Теплообменник

 

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: повышение эффективности теплообмена в результате повышения индекса противоточности до единицы обеспечивается тем, что продольная перегородка 7 в кожухе теплообменника, жестко примыкающая к коллекторной трубной решетке, имеет уплотнения в виде пакетов лент 15, 16 разной ширины, симметрично закрепленных по ее бокам с обеих сторон с прилеганием каждой ленты к внутренней поверхности кожуха. Перегородка 7 по меньшей мере на части своей поверхности примыкающей к колекторной камере, имеет теплоизоляцию 12. 9 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано на объектах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, нефтяной, газовой, энергетической и др. отраслей народного хозяйства.

Известны массовые типовые конструкции теплообменников, включающие кожух, размещенный в кожухе трубный пучок с вертикальными перегородками в межтрубном пространстве, трубные доски, в которые завальцованы теплообменные трубки, коллекторную камеру, разделенную перегородкой на входной и выходной отсеки, и штуцеры для ввода и вывода продуктов теплообмена. Конструкции кожухотрубчатых теплообменников бывают двух вариантов: с плавающей головкой и U-образными теплообменными трубками.

Существенный недостаток таких теплообменников заключается в том, что их индекс противоточности равен только 0,5 (максимально возможное значение равно 1), в связи с тем, что по трубному пучку они являются двухходовыми, а по межтрубному пространству одноходовыми.

Прототипом предлагаемой конструкции является конструкция кожухотрубчатого теплообменника, содержащего размещенный внутри кожуха пучок теплообменных труб, закрепленных в трубных досках и подключенных к входной и выходной коллекторной камере вертикальные, поперечные, направляющие перегородки в межтрубном пространстве, и продольную перегородку, соединенную с кожухом посредством уплотнительных соединений замкового типа, т.е. кожухотрубчатый теплообменник, у которого два хода по трубному и межтрубному пространству. Организация двух ходов в межтрубном пространстве позволяет увеличить индекс противоточности потоков с 0,5 до 1,0, при этом теоретически средняя тепловая эффективность передача тепла одного теплообменника возрастает в среднем на 15-35% что позволяет экономить металл на величине теплопередающих поверхностей.

Последняя конструкция кожухотрубчатого теплообменника имеет уплотнительные соединения замкового типа, включающие в себя обоймы, жестко укрепленные на внутренней поверхности кожуха и специального утолщения на боковых торцевых сторонах продольной перегородки. Утолщения входят в обоймы и тем самым создается герметичное соединение продольной перегородки с внутренней стенкой кожуха. На противоположной стороне (от неподвижной трубной решетки, трубной доски) продольной перегородки на корпусе жестко укреплены приспособления, обеспечивающие выталкивать утолщения из обойм при выдвижении трубного пучка из корпуса при ремонте и ревизии теплообменника.

Рассмотренные конструкции теплообменников имеют следующие существенные недостатки: 1) необходимость выполнения выемок в трубной решетке плавающей головки для прохода мимо обойм уплотнительных соединений и выталкивающих приспособлений, что усложняет и снижает герметичность конструкции уплотнения трубной решетки с крышкой плавающей головки; 2) невозможность обеспечения строгой прямолинейности закрепления обойм уплотнительных соединений на внутренней поверхности кожуха, что создает значительные трудности при монтаже и демонтаже трубного пучка. Демонтаж трубного пучка, кроме того, осложняется закоксовыванием пространства внутри обойм уплотнительных соединений между ее внутренней поверхностью и боковыми торцевыми поверхностями продольной перегородки; 3) из-за увеличения длины пути потока в межтрубном пространстве при наличии поперечных перегородок почти вдвое возрастает гидравлическое сопротивление; 4) около сплошных вертикальных поперечных перегородок возникают застройные зоны, в которых увеличивается отложение кокса, смол на наружной поверхности труб, что снижает теплообмен; 5) в результате установки продольной перегородки в трубном пучке и возрастания индекса противоточности до единицы, увеличивается температурный перепад теплообменивающих потоков и, вследствие этого, увеличиваются теpмомеханические напряжения в вальцовочных соединениях в трубных решетках как в распределительной камере, так и в трубной решетке плавающей головки из-за различного теплового удлинения теплообменных труб пучка. Увеличение механических напряжений в вальцовочных соединениях снижает надежность конструкции теплообменника при температурных колебаниях в процессе эксплуатации; 6) наличие продольной разделительной перегородки обуславливает возникновение "паразитных" тепловых потоков через саму продольную перегородку из-за перепада температур теплоносителя по разным сторонам продольной перегородки. Существование "паразитных" тепловых потоков снижает тепловую эффективность теплообменника.

С целью ликвидации рассмотренных выше недостатков нами предлагается следующая конструкция теплообменника: 1) для обеспечения герметичности между боковыми торцами продольной перегородки и внутренней поверхностью кожуха на продольной перегородке вдоль ее боковых торцов с двух сторон (верхней и нижней) укреплены уплотнительные ленточные пластинчатые элементы из термоупругого материала, что исключает необходимость специальных вырезов в трубной решетке плавающей головки. Отличительной особенностью предлагаемой конструкции теплообменника с продольной перегородкой является специальное расположение уплотнительных ленточных пластин, создающих "лабиринтное" уплотнение торцевых боковых сторон продольной перегородки, заключающееся в том, что ленты малой ширины прилегают непосредственно к пластине, а ленты наибольшей ширины снаружи, т.е. ближе к теплообменным трубкам. Уплотнительные ленты средней ширины занимают положение между этими лентами (минимальной и максимальной ширины). Такое расположение уплотнительных лент создает "лабиринтное" уплотнение, создает герметичное уплотнение продольной перегородки с внутренней стенкой корпуса.

В качестве термоупругого материала могут использоваться многие обычные металлические материалы. Для этого материалы подвергают специальной технологической операции "нагартовыванию". Лучшими термоупругими материалами в данном изобретении являются материалы с памятью формы и биметаллы.

2) для снижения гидравлического сопротивления, ликвидации застойных зон, повышения турбулентности потока для интенсификации теплообмена вместо перфорированных поперечных перегородок установлены прутковые (стержневые, круглого, прямоугольного, треугольного, шестиугольного и др. сечений) вертикальные, горизонтальные, наклонные и решетчатые турбулизаторы через определенные промежутки по всей длине трубного пучка, жестко укрепленные в полукольцах и продольной перегородке).

Система прутковых вертикальных, горизонтальных, наклонных и решетчатых турбулизаторов, укрепленных в продольной перегородке и вертикальных полукольцах имеет основной целью турбулизацию и уменьшение байпасных протечек между пучком теплообменных труб и внутренней стенкой корпуса: турбулизация осуществляется как расположением, как турбулизирующими сечениями прутковых элементов; полукольца заполняют зазоры между пучком труб и корпусом, за счет этого уменьшаются околокорпусные периферийные протечки и это уменьшает потери тепла в окружающую среду через стенку корпуса, что не предусмотрено в известном теплообменнике.

3) Для увеличения надежности теплообменника в результате снижения механических напряжений в вальцовочных соединениях трубок с трубной решеткой в предлагаемом изобретении установлены теплообменные трубки с внешними кольцевыми и винтовыми накатами.

В предлагаемой конструкции накаты на трубках предусмотрены с целью уменьшения термических напряжений в вальцовочных соединенных теплообменных труб с трубной решеткой и для конструкции предпочтителен винтовой накат на теплообменных трубках, который значительно увеличивает пластичность теплообменных трубок, и тем самым повышает долговечность и надежность теплообменника. При этом в предлагаемой конструкции шаг наката обеспечивается только пластичность трубок.

4) Для ликвидации "паразитных" токов тепла через разделительную пластину в распределительной камере (головке) теплообменника и через продольную перегородку в межтрубном пространстве, пластина и продольная перегородка выполнена в виде конструкции с теплоизолирующими слоями, причем продольная перегородка теплоизолирована не менее 25% предпочтительно не менее 63% общей длины, считая от неподвижной трубной решетки.

5) С целью повышения ремонтопригодности предлагаемой конструкции кожухотрубчатого теплообменника на дальнем конце продольной перегородки (от неподвижной трубной решетки) установлены отгибающие элементы, с целью предварительного отгибания уплотнительных ленточных пластин для облегчения вдвигании трубчатого пучка в корпус теплообменника в процессе ремонта ревизии и освидетельствования трубчатого пучка. Отгибающие элементы могут быть произвольного сечения: стержни круглого, квадратного, трехгранного, шестигранного и др. сечений, предпочтительно, трубки и др.

Предлагаемая конструкция теплообменника обладает следующими преимуществами:
Сохраняется круговая форма (без выемок) трубной решетки при разделении межтрубного пространства на две части продольной перегородкой.

Обладает хорошей ремонтнопригодностью, так как позволяет извлекать пучок без специальных выталкивающих приспособлений, а также из-за отсутствия поперечных перегородок и наличия стержневых турбулизаторов возможен больший зазор между трубным пучком (полукольцами) и корпусом, так как поток теплоносителя в межтрубном пространстве, идя по пути наименьшего сопротивления (от штуцера к штуцеру), практически не будет проходить по периферии трубного пучка.

Обладает большей надежностью в результате меньшего механического напряжения на вальцовочные соединения при колебаниях температурной нагрузки на теплообменник в результате того, что в предлагаемой конструкции установлены теплообменные трубки с накатами, которые являются более пластичными, чем прямые трубки без накатов.

Обладает лучшими восстановительными свойствами по очистке от отложений, так как не имеют застойных зон, легче подвергаются очистке от загрязнений межтрубного пространства.

Обладает большим межремонтным пробегом из-за того, что отсутствуют застойные зоны, а стержневые турбулизаторы меньше подвержены забиванию отложениями.

Обладает меньшей величиной "паразитного" теплопотока, так как продольная пластина в межтрубном пространстве теплоизолирована не менее 25% предпочтительно не менее 63%
Обоснование допустимой длины неизолированной части продольной перегородки может быть получено из логических и математических соображений. Эффективность противоточного процесса теплопередачи от величины поверхности выражается следующей формулой:
E где Е эффективность теплопередачи, (в данном случае неизолированной части продольной перегородки);
Ф относительная теплопро-
изводительность;
К коэффициент теплопередачи, в первом приближении принимаем постоянным;
W водяной эквивалент теплопотока;
F поверхность теплообмена, в данном случае при постоянной ширине продольной перегородки будет пропорциональна ее длине Х неизолированной части: AX.

Количество тепла "паразитного" теплопотока определяется по формуле
ΔQ E ·Δt ·W, где Δt разность температур на разных сторонах продольной пластины (перегородки). Можно принять в первом приближении линейной зависимостью от длины неизолированной части Δt B (1 X).

При принятых условиях количество "паразитного" теплопотока может быть записано:
Q
Для того, чтобы определить перегиб функции, т.е. при какой величине неизолированной части продольной перегородки "паразитный" теплопоток будет еще не существенным, для этого необходимо взять производную от функции и ее значение приравнять нулю.

Вычисление Х при этом условии в реальных условиях работы кожухотрубчатых теплообменников Q_max 5-5,5 [4] дает значение Х, т.е. величины неизолированной части продольной перегородки, равное 0,25-0,37.

Вообще в подобных неясных заранее случаях, оптимальным решением, как указывают теория информации, является соотношение соответствующее "золотому сечению", т.е. 37,0 и 63,0% чем и руководствуются авторы заявки, но с целью запасного варианта предлагают изолировать продольную пластину не менее 25% ее длины, предпочтительно, не менее 63%
Рассматриваемая конструкция позволяет создавать более эффективные схемы теплообмена, обеспечивающие экономию: тепла, теплообменной поверхности (экономии металла).

На фиг.1 изображен предлагаемый теплообменник, на фиг.2 сечение А-А кожуха теплообменника на фиг.1; на фиг.3 узел уплотнения в исходном состоянии; на фиг.4 сечение Б-Б узла В на фиг.1; на фиг.5 элемент трубы с накатами; на фиг.6 опорная поперечная перегородка с центральным вырезом.

Теплообменник содержит штуцера 1, 2 для ввода и вывода теплоносителей трубного 3 и 4 межтрубного пространства, кожух 5, теплообменные трубки 6, теплоизолированную продольную разделительную перегородку 7 с термоупругими уплотнительными полосами, стержневые турбулизаторы 8, распределительную камеру 9 с теплоизолированной перегородкой 10, и плавающей головкой 11. На фиг. 2 и 3 в деталировке конструкции торцевых (боковых) концов теплоизолированной разделительной продольной перегородки. Разделительная перегородка сверху и снизу имеет теплоизолирующие (стекловолокно, паранит, паралон и др. ) слои (прокладки) 12 по всей поверхности продольной перегородки не менее 25% предпочтительно не менее 63% ее длины (вдоль кожуха теплообменника). Теплоизолирующие слои 12 защищены, ограждены от влияния среды металлическими листами 13. На продольных сторонах разделительной перегородки 7 жестко укреплены пакеты термоупругих уплотнительных пластин 14 разной ширины с обеих сторон плоскости продольной разделительной перегородки, при этом термоупругие уплотнительные пластины наименьшей ширины 15 прилегают к теплоизолированной продольной разделительной перегородке 7, а термоупругие пластины наибольшей ширины 16 установлены в крайнем положении от разделительной теплоизолированной продольной перегородки, ближе к теплообменным трубкам. Пакеты уплотнительных термоупругих пластин укрепляются болтами 17 и прижимными жесткими (металлическими) прокладками 18. На фиг.3 представлена конструкция среднего участка торцевой стороны продольной теплоизолированной перегородки с пакетом термоупругих уплотнительных пластин в сборе до того, как трубный пучок вставлен в кожух.

На фиг.4 показан узел "В" участка продольной разделительной перегородки с пакетом уплотнительных пластин (участок близкий к плавающей головке). Отгибающие элементы 19 (могут быть произвольного сечения, но выполняющие функцию предварительного отгибания уплотняющих пластин) предназначены для правильного направления изгиба уплотняющих пластин и облегчения при монтаже и ремонте в процессе вдвигания кожуха теплообменника трубного пучка, схваченного полукольцами 20. На фиг.5 представлен участок теплообменной трубы 6 с пакетами 21; на фиг.6 опорная поперечная перегородка 22 с центральным вырезом.

Предлагаемая конструкция стержневого кожухотрубчатого теплообменника работает следующим образом. Теплообменивающие потоки противоточно поступают в теплообменник. Один из потоков (первый) через штуцер 1 распределительной головки поступает в трубки 6, по трубкам вновь в распределительную головку 9 и через штуцер 2 выходит из теплообменника.

Другой (второй) поток входит в штуцер 3, проходит в межтрубное пространство, огибая продольную теплоизолированную перегородку 7, при этом поток турбулизируется вертикальными, горизонтальными, наклоненными и решетчатыми стержневыми турбулизаторами, и приняв тепло от первого потока выходит из кожуха через штуцер 4.

Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями показывает, что признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа не были выявлены и потому они обеспечивают заявителю соответствие критерию "существенные отличия" и "новизна".

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения на примере применения в нефтеперерабатывающей промышленности конструкции кожухотрубчатого теплообменника с продольной перегородкой по сравнению с существующими кожухотрубчатыми теплообменниками повышается за счет увеличения термодинамической эффективности в результате повышения индекса противоточности с 0,5 до 1.

Анализ графиков 2-12, С.42 и 2-20, С.44 известного изобретения показывает, что при этом для теплообменников с равной поверхностью теплообмена эффективность теплообменника возрастает на 15-35% Примем для расчета 20% т.е. в противоточном теплообменнике количество переданного тепла будет на 20% больше.

При средних значениях практических коэффициентов теплопередачи в теплообменниках нефтеперерабатывающей промышленности (на примере обследования установок ЭЛОУ-АВТ-6) 80-120 ккал/м² ч, разности температур 50^оС (по наименьшей оценке), поверхности теплообмена стандартных теплообменников по ГОСТ 14246-79 от 14 до 1246 м² (для расчета примем среднее значение стандартного теплообменника 630 м²), в предлагаемой конструкции теплообменника будет передано в час больше тепла на Q 630· 100· 20· 50 630000 ккал/ч. При продолжительности работы технологической установки в году 330 дней будет передано в год больше тепла через противоточный теплообменник
Q_год 630000·24·330 5·10⁹ ккал/год
Дополнительная эффективность предлагаемого конструктивного решения по кожухотрубному теплообменнику с продольной перегородкой с индексом противоточности 1 при проектировании будет за счет уменьшения потребного количества теплообменников для утилизации заданного теплового ресурса, что обусловит снижение общей металлоемкости технологических установок также в среднем на 6,5% для технологических производств большой мощности, при повышении металлоемкости новой конструкции эффективного теплообмена не более 1%
Предлагаемая первая опытная конструкция теплообменника в кол. 22 шт. изготовлена на Черновицком машиностроительном заводе и прошла испытания на Ново-Горьковском нефтеперерабатывающем заводе, (г. Кстово). Испытания подтвердили теоретические оценки тепловой эффективности теплообменника и его другие положительные качества.

В настоящее время уже изготовлена опытная установочная партия, теплообменные аппараты этой партии находятся в промышленной эксплуатации.

Формула изобретения

1. ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий кожух с пучком теплообменных труб и патрубками вввода и вывода межтрубной среды, коллекторную камеру, соединенную с одним из торцов кожуха и снабженную патрубками для ввода и вывода трубной среды, коллекторную трубную решетку и продольные перегородки, установленные по оси коллекторной камеры и кожуха, причем продольная перегородка последнего снабжена уплотнительными приспособлениями, расположенными между перегородкой и внутренней поверхностью кожуха, отличающийся тем, что продольная перегородка, жестко примыкающая к коллекторной трубной решетке и расположенная в трубном пучке, имеет уплотнительные приспособления, выполненные в виде пакетов лент симметрично закрепленных на боковых краях по длине продольной перегородки с обеих ее сторон, причем каждая из лент размещена с прилеганием к внутренней поверхности кожуха.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что трубный пучок снабжен рядом поперечных решеток, размещенных на расстоянии одна от другой и каждая из которых выполнена из стержней, расположенных между трубами и закрепленных в полукольцах, установленных на продольной перегородке.

3. Теплообменник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что на расстоянии от камеры установлена поперечная круговая перегородка.

4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что в каждом пакете ленты имеют разную ширину, увеличивающую от продольной перегородки к теплообменным трубам.

5. Теплообменник по пп.1 и 2, отличающийся тем, что продольные перегородки в коллекторной камере и кожухе или часть продольной перегородки в кожухе, по меньшей мере ее участок, примыкающий к коллекторной камере, имеют теплоизоляцию.

6. Теплообменник по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что ленты в каждом пакете выполнены из материала с памятью формы.

7. Теплообменник по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что ленты в каждом пакете выполнены из биметалла.

8. Теплообменник по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что он снабжен на удаленном от коллекторной камеры конце направляющими для пакетов лент, расположенными на продольной перегородке между последней и пакетом лент.

9. Теплообменник по пп.1 8, отличающийся тем, что по меньшей мере часть труб или часть длины труб имеет накатку.

10. Теплообменник по пп.1 8, отличающийся тем, что трубный пучок снабжен кроме поперечных решеток и/или рядом поперечных перегородок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 20.04.2007

Извещение опубликовано: 20.04.2007        БИ: 11/2007