Теплообменник

Предлагаемая конструкция относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности.

Трубный пучок разделен цилиндрическим кожухом 5 на входную часть 6 и выходную часть 7. Через ввод 10 во входную камеру 9 поступает рабочая среда, проходит во входную часть 6 трубного пучка и возвращается по выходной части 7 трубного пучка, отдавая свое тепло охлаждающей среде, протекающей в межтрубном пространстве 13 противотоком.

В камеру межтрубного пространства 13 охлаждающая среда поступает через ввод 12. Затем охлаждающая среда проходит между цилиндрическим кожухом 5 и корпусом 1 а затем - в центральную зону межтрубного пространства 13. Перегородки 11 направляют охлаждающую среду поперек труб, благодаря чему создаются условия для более полного теплообмена между средами. Нагретая охлаждающая среда поступает по отводной трубе 15 на вывод 14.

Расчеты теплопередачи предлагаемой конструкции теплообменника показали увеличение эффективности по сравнению с прототипом на 10-12%. 2 ил.

Предлагаемая конструкция относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности.

Известен горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник (Двухсекционный горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник, опубликовано «Сосуды и трубопроводы высокого давления», справочник под редакцией А.М.Кузнецова, В.И.Лившица, Иркутск, 1999 г., изд. второе, дополненное, стр.62),. Каждая секция состоит из трубного пучка, двух распределительных камер трубного пространства и корпуса межтрубного пространства. Трубный пучок образован двумя трубными решетками с жестко закрепленными, приваренными и развальцованными теплообменными трубами. В свою очередь, трубные решетки сварены с обечайкой корпуса межтрубного пространства и с распределительными камерами трубного пространства, образуя неразъемный аппарат.

Конструкция теплообменника жесткого типа отличается простотой, вместе с тем, теплообменники этого типа обладают определенными недостатками. В эксплуатационных условиях в корпусе и трубках от разности температур возникают термические напряжения, которые с напряжениями от внутреннего давления могут вызвать нарушение герметичности в местах соединения труб с трубной решеткой.

Известен горизонтальный теплообменник (Горизонтальный теплообменник с U-образным трубным пучком, ОАО «Курганхимаш», Internet: http://khm.zaural.ru/katalog/toneftehim/004. doc), содержащий пучок U-образных теплообменных труб, соединенных перегородками и закрепленных в

трубной решетке, расположенных параллельно оси теплообменника, входные и выходные штуцера.

Конструкция теплообменника с U-образными трубами дает возможность трубному пучку свободно расширяться при изменениях температур независимо от корпуса и тем самым снизить образование температурных напряжений.

Недостатком данной конструкции теплообменника является низкая теплопередача из-за отсутствия противотока между средами, протекающими в трубном и межтрубном пространствах.

Наиболее близким аналогом является конструкция, изложенная в патенте РФ (Патент РФ №2013739, МПК F 28 D 7/06, опубликовано 30.05.1994 г.). Известный теплообменник содержит цилиндрический корпус высокого давления с двумя пучками U-образных теплообменных труб, закрепленных в трубной решетке, приваренной к корпусу, плоскую крышку с вводами и выводами рабочей среды, перегородку, закрепленную одним торцом в крышке, а другим уплотненную с трубной решеткой с образованием входных и выходных камер охлаждаемой рабочей среды, расположенных на противолежащих половинах трубной решетки и разделенных перегородкой. Корпус имеет ввод охлаждающей среды и днище с выводом охлаждающей среды. Между трубной решеткой и торцом перегородки размещена уплотнительная прокладка из мягкого материала.

Недостатком известной конструкции теплообменника является наличие уплотнительной прокладки из мягкого материала, расположенной между трубной решетной и торцом перегородки, что не обеспечивает герметичность данного соединения при высоких давлениях и температурах. Кроме того, в трубной решетке известного теплообменника возникают высокие термоупругие напряжения, превышающие допускаемые напряжения из-за большой разности температур между рабочей и охлаждающей средами, которая возникает на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки в области размещения входных камер. При этом трубная решетка, испытывающая эти

термоупругие напряжения, может деформироваться и привести к нарушению герметичности между нею и трубами трубных пучков. Следовательно, совместные действия при повышенных параметрах внутреннего давления и температурного поля, вызовут термоупругие напряжения, превышающие допускаемые, что значительно снижает надежность конструкции известного теплообменника.

Эффективность теплообмена известного теплообменника также снижена из-за того, что поток охлаждающей среды, омывающий выходные участки трубных пучков, направлен по ходу потока рабочей среды в трубах этих трубных пучков, то есть снизу вверх.

Задача данного предложения - повысить надежность и эффективность работы теплообменника при высоких давлениях и температурах.

Поставленная задача решается тем, что теплообменник, содержащий корпус с днищем и крышкой, трубный пучок с трубной решеткой, входную и выходную камеры рабочей среды, вводы и выводы рабочей и охлаждающей сред, согласно предложению, снабжен цилиндрическим кожухом, разделяющим трубный пучок на центральную входную часть и периферийную выходную часть, выходная камера рабочей среды имеет внутренний диаметр, соразмерный диаметру трубной решетки и сообщена с периферийной выходной частью трубного пучка, при этом входная камера рабочей среды размещена внутри выходной камеры рабочей среды и сообщена с центральной входной частью трубного пучка, а в межтрубном пространстве по оси корпуса установлена отводная труба, сообщенная своим верхним концом с межтрубным пространством, а нижним концом - с выводом охлаждающей среды.

Технический результат предложения выражается в том, что теплообмен между средами идет в мягком режиме: входная часть трубного пучка омывается охлаждающей средой, уже подогретой при ее проходе противотоком между трубами выходной части трубного пучка, поэтому разница температур

на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки в ее центральной части значительно снижается и составляет ˜ 30°С.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показан продольный разрез теплообменника; на фиг.2 - поперечный разрез А-А теплообменника.

Теплообменник содержит цилиндрический стальной корпус 1 высокого давления, сваренный с трубной решеткой 2 и со сферической крышкой 3, а в нижней части - с днищем 4. В трубной решетке 2 герметично закреплены трубы трубного пучка, который с помощью цилиндрического кожуха 5 разделен на центральную входную часть 6 и периферийную выходную часть 7. Над трубной решеткой 2 размещены выходная камера 8 рабочей среды, имеющая внутренний диаметр, соразмерный диаметру трубной решетки 2 и сообщенная с выходной частью 7 трубного пучка. Внутри выходной камеры 8 размещена входная камера 9 рабочей среды, сообщенная с центральной входной частью 6 трубного пучка. Входная камера 9 имеет ввод 10, а выходная камера 8 имеет вывод 11 для рабочей среды. Корпус 1 имеет ввод 12 для охлаждающей среды, сообщенный с межтрубным пространством 13, и вывод 14 для охлаждающей среды, расположенный в нижней части корпуса 1. В межтрубном пространстве 13 внутри входной части 6 трубного пучка по центральной оси корпуса 1 установлена отводная труба 15 охлаждающей среды, сообщенная своим верхним концом с межтрубным пространством 13, а нижним концом - с выводом 14 для охлаждающей среды. В верхней части межтрубного пространства 13 в зоне подачи охлаждающей среды установлено кольцевое противоударное распределительное устройство 16. В межтрубном пространстве 13 установлены поперечные перегородки 17, которые служат для стабилизации расстояния между трубами трубного пучка, а также для распределения потока охлаждающей среды в межтрубном пространстве 13.

Теплообменник работает следующим образом.

Через ввод 10 подается максимально нагретая рабочая среда, которая поступает во входную камеру 9 и проходит в центральную входную часть 6

трубного пучка, в котором она движется вниз и отдает свое тепло охлаждающей среде, которая противотоком поднимается навстречу по центральной зоне межтрубного пространства 13, ограниченной цилиндрическим кожухом 5. В нижней части трубного пучка рабочая среда переходит из центральной входной части 6 трубного пучка в периферийную выходную часть 7 трубного пучка, поднимаясь по трубам которого отдает свое тепло охлаждающей среде, противотоком протекающей в периферийной зоне межтрубного пространства 13. В выходную камеру 8 рабочая среда поступает с меньшей температурой по сравнению с температурой рабочей среды, поступающей во входную камеру 9, благодаря чему происходит активный дополнительный теплообмен между камерами 8 и 9 через стенку камеры 9. В результате этого разность температур на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки 2 в зоне ввода рабочей среды сохраняется минимальной и составляет ˜ 30°С. В межтрубное пространство 13 поток охлаждающей среды поступает через ввод 12 и через распределительное устройство 16. Охлаждающая среда, имеющая наименьшую температуру, поступает вначале в периферийную зону межтрубного пространства 13, ограниченную цилиндрическим кожухом 5 и корпусом 1, а затем - в центральную зону межтрубного пространства 13. Перегородки 17 направляют потоки охлаждающей среды поперек труб, благодаря чему создаются условия для более полного теплообмена между рабочей и охлаждающей средами. Нагретая охлаждающая среда из верхней части межтрубного пространства 13 отводится через трубу 15 и через вывод 14.

Конструкция теплообменника обеспечивает надежную работу аппарата за счет снижения разности температур между рабочей и охлаждающей средами на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки. Благодаря этому темоупругие напряжения по толщине трубной решетки не превышают допускаемых величин в условиях повышенных рабочих температур и давлений. Эффективность предложенной конструкции теплообменника состоит в том, что теплообмен между средами идет в условиях противотока рабочей и

охлаждающей сред как на центральной входной части 6 трубного пучка, так и на периферийной его части 7.

Расчеты теплопередачи предлагаемой конструкции теплообменника показали увеличение эффективности теплообмена по сравнению с прототипом на 10-12%.

Теплообменник, содержащий корпус с днищем и крышкой, трубный пучок с трубной решеткой, входную и выходную камеры рабочей среды, вводы и выводы рабочей и охлаждающей сред, отличающийся тем, что он снабжен цилиндрическим кожухом, разделяющим трубный пучок на центральную входную часть и периферийную выходную часть, выходная камера рабочей среды имеет внутренний диаметр, соразмерный диаметру трубной решетки и сообщена с периферийной выходной частью трубного пучка, при этом входная камера рабочей среды размещена внутри выходной камеры рабочей среды и сообщена с центральной входной частью трубного пучка, а по центральной оси корпуса установлена отводная труба, сообщенная своим верхним концом с межтрубным пространством, а нижним концом - с выводом охлаждающей среды.