ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ (ВАРИАНТЫ)
HEAT EXCHANGING DEVICE (OPTIONS)

Изобретение относится к конструкции аппаратов, предназначенных для теплообмена между потоками флюидов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известен пластинчатый теплообменник для изотермических химических реакторов [RU 2527901, опубл. 10.09.2014, МПК F28D 9/00], включающий несколько теплообменных элементов, каждый из которых состоит из первого и второго листов металла, образующих, соответственно, первую и вторую боковые поверхности, подающую линию теплоносителя и коллектор теплоносителя, и несколько внутренних проходов для теплоносителя между первым и вторым листами металла, причем первый и второй листы соединены по меньшей мере одним сварными швом, выполненным на первой боковой поверхности, а подающая линия теплоносителя и коллектор теплоносителя образованы подающим и коллекторным каналами и присоединены ко второму листу металла другими сварными швами, выполненными на второй поверхности пластины.
Недостатками данного теплообменника являются сложность конструкции, большое количество сварных соединений, сложность его изготовления, а также изменяющееся в радиальном направлении расстояние между теплообменными элементами, что приводит к падению скорости потока флюида в направлении от центра к периферии аппарата и снижению эффективности теплообмена.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является радиально-трубный теплообменно-контактный аппарат [RU 2621189, опубл. 01.06.2017, МПК F28D 7/04], включающий цилиндрический корпус с патрубками ввода/вывода флюидов и по меньшей мере один коаксиально установленный кольцевой тепломассообменный (теплообменный) блок, состоящий по меньшей мере из одной секции, образующий приосевой и пристеночный коллекторы и содержащий трубы прямоугольного сечения со скругленными углами и аксиально направленной длинной стороной, в радиальном направлении изогнутые с кривизной, уменьшающейся от оси к стенке аппарата, которые образуют между собой смежные полости, сообщенные с патрубками ввода и вывода флюидов, при этом соседние трубы выполнены равноотстоящими и соединены краями боковых стенок, которые оснащены дистанцирующими выступами, кроме того, теплообменный блок оборудован двумя наружными кольцами, соединенными с корпусом и краями пристеночных торцевых стенок труб, ближайших к днищам аппарата, и двумя внутренними крышками, соединенными с краями приосевых торцевых стенок труб, которые отделяют смежные полости друг от друга. Крышки могут быть соединены с патрубками ввода/вывода флюидов.
Основным недостатком данного аппарата является низкая надежность из-за возможного разрушения вследствие механических напряжений, возникающих при температурном расширении теплообменного блока в аксиальном направлении.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности.
Техническим результатом является повышение надежности аппарата за счет установки между смежными секциями теплообменного блока герметизирующих втулок, выполненных в виде сильфона и/или выполнения части наружных колец теплообменного блока подвижными относительно корпуса.
Предложено два варианта теплообменного аппарата.
Указанный технический результат в первом варианте достигается тем, что в предлагаемом аппарате, состоящем из цилиндрического корпуса с патрубками ввода/вывода флюидов и по меньшей мере одного коаксиально установленного кольцевого теплообменного блока, включающего секции, образующие приосевой и пристеночный коллекторы и содержащие трубы прямоугольного сечения со скругленными углами и аксиально направленной длинной стороной, в радиальном направлении изогнутые с кривизной, уменьшающейся от оси к стенке аппарата, которые образуют между собой смежные полости, сообщенные с патрубками ввода и вывода флюидов, при этом соседние трубы выполнены равноотстоящими и соединены краями боковых стенок, которые оснащены дистанцирующими выступами, кроме того, секции теплообменных блоков оборудованы внутренними крышками, соединенными с краями приосевых торцевых стенок труб, которые отделяют смежные полости друг от друга, и наружными кольцами, соединенными с корпусом и краями пристеночных торцевых стенок труб, ближайших к днищам аппарата, особенностью является то, что соединения всех наружных колец с корпусом, кроме одного, выполнены подвижными в аксиальном направлении.
Подвижные соединения могут быть выполнены как герметичными, например, с помощью гибких элементов или с использованием уплотнений, в частности, лабиринтных, так и скользящими по внутренней поверхности корпуса, например, в виде упоров Т-образной формы. В последнем случае происходит некоторое перемешивание потоков флюидов, что, однако, иногда допустимо, например, при теплообмене потоков с небольшим перепадом давления в рекуперационных теплообменниках. Неподвижным соединением может быть оснащена любая секция теплообменного блока.
Второй вариант отличается тем, что теплообменный блок оснащен по меньшей мере двумя секциями, соединенными внутренними и наружными герметизирующими втулками, при этом по меньшей мере одна пара втулок между смежными секциями выполнена в виде сильфонов, состоящих по меньшей мере из одной полуволны.
В обоих вариантах по меньшей мере одна из крышек может быть соединена с патрубком ввода или вывода одного из флюидов. При большом перепаде давления между потоками флюидов секции теплообменных элементов могут быть оснащены наружными силовыми элементами, например, перфорированной обечайкой или проволочной навивкой. Для обеспечения возможности обслуживания и ремонта аппарата соединения колец с корпусом целесообразно выполнить разъемными или разрезными. Сильфонными вставками могут быть также оснащены трубопроводы, соединяющие крышки с патрубками.
Для обеспечения равномерности подачи вдоль оси аппарата флюида, движущегося радиально, целесообразно в коллекторах установить распределительные элементы, например отбойные вставки, которые, например, в приосевом коллекторе могут иметь форму усеченного конуса, направленную узким основанием к набегающему потоку флюида, а в пристеночном - форму тора, имеющего в радиальном сечении форму усеченной пирамиды, например, прямоугольной, направленной узким основанием к уходящему потоку флюида.
Предлагаемый аппарат может быть использован для осуществления массообмена газ-жидкость (например, при абсорбции или фракционировании флюида) и флюид-твердое вещество (при адсорбции и при проведении каталитических химических процессов) в условиях подачи тепла или холода, распределенной по высоте аппарата, при условии оснащения аппарата соответствующими вспомогательными элементами (устройствами для ввода и распределения жидкости, сбора и вывода жидких продуктов, для загрузки и выгрузки катализатора или адсорбента и т.п.).
Выполнение соединений наружных колец с корпусом подвижными в аксиальном направлении или соединение смежных секций теплообменного блока герметизирующими втулками, выполненными в виде сильфонов, позволяет повысить надежность аппарата за счет снятия механических напряжений, возникающих при аксиально направленных температурных деформациях элементов аппарата. Сильфонные вставки на трубопроводах, соединяющих крышки с патрубками, компенсируют температурные деформации трубопроводов.
На чертеже теплообменного аппарата условно показаны элементы обоих вариантов в виде развертки сечения аппарата поверхностью, проходящей через ось и серединные линии смежных полостей секций теплообменного блока, а также условно пересекающей патрубки ввода/вывода флюидов. Кроме того, условно показано вертикальное расположение оси аппарата и ввод/вывод всех флюидов через патрубки, расположенные на днищах аппарата.
Аппарат включает корпус 1 с патрубками 2 и 3 ввода/вывода флюида 4 и патрубками 5 и 6 ввода/вывода флюида 7, в котором коаксиально установлен теплообменный блок с секциями 8 и 9 (выделены темным цветом), соединенными внутренней 10 и наружной 11 сильфонными втулками, компенсирующими температурные напряжения секций, оснащенных кольцами 12 и 13 (последнее выполнено Т-образным) и крышками 14, 15, соединенными трубопроводами с патрубками 2 и 3, соответственно, и 16, 17.
При работе аппарата флюид 4 (условно - горячий) через патрубок 2 и крышку 14 сначала направляют в одну из полостей секции 8, а затем - секции 9, из которой охлажденный флюид 4 выводят через крышку 15 и патрубок 3. Холодный (условно) флюид 7 через патрубок 5 подают в смежную полость секций 9 и 8, из которых нагретый флюид 7 выводят через патрубок 6.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность аппарата и может найти применение в промышленности.