Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник
VERTICAL SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Заявляемое техническое решение относится к области теплотехники, а именно, к аппаратам, преимущественно большого диаметра и/или большой единичной мощности, для осуществления теплообмена жидких и газообразных сред, и может быть использовано в технологических процессах в различных областях народного хозяйства, в том числе нефтеперерабатывающей и нефтехимической.
Из предшествующего уровня техники известен кожухотрубчатый теплообменник, содержащий кожух, распределительные камеры, щтуцеры для подвода и отвода теплоносителей, трубные решетки, теплообменные трубы, турбулизирующие поперечные перегородки с сегментными вырезами, при этом основания сегментных перегородок параллельны рядам отверстий для теплообменных труб, перегородки с параллельными основаниями сегментных вырезов расположены попарно одна за другой и основания их симметричны относительно одной из взаимно перпендикулярных осей симметрии – горизонтальной или вертикальной (заявка № 2006147172 на изобретение «Кожухотрубчатый теплообменник», дата подачи 28.12.2006 г., дата публикации заявки 10.07.2008 г.).
Кроме того, известен одноходовой кожухотручатый теплообменный аппарат, включающий цилиндрический корпус, щтуцер для ввода теплоносителя в цилиндрический корпус, щтуцер для вывода теплоносителя из цилиндрического корпуса, теплопередающие трубки, трубные решетки, эллиптические крышки с отбортовкой, штуцер для ввода теплоносителя в эллиптическую крышку, штуцер для вывода теплоносителя из эллиптической крышки, при этом эллиптическая крышка со штуцером для ввода теплоносителя снабжена перфорированной круглой пластиной с площадью свободного сечения от 40 до 60%, расположенной в зоне отбортовки эллиптической крышки со штуцером ввода теплоносителя, причем отверстия в перфорированной круглой пластине составляют не более 1,5 от диаметра теплопередающих трубок (патент               № 2535429 на изобретение «Одноходовой кожухотрубчатый теплообменный аппарат», дата подачи 28.11.2013 г., опубликовано 10.12.2014 г.).
Недостатки известного решения обусловлены применением только одной плоской решетки, обладающей особенностью, которая заключается не только в том, что степень выравнивания потока в ее сечении на конечном расстоянии за ней отличается от степени растекания по фронту, но и в том, что при достижении определенных значений коэффициента сопротивления эта решетка усиливает неравномерность потока за ней (см., например, Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов: моногр. М.: Машиностроение, 1983), что, в свою очередь, приводит к его неравномерному распределению. За решеткой на всем пути образуются обратные токи, в результате профиль скорости за плоской решеткой получается перевернутым, т. е. таким, при котором максимальные скорости за решеткой будут соответствовать области обратных токов. Чтобы избежать влияния таких явлений на эффективность теплообмена, в известном решении необходимо строго соблюдать параметры площади свободного сечения перфорированной пластины, при этом диапазон возможной корректировки достаточно узкий – от 40 до 60 %. Кроме того, если по каким-либо причинам поток перед плоской решеткой закручен, то это закручивание при прохождении жидкости через решетку не будет устранено и сохранится в сечениях за решеткой. Таким образом, за перфорированной решеткой значительно будет снижена эффективность протекания процессов теплообмена, особенно при больших диаметрах аппаратов и/или аппаратов большой единичной мощности.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является  кожухотрубный теплообменник, содержащий кожух с размещенным внутри него пучком теплообменных труб и установленный на наружной поверхности кожуха кольцевой коллектор для входа среды межтрубного пространства, сообщенный с последним посредством отверстий, выполненных в стенке кожуха, при этом стенка кожуха в зоне коллектора выполнена с гофрами треугольного сечения, расположенными перед отверстиями параллельно образующей кожуха (А.С. № 1334026 на изобретение «Кожухотрубный теплообменник», дата подачи 03.04.1986 г., опубликовано 30.08.1987 г.).
Недостатками известной конструкции является низкая эффективность теплопередачи между движущимися потоками, обусловленная тем, что поступающий в трубное пространство поток неравномерно распределяется по теплообменным трубам особенно при использовании аппаратов большого диаметра, у которых в точках, где скорость потока ниже средней, происходит осаждение механических включений, что, в свою очередь, приводит к зарастанию теплообменной поверхности, а также перегреву и в конечном счете выходу аппарата из строя. Из-за неравномерного распределения скоростей интенсивность теплоотдачи со стороны трубного пространства будет выше во входной зоне теплообменника и ниже в периферийной зоне, что, в свою очередь, приводит к снижению коэффициента теплопередачи кожухотрубного теплообменника и необходимости увеличения не только теплообменной поверхности, но и габаритов аппарата в целом.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности и равномерности распределения потока среды, проходящему по всему пучку теплообменных труб, преимущественно в аппаратах большого диаметра и/или большой единичной мощности, а также интенсификация процесса теплопередачи при уменьшении теплообменной поверхности, повышение эксплуатационной надежности и уменьшение габаритов.
согласно изобретению
Указанный технический результат достигается тем, что в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике, включающем кожух с размещенным внутри него пучком теплообменных труб, закрепленных в верхней и нижней трубных решетках, кольцевой коллектор для входа среды трубного пространства,  содержит снабженную перфорированной крышкой и установленную с зазором по отношению к нижней трубной решетке распределительную камеру, в которой с образованием кольцевого коллектора размещена  обечайка с равномерно закрепленными на ней Г-образными патрубками разной длины, свободные концы которых, проходящие через центральное отверстие перфорированной крышки, расположены по концентрическим окружностям, а в остальных отверстиях перфорированной крышки установлены вертикальные патрубки, которые, как и Г-образные, сообщены с кольцевым коллектором и оснащены перфорированными отбойниками с профильными кромками.
Предлагаемое к защите техническое решение поясняется чертежами, где
фиг. 1 – продольный разрез вертикального кожухотрубчатого теплообменника;
фиг. 2 – разрез А-А на фиг. 1.
Заявляемое устройство содержит цилиндрический кожух (корпус) 1, снабженный штуцерами для входа 2 и выхода 3 среды межтрубного пространства (теплоносителя), трубные решетки: верхнюю и нижнюю 4, расположенные соответственно в верхней и нижних частях корпуса 1 и предназначенные для фиксации в них теплообменных труб 5, образующих пучок. Под нижней трубной решеткой размещена распределительная камера 6, оснащенная штуцером для входа среды трубного пространства 7. Над верхней трубной решеткой установлена крышка 8 со штуцером выхода среды трубного пространства 9. Внутри распределительной камеры 6 закреплена обечайка 10, образующая со стенками камеры кольцевой коллектор (позиция не присвоена), служащий для выравнивания параметров поступающего потока среды трубного пространства, поступающего через штуцер 7. Наличие коллектора непосредственно в распределительной камере способствует равномерности распределения потока, и, соответственно, повышению эффективности теплообмена. К обечайке одним концом присоединены равномерно установленные Г-образные патрубки 11, выполненные разной длины и сообщенные с полостью коллектора. Криволинейная форма Г-образных патрубков позволяет изменить профиль скорости поступающего потока теплоносителя, при этом скорость становится более равномерной за счет исключения обратных токов, возникающих при ламинарном движении, что, в свою очередь, обеспечивает возможность поддержания постоянного расхода теплоносителя и влияет на эффективность процесса теплообмена.
Распределительная камера снабжена перфорированной крышкой 12, выполненной в виде кольца, через центральное отверстие которого проходят свободные концы Г-образных патрубков. Благодаря выполнению Г-образных патрубков разной длины, они равномерно располагаются по концентрическим окружностям, перекрывая значительную площадь центрального отверстия перфорированной крышки, которое, как вариант, может быть соразмерно поперечному сечению обечайки. В остальных отверстиях перфорированной крышки 12, выполненных по ее периферии и расположенных над полостью кольцевого коллектора, закреплены вертикальные патрубки (позиция не присвоена). В техническом решении могут быть реализованы и иные конфигурации размещения патрубков.
Все патрубки: и Г-образные, и вертикальные сообщаются с полостью кольцевого коллектора.
Перфорированная крышка 12 и нижняя трубная решетка 4 установлены с зазором.
На свободных торцах Г-образных и вертикальных патрубков установлены перфорированные отбойники 13 в виде короткого отрезка трубы, на выходе которой жестко закреплена перфорированная пластина. Верхняя кромка каждого отбойника выполнена профильной, например, П-образной, зигзагообразной, синусоидальной и т.п., благодаря чему поток среды разделяется на более мелкие локальные течения с заданной траекторией движения. Обечайка выполнена с поддерживающими ребрами 14 в виде колец жесткости, служащими для сохранения ее прочности в условиях динамических нагрузок, возникающих от набегающего потока теплоносителя. В днище распределительной камеры установлен дренажный штуцер 15 для удаления механических примесей, которые поступают в камеру вместе с потоком среды и оседают на днище распределительной камеры.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Через штуцер входа 7 рабочая среда трубного пространства, в качестве которой используют или жидкость, или газ, или их смеси поступает в распределительную камеру 6 и заполняет полость кольцевого коллектора, в котором среда разделяется на два потока, один из которых поступает внутрь обечайки 10 через равномерно установленные на ее стенках  Г-образные патрубки 11, из которых среда сначала проходит в зазор между нижней трубной решеткой и перфорированной крышкой и далее в трубное пространство, а второй поток поступает из кольцевой полости коллектора непосредственно в вертикальные патрубки, размещенные в отверстиях, выполненных по периферии перфорированной крышки и, охватывая всю зону, приближенную к стенкам распределительной камеры, также поступает в зазор между нижней трубной решеткой и крышкой и затем в трубное пространство. Благодаря тому, что Г-образные патрубки выполнены разной длины (фиг. 2) и равномерно размещены по концентрическим окружностям в центральной зоне перфорированной крышки, а также наличию периферийных патрубков, среда заполняет весь объем теплообменной поверхности.  Происходит одинаковое и постоянное распределение потока теплоносителя во всех зонах.
Благодаря выполнению патрубков Г-образными, кромок перфорированных отбойников профильными, а также наличию зазора между перфорированной крышкой и нижней трубной решеткой, поступающий поток разбивается на множество мелких локальных турбулентных течений, которые заполняют весь объем трубного пространства и способствуют значительному снижению возможности образования застойных зон внутри распределительной камеры, а также противотоков рабочей среды трубного пространства.
Многочисленные образовавшиеся направленные потоки, максимально охватывает внутреннюю поверхность теплообменных труб, размещенных внутри корпуса аппарата и, тем самым, интенсифицируют процесс, что повышает эффективность устройства в целом.
Среда трубного пространства, поступающая в коллектор, движется по его кольцевой траектории. При набегании среды, содержащей твердые включения, на стенки распределительной камеры и обечайки, твердые включения отбрасываются в сторону и падают на днище распределительной камеры. По мере их накопления открывается запорная арматура (на чертеже не показана) дренажного штуцера 15, и образовавшийся шлам удаляется. После чего арматура закрывается.
Другой теплоноситель поступает в межтрубное пространство через штуцер 2, контактирует с наружной поверхностью теплообменных труб и через штуцер 3 выводится из устройства.
Предлагаемая конструкция позволяет увеличить эффективность теплообмена и, в результате, уменьшить не только площадь теплообменной поверхности, но и габариты устройства в целом.
Исключение возможности образования внутри распределительной камеры зон с малоинтенсивным протеканием процесса, например, со стороны, противоположной размещению патрубка входа среды, повышается и эксплуатационная надежность аппарата, увеличивается срок его эксплуатации.