ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а конкретно к теплообменной аппаратуре и может быть применена в химической, нефтехимической, энергетической и других отраслях промышленности при осуществлении гетерогенно-каталитических процессов, в том числе при получении водорода из углеводородов.
Известен теплообменный аппарат, содержащий корпус, разделенный перегородкой, имеющей отверстия, на камеры высокого и низкого давлений, и пучок тепловых труб, конденсационные участки которых размещены внутри корпуса и каждый из них заключен в соосно расположенные один в другом перфорированные конусоидальные стаканы, внутренние из которых укреплены открытыми торцами в отверстиях перегородки, наружные -снабжены механизмом вращательного движения, (а.с. СССР №826193, МКИ F28D 15/00, опубл. 30.04.1981, БИ №16). Теплообменный аппарат имеет большую металлоемкость, а наличие движущихся деталей усложняет его эксплуатацию.
Известен теплообменник, состоящий из каналов для потоков теплоносителей, представляющих собой кольцевые секторы, сечения которых для нагреваемой среды постепенно увеличиваются, для охлаждаемой - постепенно уменьшаются. Скорость потоков сред вдоль поверхности теплообмена остается постоянной (заявка №10259039 Германия F28D 9/00). Данное техническое решение применимо для ограниченного вида теплообменивающихся сред, практически с одинаковыми теплофизическими свойствами, а пропуски и накипи ликвидировать невозможно.
Известен теплообменник, представляющий собой вертикальный кожухотрубный аппарат, нижняя часть которого выполнена меньшего диаметра по сравнению с верхней поперечной перегородкой, через которую проходят охлаждающие трубы. Под этой перегородкой выполнен ряд вертикальных перегородок, обеспечивающих ускоренное и направленное движение конденсата, поступающего через проделанное в поперечной перегородке окно. Интенсивность теплоотдачи труб возрастает. Выполнение теплообменника меньшим диаметром внизу позволяет уменьшить его размеры (патент ГДР №233639 F28B 1/02, F28 13/06). Отсутствие плавно сужающейся области является недостатком данного теплообменника.
Известен реактор представляющий собой сосуд, выполненный в виде конуса (усеченного конуса), расширяющийся в направлении движения потока газа. В верхней части сосуда под штуцером ввода газа по его оси имеется одна или несколько распределительных сеток в виде усеченного конуса, обращенного большим основанием к сужающейся части сосуда. Под коническими сетками имеются одна или несколько плоских сеток, расположенных перпендикулярно потоку газовой смеси. Под распределительными сетками на некотором расстоянии располагается съемная корзина с перфорированным днищем, на которой установлена решетка с катализатором. Данная конструкция обеспечивает гомогенизацию газовой смеси, эффективное использование осей поверхности катализаторной решетки, и тем самым, увеличение производительности реактора. Кроме того, происходит улучшение теплового режима на решетках при одновременном повышении эффективности процесса окисления и увеличения срока службы катализаторных решеток. (Пат. ЧССР №144129, кл.12д 4/02, (B01J 9/04). Недостатком реактора является недостаточно оптимальное использование объема.
Известен кожухотрубный реактор (а.с. СССР №1088781, B01D 19/00, опубл. 30.04.1984, БИ. №16), наиболее близкий к заявляемой полезной модели и принятый за прототип, состоящий из корпуса с пучком труб, закрепленных в трубных решетках и патрубков для входа и выхода реакционной массы и теплоносителя. Каждая труба трубного пучка выполнена конически расширяющейся по ходу потока реакционной массы и снабжена кольцевыми ребрами. Поскольку корпус теплообменника выполнен в виде цилиндра с одинаковым диаметром по всей длине, в межтрубном пространстве на стороне труб малого диаметров остается зона малой производительности в процессе теплообмена. Наличие кольцевых ребер на трубах, увеличивая поверхность теплообмена, приводит к росту металлоемкости, увеличивает сопротивление потоку теплоносителя в межтрубном пространстве ограничивая расход, что затрудняет применение реактора для процессов, протекающих со значительными тепловыми эффектами. При значительных объемных скоростях теплоносителя неизбежно появление завихрения, ухудшая теплоотдачу или теплосъем. Эффект от увеличенной теплообменной поверхности будет наблюдаться только при малых объемных скоростях теплоносителя.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении интенсивности теплообмена при малой металлоемкости.
Технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате (вариант 1), содержащем корпус с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены конические трубы, перегородки образующие в межтрубном пространстве отсеки, новым является то что корпус аппарата выполнен коническим, расширяющимся в направлении расширения труб, при этом центральные оси труб расположены под углом к центральной оси корпуса.
Угол отклонения образующих корпуса по отношению к центральной оси больше, чем углы отклонения образующих конических труб относительно своих осей в 1,5-1,6 раза.
Теплообменный аппарат (вариант 2), содержащий корпус с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены трубы, перегородки образующие в межтрубном пространстве отсеки, новым является то, что корпус аппарата выполнен коническим, а трубы, внутри него, выполнены цилиндрическими и расположены под углом к центральной оси корпуса, образуя пучок труб, расширяющийся в направлении расширения конического корпуса, при этом углы наклона труб расположенных ближе к центральной оси корпуса меньше угла наклона труб расположенных по периферии.
Угол отклонения образующей поверхности корпуса от его центральной оси больше угла отклонения осей цилиндрических труб от центральной оси корпуса в 1,5-1,6 раза.
Для вариантов 1 и 2 общими признаками являются:
- трубы выступают от наружных поверхностей трубных решеток на длину равную диаметру трубы.
- на выступающих участках труб выполнены отверстия равномерно расположенные по окружности, диаметры которых равны толщине стенки трубы.
- в трубном пучке ось центральной трубы совпадает с центральной осью теплообменного аппарата.
- внутри центральной трубы размещены в кожухе термодатчики с образованием кольцевой полости, объем которой равен объему внутренней полости отдельно взятой тепловой трубы.
- перегородки внутри корпуса выполнены в форме сегмента круга и образуют в межтрубном пространстве отсеки одинакового объема.
- отверстия для прохождения труб в перегородках имеют выемки в виде полукругов, расположенных диаметрально противоположно друг другу.
На фигуре 1 показан общий вид теплообменного аппарата без теплоизоляции; на фиг.2 - продольный разрез теплообменного аппарата (вариант 1); на фиг.3 - продольный разрез теплообменного аппарата (вариант 2); на фиг.4 - поперечный разрез по месту расположения перегородки; на фиг.5 - продольный разрез отдельной трубы (вариант 1); на фиг.6 - схема распределения потока у входа в межтрубное пространство; на фиг.7, 8 и 9 - варианты подачи потоков теплоносителей.
Теплообменный аппарат (вариант 1) содержит конический корпус 1 с днищами 2, патрубки 3 и 4 ввода или вывода теплоносителя в трубное пространство, патрубки 5 и 6 ввода или вывода теплоносителя в межтрубное пространство, трубные решетки 7, в отверстиях которых закреплены конические трубы 8. Конусность труб 8 зависит от конкретных процессов, теплофизических свойств теплоносителей, а также материалов, из которых выполнен теплообменный аппарат. Перегородки 9 внутри корпуса 1 выполнены в форме сегмента круга (фиг.4) и образуют в межтрубном пространстве отсеки одинакового объема. Конический корпус 1 аппарата расширяется в направлении расширения труб 8, при этом их центральные оси расположены под углом к центральной оси корпуса 1. Угол отклонения образующих корпуса 1 по отношению к центральной оси больше, чем углы отклонения образующих конических труб 8 относительно своих осей в 1,5 -1,6 раза.
Теплообменный аппарат (вариант 2) содержит конический корпус 1 с днищами 2, патрубки 3 и 4 ввода или вывода теплоносителя в трубное пространство, патрубки 5 и 6 ввода или вывода теплоносителя в межтрубное пространство, трубные решетки 7, в отверстиях которых закреплены цилиндрические трубы 10 (фиг.3. Перегородки 9 внутри корпуса 1 выполнены в форме сегмента круга и образуют в межтрубном пространстве отсеки одинакового объема. Цилиндрические трубы 10 внутри корпуса 1 расположены под углом к центральной его оси, образуя пучок труб, расширяющийся в направлении расширения конического корпуса 1, при этом углы наклона труб 10 расположенных ближе к центральной оси корпуса 1 меньше угла наклона труб 10, расположенных по периферии. Угол отклонения образующей поверхности корпуса 1 от его центральной оси больше угла отклонения осей цилиндрических труб 1 0 от центральной оси корпуса в 1,5-1,6 раза.
Для вариантов 1 и 2 соответственно трубы 8 и 10 выступают от наружных поверхностей трубных решеток 7 на длину равную меньшему диаметру трубы 8 (вариант 1) и диаметру трубы 10 (вариант 2), при этом на выступающих участках соответственно труб 8 и 10 выполнены отверстия 11 равномерно расположенные по окружности, диаметры которых равны толщине стенки соответственно трубы 8 или 10. Пучок труб соответственно 8 или 10 имеет центральную трубу 1 2, ось которой совпадает с центральной осью теплообменного аппарата. Внутри центральной трубы 12 размещены в кожухе 13 термодатчики, с образованием кольцевой полости, объем которой равен объему внутренней полости отдельно взятой трубы соответственно 8 или 10. Отверстия 11 для прохождения труб соответственно 8 или 10 в перегородках 9 имеют выемки 14 в виде полукругов, расположенных диаметрально противоположно друг другу. Выемки 14, соприкасаясь с внешними поверхностями труб соответственно 9 или 10, образуют ряд небольших просветов вокруг них для перетекания некоторой части теплоносителя.
Штуцеры 15 предназначены для термодатчиков, штуцер 16 - для подвижных или многозонных термодатчиков, штуцер 17 - для подсоединения дополнительных потоков, необходимых для проведения конкретных экспериментов. Так же предусмотрены приспособления 18 для различных датчиков, необходимых для проведения конкретных экспериментов (фиг.1).
Работает теплообменный аппарат следующим образом.
В случае организации работы аппарата прямотоком (фиг.7), теплоноситель трубного пространства поступает по патрубку 3 через днище большого диаметра 2 в трубы 8 или 10 и выходит через днище малого диаметра и патрубок 4. Теплоноситель межтрубного пространства поступает по патрубку 6 в корпус 1. Далее огибает перегородки 9 (фиг.2), некоторое его количество перетекает через отверстия в перегородках 9, образованных на пересечениях труб 8 (вариант 1) или 10 (вариант 2) с перегородками 9. Выход теплоносителя из межтрубного пространства осуществляется через патрубок 5.
Теплообмен между двумя теплоносителями происходит через стенки труб соответственно 8 или 10. Интенсивность теплообмена вблизи входа теплоносителей определяется в основном начальной разностью температур.
По мере продвижения теплоносителей в сторону малых диаметров корпуса 1 и труб 8 или 10, разность температур постепенно уменьшается; в то же время потоки теплоносителей постепенно сужаются, поступая в область постепенно уменьшающихся диаметров корпуса 1 и труб 8 или 9. Следовательно, скорости потоков увеличиваются. Постепенно увеличивающиеся скорости теплоносителей компенсируют уменьшение интенсивности теплообмена, вызываемого снижением разности температур, при этом интенсивность теплообмена остается более постоянной на всей теплообменной поверхности.
В случае организации работы теплообменника противотоком (фиг.8), теплоноситель трубного пространства поступает по патрубку 3 через днище большого диаметра 2 в трубы 8 или 10 и выходит через днище малого диаметра и патрубок 4. Теплоноситель межтрубного пространства поступает по патрубку 5 в корпус 1. Далее огибает перегородки 9 (фиг.2, 3), некоторое его количество перетекает через отверстия в перегородках 9, образованных на пересечениях труб 8 (вариант 1) или 10 (вариант 2) с перегородками 9. Выход теплоносителя из межтрубного пространства осуществляется через патрубок 6. В этом случае один из теплоносителей удается нагреть до более высокой температуры, чем в случае работы прямотоком, что особенно важно для высокотемпературных процессов.
В случае использования теплообменника в качестве реактора каталитических процессов со значительными тепловыми эффектами (фиг.9), сырье (теплоноситель) подают по патрубку 4 через верхнее малое днище 2 в трубы 8 или 9, заполненные катализатором. Теплоноситель в межтрубное пространство подают через патрубок 5, а выходит он через патрубок 6. В верхних участках труб 8 или 10, где концентрация сырья максимальная, выделение ли поглощение тепла наибольшее. В этой же области конусообразные трубы 8 (вариант 1) имеют минимальные диаметры, поэтому скорость сырья максимальная. Следовательно, теплоотдача или поглощение стенками труб также максимальна.
Более того, в этой же области, в отличие от прототипа, корпус 1 имеет наименьший диаметр. Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве максимальная. Следовательно, теплосъем или теплопоглощение на наружных стенках труб еще более интенсивно.
По мере продвижения реакционной массы по трубам 9, тепловой эффект реакции уменьшается, скорость, в связи с расширением диаметра труб, уменьшается, что сопровождается уменьшением тепловыделения или теплопоглощения на внутренних стеках труб. Одновременно, скорость потока теплоносителя в межтрубном пространстве, в связи с расширением корпуса, уменьшается, при этом уменьшается вероятность образования побочных продуктов из целевых продуктов.
При пользовании теплообменника в качестве реактора каталитического получения водорода из углеводородов или из их смесей, сочетание конических труб 8 и конического корпуса 1 обеспечивает увеличение выхода водорода на 1,3-15% по сравнению с выходом, достигаемым в реакторе с цилиндрическими трубами и корпусом, имеющими неизменные диаметры по всей длине.
Интенсивный теплообмен, более интенсивная эндотермическая реакция получения водорода из углеводородов или из их смесей в начальном периоде процесса в верхней области, где самые большие скорости потоков, быстрее чем по классической схеме, обогащает реакционную смесь водородом. Благодаря высокой теплопроводности водорода по сравнению с парами углеводородов, средняя теплопроводность массы увеличивается, приближаясь к величине теплопроводности чистого водорода. Это приводит к более интенсивному теплообмену по всей высоте теплообменного аппарата, к повышению коэффициента его использования. Предлагаемый теплообменный аппарат позволяет проводить высокотемпературные процессы, в частности дегидрирование углеводорородов, в том числе, олефинов.
Начальное соприкосновение теплоносителя с поверхностями периферийных труб с большими углами наклона, чем у близких к центру труб, происходит под углом, несколько меньшим 90 градусов. Поток быстрее и с меньшим сопротивлением распределяется в в объеме около входа и выхода из межтрубного пространства. Это в сочетании с поворотами потока на перегородках и перетеканием теплоносителя через выемки на них, обеспечивает более равномерную плотность потока, лучшее перемешивание и стабильную турбулентность, кроме того уменьшается общее сопротивление. В результате возникает возможность увеличивать объемную скорость теплоносителя в межтрубном пространстве, что способствует более интенсивному теплообмену.
Для облегчения процессов загрузки и выгрузки катализатора из трубного пространства и закрепления сеток, удерживающих катализаторный слой, трубы 8 или 10 выполнены в выступающими с поверхности трубных решеток на небольшую высоту так, чтобы на концы труб 8 или 10 можно было надеть полугибкий или гофрированный шланг. Во время эксплуатации выступающие концы труб 8 или 10 будут препятствовать появлению крупных вихрей, возникающих при отражении потока от трубных решеток. Чтобы предотвратить увеличение сопротивления, возникновения завихрений, а также для создания дополнительного фактора перемешивания реагирующей смеси, выступающие концы имеют поперечные отверстия, через которые может циркулировать сырьевая смесь.
При выполнении теплообменного аппарата по первому варианту -конический корпус 1 и конические трубы 8, экономия металла составит 10- 12% по сравнению с прототипом, что особенно существенно, если детали изготовлены из высоколегированных сталей.
Для процессов, в ходе которых обратные реакции и превращение целевых продуктов незначительны, более эффективная модель, выполненная по второму варианту, т.е. сочетанием конического корпуса 1 с наклонными цилиндрическими трубами 10. В этом случае экономия металла составит 14-15% по сравнению с моделью теплообменника, имеющего цилиндрический корпус и цилиндрические трубы равных диаметров по всей длине при одинаковой общей мощности.