ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1994 года по МПК F28D7/00 F28F9/02 

Изобретение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано в химической, нефтеперерабатываю- щей, энергетической и холодильной отраслях промышленности.

Известны кожухотрубные теплообменники с U-образным трубным пучком, который закреплен в отверстиях трубной решетки, а входной и выходной коллекторы трубного пространства объединены в одной камере и отделены один от другого перегородкой [1] .

Недостатком конструкции теплообменника является нерациональное использование площади поперечного сечения трубной решетки, связанное с размещением трубного пучка, ввиду того, что радиус гиба U-образной трубы, как правило, составляет не менее R = 3d_тр (где d_тр - диаметр теплообменной трубы).

В случае уменьшения радиуса гиба R ≅ 2,5 d_тр на практике наблюдается существенное утонение стенки трубы, снижающее надежность конструкции.

Известна также конструкция теплообменника, содержащая размещенный в кожухе трубный пучок с центральным и периферийным участками теплообменных труб, закрепленными одним концом в плоской решетке плавающей головки, а другим концом в неподвижной трубной решетке, и расположенные соосно один в другом собирающий внутренний и раздающий наружный коллекторы. Собирающий коллектор в поперечном сечении выполнен в виде четырехугольника, стороны которого параллельны рядам отверстий решетки [2] .

По технической сущности и достигаемому результату указанный теплообменник наиболее близок к заявляемому техническому решению, вследствие чего он принят за прототип.

Прототип имеет следующие недостатки.

Конструктивное оформление трубного пучка с плавающей головкой не обеспечивает компенсации разности линейных удлинений центрального и периферийного участков труб, что приводит к возникновению в них осевых нагрузок, которые могут явиться причиной нарушения их целостности.

В процессе монтажа внутреннего коллектора в сборе с камерой, выполненной в виде съемной крышки, трудно обеспечить одновременное прилегание уплотнительных поверхностей крышки и торцевой поверхности собирающего коллектора с привалочными поверхностями трубной решетки.

Отмеченные недостатки снижают надежность теплообменника.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности теплообменника.

Поставленная цель достигается обеспечением самокомпенсации взаимных удлинений центрального и периферийного участков пучка теплообменных труб путем выполнения трубной решетки плавающей головки из смещенных относительно друг друга центральной и периферийной ее частей, соединенных между собой цилиндрической обечайкой, и выполнением элементов плавающей головки из материала с коэффициентом линейного расширения, меньшим такового у материала теплообменных труб.

Кроме того, предлагаемая конструкция теплообменника предусматривает выполнение внутреннего коллектора подвижным, что обеспечит надежный контакт данного коллектора с неподвижной трубной решеткой и ограничит переток рабочей среды из коллектора в коллектор.

На фиг. 1 показан вариант теплообменника с направлением движения рабочей среды от центрального участка пучка труб к периферийному участку; на фиг. 2 - то же, с направлением движения рабочей среды от периферийного участка пучка труб к центральному участку.

Теплообменник содержит кожух 1, трубный пучок 2 с центральным и периферийным участками теплообменных труб, закрепленными одним концом в разнесенной трубной решетке плавающей головки 3, другим в неподвижной трубной решетке 4.

Трубная решетка плавающей головки 3 состоит из центральной части 5 и периферийной части 6, которые смещены по оси трубного пучка относительно друг друга и соединены герметично между собой при помощи цилиндрической обечайки 7. В том случае, когда в теплообменнике температура среды в периферийном участке трубного пучка выше, чем в центральном, центральная часть 5 трубной решетки плавающей головки 3 смещена относительно ее периферийной части 6 в сторону, противоположную неподвижной трубной решетки (фиг. 1).

В том случае, когда температура рабочей среды в центральном участке теплообменных труб выше, чем в периферийном, центральная часть 5 трубной решетки плавающей головки 3 смещена относительно ее периферийной части 6 в сторону неподвижной трубной решетки 4 (фиг. 2).

К неподвижной трубной решетке 4 присоединена съемная крышка 8, образующая полость наружного коллектора для периферийного участка трубного пучка. Внутри наружного коллектора соосно с ним расположен внутренний коллектор для центрального участка трубного пучка, выполненный в виде цилиндрической камеры 9, примыкающей к неподвижной трубной решетке 4. Внутренний и наружный коллекторы снабжены соответственно патрубками 10, 11 ввода и вывода трубной среды, при этом патрубок 10 размещен по оси трубного пучка и соединен с камерой 9 внутреннего коллектора с помощью резьбы. Кожух снабжен патрубками 12, 13 для входа и выхода межтрубной среды.

Герметизация основного разъема в теплообменнике (кожух - неподвижная трубная решетка - съемная крышка) осуществляется с помощью уплотнительных элементов 14.

Все элементы плавающей головки выполнены из материала с коэффициентом линейного расширения α_г меньшим этого коэффициента α_тр у материала теплообменных труб, а именно α_тр = 1,1 - 1,25 α_г.

Теплообменник работает следующим образом.

В теплообменнике, изображенном на фиг. 1, нагреваемая рабочая среда трубного пространства, поступая через патрубок 10 во внутренний коллектор, проходит последовательно через центральный участок трубного пучка 2, плавающую головку 3, периферийный участок трубного пучка 2, наружный коллектор и выходит из теплообменника через патрубок 11 в технологическую линию, при этом в результате теплообмена с нагревающей средой межтрубного пространства температура Т_пер рабочей среды в периферийном участке трубного пучка выше, чем температура Т_ц в центральном участке, что приводит к различным температурным удлинениям периферийного и центрального участков трубного пучка. Разность линейных температурных удлинений между названными участками трубного пучка компенсируется смещением по оси пучка относительно друг друга центральной 5 и периферийной 6 частей трубной решетки плавающей головки 3, соединенных цилиндрической обечайкой 7, при этом центральная часть 5 трубной решетки плавающей головки 3 смещена относительно ее периферийной части 6 в сторону, противоположную неподвижной трубной решетки 4.

В теплообменнике, изображенном на фиг. 2, нагреваемая рабочая среда проходит по трубному пучку в направлении от периферии к центру, в этом случае в центральном участке трубного пучка температура среды выше, чем температура в периферийном участке теплообменных труб; возникающая в этом случае разность линейных температурных удлинений между данными участками трубного пучка компенсируется смещением центральной части трубной решетки плавающей головки относительно ее периферийной части в сторону неподвижной трубной решетки.

Теплообменники, представленные на фиг. 1 и 2, могут быть использованы также для охлаждения рабочей среды в трубном пространстве. Конструкция плавающей головки трубного пучка определяется условием:
Т_пер > Т_ц (конструкция на фиг. 1);
Т_ц > Т_пер (конструкция на фиг. 2).

Предлагаемая конструкция теплообменника позволяет повысить надежность аппарата, облегчает его сборку.

Использование: в химической, нефтеперерабатывающей, энергетической и холодильной отраслях промышленности. Сущность изобретения: для повышения надежности в теплообменнике трубные решетки выполнены с плавающей головкой 3 с центральной частью 5, смещенной по оси пучка относительно периферийной части 6. При этом обе части решетки соединены между собой при помощи цилиндрической обечайки 7. В зависимости от температур среды в центральном и периферийном пучках труб центральная часть 5 решетки плавающей головки смещена либо в сторону неподвижной трубной решетки 4, либо в противоположную сторону. Все элементы плавающей головки 3 выполнены из материала с коэффициентом линейного расширения, меньшим такового у материала труб, а внутренний коллектор в виде цилиндрической камеры 9 размещен в наружном коллекторе, образованном крышкой 8, с возможностью осевого перемещения. При работе теплообменника разность линейных температурных удлинений центральных и периферийных труб компенсируется смещением частей 5 и 6 трубной решетки относительно друг друга. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ТЕПЛООБМЕННИК, содержащий кожух с центральным и периферийным пучками теплообменных труб, закрепленными одним концом соответственно в центральной и периферийной частях трубной решетки плавающей головки, а другим концом - в неподвижной трубной решетке, примыкающей к соосным внутреннему и наружному коллекторам с патрубками ввода и вывода трубной среды, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, трубная решетка плавающей головки выполнена с центральной частью, смещенной по оси пучка относительно ее периферийной части, при этом обе части трубной решетки герметично соединены между собой при помощи цилиндрической обечайки, все элементы плавающей головки выполнены из материала с коэффициентом линейного расширения, меньшим такового, и материала теплообменных труб, патрубок внутреннего коллектора размещен по оси пучка, а сам внутренний коллектор установлен в наружном с возможностью осевого перемещения. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при температуре среды в периферийном пучке труб, большей таковой в центральном, центральная часть трубной решетки плавающей головки смещена относительно ее периферийной части в сторону, противоположную неподвижной трубной решетке. 3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при температуре среды в центральном пучке труб, большей таковой в периферийном, центральная часть трубной решетки плавающей головки смещена относительно ее периферийной части в сторону неподвижной трубной решетки.