ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ С КОНДЕНСАЦИЕЙ ПАРОВ В МЕЖТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
VERTICAL SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER WITH CONDENSATION OF VAPOURS IN ANNULAR SPACE

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, в которых осуществляется конденсация паров в межтрубном пространстве, и может быть использовано в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известны кожухотрубчатые теплообменные аппараты, в которых имеется пучок теплообменных труб, расположенный в кожухе. Теплообменные трубы закреплены в трубных решетках. Аппараты снабжены камерами, в которых имеются штуцера для ввода и вывода теплоносителя в трубное пространство, а на кожухе имеются штуцера для ввода и вывода теплоносителя в межтрубное пространство. Аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Конструкции кожухотрубчатых аппаратов стандартизированы. Конденсация паров в межтрубном пространстве может осуществляться в кожухотрубчатых испарителях и кожухотрубчатых конденсаторах различных конструкций. (Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского. 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. - 496 с.).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат, на кожухе которого имеются штуцера для ввода пара и вывода конденсата. (Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского. 2-е изд., перераб. и дополн. М: Химия, 1991. - 496 с.).
В стандартных аппаратах штуцер ввода пара расположен в верхней части кожуха, а штуцер вывода конденсата - в нижней. Верхнее расположение штуцера ввода пара оправдано «традицией», при которой теплоноситель подают в одном конце аппарата, а выводят в другом конце, и это может быть полезно, например, для промывки межтрубного пространства. При конденсации паров часто возникает следующая проблема. Пар может поступать в теплообменный аппарат перегретым. Такая ситуация характерна, например, для кипятильников ректификационных колонн. Водяной пар в заводской сети имеет определенное давление и температуру. Регулятор расхода пара ограничивает подачу пара, происходит снижение его давления, и пар становится перегретым. В качестве другого примера можно привести конденсатор аммиачно-холодильной установки. Перед подачей в конденсатор повышают давление аммиака с помощью компрессора. После компрессора получается перегретый пар аммиака. При конденсации перегретого пара пар сначала охлаждается до температуры начала конденсации, а затем конденсируется на стенке теплообменных труб и на стенке теплообменных труб образуется пленка жидкости. Коэффициент теплоотдачи от перегретого пара к сухой стенке теплообменной трубы очень низкий, он в несколько сотен раз ниже, чем коэффициент теплоотдачи от перегретого пара к пленке жидкости и коэффициент теплоотдачи от насыщенного пара к пленке жидкости. В верхней части труб вертикального теплообменника может образоваться зона, в которой происходит только охлаждение пара без его конденсации, и теплообменные трубы в этой зоне остаются сухими. Наличие зоны с очень низким коэффициентом теплопередачи снижает эффективность теплообмена. Этот эффект известен, и иногда для повышения эффективности теплообмена в поток пара с помощью насоса впрыскивают конденсат. Вследствие испарения конденсата пар становится насыщенным, и эффективность теплообмена возрастает. Однако использование впрыска конденсата вызывает дополнительные расходы, снижает надежность системы подачи пара в теплообменник и используется редко. Низкая эффективность теплообмена приводит к необходимости использовать большую разность температур и пар с более высоким давлением. Более высокая температура конденсации снижает эффективность использования тепла. Большая разность температур и высокое давление увеличивают напряжения, возникающие в элементах конструкции теплообменного аппарата, и снижают его надежность. В зоне охлаждения пара температура кожуха может подняться выше температуры начала конденсации, а средняя температура стенки труб, вследствие низкого коэффициента теплоотдачи от пара к стенкам труб близка к температуре в трубном пространстве и существенно ниже, чем температура труб в других частях аппарата. Вследствие этого возникают дополнительные температурные напряжения. Во многих случаях, вследствие низкой эффективности теплообмена, используют теплообменные аппараты с большим запасом поверхности теплообмена.
Задачей изобретения является повышение эффективности теплообмена в теплообменных аппаратах, работающих с конденсацией пара в межтрубном пространстве, экономия энергетических ресурсов, а также повышение надежности теплообменных аппаратов.
Технический результат достигается тем, что в известном вертикальном кожухотрубчатом теплообменном аппарате с конденсацией паров в межтрубном пространстве, на кожухе которого имеются штуцера для ввода пара и вывода конденсата, согласно изобретению штуцер ввода пара расположен в средней части кожуха.
То, что в вертикальном кожухотрубчатом теплообменном аппарате штуцер ввода пара расположен в средней части кожуха, приводит к следующему. При подаче перегретого пара зона охлаждения пара располагается в средней по высоте части межтрубного пространства аппарата. В вертикальном аппарате в верхней части теплообменных труб происходит конденсация пара, и пленка жидкости стекает по поверхности труб. Таким образом, в зоне охлаждения пара теплообменные трубы являются смоченными, и охлаждение пара идет с высоким коэффициентом теплопередачи. Исчезает возможность появления зоны с сухими трубами и очень низким коэффициентом теплопередачи. Таким образом обеспечивается повышение эффективности теплообмена в теплообменных аппаратах, работающих с конденсацией пара в межтрубном пространстве. Повышение эффективности теплообмена позволяет снизить среднюю разность температур теплоносителей, то есть снизить давление пара и температуру начала конденсации. Снижение температуры конденсации позволяет получить дополнительное количество тепла и обеспечивает экономию энергетических ресурсов. Снижение средней разности температур теплоносителей и давления пара в межтрубном пространстве снижает напряжения, возникающие в элементах конструкции теплообменного аппарата, и повышает его надежность.
На фигуре изображен вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с конденсацией паров в межтрубном пространстве.
Вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат содержит кожух 1 с трубным пучком, верхнюю камеру 2 и нижнюю камеру 3. На кожухе 1 имеются штуцер 4 для ввода пара и штуцер 5 для вывода конденсата. Штуцер 4 ввода пара расположен в средней части кожуха 1. Пар через штуцер 4 поступает в среднюю часть кожуха 1 в межтрубное пространство. Если пар перегретый, то он охлаждается в средней части кожуха 1 до температуры начала конденсации, то есть становится насыщенным. В верхней части кожуха 1 насыщенный пар конденсируется на поверхности теплообменных труб, и конденсат стекает в виде пленки по поверхности теплообменных труб. Таким образом, вся поверхность теплообменных труб является смоченной. В средней части кожуха 1 перегретый пар непосредственно контактирует с конденсатом, и охлаждение перегретого пара происходит с высоким коэффициентом теплопередачи. Отсутствие зоны с сухими трубами увеличивает общий коэффициент теплопередачи, снижается средняя разность температур теплоносителей, а следовательно, температура и давление пара в межтрубном пространстве. Снижение конечной температуры конденсата позволяет получить дополнительное количество тепла. Снижение разности температур теплоносителей и давления в межтрубном пространстве обеспечивает повышение надежности аппарата. Повышение эффективности теплообмена позволяет использовать аппараты меньшего размера, а также отказаться от использования систем с впрыском конденсата в поток перегретого пара.