ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1994 года по МПК F28D7/00 F28F9/00 

Изобретение относится к трубчатым теплообменникам.

Трубчатые теплообменники служат в качестве котла-утилизатора технологического газа для быстрого охлаждения реакционных газов из крекинг-печи или химических реакторов при одновременном производстве пара высокого давления и среды, отводящей тепло. Для обеспечения высоких температур газа и высокого перепада давления между газом и теплоотводящим хладагентом трубная доска, расположенная на стороне входа газа, выполнена тонкой по сравнению с трубной доской, расположенной на стороне выхода газа [1] . При этом жесткость тонкой трубной доски увеличена за счет опорного листа, расположенного на некотором расстоянии перед трубной доской, соединенного с ней анкерами.

В другом известном трубчатом теплообменнике [2] тонкая трубная доска опирается через приваренные опорные пальцы к опорной плите. Полость между опорной плитой и трубной доской обтекается хладагентом, подводимым через кольцевую камеру и входящим через кольцевой зазор между трубами и несущей плитой в теплообменник. Таким образом обеспечивается поперечное направление хладагента через тонкую трубную доску. Это направление воды обеспечивает хорошее охлаждение трубной доски и создает высокую скорость потока, предотвращая отложение частиц из хладагента на трубной доске. Это двойное дно хорошо функционирует, но его изготовление является сравнительно дорогостоящим.

Известно выполнение на расположенной со стороны выхода газа толстой трубной доске трубчатого теплообменника охлаждающих каналов, аналогично описанным в ограничительной части формулы изобретения [3] . Таким образом, при достаточной прочности трубной доски допускаются высокие температуры выходящего газа - от 550 до 650^оС. В этой известной трубной доске охлаждающие каналы расположены между рядами труб и на сравнительно большом расстоянии друг от друга и от стороны трубной доски, контактирующей с газом. Охлаждение трубной доски, создаваемое таким расположением охлаждающих газов, является достаточным для того, чтобы управлять температурами газа на стороне выхода газа из теплообменника.

В основу изобретения положена задача выполнить охлаждаемую трубную доску трубчатого теплообменника типа, изложенного в ограничительной части формулы изобретения, так, чтобы при незначительной толщине стенки со стороны газа и высокой скорости потока хладагента обеспечить равномерное распределение хладагента и регулирование температуры газа, имеющего более чем 1000^оС.

Эта задача решается в трубчатом теплообменнике того типа, который описан в ограничительной части формулы изобретения признаками, изложенными в отличительной части пункта 1. Предпочтительные формы исполнения изложены в подпунктах.

Трубная доска согласно изобретению может быть выполнена толстой и тем самым может отвечать требованию противостоять высокому давлению хладагента. Благодаря тому, что трубы проходят через каналы охлаждения и тем самым прямолинейно вдоль ряда труб, каналы охлаждения могут прокладываться близко друг к другу, вследствие чего хладагент обтекает большую площадь. Основания каналов при равномерной толщине стенки предотвращают зависание материала на внутренней стороне каналов. Это приводит к такому интенсивному охлаждению трубной доски, что можно управлять высокими температурами газа, более чем 1000^оС.

Скорость хладагента в канале охлаждения может устанавливаться такой, что частицы, содержащиеся в хладагенте, не могут осаждаться, благодаря чему не возникает опасность перегрева трубной доски. Таким образом, на стороне входа газа на трубной доске может быть образована тонкая часть дна, которая опирается через перемычки, остающиеся между каналами охлаждения, на толстую часть дна. Такая опора является более благоприятной, чем опора через отдельные анкеры, что выражается в более равномерном распределении напряжения. Тонкая часть дна обеспечивает охлаждение при малых тепловых напряжениях и дает возможность беззазорного и высококачественного вваривания труб в трубную доску.

На фиг. 1 показан теплообменник, продольное сечение; на фиг. 2 - вид сверху на трубную доску, расположенную на стороне входа газа; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 - узел I на фиг. 3; на фиг. 6 - вид сверху на фиг. 5; на фиг. 7 - вид сверху на трубную доску со стороны входа газа согласно другому примеру выполнения; на фиг. 8 - сечение В-В на фиг. 7; на фиг. 9 - узел I согласно другому примеру выполнения.

Теплообменник служит, в частности, для охлаждения крекинг-газа с помощью находящейся под высоким давлением кипящей и частично испаряющейся воды. Теплообменник состоит из пучка отдельных труб 1, через которые протекает подлежащий охлаждению газ, окруженного оболочкой 2. Трубы крепятся в двух трубчатых досках 3 и 4, к которым присоединены газопровод 5 и газоотвод 6, причем доски приварены к оболочке 2. На трубной доске 3, расположенной на стороне подвода газа, выполнены каналы 7 охлаждения, проходящие параллельно друг другу. Каналы 7 охлаждения проходят в трубной доске 3 так, что если смотреть в осевом направлении трубной доски, они имеют меньшее расстояние к стороне, контактирующей с газом, трубной доски 3, чем к внутренней стороне оболочки 2. Таким образом получается более тонкая часть 8 со стороны газа и более толстая часть 9 дна со стороны оболочки 2.

Каналы 7 охлаждения согласно фиг. 1-6 открыты с обеих сторон и входят в камеру 10, кольцеобразно окружающую трубную доску 3. Со стороны входа камера 10 снабжена одним/несколькими подводящими патрубками 11, через которые подводится хладагент, находящийся под высоким давлением.

Каналы 7 охлаждения могут проходить через трубную доску 3 в виде цилиндрических отверстий, параллельных поверхности доски. Однако сечение, имеющее вначале круговую форму, далее расширяется и в заключение принимает туннелеобразный профиль, получаемый обработкой резанием. Эта туннелеобразная форма характеризуется выпуклой верхней частью и плоским основанием 12, проходящим параллельно верхней стороне трубной доски 6. Таким образом, особенно легко изготовить тонкую донную часть с равномерной толщиной стенки. Боковые стенки 13 туннельного канала 7 охлаждения являются также плоскими и проходят предпочтительно вертикально к основанию 12. Боковые стенки 13 образуют узкие перемычки 14, которыми тонкая часть 8 дна опирается на толстую часть 9 дна на большей части длины опоры.

Внутри толстой части 9 дна имеется трубная доска 3 с проточками 15, открытыми к полости оболочки 2 и входящими в каналы 7 охлаждения перпендикулярно к их длине. Через проточки 15 проходят трубы 1 пучка с образованием кольцевого зазора. Трубы 1 каждого ряда проходят через один из каналов 7 охлаждения, их приваривают сплошным швом 16 без зазора в тонкой части 8 дна трубной доски 3. Ширина полученного таким образом канала 7 охлаждения соответствует приблизительно 1-2-кратному значению диаметра труб 1.

Хладагент, подаваемый через подводящий патрубок 11 с напорной стороны камеры 10, проходит в канал 7 охлаждения и частично проходит через кольцевой зазор между трубами 1 и проточками 15 в полость теплообменника, окруженную оболочкой 2. Эта часть хладагента поднимается вдоль наружных сторон труб 1 в оболочке 2 и выходит в виде пара высокого давления из выходного патрубка 17, приваренного к оболочке.

Хладагент, не прошедший через кольцевой зазор во внутреннюю полость теплообменника, выходит из каналов 7 охлаждения на противоположной стороне и попадает на выходную сторону камеры 10. Выходная сторона отделена от входной стороны двумя перегородками 18, расположенными в камере 10 вертикально к продольной оси каналов 7 охлаждения и проходящими по всему поперечному сечению камеры 10. Вследствие этого один конец каждого канала 7 охлаждения соединен со стороной входа, а другой - со стороной выхода. К стороне выхода камеры 10 подсоединен трубчатый изогнутый патрубок 19, входящий в полость теплообменника. Через изогнутый патрубок 19 в теплообменник поступает остаточное количество хладагента, который превращается в пар высокого давления. За счет перевода некоторого количества хладагента на стороне выхода каналов 7 охлаждения создается достаточно высокая скорость потока хладагента, при которой у основания каналов 7 охлаждения не осаждаются твердые частицы из него. Более того, частицы твердого вещества, содержащиеся в хладагенте, промываются через каналы 7 охлаждения.

Для того, чтобы все каналы 7 охлаждения равномерно промывались, сопротивление потоку каналов, лежащих снаружи и имеющих меньшую длину, подгоняется к сопротивлению центральных более длинных каналов 7 охлаждения. Это можно сделать за счет того, что поперечное сечение каналов, лежащих снаружи, меньше или за счет того, что в эти каналы 7 встраиваются дроссели.

На фиг. 7 и 8 показана расположенная внутри входная камера 20 для хладагента, проходящая по половине периметра теплообменника. Стенка входной камеры 20 соединена с внутренней стенкой оболочки 2 и по краям с трубной доской 3. В этой форме выполнения каналы 7 охлаждения закрыты с обоих концов крышкой 21. На каждом конце канала 7 охлаждения предусмотрено отверстие 22, 23, проходящее в осевом направлении через более толстую часть 9 дна трубной доски 3. Одно из отверстий 22 проходит от входной камеры 20 и служит для подвода хладагента в каналы 7 охлаждения. Другое отверстие 23 входит в полость теплообменника и отводит оставшееся количество хладагента, которое не прошло через кольцевой зазор между трубами 1 и проточкой 15.

Как показано на фиг. 9, каналы 7 охлаждения могут быть прорезаны в виде краевых выемок на трубной доске 3. Выполненные таким образом каналы 7 могут иметь выпуклый или плоский свод. Эти краевые выемки покрыты полосами 24, сваренными с перемычками 14, остающимися между каналами 7 охлаждения. В полосы 24 ввариваются трубы 1. Эта форма выполнения требует по сравнению с вариантами выполнения, показанными на фиг. 1-8, большего количества сварных швов, которые создают дополнительное напряжение и могут ослабить конструкцию, которая однако является более простой в изготовлении.

Использование: в теплотехнике в качестве котла-утилизатора технологического газа для быстрого охлаждения реакционных газов из крекинг-печи или химических реакторов при одновременном производстве пара высокого давления и среды, отводящей тепло. Сущность изобретения: равномерное распределение хладагента и улучшение охлаждения трубной доски 3 при температуре газа, превышающей 1000С. Последняя, имеющая каналы 7 охлаждения, размещена со стороны входа газа, а трубы 1 в ней пропущены через каналы 7 охлаждения, торцовые стенки которых со стороны входа газа выполнены постоянной толщины. При этом каналы 7 могут иметь туннельный профиль, а камера 10 для хладагента может быть выполнена кольцевой, размещена вокруг трубной доски 3 и сообщена с входными и выходными концами каналов 7. В другом варианте исполнения входная камера для хладагента размещена на половине периметра трубной доски 3 и выполнена заодно с соответствующими участками оболочки и трубной доски, а входной конец каждого канала 7 сообщен с камерой через осевое отверстие в трубной доске. 8 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. ТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий оболочку с жидким или газообразным хладагентом, омывающим пучок теплообменных труб с протекающим в них горячим газом, закрепленных с двух сторон в трубных досках, соединенных с оболочкой, причем одна из трубных досок выполнена с параллельными каналами охлаждения для протока хладагента, имеющими входные и выходные концы, расположенными в трубной доске со стороны, противоположной оболочке, и сообщенными с входной камерой для хладагента и с проточками в трубной доске, концентрично окружающими трубы и открытыми в сторону оболочки, отличающийся тем, что, с целью обеспечения равномерного распределения хладагента и улучшения охлаждения трубной доски при температуре газа, превышающей 1000^oС, трубная доска с каналами охлаждения размещена со стороны входа газа, а трубы в ней пропущены через каналы охлаждения, торцевые стенки которых со стороны входа газа выполнены с постоянной толщиной. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что каналы охлаждения выполнены с туннельным профилем, имеющим выпуклый свод, плоское основание, образующее упомянутые торцевые стенки, и перпендикулярные к последним плоские боковые стенки. 3. Теплообменник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что входная камера для хладагента выполнена кольцевой, размещена вокруг трубной доски с каналами охлаждения и сообщена с входными и выходными концами последних. 4. Теплообменник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что входная камера для хладагента размещена на половине периметра трубной доски с каналами охлаждения и выполнена заодно с соответствующими участками оболочки и трубной доски, а входной конец каждого канала охлаждения сообщен с входной камерой через осевое отверстие в трубной доске. 5. Теплообменник по п. 4, отличающийся тем, что выходные концы каналов охлаждения сообщены с полостью оболочки. 6. Теплообменник по п. 3, отличающийся тем, что кольцевая входная камера для хладагента снабжена двумя перегородками, перпендикулярными к продольной оси каналов и разделяющими ее на входной и выходной отсеки, и изогнутым патрубком, соединенным соответственно с выходным отсеком и с оболочкой. 7. Теплообменник по пп. 4 и 5, отличающийся тем, что выходной конец каждого канала охлаждения сообщен с полостью оболочки через осевое отверстие в трубной доске. 8. Теплообменник по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что каналы охлаждения, расположенные по периферии трубной доски, выполнены с меньшим свободным поперечным сечением, чем остальные. 9. Теплообменник по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что каналы охлаждения выполнены в виде краевых выемок в трубной доске, прикрытых плоскими полосами.