Зонный теплообменник

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, химической технологии и может быть использована для повышения эффективности теплообменного оборудования во вновь проектируемых теплообменных аппаратах, где не имеются существенные ограничения по перепаду давления, для осуществления процессов охлаждения или нагревания среды.
Прототипом является теплообменник по патенту №159510, содержащий наружную трубу с патрубками для входа и выхода теплоносителя и внутреннюю трубу для входа и выхода нагреваемой или охлаждаемой среды, а также интенсификатор потока, интенсификатор потока выполнен в виде не менее двух чередующихся проточных насадочных интенсификаторов, встроенных во внутреннюю трубу, при этом длина интенсификатора потока равна длине внутренней трубы и составляет не более 10 диаметров внутренней трубы.
Недостатками прототипа является непрерывный нагрев среды по длине канала, без возможности регулировать температурный профиль в зависимости от теплофизических свойств нагреваемой или охлаждаемой среды. Это особенно важно при работе с термически нестойкими жидкими средами. Кроме этого нагрев или охлаждение среды происходит через наружную поверхность стенки канала, что дает неравномерный профиль температуры по объему среды и перегрев среды у стенки.
Задачей полезной модели является разработка теплообменника, в котором устранены указанные выше недостатки прототипа.
Техническим результатом является повышение эффективности теплообмена в теплообменнике за счет интенсификации теплоотдачи и регулирования процесса теплообмена.
Технический результат достигается тем, что зонный теплообменник, содержащий трубу с патрубками для входа и выхода теплоносителя и нагреваемой или охлаждаемой среды, а также интенсификатор потока, согласно настоящей полезной модели, теплообменник состоит не менее чем из трех зон с проточными витыми нагревательными элементами, которые располагаются по зонам нагрева исходной смеси, в каждой зоне расположены датчики для контроля температуры среды, а интенсификатор потока выполнен в виде фланцев с турбулизирующей решеткой.
Витые проточные нагревательные элементы, обеспечивают кроме интенсификации теплообмена равномерный нагрев или охлаждение среды по всему объему зоны. Турбулизирующая решетка даже при турбулентном режиме течении исходной смеси способствует разрушению ламинарного пограничного слоя на входном участке вихревых элементов нагрева, что также способствует повышению эффективности теплообмена. Кроме этого за счет интенсификации обеспечивается компактное аппаратурное оформление теплообменника.
Например, в процессах переработки и разделения углеводородных смесей перед ректификационными колоннами используются подогреватели жидких потоков перед подачей на тарелку питания колонны. Чаще всего применяются кожухотрубчатые теплообменники, обогреваемые горячей водой, поступающей после холодильника-дефлегматора с верха колонны. При этом для проведения процесса ректификации в оптимальном режиме необходимо точно поддерживать температуры жидкой смеси перед подачей в колонну. В связи с возможными изменениями расхода и состава смеси представляются более целесообразно применение зонного теплообменника-подогревателя с управлением по температурам нагрева смеси по зонам. Предлагаемый зонный теплообменник, состоящий как минимум из трех зон с витыми проточными элементами, которые располагается по зонам (секциям) нагрева исходной смеси, устанавливается вместо кожухотрубчатого теплообменника. В каждую зону подается теплоноситель для нагрева смеси. Контроль нагрева осуществляется по датчикам температур нагрева смеси на выходе из каждой зоны. Таким образом, при перегреве смеси выше заданной температуры возможно исключение одной из зон нагрева, путем прекращения в эту зону подачи теплоносителя или снижения его расхода. Контроль температурного профиля нагрева исходной смеси позволяет гибко управлять процессом нагрева исходной жидкой смеси перед подачей в колонну ректификации.
При небольших расходах исходной смеси, если режим течения ее в зонах нагрева ламинарный, то перед каждой зоной предлагается применение турбулизирующих решеток, за счет чего происходит значительное повышение эффективности теплоотдачи в каждой зоне. Даже при турбулентном режиме течении исходной смеси турбулизирующая решетка способствует разрушению ламинарного пограничного слоя на входном участке вихревых элементов нагрева, что также способствует повышению эффективности теплообмена.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого зонного теплообменника.
Цифрами на чертеже обозначены:
1- Вход нагреваемой или охлаждаемой среды;
2- Выход нагреваемой или охлаждаемой среды;
3- Фланцы с турбулизируюшей решеткой;
4- Витые проточные нагревательные элементы;
5- Вход теплоносителя;
6- Выход теплоносителя;
7- Датчики температур для контроля температуры нагрева смеси.
8- Горизонтальный цилиндр
Зонный теплообменник содержит вход 1 и выход 2 нагреваемой или охлаждаемой среды, горизонтальный цилиндр 8, фланцы с турбулизирующей решеткой 3, витые проточные нагревательные элементы 4, патрубки для входа и выхода теплоносителя 5,6 и датчики температур 7 для контроля температуры воды.
Отличием предлагаемой установки является то, что зонный теплообменник состоит не менее чем из трех зон, содержащих фланцы с турбулизирующей решеткой 3 и проточные витые нагревательные элементы 4, которые располагается по зонам (секциям) нагрева или охлаждения среды. В каждую зону подается теплоноситель для нагрева или охлаждения среды. Контроль температуры осуществляется по датчикам температур 7 нагрева или охлаждения смеси на выходе из каждой зоны. Теплообмен между средой и теплоносителем происходит через стенки трубок витых элементов 4 встроенных в каждую зону.
Зонный теплообменник работает следующим образом.
Исходная среда поступает на вход 1 и далее на фланцы с турбулизирующей решеткой 3, благодаря чему интенсифицируется теплообмен, на витые проточные нагревательные элементы 4 сверху на вход 5 подается теплоноситель, который выходит из аппарата через выход 6, при этом температура смеси регулируется датчиком температур 7. Таким образом, при перегреве смеси выше заданной температуры возможно исключение одной из зон нагрева, путем прекращения в эту зону подачи теплоносителя или снижения его расхода. И так исходная среда проходит четыре зоны и направляется для дальнейшего использования через выход 2.