ТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
TUBULAR HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к трубным теплообменникам, предназначенным для теплообмена между нагреваемой (охлаждаемой) средой и тепло-(холодо-)носителем через разделительные стенки труб, где одна среда подается в замкнутое трубное, другая - в замкнутое межтрубное пространство. Может использоваться в химической, нефтехимической, газовой, теплоэнергетической и других отраслях промышленного производства, а также на отдельных предприятиях, использующих теплообменные аппараты.
Известны аналоги - одноходовые кожухотрубные теплообменники, описанные, например, в работе Григорьева В.А., Колача Т.А., Соколовского B.C. и Темкина P.M. «Краткий справочник по теплообменным аппаратам» под редакцией Лебедева П.Д., Госэнергоиздат, 1962 г., с.84-86, Рис.3.1, включающие цилиндрическую обечайку (корпус) с размещенной внутри нее трубчаткой, состоящей из продольно установленных труб, вваренных в две поперечные трубные перегородки, скрепленные с внутренней поверхностью цилиндрической обечайки. В герметичную камеру, образованную двумя перегородками и цилиндрической обечайкой, вварены два боковых штуцера подачи (и вывода) продукта в (из) межтрубное(го) пространство(а).
Суть работы одноходового (по трубному пространству) теплообменника состоит в следующем. Один поток (одной из теплообменивающихся сред) - трубный - подается на вход трубной перегородки и разбивается на струи, входящие в трубки трубчатки. Затем струи перемещаются «на проход» через трубное пространство (через всю длину трубок по оси цилиндрического корпуса) и выходят за вторую перегородку. Здесь струи сливаются снова в общий поток и выводятся из цилиндрического корпуса. Поток другой среды, подаваемый в корпус сбоку - в межтрубное пространство, «омывает» стенки трубчатки (трубного пучка) снаружи их - по межтрубному пространству. В результате при движении потоков двух сред через стенки трубок происходит теплообменное взаимодействие, посредством которого один из потоков нагревается, другой охлаждается.
Недостатком конструкций аналогов является низкий показатель теплообмена - низкий перепад между температурами входящего и выходящего потока, передаваемого по трубному пространству (а соответственно и низкая тепловая нагрузка другого межтрубного потока при прочих равных условиях). Указанный недостаток обусловлен малым временем пребывания «трубного» потока в теплообменнике, т.е. кратковременностью теплообменного взаимодействия сред.
Решением, наиболее близким про конструктивным признакам к заявленному и принятым за прототип, является кожухотрубный теплообменник по патенту РФ №2145698, приоритет от 21.04.1998 г.
Конструкция однопроходного кожухотрубного теплообменника по патенту РФ №2145698 (в отличие от классических конструкций аналогов) снабжена - дополнена форкамерой, образованной введением в цилиндрический корпус сразу за входной трубной перегородкой еще одной сплошной поперечной перегородки. Причем вновь введенная перегородка оснащена чехловыми патрубками в местах прохода теплообменных трубок. (Т.е. теплообменные трубки пропущены сквозь чехловые патрубки дополнительной перегородки.) Ввод охлаждающей среды в межтрубное пространство теплообменника осуществлен через штуцер ввода, присоединенный к форкамере. Вывод охлаждающей среды - через штуцер, приваренный вблизи выходной перегородки. Кожухотрубный теплообменник по патенту РФ №2145698 предназначен для охлаждения газов, поступающих в трубное пространство с высокой температурой, путем подачи охлаждающей воды в межтрубное пространство.
Суть работы конструкции прототипа заключается в том, что направляемая в межтрубное пространство цилиндрического корпуса охлаждающая вода подается по штуцеру ввода в форкамеру и затем продавливается из форкамеры в следующий межтрубный отсек -теплообменную камеру через зазоры между теплообменными трубками и чехловыми патрубками. Так как температура охлаждаемого газа максимальна на входе в теплообменник, т.е. на контактной поверхности части теплообменных трубок, размещенных в форкамере, именно на поверхности этой части трубок при вскипании воды возможно образование солевого шлама (отложение накипи). В результате введения форкамеры и задания зазора между чехловыми патрубками и теплообменными трубками реализована увеличенная скорость движения охлаждающей воды именно на начальном участке теплообменника. Причем размер этого участка определяется длиной чехловых патрубков. Таким образом, известное решение позволяет уменьшить «пиковые» процессные нагрузки на входном участке теплообменника, т.е. несколько разгрузить его, обеспечивая более равномерный износ конструкции. (Также более высокие скорости движения охлаждающей воды осуществляют частичную самоочистку - унос образующихся отложений.) При этом тепловой баланс теплообменника в целом, в сравнении с бесфоркамерными аналогами, по-видимому, не изменяется.
Недостатком конструкции прототипа, также как и конструкций аналогов, является низкий показатель теплообмена - низкий перепад температур входящего и выходящего потока, передаваемого по трубному пространству.
Указанный недостаток обусловлен малым временем пребывания «трубного» потока в теплообменнике, т.е. кратковременностью теплообменного взаимодействия сред.
Целью изобретения является достижение повышенного перепада (разницы) температур входа и выхода трубного потока, что обеспечено путем увеличения условной длительности нахождения потока в теплообменнике за счет введения естественного возврата и циркуляции части его.
Указанная цель достигается тем, что в известном теплообменнике, включающем цилиндрической корпус, разделенный внутренними поперечными перегородками на теплообменную камеру и форкамеру, одна из упомянутых перегородок размещена на входе трубного потока, вторая перегородка разделяет форкамеру и теплообменную камеру, третья является концевой и замыкает теплообменную камеру. При этом в корпусе размещены три вида теплообменных трубок, а именно: основные трубки прямых потоков, которые проведены через все перегородки, и трубки прямых и возвратных потоков, концы которых, расположенные в выходной части теплообменника, соединены между собой, а в форкамере в основных трубках прямых потоков выполнены отверстия на расстоянии полдиаметра трубки от перегородки на входе трубного потока. Соединение концов трубок выполнено в виде отводов U-образной формы (180°). Соединение концов трубок выполнено вводом в их общую выходную камеру, образованную дополнительной перегородкой.
Изобретение поясняется Фиг.1 и 2.
На Фиг.1 приведено продольное сечение теплообменника с тремя видами теплообменных трубок, где концы трубок возвратных и концы (такого же числа) трубок прямых потоков соединены отводами U-образной формы (180°). В основных трубках прямых потоков в форкамере выполнены отверстия.
На Фиг.2 - то же, но концы трубок возвратных потоков и части трубок прямых потоков введены в общую камеру на выходе теплообменника (вновь образованную введенной дополнительной перегородкой).
Конструкция теплообменника в съемно-фланцевом исполнении состоит из цилиндрического корпуса 1 с фланцами 2, соединенными с фланцами 3 трубной системы. В корпус 1 вварены поперечные перегородки:
- на входе трубного потока перегородка 4;
- разделительная перегородка 5 между форкамерой 6 и теплообменной камерой 7;
- концевая перегородка 8, замыкающая теплообменную камеру 7;
- дополнительная перегородка 9 (по варианту Фиг.2), образовавшая выходную общую камеру 10. В теплообменной камере 7 (в межтрубном пространстве теплообменника) также размещены перегородки 11 неполного сечения (для удлинения пути межтрубного потока). Для ввода межтрубного потока в цилиндрический корпус 1 вварен штуцер 12, для вывода - штуцер 13. В корпусе 1 размещены также три вида теплообменных трубок 14, 15 и 16. Основные теплообменные трубки 14 прямых потоков транзитом проведены сквозь все сплошные перегородки - 4, 5, 8 и 9 (по варианту Фиг.2) и все камеры - 6, 7 и 10 (по варианту Фиг.2). В форкамере 6, в основных трубках 14 выполнены отверстия 17 (расположенные на расстоянии, равном половине диаметра трубки от входной перегородки 4). Теплообменные трубки 15 - трубки возвратных потоков. Количество трубок условно прямых потоков 16 и соединенных с ними трубок возвратных потоков 15 совпадают. Концы трубок 15 и 16, расположенные в выходной части теплообменника по варианту Фиг.1, соединены друг с другом отводами U-образной формы (180°) - «калачами» 18. По варианту Фиг.2 концы трубок 15 и 16 введены в герметичную камеру 10, образованную дополнительной перегородкой 9 и расположенную на выходе корпуса 1 теплообменника. (В стенках трубок 16 условно прямых потоков, в отличие от стенок основных трубок 14 прямых потоков, отверстия 17 в форкамере 6 не выполнены.)
Работа предложенной конструкции состоит в следующем. Трубный поток, поступающий по трубной системе через соединение фланцев 2 и 3 в корпус 1 перед перегородкой 4 разбивается на отдельные потоки - струи, входящие в основные теплообменные трубки 14 прямых потоков. Эти потоки проходят по основным трубкам 14 транзитом через форкамеру 6 и через теплообменную камеру 7, образованную перегородками 5 и 8 (в варианте по Фиг.2 и через камеру 10). По стенкам основных трубок 14 в камере 7 трубные потоки взаимодействуют с межтрубным потоком, двигающимся по межтрубному пространству от входного штуцера 12 к выходному 13 (путь межтрубного потока удлинен установкой перегородок 11 - неполного сечения). В результате теплообменного взаимодействия потоков, имеющих разную температуру, один поток нагревается (на выходе), другой (поток) становится на выходе более холодным. Таким образом, трубный поток, миновавший выходную перегородку 8 (по варианту Фиг.1) или 9 (по варианту Фиг.2), имеет измененную температуру. При движении потоков по основным трубкам 14 на внутренней поверхности начальных участков (трубок 14) возникают зоны пониженных давлений - зоны условного вакуум-всасывающего эффекта. Отверстиями 17 в стенках основных трубок 14 зоны условных вакуум-всасывающих эффектов каждой трубки объединены в общее пространство - внутренний объем форкамеры 6.
Одновременно с делением общего входного потока на потоки-струи, попадающие в основные теплообменные трубки 14, часть его «заходит» в трубки 16, минует по ним форкамеру 6, затем теплообменную камеру 7 («пройдя» в ней соответствующий нагрев или охлаждение) и, по «калачам» 18 (вариант Фиг.1) или через выходную камеру 10 (вариант Фиг.2) направляется в трубки 15 возвратных потоков. Вновь проследовав теплообменную камеру 7 (только в обратном направлении), еще более «подогревшись» или охладившись, возвратно-рециркуляционный поток поступает в форкамеру 6. Под действием вакуум-всасывающего эффекта продукт возвратно-рециркуляционного потока «засасывается» в отверстия 17 основных трубок 14 прямых потоков, разбавляя-перемешиваясь с прямыми потоками и тем самым увеличивая результаты теплообменного взаимодействия (на одном теплообменном аппарате). (Оптимальное соотношение числа и диаметра трубок прямых и возвратных потоков, числа и диаметра отверстий в стенках основных трубок прямых потоков подбираются экспериментально.)
Предложенной конструкцией введена естественно-принудительная подача (возвращение) необходимой доли трубного потока обратно в форкамеру с условным вакуум-всасывающим эффектом, для чего использована часть механической энергии того же потока. Необходимая доля потока конструктивными средствами «повернута» в обратную сторону. Причем энергия вакуум-всасывающего эффекта по предложенному решению не затрачивается на длинный путь обратного транспортирования доли трубного потока назад - в форкамеру. Вся энергия условного вакуум всасывания затрачивается только на передачу продукта через отверстия в стенках основных теплообменных трубок в основной поток.
В результате доля возвратно-рециркулирующей части в общем объеме-расходе трубного потока увеличена благодаря осуществлению естественно-безнасосной рециркуляции увеличенной части трубного потока в теплообменнике, повышен перепад (разница) температур входа и выхода трубного потока. В то же время на выходе потока сохранен высокий уровень давления (высокое значение напора потока), т.к. гидросопротивление теплообменника мало.
Изменение величины выходной температуры трубного потока всего на 5÷10%, увеличивая удельную теплообменную нагрузку (на каждый аппарат), в упрощенном представлении позволяет исключить ту же долю аппаратов из некоторых вновь проектируемых и существующих технологических схем, что, учитывая сокращение капитальных затрат, затрат на обслуживание и ремонт, технически и экономически выгодно.