КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
SHELL-AND-TUBE HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано при создании теплообменных аппаратов и устройств промышленного и энергетического назначения, основу которых составляют гладкие трубчатые поверхности.
Известен кожухотрубный теплообменник (п. №2734614, МПК F28D 7/16, F28F 13/08, з. 18.09.2019, оп. 21.10.2020), содержащий вертикальный цилиндрический корпус с верхними и нижними патрубками для ввода и вывода теплоносителей, расположенными на торцах и противоположных сторонах цилиндрического корпуса, пучок прямых теплообменных труб, закрепленных в верхней и нижней трубных досках, расположенных внутри цилиндрического корпуса в верхней и нижней его части, образующих коллекторные камеры для одного из теплоносителей, перегородку в пространстве между трубными досками, через которую насквозь проходит прямой трубный пучок, при этом перегородка выполнена в форме закрытого прямого геликоида с увеличивающимся шагом закрутки в сторону движения нагреваемого теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, при этом площадь поперечного сечения на входе канала, образованного стенками перегородки, не меньше площади поперечного сечения входного патрубка, а поперечное сечение выходного патрубка не меньше площади поперечного сечения на выходе канала, образованного стенками перегородки.
Трубы в трубном пучке расположены по концентрическим окружностям относительно оси корпуса теплообменника, имеют различный диаметр, уменьшающийся от периферии к центру трубного пучка, и постоянный диаметр в пределах линии окружности, на которой расположены трубы.
Трубы в трубном пучке расположены в шахматном порядке относительно направления движения вращающегося теплоносителя, и на внешней поверхности имеют конусообразные углубления, а на внутренней поверхности - конусообразные выступы, полученные способом кернения с наружной стороны труб, с глубиной деформации, превышающей толщину труб, и расположенные в шахматном порядке по ходу движения теплоносителя, движущегося внутри труб трубного пучка.
Недостатком известного кожухотрубного теплообменника является сложная конструкция, трудоемкая процедура очистки межтрубного пространства, весьма, интенсивное образование отложений на стенках теплообменника, что в свою очередь уменьшает время безостановочной работы теплообменника.
1
2
1
2
1
2
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является кожухотрубный теплообменник (см. пат №2489664, МПК F28D 7/16, F28F 13/08, содержащий пучок труб переменного сечения с чередующимися соосными, одинаковыми по длине, цилиндрическими участками поверхности с большим d и меньшим d наружными диаметрами (d>d) и соединяющими их диффузорными и конфузорными коническими участками с оптимальными углами раскрытия диффузора и конфузора, и коллекторы с трубными досками, трубы в пучке имеют противоположную относительно друг друга периодичность чередования коническо-цилиндрических участков в условиях продольного и поперечного их обтекания потоком; при этом оси труб пучка с прямыми концевыми участками одинакового диаметра d или d совпадают с противоположными вершинами прямоугольника разбивки трубных досок при коридорной компоновке или с вершинами при основании треугольника разбивки при шахматной компоновке труб пучка, и в каждом компоновочном варианте в межтрубном пространстве реализуется сложное извилистое и перемежающееся течение потока.
Недостатком известного технического решения является сложное конструктивное исполнение с точки зрения установки поддерживающих перегородок и профилирования труб переменного сечения. Образование застойных зон и центров полимеризации и коксования при изменении расходов потоков в переходах от сужения к расширению и наоборот. Сложность очистки теплообменной поверхности от отложений в трубах. Сокращение время безостановочной работы теплообменника.
Задачей заявляемого технического решения является разработка кожухотрубного теплообменника повышенной компактности с увеличенным сроком безостановочной работы путем организации переменных сечений каналов (ходов) прохождения потока обрабатываемой среды.
Поставленная задача решается за счет того, что в кожухотрубном теплообменнике, состоящим из трубного и межтрубного пространств, трубное и межтрубное пространства, организуются посредством продольных и поперечных перегородок, предусматривают несколько ходов прохождения «горячего», либо «холодного» потоков обрабатываемой среды с цилиндрическими гладкими трубами, количество и диаметр которых определяется свойствами проходящего потока, например, плотность или вязкость, и изменяются от хода к ходу, по крайней мере, один из ходов выполнен с переменным шагом поперечных перегородок.
Организация трубного и межтрубного пространств продольными и поперечными перегородками, образуя для прохождения потока обрабатываемой среды несколько ходов из разного количества цилиндрических и гладких труб с изменяющимся сечением труб от хода к ходу позволяет оптимизировать скорость потока обрабатываемой среды на каждом участке прохождения без превышения допустимых гидравлических сопротивлений. Если сечение хода (количество и сечение труб, шаг перегородок) уменьшается, то скорость потока увеличивается, снижая интенсивность образования отложений на стенках теплообменника и увеличивая коэффициент теплопередачи, что в свою очередь позволяет увеличить компактность теплообменнике и срок его безостановочной работы.
На рисунке представлен один из вариантов исполнения кожухотрубного теплообменника, состоящего из:
1. Трубное пространство.
2. Межтрубное пространство.
3. Теплообменная труба.
4. Продольные перегородки трубного пространства.
5. 5а. Торцевая камера.
6. Внутренние устройства.
7. Поперечные перегородки.
8. Продольная перегородка межтрубного пространства.
9. Обечайка.
10. Штуцеры для подвода и отвода потоков, могут располагаться в любом месте в соответствии с требованиями удобства монтажа.
10а. Штуцер для подвода горячего потока в межтрубное пространство.
10в. Штуцер для подвода холодного потока в трубное пространство.
10с. Штуцер для вывода охлажденного потока из межтрубного пространства.
10d. Штуцер для вывода горячего потока из трубного пространства.
11. Первый ход межтрубного пространства.
12. Второй ход межтрубного пространства.
13. Третий ход межтрубного пространства.
Кожухотрубный теплообменник состоит из трубного 1 и межтрубного 2 пространств. В межтрубном пространстве 2 предусматривается несколько ходов с переменным (или одинаковым) количеством труб в каждом ходу, что зависит от назначения кожухотрубного теплообменника. Первый ход 11 в конкретном случае включает, например, две трубы, расположенные между продольной перемычкой 4 и обечайкой 9. Второй ход 12 состоит, например, из трех труб, проходящих в межтрубном пространстве 2, заключенном между продольными перемычками 4 и 8, причем диаметр труб второго хода больше диаметра труб первого хода. Третий ход 13 включает, например, четыре трубы, находящихся в межтрубном пространстве между продольной перемычкой 8 и обечайкой 9. Диаметр труб третьего хода больше диаметров труб второго и первого ходов. Количество труб и их диаметр в каждом из ходов выбирается в зависимости от назначения кожухотрубного теплообменника.
Ходы в трубном пространстве 1 в торцевой камере 5 теплообменника организовываются посредством перегородки 8, обеспечивающей прохождение «горячего», либо «холодного» потоков при одинаковом или переменном количестве труб единого или различного диаметра.
Ходы в трубном пространстве 1а в торцевой камере 5а теплообменника организовываются посредством перегородки 4, обеспечивающей прохождение «горячего», либо «холодного» потоков при одинаковом или переменном количестве труб единого или различного диаметра.
В торцевой камере 5 трубного пространства 1 могут размещаться внутренние устройства 6 - сепараторы, каплеотбойники, массообменные насадки, распределители и пр. в зависимости от назначения теплообменника.
Межтрубное пространство 2 теплообменника предусматривает один или несколько ходов с поперечными перегородками 7, выполненными с переменным шагом. Перегородки в межтрубном пространстве могут быть продольными 8 и поперечными 7 относительно обечайки 9 и разделяют образованные объемы на объемы одинаковых, либо различных сечений, в зависимости от количества и диаметра труб, и от назначения кожухотрубного теплообменника.
Зависимость скорости потока от его объема выражается следующей формулой:
W=V/S, где W - скорость потока, V - объем потока, S - сечение хода и шага потока.
Изменение сечения каналов в теплообменниках рационально применять при изменениях плотностей потоков, когда скорости могут существенно падать, либо происходит повышение гидравлических сопротивлений вследствие расширения потока и роста его скорости.
Переменные сечения в теплообменниках обеспечивают необходимые скорости потоков, сокращая интенсивность образования всевозможных отложений и повышая теплоотдачу. При этом аппараты работают в пределах ограничений по гидравлическим сопротивлений.
Количество ходов в трубном и межтрубном пространствах может быть как четное количество, так и нечетное. А штуцера 10 для подвода и отвода потоков могут располагаться в любом месте в соответствии с требованиями удобства монтажа, а также обеспечения необходимой траектории движения потоков.
Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника простой. Кожухотрубные теплообменники используются для передачи тепловой энергии между двумя рабочими жидкостями - горячей и холодной. В кожухотрубном теплообменнике один из теплоносителей движется по трубам 3 (трубное пространство 1), другой - в межтрубном пространстве 2. При этом теплота от более нагретого теплоносителя через поверхность стенок труб передается менее нагретому теплоносителю. Чаще всего предусмотрено противоположное направление движения теплоносителей, способствующее наиболее эффективному теплообмену.
Один из теплоносителей перемещается внутри труб 3, другой подается под давлением в межтрубное пространство 2. Кожухотрубчатые теплообменники могут работать с любыми агрегатными состояниями теплоносителей, это могут быть пар, газ, жидкость или их сочетание.
В процессе изменения температур потоков - при нагреве или охлаждении, происходит изменение ключевых физических параметров. В первую очередь, таких как, плотность и вязкость, определяющих скорость потока в сечении и гидравлические сопротивления всего канала.
Например, для газов с существенным изменением температуры плотность может кратно меняться, следовательно, и обратно пропорционально варьируется скорость потока в постоянном сечении канала.
Аналогичные и более выраженные изменения происходят и в процессах кипения/конденсации. Конденсация (охлаждение).
Здесь на входе в канал имеется максимальный удельный объем потока, скорость которого ограничивается предельными уровнями вибрационного воздействия и эрозийного износа, а также ограничениями по гидравлическому сопротивлению. При постоянном сечении канала, но с сокращением температуры (конденсацией) удельный объем потока сокращается вследствие роста плотности среды. Таким образом, скорость падает и режим теплообмена стремится к ламинарному режиму и в итоге к естественной конвекции при увеличении плотности на два и более порядка.
Для снижения указанного эффекта рационально некоторое дискретное снижение величины проходного сечения канала теплообменника в отдельных ходах - в трубном или межтрубном пространстве. Тогда снижение скорости потока происходит менее интенсивно и должно иметь ограничения по вибрации, эрозии и гидравлическим сопротивлениям, но не физическим условиям конденсации/охлаждения в пределах постоянного сечения канала.
Кипение (нагрев). Входящий поток с высокой плотностью в сечение канала кожухотрубного теплообменника имеет оптимальную скорость, ограниченную вибрацией, эрозией и гидравлическими сопротивлениями. При увеличении удельного объема потока вследствие нагрева/испарения произойдет существенный рост скорости, уровень которой превысит ограничения безопасной и надежной эксплуатации аппарата. Для компенсации влияния температурного расширения потока проходное сечение рационально дискретно увеличивать от хода к ходу в межтрубном или трубном пространствах. А увеличение «живого» сечения канала теплообменника определяется условиями технологического процесса, а также условиями безопасности и надежной эксплуатации аппарата.
С увеличением скорости потока снижается интенсивность образования отложений и увеличивается коэффициент теплоотдачи, что увеличивает время безостановочной работы кожухотрубного теплообменника.