Кожухотрубный теплообменник

Предлагаемое техническое решение относится к рекуперативным теплообменным аппаратам, а именно к кожухотрубным теплообменникам для нагревания и охлаждения теплоносителем через боковую поверхность трубок, и может найти применение в химической, нефтехимической, теплоэнергетической, биотехнологической, металлургической, машиностроительной, атомной, фармацевтической и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизации дымовых газов и сточных вод.
Известен одноходовой кожухотрубный теплообменник типа ТН, который состоит из цилиндрического корпуса, трубного пучка, закрепленного в трубных решетках, крышек и патрубков для входа и выхода теплоносителей, установленных в крышках и на цилиндрическом кожухе [Макаров Ю.И., Генкин А.Э. Технологическое оборудование химических и нефтеперерабатывающих заводов. М: Машиностроение, 1969, 304с., стр.80].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится сложность и длительность отделения кожуха от крышек трубного пучка, так как кожух обычно герметично соединен  с крышками при помощи сварки, а такая необходимость разборки связана с необходимостью осмотра пучка труб, ремонта или замены прогоревших труб в трубном пучке, удаления с их наружной поверхности термических отложений (солевого камня, нагара, сажи, продуктов термической деструкции и других отложений).
Известен теплообменник, содержащий кожух, закрепленный в трубных досках, пучок вертикальных труб, часть из которых имеют диаметр, превышающий диаметр другой части пучка, и патрубки подвода и отвода сред трубного и межтрубного пространства, зернистый материал, помещенный в межтрубное пространство, при этом трубы большого диаметра расположены по периферии пучка и в 2÷3 раза их диаметр превышает диаметр труб, расположенных в центральной части пучка, а суммарная площадь поперечного сечения труб большего диаметра равна суммарной площади поперечного сечения труб меньшего диаметра [Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1740942, МПК F28D7/00,1992].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится жесткое закрепление кожуха на трубных досках трубного пучка, что усложняет их разделение, связанное с удалением сварочных швов для осмотра труб, заменой труб при износе от взаимодействия с зернистым материалом,  и  вторичное герметичное соединение при сварке. Эти ремонтные операции усложняют процесс ремонта и увеличивают его время, что уменьшает время основной работы и производительность.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятому за прототип является одноходовой кожухотрубный теплообменник жесткой конструкции, состоящий из кожуха, трубных решеток, в которых закреплены герметично трубки трубного пучка, крышки, днища и патрубков для подвода и отвода теплоносителей, движущихся в межтрубном пространстве  и трубках трубного пучка [Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие / Под общей редакцией А.С. Тимонина – Калуга: Издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008, – 872с.: стр. 474–475].
К причинам, препятствующим  достижению заданного технического результата, относится невозможность снятие кожуха с пучка трубок и трубных решеток для осмотра трубок, оценки их износа, герметичности закрепления в трубках, замены части трубок при их износе, удаления с их поверхности термических отложений (сажи, накипи, солевого камня и других отложений). Это увеличивает время простоя, уменьшает основное время работы и производительность.
Техническим результатом предлагаемой конструкции одноходового кожухотрубного теплообменника является увеличение производительности за счет уменьшения времени осмотра, ремонта, удаления термических отложений и замены прогоревших труб трубного пучка.
Поставленный технический результат достигается тем, что кожухотрубный теплообменник, состоящий из кожуха, трубных решеток, в которых закреплены герметично трубки трубного пучка, крышки, днища и патрубков для подвода и отвода теплоносителей, при этом верхняя трубная решетка выполнена с наружным диаметром, подчиняющимся выражению:
d/D=0,92÷0,95 ,                                                 (1)
где d и D - соответственно, наружный диаметр верхней трубной решетки и внутренний диаметр кожуха, м; верхняя трубная решетка посредством шпилек соединена с герметично закрепленным в разъемных соединениях, скрепляющих верхнюю крышку с кожухом, кольцом, наружный диаметр которого равен наружному диаметру нижней трубной решетки.
Выполнение верхней трубной решетки с наружным диаметром d меньшим внутреннего диаметра D кожуха и подчиняющегося условию (1) позволяет свободно снимать кожух с трубного пучка и верхней трубной решетки при ремонте для осмотра трубок пучка, при удалении с их наружной поверхности термических отложений, замене прогоревших трубок, что уменьшает время этих вспомогательных операций, увеличивая тем самым основное время работы, а значит и производительность.
Установка шпилек в верхней трубной решетке на ее периферийной части за площадью, занимаемой трубками трубного пучка, и равномерно по окружности позволяет герметизировать межтрубное пространство равномерно по всему периметру и предотвратить смешивание теплоносителей, движущихся в трубках и межтрубном пространстве в течение всего основного рабочего цикла. Это способствует увеличению времени основного рабочего цикла, связанного с теплопереносом через стенки трубок от горячего к холодному теплоносителю, а значит и росту производительности.
Герметичное закрепление посредством шпилек верхней трубной решетки с кольцом, закрепленным в разъемных соединениях, скрепляющих верхнюю крышку с кожухом, обеспечивает общую герметичность установки, а закрепление на шпильках кольца на дополнительной прокладке позволяет надежно отделять теплоносители,  движущиеся в трубках и межтрубном пространстве, друг от друга, увеличивает время основного цикла работы, тем самым повышая производительность.
Выполнение наружного диаметра этого кольца, равным наружному диаметру нижней трубной решетки, позволяет унифицировать прокладки, верхние и нижние фланцы крышки, днища и корпуса с крепежными деталями (болтами, шайбами и гайками), что уменьшает время сборки и разборки кожухотрубного теплообменника и также способствует увеличению основного рабочего цикла работы, а значит и производительности.
Таким образом, выполнение наружного диаметра верхней трубной решетки d меньше внутреннего диаметра D кожуха и подчиняющегося по размерам условию (1), установка в верхней трубной решетке на ее периферийной части равномерно по окружности шпилек, установка сверху на этих шпильках кольца с герметизирующей дополнительной  прокладкой и с наружным диаметром этого кольца, равного наружному диаметру нижней трубной решетки, позволяет перевести одноходовой кожухотрубный теплообменник жесткой конструкции из неразборного в разборный с отделением кожуха от трубок трубного пучка с верхней и нижней трубными решетками, проводить осмотр, дефектоскопию трубок, очистку наружных теплопередающих поверхностей от термических отложений, а затем и герметичную сборку. Это уменьшает время ремонта и увеличивает основное время работы, а значит и производительность аппарата в целом.
Уменьшение наружного диаметра d верхней трубной решетки ниже указанного предела в условии (1) и равного 0,92 приводит к уменьшению кольцевой зоны, показанной на фиг.2 пунктиром между крайними отверстиями в верхней трубной решетке, что делает невозможным закрепление в этой кольцевой зоне шпилек. Увеличение наружного диаметра d верхней трубной решетки выше указанного предела и равного 0,96 приводит к сложности установки и демонтажа кожуха на верхнюю трубную решетку с пучком трубок, что увеличивает время этих вспомогательных операций и приводит к уменьшению основного времени работы и производительности.
На фиг.1 представлена схема в разрезе предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника; на фиг. 2 фронтальный разрез А-А, с видом на кожух, верхнюю трубную решетку, шпильки и трубки трубного пучка.
Кожухотрубный теплообменник предлагаемой конструкции состоит из цилиндрического кожуха 1 с патрубками подвода 2 и вывода 3 одного теплоносителя для межтрубного пространства, нижней трубной решетки 4 и верхней трубной решетки 5, в которых герметично закреплен пучок трубок 6, при этом наружный диаметр  d верхней трубной решетки 5 по отношению к внутреннему диаметру D кожуха 1 подчиняется условию (1), а наружный диаметр равен наружному диаметру нижней трубной решетки 4. По периферии верхней трубной решетки равномерно по ее окружности закреплены шпильки 7, на которые установлено кольцо 8. Кольцо 8 с дополнительной прокладкой 9 герметично соединено с верхней трубной решеткой на шпильках 7 с помощью гаек с шайбами. Сверху на кольце 8 установлена верхняя крышка 10 с патрубком вывода 11 второго теплоносителя. Кольцо 8 герметично соединено разъемными соединениями, скрепляющими крышку 10 с кожухом 1, через прокладку 12 с помощью фланцев 13 и 14 с крышкой 10 и кожухом 1. В нижней части установлено днище 15 с патрубком 16 для отвода второго теплоносителя, которое герметично с помощью прокладок 12 и разъемных соединений скрепляют фланцами 17 и 18 с кожухом 1. Такая же прокладка 12 установлена между верхней поверхностью диска 8 и фланцем 13. На кожухе 1 установлены опорные лапы 19.
Сборка кожухотрубного теплообменника осуществляется следующим образом. На опоре неподвижно закрепляется фланец 18 с днищем 15 и патрубком 16. На фланец 18 одевается прокладка 12, а на нее устанавливается нижняя трубная решетка 4 с пучком трубок 6 и верхней трубной решеткой 5. На верхней поверхности нижней трубной решетки 4 устанавливается еще одна прокладка 12, и с помощью болтов, шайб и гаек нижняя трубная решетка 3 герметично соединяется с днищем 14 и кожухом 1 между фланцами 17 и 18. На шпильки 7 одевается дополнительная прокладка 9 с кольцом 8, которое герметично соединяется с помощью гаек с шайбами на верхней трубной решетке 5.
Затем на кольцо 8 устанавливается сверху прокладка 12, одевается верхняя крышка 10 с патрубком 11, и с помощью разъемных соединений фланцы 12 и 13 герметично соединяют между собой верхнею крышку 10 с кожухом 1, а сам теплообменник устанавливают на опорные лапы 19. Теплообменник готов к работе.
Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом. В межтрубное пространство подают один теплоноситель по патрубку 2, который движется сверху вниз, омывая трубки 6 трубного пучка, и выходит наружу по патрубку 3. Одновременно по патрубку 16 в днище 15 подают второй теплоноситель, который поднимается по патрубкам 6 и выходит в крышку 7, а из нее по патрубку 11 наружу.
После завершения основного рабочего цикла и накопления термических отложений на наружной и внутренней поверхности трубок, а также для осмотра и проверки герметичности проводится разборка кожухотрубного теплообменника. Для этого развинчиваются и снимаются болты, гайки и шайбы разъемных соединений фланцев 13 и 14, снимается крышка 10 и прокладка 12 с кольца 8. Развинчиваются и снимаются гайки с шайбами со шпилек 7 на кольце 8, и снимается само кольцо 8 с его дополнительной прокладкой 9.
Далее развинчиваются и снимаются болты, гайки и шайбы, соединяющие фланцы 17 и 18. И так как наружный диаметр d верхней трубной решетки 5 меньше внутреннего диаметра D кожуха 1 и подчиняется условию (1), то кожух 1 поднимается за фланец 12 вверх, открывая для осмотра и удаления известными методами термических отложений с наружной поверхности трубок 6 трубного пучка. Для упрощения этих робот можно снять днище 15 с патрубком 16 с нижней трубной решетки 4.
Пример расчета геометрических размеров шпилек 7 и кольца 8 в предлагаемой конструкции разборного кожухотрубного теплообменника.
Проводится расчет вышеназванных геометрических параметров кожухотрубного теплообменника, представленного в учебнике [Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Изд. 7-е, перераб. и доп. – Ленинград: Химия, 1970, 624с.] на странице 252, пример 36.
т
Требуемый пучок содержит 19 труб с наружным диаметром d=46 мм и толщиной стенки 3 мм. При разбивке по шестиугольникам на диаметральной диагонали трубной решетки помещается 5 трубок [стр. 575].
При расстоянии между наружными стенками трубок, равным их наружному диаметру, внешней контур окружности, охватывающей все трубки, будет равен (фиг.2 – пунктирная линия).
n
т
т
т
d= 5·2 d+ d = 11 d=11 · 46 =504 мм.
Внутренний диаметр кожуха
n
т
D= d+ 3d = 504 + 3 · 46 =642 мм.
Тогда ширина кольцевого зазора Δ между наружной стенкой крайних периферийных трубок на диаметральной диагонали и внутренней стенкой кожуха 1 составляет
Δ=
По условию (1) формулы полезной модели рассчитываем наружный диаметр d верхней трубной решетки 5
d = (0,92÷0,96) D = (590÷616) мм
Выбираем значение
d ≈ 614 мм
Тогда монтажный кольцевой зазор δ между внутренней стенкой кожуха и наружным внешним диаметром верхней трубной решетки составит
δ= (D - d) /2=14 мм,
ш
ш
ш
что вполне достаточно для свободной установки кожуха 1 на верхнюю трубную решетку 5, ширина кольца b, в котором устанавливаются шпильки 7, составит b=55 мм, Шпильки 7 равномерно по окружности устанавливаем на середине этой периферийной зоны D=560 мм, диаметр каждой шпильки d=12 мм, n=16.
По результатам проведенных расчетов можно сделать вывод, что уменьшение наружного диаметра d верхней трубной решетки ниже указанного предела в условии (1) и равного 0,92 приводит к уменьшению кольцевой зоны, показанной на фиг.2 пунктиром между крайними отверстиями в верхней трубной решетке, что делает невозможным закрепление в этой кольцевой зоне шпилек, а при увеличении наружного диаметра d верхней трубной решетки выше указанного предела и равного 0,96 приводит к сложности установки и демонтажа кожуха на верхнюю трубную решетку с пучком трубок, что увеличивает время этих вспомогательных операций и приводит к уменьшению основного времени работы и производительности.
Таким образом, изготовление верхней трубной решетки 5 с наружным  диаметром d меньшим внутреннего диаметра D кожуха 1 и подчиняющимся условию (1), и установка на периферийной части верхней трубной решетки 5 равномерно по окружности шпилек 7, а также герметичное закрепление с помощью дополнительной прокладки 9 дополнительного кольца 8 с внутренним диаметром равным наружному размеру, занимаемому трубками 6 трубного пучка, и с наружным  диаметром этого  дополнительного кольца 8, равным  наружному диаметру нижней  трубной  решетки 4, позволяет снимать кожух 1 с пучка трубок 6, проводить осмотр трубок 6, удалять с них  известными способами термические отложения, проверять герметичность их закрепления в трубных решетках 4 и 5, что уменьшает затраты времени на остановку, осмотр и ремонт, а значит способствует увеличению основного времени работы и производительности.