Результат интеллектуальной деятельности: ТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

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 трубные 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 решетки, скрепленные с внутренней поверхностью цилиндрической обечайки. В герметичную камеру, образованную двумя решетками и цилиндрической обечайкой, вварены два боковых штуцера подачи (и вывода) продукта в (из) межтрубное(го) пространство(а).

Сущность работы одноходового (по трубному пространству) теплообменника состоит в следующем. Один поток (одной из теплообменивающихся сред) - трубный подается на вход трубной решетки 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 решетку. 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.

Отмеченный недостаток устранен в конструкции прототипа - многоходовом (по трубному пространству) теплообменнике, см. работу Плановского А.Н., Рамма В.М., Кагана С.З. Процессы и аппараты химической технологии, М., Химия, 1968 г., с.425, рис. 12.5(б).

Классическая конструкция многоходового теплообменника (далее сокращенно ТО) отличается от одноходового аналога тем, что цилиндрический корпус с трубным пучком, замкнутым двумя трубными решетками, снабжен дополнительными перегородками, размещенными на входе и выходе (трубного потока) из решеток (цилиндрического корпуса ТО). Введенными перегородками на входе и выходе и торцевыми днищами аппарата образованы герметично секционированные камеры (камерные пространства), разделившие трубный пучок на несколько частей. Причем перегородки камер входа и выхода из решеток в корпусе ТО расположены (смещены) друг относительно друга (входа-выхода) в шахматном порядке, а каждый из штуцеров ввода и вывода «трубного» потока в корпус ТО соединен только с одной из секций входной и выходной камер. Здесь и далее для упрощения описания условно принимается, что вход и выход (входная и выходная камеры) трубного потока многоходового ТО находятся на разных противоположных сторонах трубного пучка (как в одноходовом аналоге). Хотя в классической схеме многоходового ТО (с зигзагообразным движением трубного потока) обе секции (секция со штуцером ввода и секция со штуцером вывода трубного потока) совмещены в одной из камер днищ. А секционированная одной или несколькими перегородками камера с другой, противоположной стороны трубчатки (трубного пучка) и решетки является только направляющей - формирующей изменение направления дальнейшего движения трубного потока при работе (но не содержащей штуцер вывода потока).

В устройство (конструкцию) самого межтрубного пространства также введена дополнительная продольная перегородка на оси корпуса ТО (прототип, рис.12.5 (б)). При этом оси входного и выходного штуцеров межтрубного пространства совмещены в одной плоскости. (Межтрубные пространства ТО чаще снабжаются поперечными перегородками. Подробно конструкция межтрубного пространства, размещение штуцеров ввода и вывода межтрубного потока и работа межтрубного пространства не рассматриваются, т.к. они остаются неизменными как до, так и после изменения конструкции по предлагаемому решению).

Работа конструкции прототипа состоит в следующем (движение потока по межтрубному пространству не рассматривается - см. выше). Трубный поток, введенный через штуцер в одну из секций входной камеры цилиндрического корпуса ТО, в отличие от аналога, попадает не во все, а только в часть трубок трубного пучка, отсеченную первой перегородкой. После прохождения всей длины трубок по оси цилиндрического корпуса и достижения соответствующей секции выходной камеры (камеры, размещенной на другой стороне трубного пучка) трубный поток поворачивает на 180° и направляется в обратную сторону. Движение в обратную сторону производится по другой части (группе) трубок, т.к. вторая перегородка в выходной камере ТО смещена относительно секционирующей первой перегородки входной камеры ровно настолько, чтобы число отсеченных трубок выходной камеры было вдвое больше первоначального числа трубок, занятых трубным потоком. Тем самым обеспечивается (второй частью трубок) возвратное движение потока с теми же скоростями. По достижении «новой» секции входной камеры возвратившийся (повернутый) поток, проделавший уже два хода по трубкам, снова разворачивается на 180° и по третьей «серии» трубок направляется третьим ходом в выходную камеру (размещенную на противоположной стороне от секции входа трубного пучка).

Таким образом, реализуется зигзагообразное многоходовое движение трубного потока в трубном пучке, многократно удлиняющее путь трубного потока, а следовательно, и время теплообменного взаимодействия (контактирования) его с потоком межтрубного пространства. В результате удлиненного времени взаимодействия теплообменивающихся потоков тепловые характеристики, например перепад (разница) температур входа и выхода трубного потока, увеличиваются.

Недостатком конструкции, принятой за прототип, является одновременное (с достижением высоких показателей теплообмена) повышение гидравлического сопротивления конструкции и ТО трубному потоку продукта (обусловленное сложной зигзагообразностью его пути). Введение многочисленных препятствий (перегородок), изменяющих направление потока (по необходимому для длительности теплообмена числу ходов), увеличивает гидросопротивление конструкции пропорционально числу введенных изгибов. Это не позволяет использовать высокие скорости трубного потока, присущие, например, одноходовым аналогам, где трубный поток минует трубчатку «на проход», т.к. ведет к полной потере напора (давления) на выходе из трубного пучка.

Целью изобретения является повышение перепада (разницы) температур входа и выхода трубного потока путем увеличения условной длительности нахождения его в ТО за счет введения естественного возврата и циркуляции части потока.

Указанная цель достигается тем, что в известном ТО, включающем цилиндрический корпус с размещенным внутри его пучком труб, скрепленных с трубными поперечными решетками так, что трубными решетками и корпусом образована замкнутая внутренняя камера, пучок труб удлинен за решетку в сторону против входного потока и на конце удлинения установлена дополнительная трубная решетка, причем вновь образованная герметичная камера соединена, по меньшей мере, одним отдельным трубопроводом с выходной частью корпуса ТО (за трубной решеткой), а в стенке, по меньшей мере, одной трубки, на участке удлинения пучка, выполнено, по меньшей мере, одно отверстие. Оси всех отверстий, выполненных в стенках трубок удлинения пучка, расположены от плоскости дополнительной входной решетки на расстояниях, приблизительно равных половине внутреннего диаметра трубок. В качестве, по меньшей мере, одного отдельного трубопровода соединения вновь образованной герметичной камеры с выходной частью корпуса ТО принята, по меньшей мере, одна из трубок трубного пучка, которая укорочена на длину вновь образованной камеры на входе и удлинена на выходе. По меньшей мере один отдельный трубопровод соединения вновь образованной герметичной камеры с выходной частью корпуса ТО принят с диаметром, меньшим диаметра трубок в пучке, с длиной, укороченной на длину вновь образованной камеры на входе и увеличенной длиной на выходе, и размещен на свободных участках трубных решеток. По меньшей мере один отдельный трубопровод соединения вновь образованной герметичной камеры с выходной частью корпуса ТО размещен снаружи корпуса.

Предложенное решение поясняется чертежами.

На Фиг.1 приведено продольное сечение теплообменника, где введенная герметичная камера соединена с выходной частью корпуса ТО отдельным трубопроводом в виде нескольких трубок диаметра «d»=«D» трубного пучка, укороченных на входе (на длину вновь образованной камеры) и удлиненных на выходе.

На Фиг.2 - то же, но использованы трубки меньшего диаметра «d» («d»<»D»), размещенные на свободных (от размещения основных - теплообменных трубок с диаметром «D») площадях решеток.

На Фиг.3 - то же, что и на Фиг.1, но отдельный трубопровод размещен снаружи.

На Фиг.4 приведено поперечное сечение конструкции по осям отверстий «d_o», выполненных в теплообменных трубках во вновь образованной камере по Фиг.2.

На Фиг.5 представлен увеличенный фрагмент продольного сечения Фиг.2.

Буквенные обозначения, принятые на Фиг. 1, 2, 3, 4 и 5:

«d_о» - диаметр отверстий в стенках теплообменных трубок;

«d» - уменьшенный внутренний диаметр трубок отдельного трубопровода, размещенных в свободных местах трубной решетки. «D» - внутренний диаметр теплообменных трубок;

«L» - расстояние от оси отверстий «d_o» в стенках теплообменных трубок до входной плоскости дополнительной трубной решетки, равное (D/2).

Конструкция предложенного трубного теплообменника в съемном фланцевом исполнении состоит из цилиндрического корпуса 1 с фланцами 2, соединенными с фланцами 3 трубной системы. В корпус 1 вварены трубные решетки на входе трубного потока 4 и на выходе 5. В замкнутую решетками 4 и 5 внутреннюю камеру 6 (межтрубное пространство теплообменника) помещены перегородки 7. Для ввода и вывода межтрубного потока в корпус 1 также вварены штуцеры 8 и 9 (соответственно). Перед входной трубной решеткой 4 установлена дополнительная решетка 10. Удлиненный пучок теплообменных трубок 11 с внутренним диаметром «D» размещен «на проход» транзитом во вновь образованной решеткой 10 (и решеткой 4) замкнутой камере 12, а затем и в следующей замкнутой камере 6. По варианту на Фиг.1 из числа теплообменных трубок 11 выделена часть трубок 13, которая обрезана на длину камеры 12 и удлинена за выходной решеткой 5. (Диаметр трубок 13 - «d», в варианте Фиг. 1 «D»=«d»). Отверстия в дополнительной решетке 10 под (обрезано-удлиненные) трубки 13 не выполнены или оглушены, т.е. камера 12 не сообщается со входным трубным потоком, находящимся перед решеткой 4. По меньшей мере одна (обычная) теплообменная трубка 11 в камере 12 снабжена, по меньшей мере, одним отверстием 14 (в стенке трубки) диаметром «d_o» с осью, размещенной на расстоянии «L» от плоскости входной перегородки 10 (Фиг.5), равном половине «D». По варианту на Фиг.2 и 4 трубки 13 выполнены меньшего диаметра «d», чем основные теплообменные трубки (с диаметром «D»), и размещены в трубных решетках 4 и 5 на свободных (от трубок 11) площадях. По варианту Фиг.3 камера 12 соединена с выходной частью корпуса 1 (после решетки 5) отдельным трубопроводом 15, расположенным снаружи корпуса 1.

Работа предложенной конструкции состоит в следующем. Трубный поток, поступающий по трубной системе через соединение фланцев 2 и 3 в корпус 1, перед трубной решеткой 10 разбивается на струи - мини-потоки, входящие в теплообменные трубки 11. Мини-потоки (струи) проходят по трубкам 11 транзитом через вновь образованную (вваренными решетками 10 и 4) камеру 12 и попадают в теплообменную камеру 6 (между решетками 4 и 5). Через стенки трубок 11 в камере 6 трубный поток взаимодействует с межтрубным потоком, двигающимся по межтрубному пространству от входного штуцера 8 к выходному 9 (путь межтрубного потока удлинен установкой перегородок 7). 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 трубную решетку 5, имеет измененную температуру.

Вышеприведенная часть описания полностью совпадает с описанием работы прототипа. Отличия в работе предложенной конструкции заключаются в следующем. Разбитый на струи дополнительной решеткой 10 трубный поток (из корпуса 1), втекающий в трубки 11, как всякий гидравлический поток, попадающий из свободного большого объема в многочисленные, но стесненные пространства узких трубных участков, вваренных в поперечную перегородку (10), испытывает эффекты местного сжатия струй. По экспериментальным данным из гидравлики известно, что местное сжатие струи возникает сразу за поперечной перегородкой на входе в трубный участок, т.е. на небольшом расстоянии от плоскости входного края поперечной перегородки - решетки 10. Площадь поперечного сечения «сжатой» струи в месте ее максимального сужения составляет ≈0,6 от площади внутреннего сечения трубы. В сечениях «сжатия» струй по внутренним образующим трубок с одной стороны и искривленной форме струи с другой (в пристеночных пространствах трубок) возникают зоны с пониженным давлением или, условно, зоны вакуумирования. На образование таких вакуумных пространств затрачивается часть кинетической энергии трансформируемого потока. Таким образом, на входе каждой трубки 11, в узком пространстве небольшого (по длине) участка, реализована кольцевая своеобразная вакуумная зона. В предложенной конструкции в указанных зонах на одной или всех теплообменных трубках 11 выполнены сквозные отверстия 14, которые выведены (объединены) в специально сформированную для этого герметичную камеру 12 (конструктивно образованную дополнительной решеткой 10 и одной стороной решетки 4, другая сторона которой замыкает теплообменную камеру 6). Тем самым в камере 12 создано общее условно-вакуумное пространство, полученное «сложением» зон пониженного давления всех струй (трубок) трубного теплообменного потока, с возникновением у конструктивного макрообъема (объема камеры 12) нового свойства - всасывающего действия.

Одновременно с реализацией отдельной условной вакуум-камеры предложенным решением введен отдельный трубопровод (13, Фиг.1, 2, 4, 5 или 15 Фиг.3), соединивший выходную часть корпуса 1 (после трубной решетки 5) и этой вновь образованной камеры 12.

В результате объединения двух этих решений достигнуто новое качество процесса - часть выходного трубного потока с выхода из корпуса 1 после решетки 5 (нагретая или охлажденная) вакуум-всасывающим действием камеры 12 возвращается обратно, сначала по трубопроводу 13 или 15 в камеру 12, а затем через подсасывающие отверстия 14 в теплообменные трубки 11 и далее снова в теплообменную камеру 6 - на повторный рециркулирующий подогрев или охлаждение. Реализованный рецикл начинает работать непрерывно автогидравлически, сразу с подачей трубного потока. Таким образом, в любой квазистационарный момент (времени) процесса трубный поток на входе в теплообменную камеру 6 содержит две составляющие, одну, первично поступающую по трубкам 11 на вход теплообменной камеры 6 со входа в корпус 1 (транзитом через камеру 12), и вторую, уже прошедшую теплообменную камеру 6, затем возвращенную по трубопроводу 13 или 15 в условно вакуумную камеру 12 и из нее по отверстиям 14 поданную в трубки 11. После выхода из камеры 6 и в результате смешивания в общий поток - основной составляющей (прошедшей теплообменную камеру 6 только один раз) и дополнительной - циркуляционной составляющей выходная температура трубного потока (после решетки 5 и «косых» торцов всасывающих удлинений трубок 13) еще более увеличивается при нагреве или еще более охлаждается при охлаждении. Выходной температурой является температура потока, миновавшего зону всасывания. Для исключения излишнего влияния на всас (после решетки 5) турбулентности слияния-смешивания минипотоков-струй трубопроводы 13 или 15 возвратного всаса (рециркуляции) удлинены в направлении выходного потока. Необходимая доля потока рециркуляции в объеме общего потока регулируется - дозируется диаметром, количеством отверстий 14, а также диаметрами возвратных трубопроводов 13 и 15.

Предложенным решением разработан и реализован новый теплообменник с внутренней «встроенной» автогидравлической системой интенсификации теплообмена. Интенсификация теплообмена, т.е. достижение пониженной (при охлаждении) или повышенной (при нагреве) температуры трубного потока на выходе из теплообменника обеспечена реализацией естественного (т.е. непринудительного, безнасосного) возврата и циркуляции части трубного потока. Возврат и циркуляция получены за счет использования энергии трансформируемого потока - энергии струй, входящих после преодоления гидравлического препятствия - трубной решетки, в теплообменные трубки. Причем препятствие потоку и деление на струи введены - внесены в процесс теплообмена не искусственно-конструкторскими методами, а органично использованы конструктивные элементы, существующие в типовой (классической) конструкции теплообменного аппарата (при минимальной доработке).

Изменение величины выходной температуры трубного потока всего на 15%, увеличивая удельную теплообменную нагрузку (на каждый аппарат), в упрощенном представлении позволяет исключить тот же процент аппаратов из некоторых вновь проектируемых и существующих технологических схем, что, учитывая сокращение капитальных затрат и затрат на обслуживание и ремонт, технически и экономически выгодно.