ПОПЕРЕЧНАЯ ПЕРЕГОРОДКА ДЛЯ ДИСТАНЦИРОВАНИЯ ТРУБОК КОЖУХОТРУБНОГО АППАРАТА
CROSSWISE BAFFLE FOR SPACING APART OF TUBE SHELL TUBES

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в конструкции поперечной перегородки для дистанцирования трубок кожухотрубного аппарата, такого как трубчатый реактор или трубчатый теплообменный аппарат.
В кожухотрубных аппаратах необходимо обеспечить следующие условия:
- фиксацию реакционных или теплообменных трубок (далее трубок) для выполнения условий устойчивости трубок; необходимость фиксации определяется расчетом на устойчивость;
- равномерность течения жидкости или газа вдоль оси трубок по всему поперечному сечению межтрубного пространства;
- непрерывность потока жидкости или газа в межтрубном пространстве вдоль всей длины трубок.
Исходя из вышеперечисленных условий, конструкция аппарата должна быть условно «прозрачной» для жидкой или газовой среды межтрубного пространства, сохраняя при этом функцию фиксации трубок от перемещений в плоскости, перпендикулярной оси трубки.
Известны кожухотрубные теплообменники, в которых поперечные перегородки выполнены в виде ячеек из наклонных пластин (патентная заявка WO 2012/085337, опубл. в 2012 г.) или состоят из рядов изогнутых определенным образом пластин (патент GB 764,866, опубл. в 1957 г.). Недостатком этих обоих известных технических решений является то, что в местах установки таких перегородок, под наклонными участками пластин и над ними создаются локальные зоны с ухудшенными условиями теплообмена. Особенно это ощутимо при интенсивном теплообмене, например, при кипении на поверхности трубок. Этот недостаток может ограничивать применение перегородок таких конструкций в трубчатых реакторах из-за возможного возникновения зон перегрева катализатора в местах установки перегородок.
Известна также поперечная перегородка (решетка) для дистанцирования трубок теплообменника, состоящая из рядов пластин, каждый из которых повернут на 60° относительно предыдущего ряда (патент RU 2384807 C1, опубл. в 2010 г.). Недостатком этой конструкции является то, что при применении такой перегородки в аппаратах больших диаметров (более 800-1000 мм) не связанные между собой пластины не будут обладать достаточной жесткостью для исключения изгиба и вибрации трубок, т.е. не будет обеспечена устойчивость последних. Кроме того, в случае применения этой конструкции в аппаратах с расположением трубок «по квадрату» пластины необходимо будет делать довольно большой толщины (3-6 мм), что уменьшит свободное сечение межтрубного пространства в месте установки перегородки и, следовательно, увеличит гидравлическое сопротивление течения текучей среды в межтрубном пространстве.
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции поперечной перегородки для дистанцирования трубок кожухотрубного аппарата, которая не имела бы недостатков вышеуказанных известных технических решений и обеспечила бы выполнение вышеперечисленных условий в процессе работы кожухотрубного аппарата.
Решение указанной задачи обеспечивается тем, что согласно настоящему изобретению предложена поперечная перегородка для дистанцирования трубок кожухотрубного аппарата, содержащая верхние и нижние пластины, каждая из которых выполнена с пазами и выступами, расположенными поочередно на одной из продольных сторон пластины, причем пазы и выступы верхних пластин расположены на нижних сторонах пластин, а пазы и выступы нижних пластин - на их верхних сторонах, а также цилиндрические втулки, в стенке каждой из которых выполнена пара продольных диаметрально расположенных прорезей с обоих торцов втулки, причем диаметр расположения прорезей верхнего торца втулки перпендикулярен диаметру расположения прорезей ее нижнего торца, при этом верхние пластины вставлены в прорези верхних торцов втулок, а нижние пластины - в прорези нижних торцов втулок с расположением пазов пластин внутри втулок и с расположением нижних пластин перпендикулярно верхним пластинам для того, чтобы между каждыми смежными четырьмя втулками было образовано пространство для размещения в нем трубки кожухотрубного аппарата с обеспечением монтажных зазоров между трубкой и указанными четырьмя смежными втулками.
Основными техническими результатами, обеспечиваемыми предложенной перегородкой, являются предотвращение ухудшения условий теплообмена в зоне расположения перегородки, а также обеспечение надежной фиксации каждой трубки между соответствующими четырьмя втулками и равномерности протекания текучей среды в межтрубном пространстве.
Пазы и выступы пластин перегородки по настоящему изобретению выполнены преимущественно прямоугольной формы.
В преимущественном варианте конструкции для установки поперечной перегородки по настоящему изобретению внутри кожухотрубного аппарата перегородка снабжена периферийным кольцом, в котором со стороны его внутренней окружности выполнены круглые вырезы для размещения в них втулок, расположенных по периметру кожухотрубного аппарата. В данном варианте периферийное кольцо может быть выполнено с отверстиями для его закрепления в корпусе кожухотрубного аппарата посредством стяжных винтов и распорных трубок.
На фиг. 1 показаны элементы перегородки (втулки и пластины) по настоящему изобретению, в разобранном виде;
на фиг. 2 - то же, в собранном виде;
на фиг. 3 - элементы перегородки (втулки и пластины) по настоящему изобретению с расположенной между втулками трубкой кожухотрубного аппарата, вид сбоку;
на фиг. 4 - то же, вид сверху;
на фиг. 5 представлена поперечная перегородка в сборе по настоящему изобретению, вид в изометрической проекции;
на фиг. 6 - то же, вид сбоку;
на фиг. 7 - то же, вид сверху;
на фиг. 8 - периферийное кольцо перегородки по настоящему изобретению;
на фиг. 9 - кожухотрубный аппарат (трубчатый реактор или теплообменник) с установленными в нем перегородками по настоящему изобретению, продольный разрез;
на фиг. 10 - разрез А-А фиг. 9.
Перегородка по настоящему изобретению содержит верхние пластины 1, нижние пластины 2, цилиндрические втулки 3 и может быть снабжена также периферийным кольцом 4 для установки перегородки в кожухотрубном аппарате.
Каждая пластина 1, 2 выполнена с прямоугольными пазами 5 и выступами 6, расположенными поочередно на одной из продольных сторон пластин 1, 2. Пазы 5 и выступы 6 верхних пластин 1 расположены на нижних сторонах пластин 1, а пазы 5 и выступы 6 нижних пластин 2 - на их верхних сторонах.
Каждая втулка 3 имеет форму тонкостенного цилиндра, в стенке которого выполнена пара продольных диаметрально расположенных прорезей 7, 8 с обоих торцов втулки 3. Диаметр расположения прорезей 7 верхнего торца втулки перпендикулярен диаметру расположения прорезей 8 ее нижнего торца.
Верхние пластины 1 вставлены в прорези 7 верхних торцов втулок 3, а нижние пластины 2 - в прорези 8 нижних торцов втулок 3, при этом пазы 5 пластин 1, 2 располагаются внутри втулок 3, а нижние пластины 2 располагаются перпендикулярно верхним пластинам 1, в результате чего между каждыми смежными четырьмя втулками 3 образуется пространство для размещения в нем трубки 9 (фиг. 3, 4, 9, 10) кожухотрубного аппарата 10 (фиг. 9) с обеспечением монтажных зазоров между трубкой 9 и указанными четырьмя смежными втулками 3. Таким образом, после установки перегородки в корпусе аппарата 10 каждая трубка 9 фиксируется от перемещения в плоскости, перпендикулярной продольной оси трубки 9, четырьмя втулками 3. Диаметр втулок 3 выбирают из диаметра и шага расположения трубок 9, а шаг расположения втулок 3 равен шагу расположения трубок 9. При этом размеры пазов 5 вдоль длины пластин 1, 2 определяются наружным диаметром втулок 3, а размеры выступов 6 вдоль длины пластин 1, 2 определяются расстоянием между смежными втулками 3. Величину зазора между трубкой 9 и фиксирующими ее втулками 3 определяют из условий обеспечения монтажа трубки 9 между этими втулками 3 и допустимых перемещений трубки 9 в направлении, перпендикулярном ее продольной оси.
Для установки (фиксации) перегородки в корпусе аппарата 10 может быть использовано периферийное кольцо 4, в котором со стороны его внутренней окружности выполнены круглые вырезы 11 для размещения в них втулок 3, расположенных по периметру аппарата 10, т.е. тех втулок 3, которые наиболее близко расположены к внутренней поверхности аппарата 10. Кольцо 4 выполнено с отверстиями 12 для его закрепления в корпусе аппарата 10 посредством стяжных винтов 13 и распорных трубок 14 (фиг. 9, выноска).
Сборку перегородки по настоящему изобретению и установку ее в аппарате 10 осуществляют следующим образом. Верхние и нижние пластины 1, 2 вставляют соответственно в прорези 7, 8 втулок 3, как описано выше, одновременно располагая периферийные втулки 3 в круглых вырезах 11 периферийного кольца 4, после чего кольцо 4 соединяют с периферийными втулками 3 и конечными участками верхних пластин 1 и нижних пластин 2, располагаемыми соответственно над и под кольцом 4, посредством сварки. Верхние и нижние пластины 1, 2 также скрепляют с втулками 3 посредством сварки. Далее одни из резьбовых концов стяжных винтов 13 ввинчивают в одну из трубных решеток 15 аппарата 10, на стяжные винты 13 надевают распорные трубки 14, собранную перегородку (кольцо 4 с прикрепленными к нему втулками 3 и пластинами 1, 2) надевают на вторые резьбовые концы винтов 13 через отверстия 12 и затягивают винты 13 гайками 16 (фиг. 9). Таким способом с помощью одних и тех же стяжных винтов 13 можно установить в аппарате 10 несколько перегородок по настоящему изобретению, например, как показано на фиг. 9, две перегородки. Для установки двух перегородок используются соответственно две распорные трубки 14 для каждого стяжного винта 13. Длина соответствующих распорных трубок 14 определяет расстояния между перегородкой и трубной решеткой 15 и между самими перегородками.
Точность положения втулок 3 в перегородке по настоящему изобретению определяется точностью выполнения пазов 5 и выступов 6 в пластинах 1, 2 и круглых вырезов 11 в периферийном кольце 4. Современные методы резки листового металла обеспечивают необходимую точность.
В процессе работы кожухотрубного аппарата поперечная перегородка по настоящему изобретению предотвращает нежелательные смещения трубок в направлении перпендикулярном их продольной оси.
Наличие в перегородке по настоящему изобретению двух связанных между собой рядов вертикальных пластин 1, 2 во взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает необходимую прочность и жесткость перегородки при минимальных толщинах пластин 1, 2 и втулок 3. Применение таких тонких элементов перегородки позволяет получить максимальное сечение межтрубного пространства в месте установки перегородки и обеспечить минимальную массу конструкции. По сравнению с конструкцией, описанной в вышеупомянутом патенте RU 2384807 C1, перегородка по настоящему изобретению обеспечивает увеличение свободного сечения межтрубного пространства на 9-11% в зависимости от размера трубок 9.
Достоинства предлагаемой конструкции перегородки заключаются также в следующем.
Обеспечен равномерный проток текучей среды (жидкости или газа) по межтрубному пространству вдоль трубок 9. Проходное сечение межтрубного пространства в месте установки перегородки составляет 70-80% от полного сечения, что обеспечивает минимальное сопротивление потоку в межтрубном пространстве. В то же время наличие небольшого равномерно распределенного сопротивления создает условие для улучшения равномерности потока по всему сечению.
Наличие периферийного кольца 4 перегородки препятствует протоку текучей среды межтрубного пространства в зазор между трубным пучком и корпусом аппарата 10, что улучшает теплообмен.
Контакт трубки 9 с перегородкой происходит по линии, что обеспечивает минимальную неравномерность теплообмена на поверхности трубки 9 в месте установки перегородки.
Отсутствуют застойные зоны текучей среды в межтрубном пространстве.