ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована в химической, металлургической, энергетической и пищевой отрасли промышленности для подогрева или охлаждения различных сред.
Одной из основных проблем, имеющих место при подогреве или охлаждении различных сред, является недостаточная эффективность работы теплообменников вследствие невысокой интенсивности теплообмена в них. В результате этого ухудшается эффективность производств, в которых применяются данные теплообменники, требуется повышение энергозатрат и дополнительные теплообменные аппараты.
Известен теплообменный аппарат, состоящий из двух вертикально расположенных кожухотрубчатых элементов, в первом из которых нагреваемая или охлаждаемая среда движется по трубкам сверху вниз, а во втором - снизу вверх, каждый из элементов включает в себя теплообменные трубки, кожух и трубные доски, а также штуцера для подвода и отвода теплоносителя, расположенные у верхней и нижней трубных досок. К каждому элементу присоединены входная и выходная растворные камеры, в которых соответственно размещены штуцера для входа в теплообменный аппарат и выхода из него нагреваемой или охлаждаемой среды и соединительный трубопровод между выходной растворной камерой первого элемента и входной растворной камерой второго элемента (см. Кичигин М.А., Костенко Г.Н. Теплообменные аппараты и выпарные установки. - М.: Госэнергоиздат, 1955. - С.35, фиг.1-33). Данный теплообменный аппарат является наиболее близким к заявленному и принят за прототип.
Известный теплообменный аппарат работает следующим образом. Нагреваемая или охлаждаемая среда подается в него через штуцер входа этой среды, расположенный на боковой стенке во входной растворной камере первого кожухотрубчатого элемента. Из этой камеры нагреваемая или охлаждаемая среда поступает в теплообменные трубки первого элемента, проходит по ним сверху вниз и сливается в выходную растворную камеру первого элемента. При прохождении по трубкам среда нагревается или охлаждается за счет теплоты или холода теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство первого элемента через штуцер, размещенный у верхней трубной доски. Отводится охлажденный или нагретый теплоноситель через штуцер, расположенный у нижней трубной доски данного элемента. Из выходной растворной камеры первого элемента нагреваемая или охлаждаемая среда по соединительному трубопроводу поступает во входную растворную камеру второго элемента. После этого среда проходит по трубкам и нагревается или охлаждается. При прохождении по трубкам второго элемента среда дополнительно нагревается или охлаждается теплом или холодом теплоносителя, подаваемым в межтрубное пространство через штуцер у верхней трубной доски и отводимым через штуцер у нижней трубной доски. Из выходной растворной камеры второго элемента среда отводится через штуцер выхода, расположенный на ней.
Недостаток известного теплообменного аппарата состоит в неравномерности распределения потока нагреваемой или охлаждаемой среды по теплообменным трубкам во входных растворных камерах каждого элемента. В результате этого снижается эффективность работы аппарата, уменьшается интенсивность теплообмена.
Другим недостатком известного теплообменного аппарата является наличие прямотока в первом элементе и противотока - во втором. Вследствие этого происходит снижение общей средней разности температур в аппарате, т.е. снижается эффективность его работы.
Кроме того, в случае применения жидкого теплоносителя, в особенности для охлаждения перерабатываемой среды, недостатком известного теплообменного аппарата является повышенный расход теплоносителя для обеспечения достаточной разности температур в аппарате. В результате этого теплоноситель на выходе из теплообменного аппарата недостаточно охлажден или подогрет, что ведет к увеличению его расхода для достижения заданной температуры подогреваемой или охлаждаемой среды.
Анализ недостатков известного технического решения позволил авторам предложить теплообменный аппарат, в котором будет достигнут желаемый технический результат - повышение эффективности работы, интенсификация теплообмена и снижение расхода теплоносителя.
Для достижения отмеченного технического результата в теплообменном аппарате, состоящем из двух вертикально расположенных кожухотрубчатых элементов, первый элемент установлен с возможностью движения потока нагреваемой или охлаждаемой среды сверху вниз, второй - снизу вверх, каждый из элементов включает в себя теплообменные трубки, кожух и трубные доски, а также штуцера для подвода и отвода теплоносителя, расположенные у верхней и нижней трубных досок, присоединенных к каждому элементу входной и выходной растворных камер, на которых соответственно размещены штуцера входа и выхода в теплообменный аппарат нагреваемой или охлаждаемой среды и соединительный трубопровод между выходной растворной камерой первого элемента и входной растворной камерой второго элемента, согласно полезной модели, во входной растворной камере перед трубной доской каждого элемента установлен рассекатель потока, выполненный в виде вертикальных пластин, пересекающихся между собой с образованием квадратных ячеек со стороной составляющей 0,5-1 диаметра теплообменной трубки и высотой пластин составляющей 2-5 диаметра теплообменной трубки, соединительный трубопровод между элементами выполнен в виде колена, а штуцера входа теплоносителя размещены у нижней трубной доски каждого элемента. При этом подвод теплоносителя к теплообменному аппарату осуществлен через штуцер входа теплоносителя второго элемента, а штуцер выхода теплоносителя из него соединен трубопроводом со штуцером входа теплоносителя первого элемента.
Заявленный теплообменный аппарат является новым, т.к. из уровня техники не известны решения с такой же совокупностью существенных признаков, о чем свидетельствует анализ аналога. Полезная модель промышленно применима и может быть использована в указанных выше отраслях промышленности. Все признаки полезной модели выполнимы и воспроизводимы. Они используются для достижения ожидаемого технического результата в полном объеме.
Рассмотрим подробнее необходимость и достаточность отличительных признаков заявляемого технического решения.
Заявленная совокупность признаков предлагаемого технического решения позволяет обеспечить равномерность течения нагреваемой или охлаждаемой среды по теплообменным трубкам всего трубного пучка. За счет этого увеличивается эффективность работы теплообменного аппарата и интенсифицируется теплообмен в нем. Этому способствует установка перед трубными досками каждого элемента рассекателей потока, выполненных в виде вертикальных пластин, пересекающихся между собой с образованием квадратных ячеек со стороной (0,5-1) диаметра теплообменной трубки и высотой пластин (2-5) диаметра теплообменной трубки, а также соединительный трубопровод между элементами, выполненный в виде колена. Благодаря указанным признакам заявленного технического решения происходит выравнивание потока среды во входных камерах каждого элемента и равномерное течение ее по трубам.
Рассекатель потока, имеющий заявляемые размеры, как показали результаты испытаний, позволяет разбить проходящий через нее поток на множество частей, в соответствии с количеством ячеек в нем. При этом высота пластин, равная 2-5 диаметра теплообменной трубки, из которых выполнена решетка и ее гидравлическое сопротивление, обеспечивают примерное равенство этих потоков, т.е. равномерность общего потока и сохранение ее от решетки до входа в теплообменные трубки. Тем самым происходит выравнивание скоростей каждого из малых потоков, вследствие чего происходит усреднение скорости общего потока на входе в трубки.
Выполнение соединительного трубопровода между элементами в виде колена приводит к снижению неравномерности и выравниванию потока нагреваемой или охлаждаемой среды, выходящей из выходной растворной камеры первого элемента и поступающей во входную растворную камеру второго элемента. Соединительный трубопровод в виде колена, по сравнению с трубопроводом в прототипе, обеспечивает равномерность потока среды на выходе из трубок первого элемента, при прохождении через этот трубопровод, при поступлении во входную растворную камеру второго элемента и вход в трубки в нем.
Размещение штуцера входа теплоносителя у нижней трубной доски каждого элемента дает возможность повысить эффективность работы теплообменного аппарата по сравнению с прототипом. В результате этого в первом элементе, в котором имеет место наибольшее различие в температурах между нагреваемой или охлаждаемой средой и теплоносителем, вместо прямотока устанавливается противоток. Во втором элементе, где отмеченные различия в температурах минимальны, вместо противотока будет прямоток. При этом противоток в первом элементе позволяет повысить среднюю разность температур на 10-20%, а прямоток во втором элементе (при минимальном различии температур) лишь незначительно снижает среднюю разность температур. В итоге, общая средняя разность температур аппарата возрастет почти на 8-15%, что ведет к повышению эффективности его работы вследствие большего нагрева или охлаждения среды, за счет увеличения теплосъема от теплоносителя.
Подвод теплоносителя к теплообменному аппарату через штуцер входа теплоносителя второго элемента и соединение штуцера выхода теплоносителя из него трубопроводом со штуцером входа теплоносителя первого элемента позволяет снизить расход теплоносителя. Это происходит потому, что в межтрубное пространство первого элемента подается уже частично охлажденный или подогретый теплоноситель из второго элемента. Таким образом происходит увеличение теплосъема от теплоносителя, что ведет к повышении эффективности работы аппарата.
Пример конкретного выполнения заявленного теплообменного аппарата иллюстрируется чертежами на фиг.1 и 2.
Теплообменный аппарат (см. фиг.1) состоит из двух вертикально расположенных кожухотрубчатых элементов 1 и 2. Каждый из элементов соответственно включает в себя теплообменные трубки 3 и 4, кожухи 5 и 6, а также верхние 7 и 8 и нижние 9 и 10 трубные доски. На элементах 1 и 2 имеются штуцера для подвода 11 и 12 и отвода 13 и 14 теплоносителя, расположенные у верхних 7 и 8 (подвод) и нижних 9 и 10 (отвод) трубных досок. При этом по теплообменным трубкам элемента 1 нагреваемая или охлаждаемая среда движется по трубкам 3 сверху вниз, а по теплообменным трубкам 4 элемента 2 - снизу вверх.
К каждому элементу присоединены входные 15 и 16 и выходные 17 и 18 растворные камеры. На входной камере 15 элемента 1 размещен штуцер 19 входа в теплообменный аппарат нагреваемой или охлаждаемой среды. На выходной растворной камере 18 элемента 2 размещен штуцер 20 выхода нагретой или охлажденной среды из аппарата.
Выходная растворная камера 17 элемента 1 и входная растворная камера 16 элемента 2 соединены между собой соединительным трубопроводом 21, выполненным в виде колена. Во входных растворных камерах элементов 1 и 2 установлены рассекатели потока 22 и 23. Конструкция рассекателя потока показана на фиг.2. Рассекатели потока 22 и 23 выполнены в виде вертикальных пластин 24 и 25, пересекающихся между собой с образованием квадратных ячеек со стороной 0,5-1 диаметра теплообменной трубки и высотой пластин 2-5 диаметра теплообменной трубки.
Подвод теплоносителя к теплообменному аппарату осуществляется через штуцер 11 для входа теплоносителя к элементу 2. При этом штуцер 13 для выхода теплоносителя из этого элемента соединен трубопроводом 26 со штуцером 12 для входа теплоносителя на элементе 1.
Заявленный теплообменный аппарат позволяет повысить эффективность работы и интенсифицировать теплообмен. За счет этого в нем, при одинаковой поверхности теплообмена с прототипом, увеличен теплосъем от теплоносителя к нагреваемой или охлаждаемой среде, что ведет к повышению температуры подогрева на 5-7°С и к снижению температуры охлаждения на 4-5°С. При этом коэффициент теплопередачи заявленного теплообменного аппарата повышается на 10-15% по сравнению с прототипом. Кроме того, заявленный теплообменный аппарат дает возможность снизить расход теплоносителя на 10-30% по отношению к прототипу.