Кожухотрубный теплообменник

Полезная модель относится к теплообменным аппаратам и может найти применение в химической, нефтехимической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности.
Известна конструкция кожухотрубного теплообменника, описанная в способе эксплуатации теплообменного аппарата (Ас. СССР №1326870 МПК F28G3/16, 1987г.), принцип действия которой основан на использовании мелкозернистого материала помещенного в аппарат, который приводится в псевдоожиженное состояние восходящим потоком жидкого теплоносителя. Внутри теплообменного аппарата размещены нижняя ограничительная сетка – распределительное устройство, и верхняя ограничительная сетка, которая расположена выше соответствующего рабочего пространства теплообменника – горизонтального трубного пучка, в случае размещения зернистого материала в межтрубном пространстве, или на уровне верхних торцов труб вертикального трубного пучка, в случае размещения зернистого материала внутри труб. При псевдоожижении зернистого материала, которое может осуществляться при любых скоростях подачи теплоносителя в приделах существования псевдоожиженного слоя, т.е. начиная от скорости начала псевдоожиженния используемого зернистого материала и до скорости его уноса, интенсивно движущиеся частицы зернистого материала оказывают механическое воздействие на теплообменные поверхности. В результате этого они препятствуют образованию на теплообменных поверхностях различных отложений от жидких теплоносителей и обеспечивают их очистку. При этом коэффициенты теплоотдачи от поверхности теплообмена к псевдоожиженному зернистому слою при жидкостном псевдоожиженнии в 2,5-3 раза выше, чем при обтекании теплообменных поверхностей одним жидким теплоносителем. С целью уменьшения износа теплообменных поверхностей эксплуатация теплообменного аппарата осуществляется в двух режимах. При закрытой верхней сетке зернистый материал прижимается восходящим потоком теплоносителя, находится в неподвижном состоянии, и процесс теплообмена идет в режиме фильтрации. Этот режим сохраняется в течение времени, за которое происходят уменьшения коэффициентов теплоотдачи за счет образования некоторого количества отложений на теплообменных поверхностях индивидуальных для каждого производства. Для восстановления теплообменных параметров верхняя сетка открывается, зернистый материал переходит в состояние псевдоожиженния и, соответственно, очищает теплообменные поверхности. После этого теплообменный аппарат снова работает в первом режиме.
Недостатками данной конструкции являются необходимость изменения скорости подачи теплоносителя при открывании и закрывании верхней ограничительной сетки, увеличение гидравлического сопротивления  в режиме фильтрации через неподвижный слой зернистого материала, колебание интенсивности теплоотдачи в разных периодах эксплуатации, общий повышенный расход жидкого теплоносителя.
Известна конструкция кожухотрубного теплообменника, описанная в способе очистки рабочей поверхности теплообмена (Ас. СССР №920350, МПК F28G3/16, 1982г.), принцип действия которой основан на использовании мелкозернистого материала помещенного в аппарат, который приводится в псевдоожиженное состояние восходящим потоком жидкого теплоносителя. В данной конструкции, верхнюю часть теплообменного аппарата перекрывают ограничительной сеткой, а подачу жидкого теплоносителя осуществляют восходящим потоком со скоростью большей скорости уноса частиц зернистого материала. В этом случае создается неподвижный слой частиц зернистого материала, прижимаемых снизу к сетке потоком жидкости. При одинаковых скоростях подачи теплоносителя в неподвижном слое зернистого материала, пронизываемом потоком жидкой среды, коэффициенты теплоотдачи выше, чем в псевдоожиженном зернистом слое. Псевдоожиженние осуществляется уменьшением скорости подачи теплоносителя. В режиме псевдоожиженния осуществляется очистка теплообменных поверхностей аппарата, тем самым восстанавливая условия сохранения первоначальных параметров теплоотдачи.
Недостатками данной конструкции являются необходимость изменения скорости подачи теплоносителя и колебание интенсивности теплоотдачи в разных периодах эксплуатации, высокое гидравлическое сопротивление при скоростях подачи теплоносителя выше скорости уноса используемых частиц зернистого материала, общий высокий расход жидкого теплоносителя.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявленному объекту и принятым за прототип является кожухотрубный теплообменник с расширяющейся верхней частью и мелкозернистым материалом в межтрубном пространстве, подключенном к распределителю жидкого теплоносителя для псевдоожижения материала, при этом в расширяющейся части кожуха по ее оси установлен коллектор желобчатого типа с окнами на боковой поверхности для слива жидкого теплоносителя. Теплообменник содержит корпус, переднюю крышку, трубную решетку, заднюю крышку, трубный пучок, вертикальные перегородки, разделяющие межтрубное пространство на секции, распределитель жидкого теплоносителя, коллектор желобчатого типа с окнами для слива жидкого теплоносителя, штуцеры для отвода и подвода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, стаканы с колпачками для равномерного распределения теплоносителя в межтрубном пространстве, чтобы обеспечить равномерное распределение мелкозернистого материала по высоте и сечению межтрубного пространства. Теплообменник может быть как одноходовым, так и многоходовым по трубному пространству (описание изобретения к авторскому свидетельству №457367, СССР, F28D 7/00, F28F 19/00, 1984 г).
Недостатком данного технического решений является повышенный расход и малое время пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве из-за необходимости его движения со скоростью, обеспечивающей равномерное псевдоожижение мелкозернистого материала по высоте межтрубного пространства, а малое время пребывания теплоносителя в межтрубном пространстве снижает эффективность использования его теплового потенциала.
Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника является увеличение тепловой производительности.
Поставленный технический результат достигается тем, что кожухотрубный теплообменник с расширяющейся верхней частью, в которой установлен коллектор желобчатого типа с окнами на боковой поверхности для слива жидкого теплоносителя и мелкозернистым материалом в межтрубном пространстве, причем после штуцера подвода теплоносителя в межтрубное пространство установлен насос-пульсатор, осуществляющий пульсирующее движение зернистого материала, при общей подаче жидкого теплоносителя со средней скоростью, не превышающей скорости начала псевдоожижения частиц зернистого материала.
Установка насоса-пульсатора после штуцера подвода теплоносителя в межтрубное пространство, позволяет придавать слою зернистого материала возвратно-поступательное движение, при котором движущиеся частицы зернистого материала за счет механического воздействия непрерывно обеспечивают предотвращение образования отложений от жидкого теплоносителя на теплообменной поверхности и постоянный высокий коэффициент теплоотдачи, что в свою очередь увеличивает тепловую мощность, а следовательно,  тепловую производительность.
Подача жидкого теплоносителя со средней скоростью, не превышающей скорость начала псевдоожижения частиц зернистого материала, уменьшает расход теплоносителя примерно в 2 раза по сравнению с псевдоожиженным состоянием зернистого слоя, что, следовательно, при тех же расходах теплоносителя позволит увеличить производительность.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез предлагаемого кожухотрубного теплообменника; на фиг.2 – в продольном разрезе.
Кожухотрубный теплообменник содержит корпус 1, переднюю крышку 2, трубную решетку 3, заднюю крышку 4, трубный пучок 5, распределитель 6 жидкого теплоносителя; коллектор 7 желобчатого типа с окнами 8 для слива жидкого теплоносителя, штуцер 9 подвода и штуцер 10 отвода жидкого теплоносителя, штуцер 11 подвода и штуцер 12 отвода теплоносителя трубного пространства, стакан 13 с колпачком 14, насос-пульсатор 15 и слой мелкозернистого материала 16.
Теплообменник работает следующим образом.
В межтрубное пространство засыпается слой зернистого материала 16 на всю высоту трубного пучка. Через штуцер 9, распределитель 6 и стакан 13 в аппарат подается жидкий теплоноситель пульсирующая подача которого обеспечивается насосом-пульсатором 15. Слой зернистого материала 16 в пределах рабочего объема аппарата приобретает возвратно-поступательное движение. Теплоноситель из межтрубного пространства через сливные окна 8 сливается в коллектор 7.В трубы пучка 5 через штуцер 11 подается либо другой теплоноситель, отводимый через штуцер 12.
Предлагаемый вариант теплообменника опробован в лабораторных условиях. Исследования проводились в межтрубном пространстве горизонтального пучка труб с изменением различных параметров процесса: амплитуды и частоты пульсации, шага и расположения труб. Результаты испытаний показали высокую эффективность предлагаемого теплообменника при малых скоростях жидкости псевдоожижающего потока. Ниже приведены результаты испытаний для наиболее оптимальных режимов процесса.
3
2
2
н
н
н
ПРИМЕР 1. В теплообменнике для твердых частиц, в качестве которых применялись фарфоровые шарики диаметром d=1,6÷2,5 мм и плотностью ρ=3400 кг/м скорость начала псевдоожижения в воде равняется w=0,022 м/с, а коэффициент теплоотдачи равняется α=3800 Вт/(м·С). При этой скорости потока воды фарфоровые шарики двигаются  недостаточно интенсивно для очистки теплообменных поверхностей. При увеличении скорости потока растет интенсивность движения шариков и увеличивается коэффициент теплоотдачи, достигая своего максимального значения α=4200 Вт/(м·С) при скоростях потока воды равных w=0,04÷0,05 м/с. При этих скоростях потока псевдоожиженный слой находится в интенсивном движении и способен предотвратить отложения на теплообменных поверхностях. Дальнейшее увеличение скорости потока теплоносителя ведет к увеличению интенсивности движения твердых частиц, однако при этом зернистый слой разрежается за счет увеличения его объема и коэффициент теплоотдачи уменьшается. Таким образом, наилучшим режимом работы теплообменника с данными твердыми частицами с точки зрения теплообмена является режим со скоростью движения теплоносителя равной w=0,04÷0,05 м/с.
2
2
2
н
При создании с помощью поршневого насоса-пульсатора пульсирующего потока теплоносителя с амплитудой пульсации по высоте аппарата λ=7,5 мм и частотой f=2Гц слой твердых частиц приводится в интенсивное псевдоожиженное состояние при любой среднерасходной скорости потока теплоносителя, приобретая тем самым способность предупреждать образование различных отложений на теплообменных поверхностях. При этом максимальный коэффициент теплоотдачи увеличивается примерно на 10% и равняется α=4700 Вт/(м·°С), и достигается уже при среднерасходной скорости потока воды, равном w=0,022 м/с. При отсутствии расхода теплоносителя коэффициент теплоотдачи в неподвижном слое фарфоровых шариков падает до значения α=800 Вт/(м·°С). В то же время при пульсации шариков они находятся в интенсивном движении, а коэффициент теплоотдачи имеет значения большие в 5,5 раза и равняется α=3400 Вт/(м·°С). Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Сопоставляя полученные данные видно, что при наиболее оптимальном режиме в предлагаемой конструкции, наряду с увеличением интенсивности теплообмена расход теплоносителя уменьшается более чем в 2 раза.
ПРИМЕР 2.
ср
3
В качестве твердых частиц применялся песок размером d=1,5 мм и плотностью ρ=2400 кг/м. Испытания проводились при различных режимах и результаты опытных данных приведены в таблице 2.
2·
2
Из приведенных данных видно, что при наиболее оптимальном режиме в предлагаемой конструкции максимальный коэффициент теплоотдачи увеличивается примерно на 25% и достигают значений α=4100 Вт/(м·°С), при этом расход теплоносителя меньше в 1,8 раза, чем в известном способе. В то же время, максимальный коэффициент теплоотдачи для известной конструкции равный   α=3240·Вт/(м·°С) обеспечивается  в предлагаемой конструкции почти во всем диапазоне скоростей потока, меньших чем скорость начала псевдоожижения, то есть, не уменьшая интенсивности теплообмена по сравнению с известной конструкцией, в предлагаемой конструкции расход теплоносителя сокращается до 10 раз.
Таблица 2
Таким образом, предлагаемая конструкция кожухотрубного теплообменника, в котором после штуцера 9 подвода теплоносителя в межтрубное пространство установлен насос-пульсатор 15, осуществляющий пульсирующее движение зернистого материала 16, при общей подаче жидкого теплоносителя со средней скоростью, не превышающей скорости начала псевдоожижения частиц зернистого материала, позволяет в несколько раз сократить расход охлаждающего теплоносителя и повысить тепловую производительность.