя в смежных секциях.
Распределение мелкозернистого материала по секциям таким образом, что в секциях с восходящим движением теплоносителя плотность частиц мелкозернистого материала больше плотности теплоносителя, а в секциях с нисходящим движением теплоносителя плотность частиц мелкозернистого материала меньше плотности теплоносителя, позволяет создавать псевдоожиженный слой этого материала по всему объему межтрубного пространства каждой секции. В качестве мелкозернисто материала могут использоваться песок, стеклянные или керамические шарики, пластиковые гранулы и т.п. Оптимальный для псевдоожижения размер частиц в среднем составляет 1,5÷4,0 мм.
Псевдоожижение, во-первых, повышает в два-три раза коэффициент теплоотдачи в каждой секции от поверхности труб к теплоносителю или от теплоносителя к поверхности труб по сравнению с теплоотдачей от жидкого теплоносителя без псевдоожиженного слоя, а, во-вторых, за счет трения частиц мелкозернистого материала, образующих псевдоожиженный слой, о внешние поверхности труб предотвращается в процессе эксплуатации аппарата образование на них ржавчины, солевого камня, накипи, продуктов термической деструкции и других отложений, обеспечивая работу теплообменника с постоянно чистыми теплообменными поверхностями, что способствует повышению эффективности использования тепловой мощности теплоносителя в каждой секции межтрубного пространства.
Установка под трубным пучком каждой секции с нисходящим движением теплоносителя сеток позволяет предотвратить унос частиц мелкозернистого материала из этих секций, что приводит к постоянному и устойчивому содержанию частиц мелкозернистого материала в секциях с нисходящим движением теплоносителя, что способствует поддержанию высокой эффективности использования тепловой мощности теплоносителя в межтрубном пространстве.
Предотвращение уноса частиц мелкозернистого материала в секциях с восходящим движением теплоносителя осуществляется за счет наличия в верхней части корпусе теплообменника расширения, которое увеличивает проходное сечение каждой секции межтрубного пространства, что позволяет предотвратить унос частиц мелкозернистого материала из каждой секции межтрубного пространства с восходящим движением теплоносителя за счет резкого снижения скорости этого теплоносителя, которая становится меньше скорости псевдоожижения, что приводит к постоянному и устойчивому содержанию частиц мелкозернистого материала в секциях с восходящим движением теплоносителя. Это обстоятельство также способствует поддержанию высокой эффективности использования тепловой мощности теплоносителя в межтрубном пространстве.
Таким образом, использование частиц мелкозернистого материала с плотностью большей и меньшей плотности теплоносителя в секциях с восходящим и нисходящим движениями теплоносителя соответственно позволяет переходить от теплообменника одноходового класса к многоходовому классу по межтрубному пространству за счет разделения этого пространства по длине труб трубного пучка вертикальными перегородками на секции. Это обстоятельство увеличивает время пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве пропорционально числу секций, а значит, способствует эффективному использованию тепловой мощности теплоносителя в межтрубном пространстве.
На фиг. 1 представлена схема в продольном разрезе предлагаемого кожухотрубного теплообменника, на фиг. 2 - поперечный разрез по А-А.
Кожухотрубный теплообменник содержит корпус 1 с расширяющейся верхней частью 2, переднюю 3 и заднюю 4 крышки трубного пространства, трубные решетки 5 и горизонтальные трубы 6 трубного пучка, распределитель жидкого теплоносителя в виде стаканов 7 с колпачками 8, штуцеры подвода 9 и отвода 10 теплоносителя межтрубного пространства, штуцеры подвода 11 и отвода 12 теплоносителя трубного пространства, вертикальные перегородки 13, разделяющие межтрубное пространство равномерно по длине трубного пучка на чередующиеся друг с другом секции для восходящего и нисходящего движений теплоносителя, а также в секциях с восходящим движением теплоносителя мелкозернистый материал 14 с частицами, плотность которых больше плотности теплоносителя в межтрубном пространстве, и мелкозернистый материал 15 с частицами, плотность которых меньше плотности теплоносителя в межтрубном пространстве, в секциях с нисходящим движением теплоносителя. В нижней части секции с нисходящим движением теплоносителя установлены сетки 16. Над каждой секцией установлены люки 17 для загрузки частиц мелкозернистого материала 14 и 15.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.
В секции межтрубного пространства загружается мелкозернистый материал соответствующей плотности. По штуцеру 9 подают теплоноситель межтрубного пространства, который заполняет весь объем между трубами 15 и, двигаясь снизу вверх в секциях I и III и сверху вниз в секциях II и IV, приводит мелкозернистый материал в псевдоожиженное состояние, и образует многоходовой теплообменник по межтрубному пространству. Теплоноситель из межтрубного пространства отводится по патрубку 10.
По штуцеру 1 передней крышки 3 подают теплоноситель трубного пространства, который проходит по трубам 6 трубного пучка и отводится через штуцер 12 в задней крышки 4.
Частицы 14 в секциях I и III и частицы 15 в секциях II и IV мелкозернистого материала, образуя псевдоожиженные слои по всему объему межтрубного пространства, интенсивно взаимодействуют с наружными стенками труб 6 трубного пучка, предотвращают образование на них термических отложений, ржавчины и солевого камня, что способствует увеличению теплопереноса между теплоносителями в трубном и межтрубном пространстве, а переход от одноходового кожухотрубного теплообменника к многоходовому кожухотрубному теплообменнику по межтрубному пространству позволяет увеличивать эффективность использования тепловой мощности теплоносителя за счет увеличения времени пребывания, пропорционально числу ходов или секций.
При остановке работы, когда подачу теплоносителей в трубное и межтрубное пространство прекращают, частицы мелкозернистого материала 14 с плотностью больше плотности теплоносителя межтрубного пространства в секциях I и III опускаются вниз в зону размещения распределителей этого теплоносителя, состоящих из стаканов 7 и колпачков 8, а частицы мелкозернистого материала 15 с плотностью частиц меньшей плотности теплоносителя межтрубного пространства опускаются в секциях II и IV на сетки 16.
Таким образом, равномерное разделение межтрубного пространства по длине труб 6 трубного пучка вертикальными перегородками 13 на секции с чередующимися восходящим и нисходящим движениями теплоносителя в межтрубном пространстве позволяет перевести конструкцию кожухотрубного теплообменника из одноходового режима работы в многоходовой режим работы по теплоносителю межтрубного пространства, что увеличивает время пребывания этого теплоносителя пропорционально числу секций и способствует возрастанию эффективности использования его тепловой мощности.