КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ

Область техники
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно, к кожухотрубным теплообменникам для теплообмена жидких и газообразных сред в металлургической промышленности, промышленной теплоэнергетике, нефтеперерабатывающей, холодильной, атомной, газовой, нефтехимической, химической, энергетической промышленности и коммунальном хозяйстве.
Уровень техники
Известен кожухотрубный теплообменник (патент РФ №2494329, F28D 7/16, опубл. 27.09.2013 г.), содержащий соединенные между собой идентичные секции, каждая из которых содержит размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках. В этом теплообменнике достигается повышение эффективности использования тепловой энергии первичного источника за счет уменьшения гидравлических потерь.
Недостатком изобретения является отсутствие оребрения на трубах, что снижает эффективность использования поверхности нагрева. Также отсутствует возможность регулирования потока теплоносителя через входные патрубки (отсутствие автоматического регулирования и контроля). Нет возможности оперативной замены секции теплообменника в случае аварийной ситуации.
Известен кожухотрубный теплообменник (Патент РФ №95391, F28D 7/16, опубл. 27.06.2010 г.), содержащий полый кожух, размещенный в кожухе пакет труб, каждая из которых с обоих концов выполнена в виде параллельных оси трубы многогранных поверхностей, выполненных в форме правильного шестиугольника, причем диаметр вписанной в этот шестиугольник окружности равен диаметру внешней круговой поверхности дистанционных элементов трубы, что позволяет создать тесный трубный пучок и уменьшить внешние габариты теплообменника. Несмотря на уменьшение диаметра корпуса теплообменника, способ соединения секций между собой не позволяет добиться уменьшения габаритов теплообменника. Так же недостатком изобретения является отсутствие оребрения на трубах, и отсутствие возможности регулирования потока теплоносителя через входные патрубки (отсутствие автоматического регулирования и контроля). Нет возможности оперативной замены секции теплообменника в случае аварийной ситуации.
Наиболее близким по технической сущности является кожухотрубный теплообменник (патент РФ №2133004, F28D 7/00, опубл. 10.07.1999 г.), содержащий соединенные между собой идентичные секции, каждая из которых содержит размещенный в кожухе пучок труб, закрепленных с противоположных торцов в трубных решетках, и коллекторные камеры трубной и межтрубной сред с перегородками, образующими пространственные соединения между секциями и задающими направления течения сред в них.
Данное техническое решение позволяет создать относительно компактную конструкцию и увеличить эффективность использования поверхности нагрева теплоносителя за счет применения единых коллекторных камер вместо промежуточных подводящих и отводящих соединительных патрубков. В то же время в этом теплообменнике перегородки в коллекторных камерах задают обычное направление движения сред, т.е. среды последовательно проходят через каждую смежную секцию. Такое движение ограничивает возможности регулирования и оптимизации по заданному критерию соотношений параметров теплопередачи и гидравлических характеристик потоков, кроме того отсутствует система контроля и управления.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является утилизация тепловой энергии газов за счет повышения эффективности теплообмена и снижения аэродинамического сопротивления.
Технический результат достигается тем, что в кожухотрубчатом теплообменном аппарате для утилизации тепла технологических газов, содержащем соединенные между собой идентичные теплообменные секции, каждая из которых содержит размещенный в кожухе ряд труб, новым является то, что аппарат содержит корпус с конусными переходами, внутри которого расположены секции с охлаждающими блоками, выполненными из прямоугольных плоских труб с оребрением в виде перфорированных сплошных ребер охлаждения, входной и выходной коллектор с патрубками, систему трубопроводов.
Полезную модель дополняют частные отличительные признаки, способствующие достижению технического результата.
Корпус выполнен в виде трубы прямоугольного сечения. Конусные переходы соединяют теплообменный аппарат с газоходами, причем в конусных переходах установлены датчики, фиксирующие температуру и давление газа.
Секции выполнены с возможностью их замены в процессе эксплуатации теплообменного аппарата.
Охлаждающие блоки смонтированы с противоположных торцов секций и выполнены с возможностью закрывания крышками.
Ребра охлаждения выполнены с отверстиями.
В коллекторах установлены датчики, фиксирующие температуру и давление теплоносителя.
Перед входным коллектором установлен расходомер с регулируемой заслонкой.
В конусном переходе на выходе из теплообменного аппарата установлен гигрометр для фиксации попадания теплоносителя в газовый поток;
В системе трубопроводов расположены шаровые краны.
Запорные шиберы расположены перед и после конусных переходов.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема теплообменного аппарата с группами секций, а также показана схема движения газа и воды в разрабатываемом теплообменном аппарате; на фиг. 2 - показана схема движения газа и теплоносителя в охлаждающих блоках; на фиг. 3 - показан общий вид теплообменного аппарата; на фиг. 4 представлена отдельная теплообменная секция; на фиг. 5 - показано ребро охлаждения; на фиг. 6 - приведена расчетная эффективность процессов теплообмена (температура на выходе ЭТА) в зависимости от начальных условий: температуры на входе и количества секций.
Устройство состоит из следующих элементов.
1 - корпус теплообменного аппарата;
2 - теплообменные секции;
3 - конусные переходы;
4 - ребро охлаждения;
5 - охлаждающие блоки;
6 - верхняя крышка;
7 - нижняя крышка;
8 - входной коллектор;
9 - выходной коллектор;
10 - входной патрубок;
11 - выходной патрубок;
12 - датчик, фиксирующий температуру теплоносителя;
13 - датчик, фиксирующий давление теплоносителя;
14 - расходомер;
15 - гигрометр;
16 - нижняя система трубопроводов;
17 - верхняя система трубопроводов;
18 - датчики, фиксирующие температуру и давление на входе из теплообменного аппарата;
19 - датчики, фиксирующие температуру и давление на выходе из теплообменного аппарата;
20 - запорные шиберы.
21 - шаровые краны.
Кожухотрубчатый теплообменный аппарат состоит из корпуса 1, выполненого в виде «трубы» прямоугольного сечения. К корпусу по торцам болтовым соединением смонтированы конусные переходы 3, которые соединяют теплообменный аппарат с входным и выходным газоходами (не показаны). В конусных переходах 3 установлены датчики 18, 19, фиксирующие температуру и давление газа на входе и, соответственно, на выходе из теплообменного аппарата.
Внутри корпуса 1 расположены идентичные теплообменные секции 2. Оптимальное количество секций рассчитывается исходя из объемов и температуры отходящих технологических газов, в соответствии с диаграммой на фиг. 6. Секции 2 конструктивно выполнены с возможностью их замены в процессе эксплуатации теплообменного аппарата. Каждая секция состоит из идентичных параллельно расположенных охлаждающих блоков 5, выполненные, например из меди, смонтированных с противоположных торцов теплообменной секции 2. Для увеличения теплоотдачи применяются ребра охлаждения 4 охлаждающих блоков 5, например, медные, выполненных припайкой к блокам медной ленты. В ребрах охлаждения 4 присутствуют отверстия для повышения теплоотдачи и очистки оребрения от пылевых отложений потоком газа.
Для удобства монтажа и обслуживания секции 2 фиксируются к каркасу с помощью болтового соединения на прокладках сверху и снизу корпуса. Охлаждающие блоки 5 закрываются верхней 6 и нижней 7 крышками на прокладках. Подвод теплоносителя осуществляется через входной патрубок 10 во входной коллектор 8, далее через нижнюю систему трубопроводов 16 теплоноситель поступает в охлаждающие блоки 5. После прохождения через трубчатку охлаждающих блоков 5 теплоноситель отводится через верхнюю систему трубопроводов 17 в выходной коллектор 9, и уходит на дальнейшую утилизацию через выходной патрубок 11.
Во входном и выходном коллекторе 8, 9 установлены датчики 12, фиксирующие температуру, и датчики 13, фиксирующие давление теплоносителя на входе и, соответственно, на выходе из теплообменного аппарата.
Давление и объем поступающего теплоносителя во входной коллектор 8 регулируется расходомером 14 с регулируемой заслонкой, смонтированным перед входным коллектором 8.
Возможное попадание жидкого теплоносителя в газовый поток является аварийной ситуацией и фиксируется гигрометром 15, расположенным в конусном переходе на выходе из теплообменного аппарата.
В случае аварийной ситуации предусмотрено отключение подачи теплоносителя в секцию 2 с помощью расходомера 14 или шаровых кранов 21 расположенных в системе трубопроводов 16 и 17, расположенных на каждой секции 2.
Отключение подачи газа предусмотрено с помощью запорного шибера 20, расположенного перед и, соответственно, после конусного перехода 3.
Устройство работает следующим образом
При эксплуатации теплообменного аппарата поток горячего газа проходит через конусные переходы 3, соединяющие входной и выходной газоходы с корпусом 1, сквозь ряд идентичных секций 2 образованных охлаждающими блоками 5 с ребрами охлаждения 4.
Подвод теплоносителя осуществляется через входной патрубок 10 во входной коллектор 8, далее через нижнюю систему трубопроводов 16 поступает в охлаждающие блоки 5. Теплоноситель отводится через верхнюю систему трубопроводов 17 в выходной коллектор 9, и уходит на утилизацию через выходной патрубок 11. Давление и скорость подачи жидкого теплоносителя в каждую секцию регулируется с помощью шарового крана, смонтированного на нижней системе трубопроводов 16.
Благодаря использованию конструкции ребер охлаждения 4 и их компоновки, а именно монтаж теплообменных блоков из прямоугольных плоских труб с оребрением в виде перфорированных сплошных ребер, достигнута высокая эффективность теплообмена между газом и теплоносителем и низкое значение аэродинамического сопротивления теплообменного аппарата.