Спирально-змеевиковый теплообменник с вкладышами между рубашкой и последним трубным слоем
SPIRAL-COIL HEAT EXCHANGER WITH INSERTS BETWEEN JACKET AND LAST TUBULAR LAYER

Настоящее изобретение относится к теплообменнику в соответствии с п. 1 прилагаемой формулы изобретения, а также к способу расположения преград для потока в теплообменнике в соответствии с п. 14 прилагаемой формулы изобретения.
Такой теплообменник содержит оболочку, способную выдерживать давление, проходящую вдоль продольной оси, ориентированной предпочтительно вертикально, и ограничивающую пространство внутри оболочки для приема первой текучей среды. В этом пространстве внутри оболочки расположен трубный пучок с трубами для приема по меньшей мере одной второй текучей среды, причем данные трубы образуют несколько трубных слоев трубного пучка, расположенных один поверх другого в радиальном направлении трубного пучка. Соответственно, указанная по меньшей мере одна вторая текучая среда может входить в опосредованный теплообмен с первой текучей средой, проходящей в пространстве внутри оболочки. Кроме того, такой теплообменник содержит рубашку, расположенную в пространстве внутри оболочки и окружающую трубный пучок, предпочтительно имеющую форму цилиндрического кожуха, причем между рубашкой и наиболее удаленным от центра трубным слоем расположены вставки, проходящие параллельно продольной оси. Благодаря вставкам, при помощи которых рубашка может быть зафиксирована на наиболее удаленном от центра трубном слое, могут быть уменьшены, в частности, напряжения, вызванные действием температуры, между рубашкой и трубным пучком. В связи с этим вставки могут быть выполнены с возможностью упругого деформирования в радиальном направлении трубного пучка. При этом, однако, вследствие наличия вставок между каждыми двумя соседними, в окружном направлении рубашки, вставками, а также между рубашкой и самым верхним трубным слоем существует небольшое промежуточное пространство, имеющее, в частности, в каждом случае вид частичной оболочки цилиндрического кожуха. Эти
промежуточные пространства снижают эффект, оказываемый рубашкой и состоящий в блокировании избыточного обходного потока первой текучей среды в обход трубного пучка, поскольку такие потоки негативно влияют на эффективность теплообменника. С одной стороны, в случае пленочного испарителя слишком большой обходной поток может приводить к повышенному накоплению текучей среды в поддоне теплообменника. Если при этом уровень текучей среды поднимается слишком высоко, производительность такого теплообменника должна быть снижена, или текучая среда (первая текучая среда) должна быть отведена из системы, в частности, для предотвращения останова установки. С другой стороны, из-за наличия этого обходного потока может снижаться количество тепла, передаваемого в теплообменнике.
С учетом вышеизложенного, задача настоящего изобретения состоит в создании теплообменника и способа, в которых устранен вышеописанный недостаток, связанный с наличием обходного потока.
Указанная задача решена путем создания теплообменника, имеющего признаки п. 1 прилагаемой формулы изобретения, и способа, содержащего признаки п. 14 прилагаемой формулы изобретения. Предпочтительные варианты этих аспектов настоящего изобретения охарактеризованы в соответствующих зависимых пунктах прилагаемой формулы изобретения и описаны далее.
В соответствии с п. 1, в заявленном теплообменнике в соответствующем промежуточном пространстве расположена преграда для потока, выполненная с возможностью блокирования или предотвращения потока первой текучей среды в соответствующем промежуточном пространстве по меньшей мере на сегменте соответствующего промежуточного пространства, проходящем вдоль продольной оси.
Кроме того, в одном предпочтительном варианте выполнения заявленного теплообменника соответствующее промежуточное пространство имеет поперечное сечение, перпендикулярное продольной оси, причем соответствующая преграда для потока занимает, вдоль всей своей длины в направлении продольной оси, более 50%, предпочтительно более 60%, предпочтительно более 70%, предпочтительно более 80%, предпочтительно более 90%, предпочтительно более 95%, предпочтительно более 99%, в частности 100% от площади указанного поперечного сечения
соответствующего промежуточного пространства.
Кроме того, в одном предпочтительном варианте выполнения заявленного теплообменника соответствующая преграда для потока содержит гибкий слой материала, благодаря чему обеспечивается возможность размещения данного слоя вокруг относительно более жесткой несущей конструкции, изготовленной, например, из металла. Такой слой материала может иметь, например, в соответствии с предпочтительными вариантами выполнения, модуль упругости при сжатии (например, в соответствии со стандартом DIN EN ISO 604) менее 10000 МПа (мегапаскалей), предпочтительно менее 2000 МПа, особо предпочтительно менее 1000 МПа, предпочтительнее в диапазоне от 100 до 1000 МПа и особо предпочтительнее в диапазоне от 300 до 1000 МПа.
В соответствии с одним вариантом выполнения предложенного изобретения указанный гибкий слой материала может содержать политетрафторэтилен (PTFE) или может быть сформирован из политетрафторэтилена.
В частности, для облегчения введения соответствующей преграды для потока в соответствующее промежуточное пространство в одном варианте выполнения соответствующая преграда предпочтительно содержит несущую структуру. В этом случае несущая структура также может быть сформирована за одно целое со слоем материала, или слой материала может быть сформирован за одно целое с несущей структурой.
При этом несущей структуре может быть придана форма, например, наподобие пластины. Если расстояние между соседними, в окружном направлении рубашки, вставками является достаточно малым, то несущая структура может быть сформирована, например, в виде гладкой или плоской пластины, в частности, в виде металлического листа. При больших расстояниях между соседними вставками такая несущая структура может также содержать изгиб, который соответствует изгибу трубного слоя, наиболее удаленного от центра в радиальном направлении рубашки, или повторяет очертания указанного трубного слоя.
В целом, в соответствии с одним вариантом выполнения, несущая структура может содержать металл или может быть сформирована из металла.
Кроме того, в соответствии с одним предпочтительным вариантом
выполнения теплообменника, слой материала соответствующей преграды для потока относительно вертикально направленной продольной оси оболочки расположен вокруг верхнего края несущей структуры преграды для потока или обведен вокруг указанного верхнего края (например, при наличии сформованной несущей структуры/сформованного слоя материала, как указано выше), так что слой материала покрывает по меньшей мере на некоторых участках, а предпочтительно полностью, указанный верхний край, переднюю сторону несущей структуры и заднюю сторону несущей структуры, обращенную от передней стороны. При этом передняя сторона соответствующей несущей структуры обращена к рубашке и от наиболее удаленного от центра трубного слоя.
Кроме того, в соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения теплообменника, в каждом случае соответствующую преграду для потока относительно вертикально направленной продольной оси оболочки вводят снизу вверх в соответствующее промежуточное пространство. Благодаря этому может быть предпринято, в частности, последующее дооснащение уже созданного теплообменника преградой для потока в соответствии с настоящим изобретением (как указано далее). При этом для получения доступа к теплообменнику может быть использовано, например, имеющееся отверстие, например, в виде люка, в оболочке теплообменника.
Кроме того, в соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения теплообменника, соответствующая преграда для потока введена в соответствующее промежуточное пространство или расположена в указанном промежутке, с расположением участка слоя материала вокруг верхнего края, указанным участком вперед. В данном случае несущую структуру выгодно используют для упрочнения слоя материала, предпочтительно обеспечивающего уплотнение соответствующего промежуточного пространства. Таким образом, в относительно узкое промежуточное пространство между рубашкой и наиболее удаленными от центра трубными слоями может быть введен относительно крайне гибкий уплотнительный материал или соответствующий слой материала. При этом несущая структура предпочтительно остается в теплообменнике. Тем не менее, также удобно использовать несущую структуру только в качестве вспомогательного средства для позиционирования и извлекать ее после
расположения соответствующего слоя материала.
Что касается уплотнения имеющихся промежуточных пространств, особенно важно устранять обходные потоки в нижнем участке трубного пучка. Для этого в соответствии с одним вариантом выполнения теплообменника, соответствующая преграда для потока проходит относительно вертикальной ориентации продольной оси оболочки, только вдоль нижнего участка трубного пучка в соответствующем промежуточном пространстве. Указанный нижний участок проходит, в частности, вверх от самого нижнего конца трубного пучка (это касается теплообменника, установленного в положение эксплуатационной готовности, в котором продольная ось проходит параллельно вертикали). Указанный нижний участок предпочтительно имеет протяженность или длину в направлении продольной оси, которая, в частности, составляет менее 50%, 30%, 20%, 10% или 5% от общей длины трубного пучка вдоль указанной продольной оси.
Кроме того, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения, соответствующая преграда для потока проходит, в окружном направлении рубашки, вдоль всей окружной протяженности соответствующего промежуточного пространства между вставками и полностью заполняет это пространство, в частности, также в радиальном направлении. Это позволяет блокировать поток в соответствующем промежуточном пространстве по меньшей мере на сегменте промежуточного пространства, по которому вдоль продольной оси проходит соответствующая преграда для потока.
Кроме того, в соответствии с одним предпочтительным вариантом выполнения теплообменника, трубы для образования трубных слоев навиты в каждом случае по спирали на центральную трубу теплообменника, выполненную с возможностью восприятия нагрузки от труб, или вокруг указанной трубы. В данном варианте теплообменник предпочтительно содержит дополнительные вставки между соответствующим трубным слоем и лежащим под ним трубным слоем, расположенным более глубоко в радиальном направлении, причем в каждом случае эти дополнительные вставки проходят вдоль продольной оси. При этом отдельные трубные слои предпочтительно опираются посредством вставок (в постоянном количестве из расчета на трубный слой) на расположенный ниже трубный слой и тем
самым в конечном итоге на центральную трубу. Центральная труба предпочтительно проходит вдоль продольной оси оболочки и, кроме того, расположена в пространстве внутри оболочки предпочтительно соосно с оболочкой.
Каждая из указанных вставок предпочтительно расположена в радиальном направлении точно над соответствующей вставкой, лежащей ниже. Кроме того, наиболее удаленные от центра (в радиальном направлении трубного пучка) вставки предпочтительно выполнены с возможностью упругого деформирования в радиальном направлении, что позволяет сгладить напряжения, вызванные действием температуры, между рубашкой и трубным пучком. В связи с этим вставки могут быть изготовлены из соответствующего материала или могут содержать отдельные пружинные средства (например, винтовые пружины).
В другом аспекте предложенное изобретение относится к способу размещения, в частности, встраивания, преград для потока в теплообменнике, содержащем оболочку, проходящую вдоль продольной оси и окружающую пространство внутри оболочки для приема первой текучей среды, причем указанный теплообменник содержит трубный пучок, расположенный в пространстве внутри оболочки и содержащий трубы для приема по меньшей мере одной второй текучей среды, образующие несколько трубных слоев, и рубашку, расположенную в пространстве внутри оболочки и охватывающую наиболее удаленный от центра, в радиальном направлении трубного пучка, трубный слой трубного пучка, причем между рубашкой и наиболее удаленным от центра трубным слоем расположены вставки, проходящие вдоль продольной оси, при этом между каждыми двумя соседними, в окружном направлении рубашки, вставками, а также между рубашкой и самым верхним трубным слоем имеется промежуточное пространство, причем в соответствующее промежуточное пространство вводят преграду для потока, обеспечивающую блокирование или устранение потока первой текучей среды вдоль продольной оси в соответствующем промежуточном пространстве по меньшей мере на сегменте указанного соответствующего промежуточного пространства, проходящем вдоль продольной оси.
В отдельных вариантах выполнения предложенного способа преграды для потока могут быть сконструированы так, как описано выше.
Каждую преграду для потока предпочтительно вводят снизу в соответствующее промежуточное пространство и затем проталкивают вверх вдоль (предпочтительно вертикальной) продольной оси в оболочке теплообменника.
Как указано выше, в соответствии с одним вариантом выполнения предложенного способа, теплообменник, уже находящийся в положении эксплуатационной готовности, дооснащают таким образом для улучшения блокирования обходных потоков в промежуточных пространствах.
В частности, соответствующая преграда для потока, которую проталкивают снизу вверх предпочтительно вдоль продольной оси в нижний участок соответствующего промежуточного пространства, содержит несущую структуру с верхним краем, вокруг которого расположен слой материала (как указано выше, данный слой материала может быть также сформирован за одно целое с несущей структурой), так что участок слоя материала окружает указанный верхний край, причем преграду для потока проталкивают в соответствующее промежуточное пространство снизу вверх указанным участком вперед. Указанный слой материала или несущая структура могут содержать соответствующие вышеописанные материалы или могут быть сформированы из этих материалов.
Другие особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидны из нижеследующего описания примерного варианта выполнения изобретения со ссылкой на фигуры прилагаемых чертежей, на которых:
на фиг. 1 изображен вид с местным разрезом предложенного теплообменника;
на фиг. 2 изображен вид в аксонометрии фрагмента трубного слоя предложенного теплообменника, причем на самом верхнем трубном слое расположена рубашка, зафиксированная на этом трубном слое с помощью вставок, и между рубашкой и указанным трубным слоем имеются преграды для потока (на фиг. 2 для ясности изображена только одна преграда для потока); и
на фиг. 3 изображен вид в сечении преграды для потока, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и показанной на фиг. 2.
На фиг. 1 и на связанных с ней фиг. 2 и 3 изображен вариант выполнения предложенного теплообменника 1 с преградами 300 для потока.
Теплообменник 1 предназначен для непрямого теплообмена между первой текучей средой S и по меньшей мере одной второй текучей средой S' и содержит оболочку 10, окружающую пространство М внутри оболочки для приема первой текучей среды S, которая может быть введена в пространство М через впускной патрубок 101, расположенный на оболочке 10, и выведена из пространствам через соответствующий выпускной патрубок 102, расположенный на оболочке 10, причем первую текучую среду S подают сверху в трубный пучок 2 теплообменника, расположенный в пространстве М.
Оболочка 10 теплообменника 1 проходит вдоль продольной оси z, проходящей по вертикали, в соответствии с рабочим положением теплообменника 1. Трубный пучок 2 содержит трубы 20 для приема по меньшей мере одной второй текучей среды S'. В соответственно предназначенных трубах или группах труб трубного пучка 2 могут проходить различные вторые текучие среды S', то есть трубный пучок 2 разделен в соответствии с количеством проходящих вторых текучих сред S'. Трубы 20 навиты спирально на центральную трубу 21 таким образом, что образованы трубные слои 200, 201, расположенные один поверх другого в радиальном направлении R, перпендикулярном продольной оси z, причем центральная труба 21 также проходит вдоль продольной оси z и расположена в пространстве М концентрично с ним. Кроме того, отдельные трубные слои 200, 201 зафиксированы друг относительно друга с помощью вставок 6, проходящих вдоль продольной оси z, причем в каждом случае несколько вставок 6 расположены друг над другом в радиальном направлении R трубного пучка 2. При этом между соседними трубными слоями предпочтительно имеется постоянное количество вставок 6.
Несколько труб 20 могут быть совместно подведены к трубной решетке 104, и при этом по меньшей мере одна вторая текучая среда S' может быть введена в указанные трубы 20 с помощью впускных патрубков 103, расположенных на оболочке 10, и отведена из труб 20 с помощью выпускных патрубков 105. Соответственно, между первой текучей средой S и по меньшей мере одной второй текучей средой S' опосредованно может передаваться тепло, причем указанные текучие среды S, S' проходят через теплообменник 1, например, в противотоке.
Оболочка 10 и центральная труба 21 выполнены, по меньшей мере на
некоторых участках, цилиндрическими, и таким образом продольная ось z образует ось цилиндра оболочки 10 и центральной трубы 21, проходящей в указанной оболочке концентрично с ней. Кроме того, в пространстве М расположена рубашка 3, предпочтительно выполненная в виде полого цилиндра и охватывающая трубный пучок 2, так что между трубным пучком 2 и каждой рубашкой 3 образован кольцевой зазор, окружающий трубный пучок 2. В данном кольцевом зазоре расположены вставки 60, проходящие вдоль продольной оси z, с помощью которых рубашка 3 зафиксирована на трубном пучке 2, в частности, на наиболее удаленном от центра трубном слое 200. Вставки 60 проходят предпочтительно вдоль продольной оси z по всей длине трубного пучка 2 и в каждом случае предпочтительно выполнены с возможностью упругого деформирования в радиальном направлении R для обеспечения возможности сглаживания напряжений, вызванных действием температуры, между трубным пучком 2 и рубашкой 3. Благодаря вставкам 60 между рубашкой 3 и наиболее удаленным от центра трубным слоем 200, между каждыми двумя соседними в окружном направлении U вставками 60 имеется промежуточное пространство М', проходящее вдоль продольной оси z.
В указанных промежуточных пространствах М' предпочтительно расположены преграды 300 для потока, которые в идеальном случае полностью блокируют обходной поток первой текучей среды S в промежуточных пространствах М' в области преград 300 или, в частности, по меньшей мере препятствуют прохождению указанных обходных потоков, так что достигается значительное повышение эффективности теплообменника 1 или обеспечивается возврат по меньшей мере части текучей среды S (предпочтительно всей текучей среды S) из соответствующего промежуточного пространства М' обратно в пучок 2.
В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения преграды 300 содержат несущую структуру 302 (например, в виде прямоугольного металлического листа) и слой 301 материала, состоящий, например, из политетрафторэтилена (PTFE) и расположенный вокруг верхнего края 302b несущей структуры 302 таким образом, что слой 301 материала соответствующими участками 301а, 301b, 301с покрывает указанный верхний край 302b, переднюю сторону 302а несущей структуры 302, обращенную к рубашке 3, и заднюю сторону 302с несущей структуры 302,
обращенную от передней стороны 302а. В данном случае несущая структура 302 используется для упрочнения слоя 301 материала соответствующей преграды 300, которую в каждом случае вводят в соответствующее промежуточное пространство М' предпочтительно снизу вверх в направлении Е введения (как показано на фиг. 2 и 3) участком 301b, расположенным вокруг соответствующей верхней кромки 302b, и проталкивают вверх. Для примерного теплообменника 1, установленного в вертикальном положении, направление Е введения проходит в вертикальном направлении вверх вдоль продольной оси z. Разумеется, преграды 300 могут быть вставлены также в лежащий теплообменник 1, когда направление Е введения ориентировано, соответственно, горизонтально в каждом случае. Предпочтительно, соответствующая преграда 300, расположенная в соответствии с рабочим положением, плотно заполняет нижний участок соответствующего промежуточного пространства М' и тем самым предпочтительно предотвращает прохождение в данной области обходного потока первой текучей среды S в обход трубного пучка 2.
Предпочтительно такое уплотнение может быть установлено в виде модификации уже существующего витого теплообменника 1.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НОМЕРОВ позиции
1 Теплообменник
2 Трубный пучок
3 Рубашка
6 Вставка
10 Оболочка
20 Трубы
21 Центральная труба
60 Наиболее удаленные от центра вставки
101 Впускной патрубок
102 Выпускной патрубок
103 Впускной патрубок
104 Трубная решетка
105 Выпускной патрубок
200 Наиболее удаленный от центра трубный слой
201 Трубный слой
300 Преграда для потока
301 Слой материала
301а, 301b, 301с Участки слоя материала
302 Несущая структура
302а Передняя сторона
302b Верхний край
302с Задняя сторона
Е Направление введения
R Радиальное направление
Z Продольная ось
М Пространство внутри оболочки
М' Промежуточное пространство
U Окружное направление.