КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к кожухотрубному теплообменнику и, более конкретно, к кожухотрубному теплообменнику, предназначенному для работы с горячими технологическими газами. Такой теплообменник предназначается для охлаждения горячего агента с помощью либо испаряющегося охлаждающего агента, либо неиспаряющегося охлаждающего агента с перепадом температуры относительно горячего агента.
В обрабатывающей и энергетической промышленности технологические и рабочие агенты, выпускаемые при высокой температуре и давлении из химических реакторов, печей или теплообменников, часто должны охлаждаться с помощью специально разработанных теплообменников. Эти теплообменники характеризуются специальными конфигурациями теплообмена и технологической разработкой.
Горячий агент, удаляемый из химических реакторов, работающих в таких процессах, как паровой реформинг метана, синтез аммиака, газификация угля/биомассы, сжигание серы и окисление аммиака, является основным примером агента при высокой температуре и давлении, который необходимо охлаждать в специальном теплообменнике. Температура и давление горячего агента могут быть приблизительно в диапазоне от 400°С до 1000°С и от 0,3 МПа до 30 МПа соответственно. Кроме того, горячий агент может повреждать обычные металлические материалы конструкции из–за некоторых агрессивных химических веществ, таких как водород, азот, аммиак, оксид углерода и оксиды серы.
Из–за высоких температур и больших скоростей потока горячего агента обычно необходим широкий диапазон отвода тепла, от нескольких до десятков мегаватт. Для выполнения такого сильного охлаждения используются специальные теплообменники для теплообмена косвенным способом между горячим агентом и охлаждающим агентом.
Такие теплообменники получают несколько общих названий в зависимости от производственного процесса и охлаждающего агента. Например, неполный список наиболее распространенных теплообменников, используемых для охлаждения горячего агента, включает в себя:
– технологические котлы или котлы–утилизаторы в случае, если охлаждающим агентом является испаряющаяся вода;
– подогреватели воды для котлов в случае, если охлаждающим агентом является переохлажденная вода для котлов;
– пароперегреватели в случае, если охлаждающим агентом является пар;
– котлы с контуром синтеза в случае, если горячий агент удаляется из реактора, имеющего колонну для синтеза аммиака и охлаждается испаряющейся водой;
– парогенераторы или испарители в случае испаряющейся охлаждающей текучей среды;
– технологические охладители в случае обычного охлаждающего агента.
Теплообменники для охлаждения горячего агента часто бывают кожухотрубного типа, причем горячий агент течет либо в межтрубном пространстве, либо во внутритрубном пространстве, с вертикальной или горизонтальной установкой. Теплообменные трубы могут быть различного типа, например прямые трубы, U–образные трубы или спиральные трубы. Горячий агент и охлаждающий агент могут косвенно контактировать в соответствии с различными конфигурациями, такими как сонаправленные потоки, противоточные потоки и поперечный поток, и в соответствии с одним или несколькими проходами.
В данной области техники известно много теплообменников кожухотрубного типа для охлаждения агента при высокой температуре и давлении. Некоторые примеры этих теплообменников кожухотрубного типа с конкретной ссылкой на технологический газ перечислены ниже.
Документ US 4287944 описывает вертикальный котел для технологического газа, в котором горячий технологический газ, протекающий в межтрубном пространстве, косвенно обменивается теплом с испаряющейся водой, протекающей во внутритрубном пространстве и циркулирующей при естественной тяге. Теплообменник является однопроходным в межтрубном пространстве и двупроходным во внутритрубном пространстве. Корпус или оболочка теплообменника покрыт изнутри изоляционным материалом для защиты стенок оболочки от перегрева. Пучок труб состоит из U–образных труб, соединенных с общей трубной решеткой, которая отделяет оболочку теплообменника от водосборника. Водосборник разделен на две камеры, одна из которых собирает пароводяную смесь из пучка труб, а другая выпускает пресную воду в пучок труб. Нисходящая нога U–образных труб снабжается внутренней трубой, которая сообщается с камерой пресной воды. Внутренняя труба заканчивается незадолго до U–образного изгиба с открытым концом. Такая внутренняя труба снабжает пучок труб пресной водой.
Заявляется, что эта конфигурация эффективна для предотвращения нарушений естественной циркуляции, поскольку испарение воды в нисходящей ноге происходит в кольцевом пространстве между U–образной трубой и внутренней трубой, а не во внутренней трубе. Следовательно, заявляется, что пар, образующийся в кольцевом пространстве, стравливается в пароводяную камеру, а не втягивается в U–образные трубы. С другой стороны, эта конфигурация отличается двумя потенциальными недостатками. Во–первых, пресная вода из внутренней трубы может втягиваться в кольцевое пространство, а не поступать в U–образные трубы. Во–вторых, U–образные трубы имеют промежуточную сварку.
Документ US 4010797 описывает теплообменник, в котором оболочка включает пучок труб, предпочтительно с U–образными трубами, и футляр, который образует вместе с оболочкой кольцевой зазор и который окружает наибольший участок пучка труб. Горячий технологический газ течет в межтрубном пространстве, а охлаждающий агент, предпочтительно пар или вода, течет во внутритрубном пространстве. Впускное сопло для горячего газа устанавливается вдали от трубной решетки и сообщается с пучком труб. Горячий газ сначала течет сквозь пучок труб за один проход, а затем, после охлаждения, выходит из пучка труб и возвращается обратно в зазор. Соответственно трубная решетка и оболочка не соприкасаются с входящим горячим газом. Однако теплообменник не способен выдерживать перепад температур между двумя агентами или не подходит для испаряющейся воды при естественной циркуляции.
Документ EP 2482020 описывает теплообменник, специально разработанный для охлаждения технологического газа, с горячим агентом во внутритрубном пространстве и охлаждающим агентом в межтрубном пространстве. Теплообменник имеет U–образные трубы, при этом внутренние трубы, установлены в ногах U–образных труб, впускающих горячий агент на не полную длину ноги. Заявляется, что конструкция теплообменника позволяет удерживать трубную решетку при умеренной рабочей температуре.
Документ US 4561496 описывает теплообменник для технологического газа, в котором горячий газ, протекающий во внутритрубном пространстве, охлаждается посредством испаряющейся воды, циркулирующей в межтрубном пространстве. Оболочка разделяется на две камеры внутренними стенками. В одной камере содержится испаряющаяся вода, а в другой камере содержится переохлажденная вода. Как следствие, в межтрубном пространстве два разных охлаждающих потока пересекают пучок труб. Внутренние стенки разделяют оболочку так, чтобы окружать один набор ног U–образных труб. Окруженный набор ног косвенно обменивается теплом от горячего газа к переохлажденной воде, тогда как оставшийся участок труб косвенно обменивается теплом от горячего газа к испаряющейся воде.
Документ US 4907643 описывает пароперегреватель для технологического газа с U–образными трубами, в котором горячий технологический газ течет в межтрубном пространстве, а холодный пар течет во внутритрубном пространстве. Сторона оболочки снабжается направляющим кожухом (футляром), который вытягивается на наибольшую часть пучка труб и образует зазор между оболочкой и футляром, чтобы держать оболочку в положении омывания охлажденным газом, который выходит из футляра. Теплообменник имеет один проход для теплообмена в межтрубном пространстве и два прохода для теплообмена во внутритрубном пространстве. Теплообменник может работать должным образом, если между холодным и горячим агентом нет температурного перепада.
Документ US 5915465 описывает пароперегреватель для технологического газа, в котором горячий технологический газ и холодный пар текут в межтрубном пространстве и во внутритрубном пространстве соответственно. Пучок труб состоит из U–образных труб, и теплообмен осуществляется за два прохода как в межтрубном пространстве, так и во внутритрубном пространстве. Посредством внутренних направляющих кожухов, транспортирующих горячий газ по извилистой траектории, эти два агента косвенно контактируют в конфигурации с чисто противоточными или чисто сонаправленными потоками. Охлажденный газ омывает оболочку перед выходом из теплообменника; тем не менее, участок трубной решетки подвергается воздействию входящего горячего газа.
Документ WO 2017/001147 описывает теплообменник для технологического газа, в котором горячий технологический газ течет в межтрубном пространстве, а охлаждающий агент течет во внутритрубном пространстве. Оболочка снабжается изнутри направляющим кожухом, охватывающим наибольшую длину пучка труб, который образует зазор между оболочкой и кожухом. В такой зазор охлажденный газ подается после охлаждения. Пучок труб состоит из труб байонетного типа.
Документ EP 1610081 описывает теплообменник, специально разработанный для охлаждения технологического газа путем перегрева пара, причем горячий агент течет во внутритрубном пространстве, а охлаждающий агент течет в межтрубном пространстве. Теплообменник имеет два концентрических пучка труб, состоящих из U–образных труб, изготовленных из разных материалов. В межтрубном пространстве направляющие кожухи определяют две частично разделенные области, где одна область работает при высокой температуре и относится к одному из двух пучков труб, а другая область работает при низкой температуре и относится к другому пучку труб. Теплообменник имеет два прохода в межтрубном пространстве и четыре прохода во внутритрубном пространстве. Теплообменник может быть не подходящим в случае, если два агента имеют температурный перепад и входящий горячий агент соприкасается с трубной решеткой.
Документ US 3749160 описывает теплообменник для термической обработки газа, в котором подлежащий обработке газ может течь либо во внутритрубном пространстве, либо в межтрубном пространстве. Теплообменник имеет U–образные трубы и кожух, установленный внутри оболочки, который окружает наибольшую длину пучка труб и образует кольцевой зазор с оболочкой. Кожух имеет открытыми оба конца. Газ в межтрубном пространстве поступает в кожух примерно у средней длины пучка труб и разделяется на две части, которые пересекают пучок труб в противоположных направлениях. Эти две части выходят из двух концов оболочки и протекают в зазоре к выпускному соплу в межтрубном пространстве. Когда газ в межтрубном пространстве является более горячим и должен охлаждаться, оболочка, следовательно, омывается охлажденным газом. Теплообменник имеет один проход для теплообмена в межтрубном пространстве и два прохода для теплообмена во внутритрубном пространстве. Обменник может не работать должным образом, если два агента имеют температурный перепад.
Другие соответствующие теплообменники, особенно подходящие для охлаждения горячего жидкого металла или горячей текучей среды, поступающей из ядерного реактора, описываются в открытой литературе. Например, документ US 3187807 описывает вертикальный теплообменник, в основном содержащий резервуар под давлением, двупроходный пучок труб, две отдельные трубные решетки для каждого трубного прохода, установленные в верхней части резервуара, и две перегородки, простирающиеся вдоль труб и расположенные концентрически, образуя внутреннюю и внешнюю камеры, так что первый и второй трубные проходы располагаются во внутренней и внешней камерах соответственно. Горячий агент течет на стороне внешней камеры, а охлаждающий агент течет во внутритрубном пространстве. Поскольку впуск для горячего агента располагается в верхней части резервуара, передача тепла от горячего и к холодному агенту происходит через противоток или поперечный поток. При такой конфигурации трубная решетка второго трубного прохода и верхняя часть резервуара находятся в соприкосновении с входящим горячим агентом, что может превратить это в неоптимальную конструкцию в случае высоких температур на впуске.
Документ US 3545536 описывает кожухотрубный теплообменник с U–образными трубами, в котором горячий и охлаждающий агенты текут в межтрубном пространстве и во внутритрубном пространстве соответственно. Теплообменник является двупроходным как во внутритрубном пространстве, так и в межтрубном пространстве посредством перегородки, установленной в оболочке, образующей две секции, одну для первого трубного прохода и другую для второго трубного прохода. Передача тепла со стороны оболочки к трубной стороне происходит посредством сонаправленного потока. Документ US 3545536 посвящен устройству для защиты впускного участка первого трубного прохода от перегрева или сильного теплового потока из–за перпендикулярного удара на трубы входящим агентом в межтрубном пространстве. Устройство в основном состоит из воротника или рукава, установленных на каждой трубе, и пластины, к которой рукава присоединяются. Соответственно, участок трубной решетки и впускных труб первого трубного прохода не находятся в прямом контакте с входящим горячим агентом в межтрубном пространстве.
Документ US 3437077 описывает прямоточный парогенератор кожухотрубного типа с концентрически расположенными U–образными трубами, в котором горячий и охлаждающий агенты текут во внутритрубном пространстве и в межтрубном пространстве соответственно. Оболочка снабжается внутренними направляющими кожухами и перегородками, которые образуют два прохода в межтрубном пространстве для последовательного процесса испарения и перегрева охлаждающего агента.
Документ EP 0130404 раскрывает U–образный теплообменник, в котором происходит многоступенчатый теплообмен. Сторона оболочки снабжается внутренними стенками, разделяющими сторону оболочки, по меньшей мере, на две камеры, герметично разделенные. Каждая камера снабжается своими собственными впускными и выпускными соединениями для впуска и выпуска газообразных или жидких агентов в различных физических состояниях.
Как показано в вышеупомянутых документах, для охлаждения горячих агентов, в частности горячего технологического газа, может быть принят большой набор возможных конфигураций кожухотрубных теплообменников. Выбор конфигурации теплообменника, который включает в себя, помимо прочего, выбор стороны для горячего агента и типа пучка труб, зависит от нескольких параметров и ограничений. В целом, проектировщик обычно заинтересован в повышении эффективности теплопередачи, в продлении срока службы конструкции и в снижении капитальной стоимости теплообменника.
В случае, если горячий агент устанавливается в межтрубном пространстве, одной из основных проблем при разработке кожухотрубного теплообменника является предотвращение перегрева и коррозии стенок оболочки. Вышеприведенные патентные документы показывают, что могут быть приняты два основных решения: первое решение состоит в покрытии внутренних стенок оболочки термостойкими материалами (например, US 4561496), тогда как второе решение состоит в том, чтобы омывать оболочку горячим агентом, который был ранее охлажден (например, US 5915465, US 4907643, WO 2017/001147 и US3749160).
Что касается выбора теплообменных труб, часто предпочтительны U–образные трубы или байонетные трубы, поскольку термомеханические ограничения, связанные с удлинением труб, легко поглощаются. Однако на U–образные трубы и байонетные трубы влияют два потенциальных недостатка:
– они предусматривают многопроходную конфигурацию теплообмена во внутритрубном пространстве, и, следовательно, в случае температурных перепадов между горячим и холодным агентами эффективность теплообмена и устойчивость работы могут быть поставлены под угрозу;
– они чувствительны в том случае, если охлаждающий агент, текущий во внутритрубном пространстве, является испаряющимся агентом, поскольку испарение может происходить на всех трубных проходах.
В частности, помимо конфигураций кожухотрубных теплообменников, описанных в вышеприведенных документах, две конкретные конфигурации являются проблематичными с точки зрения проектирования:
A) горячий агент течет в межтрубном пространстве, испаряющийся охлаждающий агент течет во внутритрубном пространстве, особенно при естественной циркуляции, пучок труб является однопроходным в межтрубном пространстве и двупроходным во внутритрубном пространстве, теплообменные трубы имеют U–образную форму. При такой конфигурации может происходить испарение в обеих ногах U–образных труб. Это опасно, так как испарение в обеих ногах нарушает естественную или принудительную циркуляцию и, следовательно, может остановить или задержать поток охлаждающего агента с последующим перегревом или коррозией труб. Это более важно во время запуска, отключения и изменения рабочих нагрузок;
B) горячий агент течет в межтрубном пространстве, неиспаряющийся охлаждающий агент течет во внутритрубном пространстве, пучок труб является однопроходным в межтрубном пространстве и двупроходным во внутритрубном пространстве, теплообменные трубы имеют U–образную форму, происходит перепад температур горячего и охлаждающего агентов при выпуске, горячие и холодные агенты не контактируют в чисто противоточном потоке. При такой конфигурации температурный перепад трудно предотвратить. Как следствие, эффективность теплообмена и устойчивость работы теплообменника могут значительно снизиться.
С другой стороны, конфигурации A) и B) потенциально интересны для применений в теплообменных процессах, где агенты при высокой температуре и давлении должны охлаждаться в силу того, что:
– U–образные трубы эффективно поглощают тепловое удлинение при любой стационарной или переходной нагрузке;
– перепад давления горячего агента, протекающего в межтрубном пространстве, можно легко регулировать и уменьшить, за счет регулирования геометрии пучка труб;
– пучок труб с одним проходом в межтрубном пространстве имеет простую геометрию и низкие перепады давления;
– когда охлаждающий агент течет во внутритрубном пространстве, рабочую температуру металла труб обычно можно поддерживать ближе к температуре охлаждающего агента, поскольку коэффициент теплопередачи во внутритрубном пространстве обычно значительно выше, чем коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве;
– испарение агента обычно более эффективно и устойчиво во внутритрубном пространстве, а не в межтрубном пространстве, из–за большей конвективной составляющей потока и более простой траектории потока;
– выгодно устанавливать температурный перепад в одном теплообменнике, если тепловая эффективность и устойчивость работы не подвергаются опасности в результате перепада;
– давление горячего агента часто ниже, чем давление охлаждающего агента;
– горячий агент, текущий в межтрубном пространстве, может быть ограничен и перемещен внутренним направляющим кожухом, так что оболочка и трубная решетка будут омываться горячим агентом после охлаждения, как описано в некоторых документах выше.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, одной целью настоящего изобретения является предложить кожухотрубный теплообменник для технологического агента, такого как технологический газ, обычно горячий технологический агент, который способен устранить вышеупомянутые недостатки предшествующего уровня техники простым, недорогим и особенно функциональным образом.
Подробно, одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить кожухотрубный теплообменник для технологического агента, в котором испарение, в случае охлаждающего агента в условиях насыщения, или температурный перепад, в случае неиспаряющегося охлаждающего агента, предотвращается или, по меньшей мере, минимизируется, по меньшей мере, на участке труб пучка труб.
Другой целью настоящего изобретения является предложить кожухотрубный теплообменник для технологического агента, который способен работать всегда в устойчивых и положительных условиях с теплогидравлической точки зрения.
Эти и другие цели достигаются в соответствии с настоящим изобретением путем предоставления кожухотрубного теплообменника, а также способа эксплуатации кожухотрубного теплообменника, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.
В частности, эти цели достигаются с помощью кожухотрубного теплообменника, имеющего цилиндрическую геометрию и содержащего первую камеру давления и вторую камеру давления, соединенные с общей трубной решеткой на противоположных сторонах. Первая камера давления снабжается, по меньшей мере, впускным соплом для введения первой текучей среды и, по меньшей мере, выпускным соплом для выведения первой текучей среды. Вторая камера давления снабжается, по меньшей мере, первым соплом для введения или выведения второй текучей среды и, по меньшей мере, вторым соплом для выведения или введения, соответственно, второй текучей среды. Трубная решетка соединяется с пучком труб, размещенным в первой камере давления, и содержащим множество U–образных теплообменных труб, через которые течет вторая текучая среда, чтобы осуществлять косвенным образом теплообмен с первой текучей средой. Каждая U–образная теплообменная труба снабжается первым участком и вторым участком. Первый участок и второй участок каждой U–образной теплообменной трубы гидравлически соединяются с помощью U–образного изгиба. Первая камера давления содержит, по меньшей мере, один внутренний направляющий кожух, имеющий цилиндрическую или псевдоцилиндрическую геометрию и простирающийся вдоль большой продольной оси указанной первой камеры давления. Указанный внутренний направляющий кожух окружает указанный первый участок каждой U–образной теплообменной трубы, по меньшей мере, для части соответствующей длины указанного первого участка. Указанный внутренний направляющий кожух герметично соединен на своем первом конце с трубной решеткой с помощью первого соединительного средства, и указанный внутренний направляющий кожух открыт на своем втором конце, что создает, по меньшей мере, частично застойную зону во внутреннем направляющем кожухе, препятствуя первой текучей среде протекать сквозь указанный первый участок каждой U–образной теплообменной трубы, следовательно, предотвращая или уменьшая теплопередачу от первой текучей среды ко второй текучей среде в указанном первом участке каждой U–образной теплообменной трубы. Эти цели также достигаются с помощью способа эксплуатации кожухотрубного теплообменника, имеющего цилиндрическую геометрию и включающего в себя первую камеру давления и вторую камеру давления, соединенные с общей трубной решеткой на противоположных сторонах, при этом первая камера давления снабжается, по меньшей мере, впускным соплом и, по меньшей мере, выпускным соплом, при этом вторая камера давления снабжается, по меньшей мере, первым соплом и, по меньшей мере, вторым соплом, при этом трубная решетка соединяется с пучком труб, размещенным в первой камере давления и содержащим множество U–образных теплообменных труб, при этом каждая U–образная теплообменная труба снабжается первым участком и вторым участком, при этом первый участок и второй участок каждой U–образной теплообменной трубы гидравлически соединяются с помощью U–образного изгиба, при этом кожухотрубный теплообменник отличается тем, что первая камера давления содержит, по меньшей мере, один внутренний направляющий кожух, имеющий цилиндрическую или псевдоцилиндрическую геометрию и простирающийся вдоль большой продольной оси указанной первой камеры давления, при этом указанный внутренний направляющий кожух окружает указанный первый участок каждой U–образной теплообменной трубы, по меньшей мере, на части соответствующей длины указанного первого участка, при этом указанный внутренний направляющий кожух герметично соединен на своем первом конце с трубной решеткой с помощью первого соединительного средства, при этом указанный внутренний направляющий кожух открыт на своем втором конце. Способ включает в себя:
– введение первой текучей среды через впускное сопло первой камеры давления,
– введение второй текучей среды через первое сопло или второе сопло второй камеры давления,
– протекание второй текучей среды через указанное множество U–образных теплообменных труб для осуществления косвенным образом теплообмена с первой текучей средой,
– выведение первой текучей среды через выпускное сопло первой камеры давления,
– выведение второй текучей среды через второе сопло или первое сопло, соответственно, второй камеры давления,
в результате чего внутренний направляющий кожух создает, по меньшей мере, частично застойную зону во внутреннем направляющем кожухе, препятствуя первой текучей среде протекать сквозь указанный первый участок каждой U–образной теплообменной трубы, тем самым предотвращая или уменьшая теплопередачу от первой текучей среды ко второй текучей среде в указанном первом участке каждой U–образной теплообменной трубы.
Дополнительные признаки изобретения подчеркнуты зависимыми пунктами формулы изобретения, которые являются неотъемлемой частью настоящего описания.
Подробно, предпочтительный вариант осуществления кожухотрубного теплообменника для технологического агента согласно настоящему изобретению характеризуется следующими техническими признаками:
– он обеспечивает косвенный теплообмен между горячим агентом и охлаждающим агентом;
– он является кожухотрубным типом;
– пучок труб является однопроходным в межтрубном пространстве и двупроходным во внутритрубном пространстве;
– трубы имеют U–образную конфигурацию, с ногами, которые могут быть прямыми или иметь любую другую форму (например, спираль);
– горячий агент течет в межтрубном пространстве, тогда как охлаждающий агент течет во внутритрубном пространстве;
– охлаждающий агент представляет собой испаряющийся агент, протекающий при естественной или принудительной циркуляции, или неиспаряющийся агент, имеющий температуру на выпуске, которая выше температуры горячего агента на выпуске (температурный перепад);
– горячий и охлаждающий агент не контактируют в чисто противоточной конфигурации;
– в межтрубном пространстве предпочтительно имеются два направляющих кожуха, которые транспортируют горячий агент вдоль оболочки;
– первый направляющий кожух в межтрубном пространстве, сообщается с впускным соплом для горячего агента, окружает наибольшую длину пучка труб и наибольшую длину второго направляющего кожуха в межтрубном пространстве;
– первый направляющий кожух в межтрубном пространстве образует зазор с оболочкой, причем указанный зазор сообщается с пучком труб и выпускным соплом для горячего агента;
– второй направляющий кожух в межтрубном пространстве, герметично соединенный с трубной решеткой и имеющий открытый конец, полностью или частично окружает один набор ног U–образных труб и предотвращает или уменьшает теплообмен между двумя агентами на участке окруженных ног;
– идеально, когда компоновка труб является концентрическим типом, при этом один набор ног устанавливается в круглой центральной области трубной решетки, а другой набор ног устанавливается в круглой внешней области, окружающей центральную область;
– пучок труб предпочтительно находится в вертикальном положении с направленными вниз U–образными трубами.
Кожухотрубный теплообменник для технологического агента в соответствии с настоящим изобретением предназначен для безопасной и эффективной работы, когда приняты вышеуказанные конфигурации A) и B). В действительности, в конфигурации А), когда испаряющийся агент используется в качестве охлаждающего агента, особенно протекающего при естественной циркуляции, ноги впускных U–образных труб (первый трубный проход) не участвуют или участвуют в незначительной степени в теплообмене и, следовательно, происходит незначительное испарение во впускных ногах. Как следствие, естественная или принудительная циркуляция всегда положительно и стабильно устанавливается в теплообменнике. Кроме того, предпочтительно трубная решетка и оболочка вступают в контакт с входящим горячим агентом после того, как произошла, по меньшей мере, часть теплообмена, то есть после того, как горячий агент был, по меньшей мере, частично охлажден.
В конфигурации B), когда неиспаряющийся агент используется в качестве охлаждающего агента, когда горячий и охлаждающий агенты не контактируют в конфигурации с чисто противоточными потоками, и когда температура охлаждающего агента на выходе выше, чем температура горячего агента на выходе, то есть когда происходит перепад температур внутри теплообменника, участок ног U–образных труб, где может возникнуть перепад температур, не участвует или незначительно участвует в теплообмене, и, следовательно, перепад температур на пучке труб предотвращается. Как следствие, теплопередача всегда сохраняется устойчивой и с положительной эффективностью. Кроме того, трубная решетка и оболочка вступают в контакт с входящим горячим агентом после того, как произошла, по меньшей мере, часть теплообмена, то есть после того, как горячий агент был, по меньшей мере, частично охлажден.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Характеристики и преимущества кожухотрубного теплообменника для технологического газа в соответствии с настоящим изобретением будут более понятны из следующего иллюстративного и неограничивающего описания со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
фиг. 1 и 2 схематично показывают в двух соответствующих рабочих условиях, первый вариант осуществления кожухотрубного теплообменника в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 3 и 4 схематично показывают в двух соответствующих рабочих условиях, второй вариант осуществления кожухотрубного теплообменника в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 5 – вид в поперечном сечении, полученный на среднем участке кожухотрубного теплообменника по любой из фиг. 1–4;
фиг. 6 схематично и частично показывает третий вариант осуществления кожухотрубного теплообменника в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 7 схематично и частично показывает четвертый вариант осуществления кожухотрубного теплообменника в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 8А–8С схематично показывают три соответствующих варианта осуществления одного из направляющих кожухов кожухотрубного теплообменника в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 9 схематично показывает кожухотрубный теплообменник по фиг. 1 и 2, снабженный иной компоновкой его внутренних компонентов; и
фиг. 10 схематично показывает кожухотрубный теплообменник, по фиг. 3 и 4, с иной компоновкой его внутренних компонентов.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Со ссылкой на чертежи показываются некоторые варианты осуществления кожухотрубного теплообменника 10 в соответствии с настоящим изобретением. Теплообменник 10 имеет цилиндрическую геометрию и содержит первую камеру 12 давления и вторую камеру 14 давления, соединенные с общей трубной решеткой 16 на противоположных сторонах. Трубная решетка 16 соединяется с пучком труб, содержащим множество U–образных теплообменных труб 18, размещенным в первой камере 12 давления. Каждая U–образная труба 18 снабжается первым участком или ногой 18A и вторым участком или ногой 18В. Первая нога 18A и вторая нога 18B каждой U–образной трубы 18 гидравлически соединяются с помощью U–образного изгиба 20. Первая нога 18A и вторая нога 18B каждой U–образной трубы 18 могут быть либо прямыми, либо иметь другую форму (подобную спирали). Оба конца каждой U–образной трубы 18 соединяются с трубной решеткой 16.
Первая текучая среда, то есть горячий агент, течет в первой камере 12 давления, также называемой «оболочкой», а вторая текучая среда, то есть охлаждающий агент, течет во второй камере 14 давления, которая также называется «каналом». Вторая камера 14 давления сообщается с U–образной трубой 18. Другими словами, горячий агент течет в межтрубном пространстве, а охлаждающий агент течет с трубной стороны. Кожухотрубный теплообменник 10 выполнен с возможностью направлять первую текучую среду сквозь участок с пучком труб до соприкосновения с трубной решеткой 16. Кожухотрубный теплообменник 10 выполнен с возможностью направлять первую текучую среду, по меньшей мере, сквозь участок вторых ног 18B пучка труб до соприкосновения с трубной решеткой (16). Таким образом, кожухотрубный теплообменник 10 выполнен с возможностью направлять первую текучую среду так, чтобы часть тепла обменивалась между первой текучей средой и второй текучей средой до того, как первая текучая среда коснется трубной решетки 16. Первая текучая среда поступает в первую камеру 12 давления в точке, так что первая текучая среда течет к трубной решетке 16, обмениваясь, по меньшей мере, частью тепла со второй текучей средой.
Первая камера 12 давления снабжается одним или более впускными соплами 28 для горячего агента и одним или более выпускными соплами 30 для горячего агента. Впускные 28 и выпускные 30 сопла располагаются далеко от трубной решетки 16, предпочтительно вблизи или после U–образных изгибов 20. То, что первая текучая среда является горячим агентом или более теплым агентом, означает, что первая текучая среда является более теплой, чем вторая текучая среда, когда подается в теплообменник, то есть первая текучая среда является более теплой при подаче в теплообменник, чем вторая текучая среда при подаче в теплообменник. Другими словами, первая текучая среда является более теплой при входе в теплообменник через впускное сопло 28, чем вторая текучая среда при входе в теплообменник через первое сопло 46 или второе сопло 48. Вторая текучая среда является охлаждающим агентом и может также обозначаться как холодный агент. То, что вторая текучая среда является холодным агентом или более холодным агентом, означает, что вторая текучая среда холоднее первой текучей среды при подаче в теплообменник. Вторая текучая среда холоднее при подаче в теплообменник, чем первая текучая среда при подаче в теплообменник. Другими словами, вторая текучая среда является более холодной при подаче в теплообменник через первое сопло 46 или второе сопло 48, чем первая текучая среда при подаче в теплообменник через впускное сопло 28.
Впускное сопло 28 первой камеры 12 давления располагается на расстоянии от трубной решетки 16, так что первая текучая среда направляется сквозь участок с пучком труб до соприкосновения с трубной решеткой 16. Впускное сопло 28 первой камеры 12 давления располагается на расстоянии от трубной решетки 16, так что первая текучая среда направляется, по меньшей мере, сквозь участок со вторыми ногами 18B пучка труб до соприкосновения с трубной решеткой 16. Таким образом, первая текучая среда течет из впускного сопла первой камеры 12 давления в направлении трубной решетки 16, обмениваясь, по меньшей мере, частью тепла со второй текучей средой.
Первая камера 12 давления содержит, по меньшей мере, один наружный направляющий кожух 22 и, по меньшей мере, один внутренний направляющий кожух 24. Как наружный 22, так и внутренний 24 направляющий кожух имеет цилиндрическую или псевдоцилиндрическую геометрию и простирается вдоль большой продольной оси первой камеры 12 давления. Наружный направляющий кожух 22 простирается до или после U–образных изгибов 20. Первая камера 12 давления также содержит множество перегородок или решеток 26, которые вместе с теплообменными трубами 18 образуют пучок труб.
Наружный направляющий кожух 22 и первая камера 12 давления образуют зазор 32 между ними. Зазор 32 сообщается с выпускным соплом 30 для горячего агента. Наружный направляющий кожух 22 охватывает как участок длины, предпочтительно наибольшей длины, т.е. участок большей длины пучка труб, так и участок длины, предпочтительно наибольшей длины, т.е. участок большей длины внутреннего направляющего кожуха 24. Участок длины пучка труб, окруженный наружным направляющим кожухом 22, предпочтительно содержит U–образные изгибы 20. Наружный направляющий кожух 22 предпочтительно окружает участок длины пучка труб, включающий в себя U–образные изгибы 20. Наружный направляющий кожух 22, на первом своем конце, который обращен в сторону и от трубной решетки 16, сообщается с впускным соплом 28 для горячего агента посредством соединительного канала 34 и принимает горячий агент из впускного сопла 28 у противоположной стороны U–образных изгибов 20 к стороне, где пучок труб соединяется с трубной решеткой 16 или вблизи U–образных изгибов 20. В этом контексте введение горячего агента в наружный направляющий кожух 22 у противоположной стороны U–образных изгибов 20 к стороне, где пучок труб соединяется с трубной решеткой 16, означает, что ввод горячего агента в пучок труб не происходит между U–образными изгибами 20 и трубной решеткой 16. Наружный направляющий кожух 22, на своем втором конце, который обращен к трубной решетке 16 и находится рядом с ней, имеет отверстие 36, сообщающееся с зазором 32. Наружный направляющий кожух 22 может быть выполнен с возможностью направлять первую текучую среду сквозь участок пучка труб перед соприкосновением с трубной решеткой 16. Соединительный канал 34, который соединяет впускное сопло 28 с наружным направляющим кожухом 22, может быть выполнен с возможностью направлять первую текучую среду сквозь участок пучка труб до соприкосновения с трубной решеткой 16.
Участок соединения между впускным соплом 28 и соединительным каналом 34 наружного направляющего кожуха 22 предпочтительно уплотнен. Напротив, если никакого уплотнения не предусматривается, наружный направляющий кожух 22 может быть снабжен около соединительного канала 34 регулирующим устройством (не показано) для преднамеренного перепуска определенного количества горячего агента от впускного сопла 28 к зазору 32. Такой перепуск полезен для управления температурой горячего агента на выпускном сопле 30.
Внутренний направляющий кожух 24 полностью окружает набор первых ног 18А U–образных труб в азимутальном (круговом) направлении и окружает в продольном направлении указанный набор первых ног 18А U–образных труб, по меньшей мере, на части их соответствующей длины. Более конкретно:
– в случае, если охлаждающий агент представляет собой испаряющуюся текучую среду, протекающую при естественной циркуляции, внутренний направляющий кожух 24 полностью или почти полностью окружает набор первых ног 18А, то есть ноги 18А труб 18, куда охлаждающий агент входит (первый трубный проход), в продольном направлении;
– в случае, если охлаждающий агент представляет собой испаряющуюся текучую среду, протекающую при принудительной циркуляции, внутренний направляющий кожух 24 полностью или частично окружает набор первых ног 18А, то есть ног 18А труб 18, куда охлаждающий агент входит (первый трубный проход) в продольном направлении;
– в случае, если охлаждающий агент представляет собой неиспаряющуюся текучую среду, внутренний направляющий кожух 24 частично окружает набор первых ног 18А, то есть ног 18А труб 18, куда охлаждающий агент выходит (второй трубный проход), в продольном направлении.
Внутренний направляющий кожух 24 на своем первом конце 78, который обращен к трубной решетке 16 и находится рядом с ней, герметично соединяется с упомянутой трубной решеткой 16 с помощью первого соединительного средства 38. Внутренний направляющий кожух 24 на своем втором конце 52, который обращен в сторону и от трубной решетки 16, является открытым, и в этом случае во внутреннем направляющем кожухе 24 будет, по меньшей мере, частично застойная зона, которая уменьшает теплообмен между второй текучей средой в первых ногах 18А и первой текучей средой. Таким образом, внутренний направляющий кожух 24 открыт на своем втором конце 52, что создает, по меньшей мере, частично застойную зону во внутреннем направляющем кожухе 24, препятствуя первой текучей среде протекать сквозь указанный первый участок 18А каждой U–образной теплообменной трубы 18, предотвращая, следовательно, или уменьшая теплопередачу от первой текучей среды ко второй текучей среде в указанном первом участке 18A каждой U–образной теплообменной трубы 18. Внутренний направляющий кожух 24 предотвращает поток первой текучей среды, например горячего агента, сквозь окруженный участок закрытых ног 18А U–образных труб, и, следовательно, предотвращает или уменьшает теплопередачу от первой текучей среды, например, горячего агента ко второй текучей среде, например, охлаждающему агенту в указанном участке ног 18А U–образных труб. Другими словами, внутренний направляющий кожух 24 имеет целью предотвратить или уменьшить для окруженного участка ног 18А U–образных труб либо испарение, в случае если охлаждающий агент находится в условиях насыщения, либо температурный перепад, в случае неиспаряющегося охлаждающего агента. Второй конец 52 может быть снабжен пластиной, имеющей сквозные отверстия или окна для прохода первых ног 18А U–образных труб. Пластина может быть перфорированной пластиной. Альтернативно, пластина может быть жесткой пластиной, за исключением сквозных отверстий или окон для прохода первых ног 18А U–образных труб и, возможно, дополнительного оборудования или устройств, где, по меньшей мере, одно из сквозных отверстий или окон больше, чем поперечное сечение первых ног 18А U–образных и, возможно, дополнительного оборудования или устройств.
Внутренний направляющий кожух 24 содержит поверхность 80 оболочки. Поверхность 80 оболочки проходит от первого конца (78) до второго конца (52) внутреннего направляющего кожуха (24). Поверхность 80 оболочки не перфорирована. Таким образом, поверхность 80 оболочки не имеет каких–либо перфораций или сквозных отверстий. Поверхность оболочки непроницаема. Первая текучая среда не может проникнуть сквозь поверхность 80 оболочки. Поверхность 80 оболочки образует полый цилиндр или псевдоцилиндр. Поверхность оболочки не имеет какого–либо (впускного или выпускного) отверстия для циркуляции текучей среды внутри внутреннего направляющего кожуха. Внутренний направляющий кожух также не имеет впускного и выпускного отверстий для циркуляции текучей среды внутри внутреннего направляющего кожуха. Внутренний направляющий кожух снабжается только отверстием (отверстиями) на втором открытом конце. Не предусматривается никаких отверстий где–либо еще на внутреннем направляющем кожухе, благодаря чему никакой циркуляции текучей среды внутри внутреннего направляющего кожуха не достигается, и, таким образом, текучая среда внутри внутреннего направляющего кожуха является преимущественно застойной. Внутренний направляющий кожух 24 не отделен герметично от остальной части первой камеры 12 давления. Первая текучая среда может заполнять внутренний направляющий кожух 24, но первая текучая среда не может непрерывно течь через внутренний направляющий кожух 24, то есть в него и из него. Вместо этого первая текучая среда внутри внутреннего направляющего кожуха является преимущественно застойной.
Вторая камера 14 давления содержит направляющий кожух 40 второй камеры давления, который разделяет вторую камеру 14 давления на первую секцию 42 и вторую секцию 44. Первая секция 42 и вторая секция 44 не сообщаются напрямую друг с другом. Первая секция 42 и вторая секция 44 сообщаются друг с другом через U–образные теплообменные трубы 18. Вторая камера 14 давления также снабжается, по меньшей мере, первым соплом 46 для введения или выведения охлаждающего агента и, по меньшей мере, вторым соплом 48 для выведения или введения охлаждающего агента. Направляющий кожух 40 второй камеры давления соединяется с трубной решеткой 16 или с одним набором ног 18А и 18В U–образных труб с помощью второго соединительного средства 50. В результате каждая секция 42 и 44 второй камеры 14 давления сообщается с одним набором ног 18А или 18В U–образных труб. Первый участок 18А U–образных теплообменных труб 18 сообщается с первой секцией 42, а второй участок 18B U–образных теплообменных труб 18 сообщается со второй секцией 44.
Первая секция 42 и вторая секция 44 второй камеры 14 давления также могут сообщаться посредством регулирующего клапана, установленного во второй камере 14 давления. Такой регулирующий клапан может действовать как перепускное устройство для перепуска части второй текучей среды и, следовательно, быть полезным для управления температуры выпуска второй текучей среды.
Предпочтительно компоновка трубы 18 имеет концентрический тип, как показано на фиг. 5, с первыми ногами 18А, расположенными в круглом центральном участке трубной решетки 16 («центр» 64, см. фиг. 5), и со вторыми ногами 18В, расположенными в круглом участке, окружающем центральный участок указанной трубной решетки 16 («корона» 66, см. фиг. 5). В соответствии с такой предпочтительной компоновкой труб, следующая конфигурация теплообменника 10 может быть предпочтительно использована:
– внутренний направляющий кожух 24 концентрически устанавливается внутри первой камеры 12 давления и окружает первые ноги 18А, соединенные с «центром» трубной решетки 16, независимо от охлаждающего агента. Следовательно, первые ноги 18А представляют собой первый трубный проход в случае испаряющегося охлаждающего агента и второй трубный проход в случае неиспаряющегося охлаждающего агента;
– наружный направляющий кожух 22 концентрически устанавливается внутри первой камеры 12 давления и охватывает наибольшую длину пучка труб и наибольшую длину внутреннего направляющего кожуха 24;
– две секции 42 и 44 второй камеры 14 давления концентрически располагаются в указанной второй камере 14 давления, причем первая внутренняя секция 42 сообщается по текучей среде с первыми ногами 18А, а вторая наружная секция 44 сообщается по текучей среде со вторыми ногами 18В;
– в случае испаряющегося охлаждающего агента (см. фиг. 1 и 2) охлаждающий агент поступает во внутреннюю секцию 42 из первого сопла 46 второй камеры 14 давления, затем указанный охлаждающий агент входит в первые ноги 18А (первый трубный проход), протекает вдоль труб 18, выходит из вторых ног 18B (второй трубный проход), входит в наружную секцию 44 и затем выходит из второго сопла 48 второй камеры 14 давления;
– в случае неиспаряющегося охлаждающего агента (см. фиг. 2 и 4), охлаждающий агент поступает в наружную секцию 44 из второго сопла 48 второй камеры 14 давления, затем указанный охлаждающий агент входит во вторые ноги 18B (первый трубный проход), протекает вдоль труб 18, выходит из первых ног 18А (второй проход в трубе), входит во внутреннюю секцию 42 и затем выходит из первого сопла 46 второй камеры 14 давления.
В случае, когда охлаждающий агент является испаряющимся агентом, протекающим при естественной циркуляции, теплообменник 10 предпочтительно располагается в вертикальном положении (относительно большой продольной оси его оболочки), причем пучок труб ориентирован вниз. В противном случае теплообменник 10 может быть как вертикальным, так и горизонтальным независимо от ориентации пучка труб.
В межтрубном пространстве (то есть стороне горячего агента) теплообменник 10, показанный на фиг. 1 и 2, работает следующим образом. Горячий агент поступает в наружный направляющий кожух 22 из впускного сопла 28, затем течет вдоль наружного направляющего кожуха 22 к трубной решетке 16, пересекая U–образные трубы 18, за исключением участка указанных U–образных труб 18, окруженных внутренним направляющим кожухом 24 в соответствии с траекторией потока, определенной перегородками или решетками 26. Вдоль пучка труб горячий агент косвенно освобождает тепло к охлаждающему агенту, который течет в U–образных трубах 18, за исключением участка указанных U–образных труб 18, окруженных внутренним направляющим кожухом 24. Таким образом, два агента контактируют в соответствии с:
– чистой или почти чистой конфигурацией с сонаправленными потоками в случае испаряющегося охлаждающего агента при естественной циркуляции (фиг. 1), предпочтительно, внутренний направляющий кожух 24 полностью или почти полностью окружает первый участок 18А U–образных теплообменных труб 18 в продольном направлении;
– чистой или почти чистой конфигурацией с сонаправленными потоками или как конфигурация с сонаправленными потоками, так и конфигурация с противотоковыми потоками в случае испаряющегося охлаждающего агента при принудительной циркуляции (фиг. 1), предпочтительно, внутренний направляющий кожух 24 полностью или частично окружает первый участок 18А U–образных теплообменных труб 18 в продольном направлении;
– как конфигурацией с сонаправленными потоками, так и конфигурацией с противотоковыми потоками в случае неиспаряющегося охлаждающего агента, температура на выпуске которого выше, чем температура на выпуске горячего агента (фиг. 2), предпочтительно внутренний направляющий кожух 24 частично окружает первый участок 18А U–образных теплообменных труб 18 в продольном направлении.
Около трубной решетки 16 горячий агент выходит из наружного направляющего кожуха 22 через отверстие 36, совершает U–образный разворот, входит в зазор 32 и затем течет к выпускному соплу 30, из которого указанный горячий агент выходит из теплообменника 10. Горячий агент, выходящий из отверстия 36, был охлажден. Следовательно, участок трубной решетки 16 и первой камеры 12 давления, которые находятся в соприкосновении с горячим агентом, омываются охлажденным горячим агентом. В случае, если некоторое количество входящего горячего агента перепускается до пересечения с пучком труб, например, с помощью регулирующего клапана, установленного на канале 34, то это количество входящего горячего агента смешивается с охлажденным горячим агентом, протекающим в зазоре 32, прежде чем выйти из выпускного сопла 30.
Во внутритрубном пространстве (то есть стороне охлаждающего агента) теплообменник 10 работает следующим образом. В первом рабочем состоянии (фиг. 1) охлаждающий агент представляет собой испаряющийся агент, протекающий при естественной циркуляции. Теплообменник 10, иногда называемый технологическим испарителем, парогенератором, котлом для технологического газа или котлом–утилизатором в зависимости от горячего и охлаждающего агента, предпочтительно находится в вертикальном положении с пучком труб, направленным вниз. В случае предпочтительной концентрической компоновки U–образных труб 18, как показано на фиг. 5, испаряющийся охлаждающий агент в условиях насыщения или почти в условиях насыщения находится в жидкой фазе и поступает во внутреннюю секцию 42 второй камеры 14 давления из первого сопла 46. Первые ноги 18A U–образных труб центральной части 64 трубной решетки 16 сообщаются с внутренней секцией 42, тогда как вторые ноги 18B U–образных труб "короны" трубной решетки 16 или периферийный участок 66 сообщаются с наружной секцией 44 второй камеры 14 давления.
Испаряющийся охлаждающий агент во внутренней секции 42 входит в первые ноги 18А U–образных труб (первый трубный проход) и стекает вниз при естественной циркуляции. Внутренний направляющий кожух 24 полностью или почти полностью окружает первые ноги 18А U–образных труб для предотвращения или уменьшения теплопередачи от горячего агента к охлаждающему агенту и, следовательно, для предотвращения испарения в первых ногах 18А U–образных труб. На втором конце 52 внутреннего направляющего кожуха 24 испаряющийся охлаждающий агент покидает окруженный участок первых ног 18А U–образных труб и начинает обмениваться теплом с горячим агентом. Вскоре испаряющийся охлаждающий агент совершает U–образный разворот в U–образных изгибах 20, а затем естественным образом перемещается вверх во-вторых ногах 18B (второй трубный проход), где охлаждение горячего агента происходит за счет испарения.
Как хорошо известно, жидкая текучая среда и ее парожидкостная смесь при одинаковой температуре или при близких температурах имеют разные плотности. Такая разница является движущей силой для естественной циркуляции. Двухфазная смесь, выходящая из вторых ног 18B, выпускается в наружную секцию 44 второй камеры 14 давления и затем покидает теплообменник 10 из второго сопла 48. Первое 46 и второе 48 сопла второй камеры 14 давления могут быть подсоединены к отдельному и находящемуся на возвышении оборудованию (не показано), обычно называемому барабаном для парожидкостной смеси и, который предусматривает наличие необходимого гидростатического напора для естественной циркуляции и для парожидкостного сепарирования.
Поскольку первые ноги 18А U–образных труб являются адиабатическими или почти адиабатическими, никакого значительного испарения не происходит при первом трубном проходе, и, следовательно, естественная циркуляция не нарушается. Теплообменник 10 работает всегда в стабильных и положительных условиях с точки зрения термогидравлики.
Во втором рабочем состоянии (фиг. 1) охлаждающий агент представляет собой испаряющийся агент, протекающий при принудительной циркуляции. И снова теплообменник 10 предпочтительно находится в вертикальном положении с пучком труб, направленным вниз. В случае предпочтительной концентрической компоновки U–образных труб 18, как показано на фиг. 5, испаряющийся охлаждающий агент в условиях насыщения или почти в условиях насыщения поступает во внутреннюю секцию 42 из первого сопла 46 в жидкой фазе. Первые ноги 18A U–образных труб центрального участка 64 трубной решетки 16 сообщаются с внутренней секцией 42, тогда как вторые ноги 18B U–образных труб "короны" трубной решетки 16 или периферийного участка 66 сообщаются с наружной секцией 44 второй камеры 14 давления.
Испаряющийся охлаждающий агент во внутренней секции 42 входит в первые ноги 18А U–образных труб (первый трубный проход) и стекает вниз при принудительной циркуляции. Внутренний направляющий кожух 24 полностью или частично окружает первые ноги 18А U–образных труб для предотвращения или уменьшения теплопередачи от горячего агента к охлаждающему агенту и, следовательно, для предотвращения испарения в окруженном участке первых ног 18А U–образных труб. На втором конце 52 внутреннего направляющего кожуха 24 испаряющийся охлаждающий агент покидает окруженный участок первых ног 18А U–образных труб и начинает обмениваться теплом с горячим агентом. Когда испаряющийся охлаждающий агент достигает U–образных изгибов 20, он осуществляет U–образный разворот и перемещается вверх во-вторых ногах 18B U–образных труб (второй трубный проход). Парожидкостная смесь, выходящая из вторых ног 18B U–образных труб, выпускается в наружную секцию 44 второй камеры 14 давления и затем покидает теплообменник 10 из второго сопла 48. Также в этом втором рабочем состоянии первое 46 и второе 48 сопла второй камеры 14 давления могут быть подсоединены к отдельному оборудованию, обычно называемому барабаном для парожидкостной смеси и, который обеспечивает сепарирование жидкости и пара.
Поскольку часть первых ног 18А U–образных трубок, окруженная внутренним направляющим кожухом 24, является адиабатической или частично адиабатической, испарение в таком участке первого трубного прохода исключается или уменьшается. Это положительно влияет на принудительную циркуляцию, поскольку текучая среда в первом трубном проходе вносит вклад в естественную тягу. Такой вклад более важен или сверхважен в случае выхода из строя насосного устройства или в течении неустановившихся состояний.
В третьем рабочем состоянии (фиг. 2) охлаждающий агент представляет собой неиспаряющийся агент, который при выпуске из теплообменника (первое сопло 46) имеет температуру выше, чем температура горячего агента при выпуске (то есть происходит перепад температур). Охлаждающим агентом может быть переохлажденная вода, пар или любая другая жидкость в паровой или жидкой фазе. В этом рабочем состоянии теплообменник 10 обычно называют предварительным нагревателем воды, пароперегревателем или охладителем соответственно. В случае предпочтительной концентрической компоновки U–образных труб 18, как показано на фиг. 5, охлаждающий агент поступает в наружную секцию 44 из второго сопла 48, а затем поступает во вторые ноги 18B U–образных труб (первый трубный проход). Охлаждающий агент течет вдоль вторых ног 18B U–образных труб, совершает U–образный разворот в U–образных изгибах 20 и затем течет в первых ногах 18A U–образных труб (второй трубный проход). Охлаждающий агент косвенным образом обменивается теплом с горячим агентом вдоль вторых ног 18B U–образных труб и вдоль первых ног 18A U–образных труб, не окруженных внутренним направляющим кожухом 24. Затем на участке трубы 18 между вторым концом 52 внутреннего направляющего кожуха 24 и трубной решеткой 16, первые ноги 18А U–образных труб не способствуют или незначительно способствуют теплообмену между двумя агентами. Температура охлаждающего агента у второго конца 52 внутреннего направляющего кожуха 24 равна или ниже температуры горячего агента в этой точке пучка труб. Следовательно, перепад температур предотвращается. В результате, даже если температура охлаждающего агента выше, чем температура горячего агента на выходе из теплообменника, и теплообменник не имеет чисто противоточную конфигурацию, перепад температуры вдоль пучка труб предотвращается, и, следовательно, теплообменник всегда работает устойчиво и с положительной производительностью с точки зрения температуры.
На фиг. 3 и 4 схематично показан второй вариант осуществления кожухотрубного теплообменника 10 для технологического газа в соответствии с настоящим изобретением. Этот второй вариант осуществления теплообменника 10 практически идентичен первому, описанному выше, за исключением:
– наружный направляющий кожух 22 имеет оба открытых конца;
– впуск горячего агента производится в наружный направляющий кожух 22 в точке между трубной решеткой 16 и U–образными изгибами 20, например, в точке, в районе середины между трубной решеткой 16 и U–образными изгибами 20;
– горячий агент распадается на две части при протекании сквозь пучок труб.
Впускные 28 и выпускные сопла 30 первой камеры 12 давления располагаются на указанной первой камере 12 давления, предпочтительно между трубной решеткой 16 и U–образными изгибами 20, например, в районе середины между трубной решеткой 16 и U–образными изгибами 20. Первый конец наружного направляющего кожуха 22, то есть конец наружного направляющего кожуха 22, который обращен в сторону и от трубной решетки 16, таким образом, обеспечивается отверстием 54, которое сообщается с зазором 32.
В межтрубном пространстве (то есть стороне горячего агента) теплообменник 10, показанный на фиг. 3, работает следующим образом. Входящий горячий агент поступает в наружный направляющий кожух 22 из впускного сопла 28 и через соединительный канал 34 в точке, которая расположена между трубной решеткой 16 и U–образными изгибами 20. Поскольку наружный направляющий кожух 22 снабжается двумя отверстиями 36 и 54, входящий горячий агент распадается на две части, протекая соответственно к первому (верхнему) отверстию 36 и второму (нижнему) отверстию 54 наружного направляющего кожуха 22. Обе части текучей среды пересекают пучок труб в противоположных направлениях и обмениваются теплом с охлаждающим агентом, протекающим во внутритрубном пространстве, за исключением участка труб 18, окруженного внутренним направляющим кожухом 24. Две части текучей среды, выходящие из первого (верхнего) отверстия 36 и второго (нижнего) отверстия 54 охлаждаются, затем они совершают U–образный разворот и входят в зазор 32, и обе части движутся в направлении выпускного сопла 30. Таким образом, два агента контактируют в соответствии с:
– обеими конфигурациями, как с сонаправленным потоком, так и с противотоком в случае испаряющегося охлаждающего агента, протекающего при естественной или принудительной циркуляции;
– обеими конфигурациями, как с сонаправленным потоком, так и с противотоком в случае неиспаряющегося охлаждающего агента, температура на выпуске которого выше температуры горячего агента на выпуске.
Наружный направляющий кожух 22 рядом с соединительным каналом 34 и впускным соплом 28 может быть герметичным или не герметичным. Если не герметичный, то наружный направляющий кожух 22 может быть снабжен, рядом с соединительным каналом 34 регулирующим устройством (не показано) для преднамеренного перепуска определенного количества горячего агента из впускного сопла 28 к зазору 32. Такое перепускное устройство полезно для управления температурой горячего агента на выпускном сопле 30.
Во внутритрубном пространстве (то есть стороне охлаждающего агента) теплообменник 10, показанный на фиг. 3 и 4, работает так же, как и первый вариант осуществления теплообменника 10, показанного на фиг. 1 и 2, соответственно.
В одном аспекте кожухотрубный теплообменник 10 имеет однопроходную конфигурацию на пучке труб. В одном аспекте кожухотрубный теплообменник 10 имеет двупроходную конфигурацию во внутритрубном пространстве. Пучок труб может быть однопроходным в межтрубном пространстве. Первая текучая среда может протекать сквозь пучок труб за один проход. Пучок труб может быть двупроходным во внутритрубном пространстве. Вторая текучая среда может протекать через пучок труб за два прохода.
В одном аспекте указанная первая текучая среда и указанная вторая текучая среда не контактируют в соответствии с конфигурацией чисто противоточных потоков.
В одном аспекте охлаждающий агент представляет собой испаряющийся агент, вводимый в теплообменник 10 в условиях насыщения или почти насыщения, и протекающий при естественной или принудительной циркуляции.
В одном аспекте охлаждающий агент представляет собой неиспаряющийся агент, и температура на выходе из теплообменника 10 выше температуры горячего агента на выходе из теплообменника 10.
На фиг. 6 схематично и частично показан третий вариант осуществления кожухотрубного теплообменника 10 для технологического агента, такого как технологический газ, в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления U–образные изгибы 20 U–образных труб 18, соединенные с первыми ногами 18A и вторыми ногами 18B указанных труб 18, охватываются оконечным направляющим кожухом 56, расположенным в первой камере 12 давления. Оконечный направляющий кожух 56, таким образом, предотвращает или уменьшает поток горячего агента сквозь U–образные изгибы 20. Тем самым теплообмен на U–образных изгибах предотвращается. В частности, предотвращается непрерывный поток горячего агента сквозь U–образные изгибы. Оконечный направляющий кожух 56 предпочтительно имеет форму частично сферической или частично псевдосферической оболочки, такой как полусферическая оболочка. Оконечный направляющий кожух 56 может быть снабжен одним или более дополнительными изолирующими слоями, также типа «сэндвич». Оконечный направляющий кожух 56 может быть использован как в случае, когда испарение охлаждающего агента следует избегать в U–образных изгибах 20, так и в случае, если существует риск вибрации указанных U–образных изгибов 20 из–за потока горячего агента. U–образные изгибы 20 U–образных теплообменных труб 18 охватываются оконечным направляющим кожухом 56, размещенным в первой камере 12 давления, причем указанный оконечный направляющий кожух 56 выполнен с возможностью предотвращать поток первой текучей среды сквозь указанные U–образные изгибы 20. U–образные изгибы 20 U–образных теплообменных труб 18 охватываются оконечным направляющим кожухом 56, размещенным в первой камере 12 давления, благодаря чему предотвращается поток первой текучей среды сквозь указанные U–образные изгибы 20. Оконечный направляющий кожух 56 экранирует U–образные изгибы 20. Оконечный направляющий кожух 56 экранирует U–образные изгибы 20 от потока первой текучей среды. Оконечный направляющий кожух 56 направляет поток первой текучей среды от U–образных изгибов 20. Оконечный направляющий кожух 56 может иметь закрытую сторону, обращенную в сторону от U–образных теплообменных труб, то есть обращенную к потоку первой текучей среды. Оконечный направляющий кожух 56 может иметь открытую сторону, обращенную к U–образным теплообменным трубам 18. Оконечный направляющий кожух 56 таким образом, не является герметично закрытым. Оконечный кожух 56 не имеет каких–либо (впускных или выпускных) отверстий для циркуляции в нем какой–либо текучей среды.
На фиг. 7 схематично и частично показан четвертый вариант осуществления кожухотрубного теплообменника 10 для технологического газа в соответствии с настоящим изобретением. В этом варианте осуществления перепускной клапан 68 устанавливается в перепускном канале 70, полученном на соединительном канале 34 между впускным соплом 28 и наружным направляющим кожухом 22. Перепускной клапан 68 выполнен с возможностью прямой подачи в зазор 32, по меньшей мере, одной части 72 текучей среды, которая поступает из впускного сопла 28. Другими словами, указанная часть 72 текучей среды не входит в наружный направляющий кожух 22, в то время как она смешивается у перепускного клапана 68 с другой частью 74 текучей среды, выходящей из указанного наружного направляющего кожуха 22 и протекающей через зазор 32. Такое расположение в принципе возможно как для устройства, показанного на фиг. 1 и 2, так и для устройства, показанного на фиг. 3 и 4. Соединительный канал 34 снабжается перепускным каналом 70, который образует отверстие. Перепускной клапан 68 устанавливается в перепускном канале 70. Перепускной клапан 68 обычно является регулирующим клапаном. Вкратце, перепускной клапан 68 может быть установлен в перепускном канале 70, полученном на соединительном канале 34 между впускным соплом 28 и наружным направляющим кожухом 22.
На фиг. 8А–8С схематично показаны три соответствующих варианта осуществления внутреннего направляющего кожуха 24. Более конкретно, на фиг. 8А внутренний направляющий кожух 24 снабжается изолирующим слоем 58, по меньшей мере, на части его поверхности, предпочтительно на его внутренней поверхности, то есть на поверхности, обращенной к первым ногам 18А U–образных труб, окруженным указанным внутренним направляющим кожухом 24. Таким образом, внутренняя поверхность внутреннего направляющего кожуха 24 является поверхностью, обращенной к первому участку 18А каждой U–образной теплообменной трубы 18, окруженному указанным внутренним направляющим кожухом 24. На фиг. 8В внутренний направляющий кожух 24 снабжается двойной стенкой, то есть своей собственной первой стенкой и второй стенкой 60. Первая стенка и вторая стенка 60 располагаются на расстоянии друг от друга. Внутренний направляющий кожух располагается так, что его собственная первая стенка обращена наружу, а вторая внутренняя стенка 60 обращена к первым ногам 18А U–образных труб, окруженным указанным внутренним направляющим кожухом 24, образуя зазор между двумя стенками, где течет горячий агент, в частности, непрерывный поток горячего агента предотвращается. Таким образом, внутренний направляющий кожух 24 может быть снабжен первой стенкой, обращенной наружу, и второй внутренней стенкой 60, обращенной к первому участку 18А каждой U–образной теплообменной трубы 18, окруженному внутренним направляющим кожухом 24. На фиг. 8С внутренний направляющий кожух 24 снабжается как изолирующим слоем 58, так и второй стенкой 60 в конфигурации «сэндвич», то есть изолирующим слоем 58, расположенным между первой стенкой внутреннего направляющего кожуха 24 и его второй стенкой 60. Таким образом, внутренний направляющий кожух 24 может быть снабжен как изолирующим слоем 58, по меньшей мере, на части его поверхности, так и первой стенкой и второй стенкой 60, причем упомянутый изолирующий слой 58 располагается между указанной первой стенкой и указанной второй стенкой 60, то есть в конфигурации «сэндвич». Кроме того, внутренний направляющий кожух 24 может быть снабжен как изолирующим слоем 58, по меньшей мере, на части его внутренней поверхности, так и первой стенкой, обращенной наружу, и второй внутренней стенкой 60, обращенной к указанному первому участку 18А каждой U–образной теплообменной трубы 18, окруженному указанным внутренним направляющим кожухом 24, причем указанный изолирующий слой 58 располагается между указанной первой наружной стенкой и указанной второй внутренней стенкой 60, то есть в конфигурации «сэндвич». Эти три альтернативных базовых варианта осуществления внутреннего направляющего кожуха 24 могут уменьшить или исключить возможный перенос тепла от горячего агента к охлаждающему агенту вследствие проводимости или излучения через стенки внутреннего направляющего кожуха 24.
На фиг. 9 и 10 показаны два соответствующих альтернативных изображенным на фиг. 1–4 варианта кожухотрубных теплообменников. Разница состоит в том, что наружный направляющий кожух 22 и зазор 32 заменены, по меньшей мере, слоем 76 изолирующего материала (огнеупорного), который простирается вдоль большой продольной оси первой камеры 12 давления. Слой 76 изолирующего материала окружает как участок длины, предпочтительно наибольшей длины, пучка труб, так и участок длины, предпочтительно наибольшей длины, внутреннего направляющего кожуха 24. Слой 76 изолирующего материала может окружать участок большей длины пучка труб. Слой 76 изоляционного материала может окружать участок большей длины внутреннего направляющего кожуха 24. Таким образом, слой 76 изоляционного материала защищает первую камеру 12 давления от горячего агента. Первая камера 12 давления может, таким образом, содержать, по меньшей мере, слой 76 изолирующего материала, проходящий вдоль большой продольной оси указанной первой камеры 12 давления, причем указанный, по меньшей мере, слой 76 изолирующего материала окружает как участок длины пучка труб, так и участок длины внутреннего направляющего кожуха 24.
Первая текучая среда, текущая в первую камеру 12 давления, то есть в межтрубном пространстве теплообменника 10, может быть горячим агентом, тогда как вторая текучая среда, текущая в указанную вторую камеру 14 давления и в указанные U–образные теплообменные трубы 18 пучка труб, то есть трубная сторона теплообменника 10, может представлять собой охлаждающий агент.
Первая текучая среда и вторая текучая среда обычно не контактируют в соответствии с конфигурацией чисто противоточных потоков.
Наконец, все варианты осуществления теплообменника 10 могут быть снабжены конструктивными опорами 62 и другим оборудованием, таким как смотровые отверстия и сопла для контрольно–измерительных инструментов, которые не входят в сферу правовой охраны настоящего изобретения.
Согласно одному аспекту настоящее изобретение относится к способу эксплуатации кожухотрубного теплообменника 10, имеющего цилиндрическую геометрию и содержащего первую камеру 12 давления и вторую камеру 14 давления, соединенные с общей трубной решеткой 16 на противоположных сторонах, при этом первая камера 12 давления снабжается, по меньшей мере, впускным соплом 28 и, по меньшей мере, выпускным соплом 30, при этом вторая камера 14 давления снабжается, по меньшей мере, первым соплом 46 и, по меньшей мере, вторым соплом 48, при этом трубная решетка 16 соединяется с пучком труб, размещенным в первой камере 12 давления, и содержащим множество U–образных теплообменных труб 18, причем каждая U–образная теплообменная труба 18 снабжается первым участком 18A и вторым участком 18B, при этом первый участок 18A и второй участок 18B каждой U–образной теплообменной труб 18 гидравлически соединяются с помощью U–образного изгиба 20, при этом первая камера 12 давления содержит, по меньшей мере, один внутренний направляющий кожух 24, имеющий цилиндрическую или псевдоцилиндрическую геометрию и простирающийся вдоль большой продольной оси указанной первой камеры 12 давления, при этом указанный внутренний направляющий кожух 24 окружает указанный первый участок 18А каждой U–образной теплообменной трубы 18, по меньшей, мере, для части соответствующей длины указанного первого участка 18А, при этом указанный внутренний направляющий кожух 24 герметично соединяется на своем первом конце 78 с трубной решеткой 16 с помощью первого соединительного средства 38, при этом указанный внутренний направляющий кожух 24 открыт на своем втором конце 52, при этом способ включает в себя:
– введение первой текучей среды через впускное сопло 28 первой камеры 12 давления,
– введение второй текучей среды через первое сопло 46 или второе сопло 48 второй камеры 14 давления,
– протекание второй текучей среды через указанное множество U–образных теплообменных труб 18 для осуществления косвенным образом теплообмена с первой текучей средой,
– выведение первой текучей среды через выпускное сопло 30 первой камеры 12 давления,
– выведение второй текучей среды через второе сопло 48 или первое сопло 46, соответственно, второй камеры 14 давления,
в результате чего внутренний направляющий кожух 24 создает, по меньшей мере, частично застойную зону во внутреннем направляющем кожухе 24, препятствуя первой текучей среде протекать сквозь указанный первый участок 18А каждой U–образной теплообменной трубы 18, предотвращая или уменьшая таким образом теплопередачу от первой текучей среды ко второй текучей среде в указанном первом участке 18А каждой U–образной теплообменной трубы 18.
Кожухотрубный теплообменник данного способа может представлять собой кожухотрубный теплообменник, как определено выше, и может включать в себя любые из особенностей, версий и вариантов осуществления, описанных выше. Например, внутренний направляющий кожух 24 может содержать поверхность 80 неперфорированной оболочки, простирающейся от первого конца 78 до второго конца 52 внутреннего направляющего кожуха 24.
В данном способе первая текучая среда может направляться сквозь участок пучка труб до соприкосновения с трубной решеткой 16. Первая текучая среда может направляться, по меньшей мере, сквозь участок вторых ног 18B пучка труб до соприкосновения с трубной решеткой 16. Таким образом, первая текучая среда может направляться так, чтобы часть тепла обменивалась между первой текучей средой и второй текучей средой до того, как первая текучая среда соприкоснется с трубной решеткой 16. Первая текучая среда может быть введена в первую камеру 12 давления в такой точке, чтобы первая текучая среда текла к трубной решетке 16 за счет обмена, по меньшей мере, части тепла со второй текучей средой.
В данном способе первая текучая среда, текущая в первую камеру 12 давления, то есть в межтрубном пространстве теплообменника 10, может быть горячим агентом, тогда как вторая текучая среда, текущая в указанную вторую камеру 14 давления и указанные U–образные теплообменные трубы 18 пучка труб, то есть во внутритрубном пространстве теплообменника 10, может представлять собой охлаждающий агент. Другими словами, первой текучей средой, введенной в первую камеру 12 давления, может быть горячий агент, тогда как второй текучей средой, введенной в указанную вторую камеру 14 давления и проходящей через указанные U–образные теплообменные трубы 18 пучка труб, может быть охлаждающий агент.
В данном способе первая текучая среда и вторая текучая среда обычно не контактируют в соответствии с конфигурацией чисто противоточных потоков.
Таким образом, видно, что кожухотрубный теплообменник, а также способ эксплуатации кожухотрубного теплообменника в соответствии с настоящим изобретением достигают ранее обозначенных целей. Кожухотрубный теплообменник, а также способ настоящего изобретения, задуманный таким образом, допускают в любом случае многочисленные модификации и варианты, все из которых подпадают под одну и ту же концепцию изобретения; кроме того, все детали могут быть заменены технически эквивалентными элементами. На практике используемые материалы, а также формы и размеры могут быть любого типа в соответствии с техническими требованиями.
Сфера правовой охраны изобретения, следовательно, определяется прилагаемой формулой изобретения.