Вертикальный трубчатый теплообменник с псевдоожиженным слоем сферических частиц
VERTICAL TUBULAR HEAT EXCHANGER WITH FLUIDISED LAYER OF SPHERICAL PARTICLES

Изобретение относится к трубчатым теплообменным аппаратам для проведения теплообменных процессов между горячим теплоносителем и холодным теплоносителем и может быть использовано в газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
В патенте на изобретение СССР №1141292 описан кожухотрубчатый теплообменник, содержащий размещенный в кожухе пучок теплообменных труб, укрепленных в трубных решетках, снабженный по периметру кольцевым бандажом, и расположенные в межтрубном пространстве дистанционирующие элементы, при этом с целью повышения его эксплуатационной надежности и обеспечения равномерного заполнения межтрубного пространства сыпучей насадкой дистанционирующие элементы выполнены в виде воронок, установленных на трубах в шахматном порядке со смещением по высоте не менее двойной высоты воронки.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника является наличие кожуха, трубного пучка, трубных решеток, патрубков.
Недостатком данного изобретения является низкая интенсивность теплообмена и высокая материалоемкость.
В патенте на изобретение №2594449 (RU) «Вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с конденсацией паров в межтрубном пространстве» предложен вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с конденсацией паров в межтрубном пространстве, на кожухе которого имеются штуцера для ввода пара и вывода конденсата, отличающийся тем, что штуцер ввода пара расположен в средней части кожуха. Техническим результатом является повышение эффективности теплообмена в теплообменных аппаратах, работающих с конденсацией пара в межтрубном пространстве, экономия энергетических ресурсов, а также повышение надежности теплообменных аппаратов. При подаче перегретого пара в среднюю часть аппарата исключается возможность образования зоны охлаждения паров с сухой поверхностью теплообменных труб, так как конденсат, образующийся в верхней части аппарата, при стекании смачивает теплообменные трубы по всей длине.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника является наличие кожуха, трубного пучка, трубных решеток, патрубков.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
В патенте на изобретение СССР №1242700 описан кожухотрубный теплообменник, содержащий заключенный в многогранную обечайку пучок труб, включенный в охладительный контур и закрепленный в трубных досках, и продольную перегородку в межтрубном пространстве, соединенную с кожухом, при этом с целью интенсификации теплообмена в процессе конденсации двух потоков пара, в нем продольная перегородка в пределах обечайки выполнена в виде трубчатой мембраны, присоединенной к обечайке и включенной в охладительный контур.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией теплообменника является наличие кожуха, трубного пучка, трубных решеток, патрубков.
Недостаток аналогичен предыдущему аналогу.
Наиболее близким по конструкции (прототип) является аппарат, описанный в работе [4, стр. 327, рис. VIII-11, а], состоящий из кожуха (корпуса), трубных решеток, патрубков, пучка теплообменных трубок, крышек. Крышки крепятся к трубным решеткам с помощью болтов с использованием прокладок. Трубный пучок жестко крепится в трубных решетках. Трубные решетки с пучком теплообменных трубок устанавливаются внутри кожуха. Кожух крепится к трубным решеткам.
Общими признаками с предлагаемой конструкцией является наличие трубного пучка, кожуха, трубных решеток, крышек, патрубков для входа и выхода горячего теплоносителя и холодного теплоносителя.
Недостатком данного изобретения является низкая интенсивность теплообмена и высокая материалоемкость.
Задачей изобретения является создание нового высокоэффективного теплообменного аппарата для проведения теплообменных процессов между горячим и холодным теплоносителем.
Технический результат изобретения состоит в следующем:
- увеличении интенсивности теплообмена;
- снижении материалоемкости аппарата.
Устранение указанных недостатков и достижение заявляемого технического результата от реализации нового теплообменного аппарата достигается за счет того, что на входе и выходе из каждой вертикальной теплообменной трубки устанавливаются металлические сетки с пластиковыми кольцами, причем на нижней сетке, установленной на входе в трубу, с целью повышения интенсивности теплообмена расположен слой свинцовых сферических частиц диаметром 0,002 м, при этом насыпной слой сферических частиц имеет высоту 0,1 м, а размер ячейки сетки меньше диаметра одной сферической частицы, при этом поток горячего теплоносителя в трубках приводит слой сферических частиц в псевдоожиженное состояние, при этом высокая эффективность перемешивания в псевдоожиженном слое обеспечивается диаметром частиц 0,002 м, начальной высотой насыпного слоя 0,1 м и плотностью частиц (частицы из свинца), при этом верхняя сетка с пластиковым кольцом, установленная на выходе из трубы, препятствует уносу сферических частиц из трубы, при этом сферические частицы нагреваются потоком горячего теплоносителя, перемешивают горячий теплоноситель, и беспорядочно соударяются между собой и стенками теплообменной трубки, что приводит к интенсификации теплообмена и позволяет снизить материалоемкость теплообменника.
Сущность предлагаемого теплообменного аппарата поясняется чертежами (фиг. 1-3). Перечень фигур:
Фиг. 1. Общий вид теплообменника.
Фиг. 2. Теплообменник в рабочем режиме с псевдоожиженным слоем в трубках.
Фиг. 3. Общий вид сетки с пластиковым кольцом.
На фиг. 1 приведен общий вид теплообменника. На фиг. 2 показан теплообменник в рабочем режиме с псевдоожиженным слоем сферических частиц в трубках. На фиг. 3. приведен общий вид сетки с пластиковым кольцом.
Заявляемый вертикальный теплообменник (фиг. 1) состоит из вертикальных теплообменных трубок (1), кожуха (2), трубных решеток (3), крышек (4), патрубков (5, 6, 7, 8), сеток с кольцами (9, 10), свинцовых сферических частиц (11).
Концы вертикальных теплообменных трубок (1) жестко крепятся в трубных решетках (3). Трубные решетки (3) с теплообменными трубками (1) устанавливаются вертикально внутри кожуха (2). Кожух (2) крепится к трубным решеткам (3). Крышки (4) крепятся к трубным решеткам (3). Патрубки (5) и (6) жестко крепятся к крышкам (4). Патрубки (7) и (8) жестко крепятся к кожуху (2). Внутри теплообменных трубок (1) вблизи входа и выхода жестко устанавливаются металлические сетки с пластиковыми кольцами (9, 10). Размер ячеек сеток с кольцами (9, 10) l (фиг. 3) меньше диаметра сферических свинцовых частиц (11), чтобы сферическая частица не могла пройти через сетку. На нижней сетке с пластиковым кольцом (9), установленной на входе в трубу, располагается слой сферических свинцовых частиц, имеющих диаметр 0,002 м. Высота насыпного слоя сферических свинцовых частиц в каждой трубке составляет 0,1 м. Диаметр частиц 0,002 м и высота первоначального слоя частиц 0,1 м обеспечивают наиболее интенсивное перемешивание горячего теплоносителя.
Предлагаемый теплообменник (фиг. 1), предназначенный для проведения теплообменных процессов между горячим и холодным теплоносителем, работает следующим образом.
Горячий теплоноситель (жидкость или газ) поступает через патрубок (5), крышку (4) и трубную решетку (3) в вертикальные теплообменные трубки (1). В вертикальных трубках (1) восходящий горячий поток приводит слой сферических свинцовых частиц (11) в псевдоожиженное состояние. Теплопередача между горячим и холодным теплоносителем происходит через стенки трубок (1). Сферические свинцовые частицы беспорядочно соударяются между собой и с внутренними стенками трубки (1), способствуя интенсификации теплопередачи. Диаметр частиц 0,002 м и высота первоначального насыпного слоя частиц 0,1 м обеспечивают наиболее интенсивное перемешивание горячего теплоносителя в псевдоожиженном слое. Сферические свинцовые частицы перемешивают поток горячего теплоносителя, что приводит к увеличению скорости теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенкам трубки (1). Интенсификация теплопередачи позволит снизить площадь теплопередачи и, как следствие, снизить материалоемкость аппарата.
Верхняя сетка (10) препятствует уносу сферических свинцовых частиц из трубок с горячим теплоносителем. Из трубок (1) горячий теплоноситель поступает через решетку (3) в крышку (4) и через патрубок (6) выходит из теплообменного аппарата. Холодный теплоноситель поступает через патрубок (7) в межтрубное пространство теплообменника и движется противотоком по отношению к горячему теплоносителю. Далее холодный поток выходит из межтрубного пространства через патрубок (8).
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент на изобретение СССР №1141292. Кожухотрубный теплообменник. Автор: Федоров А.Н. Опубл. 23.02.85. Бюл. №7.
2. Патент на изобретение №2594449. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменный аппарат с конденсацией паров в межтрубном пространстве. Автор: Насибуллин Р.И.
3. Патент на изобретение СССР №1242700 «Кожухотрубный теплообменник». М.П. Матушкин, В.М. Фрумин, Г.А. Ткач и В.А. Турчин. Опубл. 07.07.86. Бюл, В 25.
4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М, Химия, 1973.