ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 1997 года по МПК F28D7/16 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, применяемым в химической и других отраслях промышленности, в частности для проведения массобменных, например адсорбционных процессов, сопровождающихся теплообменом.

Известны кожухотрубные теплообменники, содержащие трубный пучок, трубные решетки, крышки, кожух и патрубки для ввода и вывода сред [1]
Наиболее близким к предложенному по технической сущности является известный вертикальный кожухотрубный теплообменник, содержащий трубный пучок, верхнюю и нижнюю трубные решетки, крышки, кожух с компенсатором, патрубки для ввода и вывода среды в трубное пространство, а также расположенный в нижней части кожуха патрубок для ввода холодной воды в межтрубное пространство и патрубок вывода холодной воды, расположенный в верхней части кожуха [2]
При использовании такого теплообменника для осуществления процесса, характеризующегося циклическим изменением температуры и давления, например попеременной адсорбции газа на неподвижном сорбенте при охлаждении и его последующей десорбции при нагревании, оказывается невозможным обеспечить безаварийную работу теплообменника. Это обусловлено возникновением термоциклических напряжений в зонах соединений кожуха с трубными решетками и в зоне компенсатора, имеющего относительно невысокую циклическую прочность.

Высокие термоциклические напряжения изгиба в зонах соединения кожуха с трубными решетками возникают потому, что более толстые трубные решетки прогреваются и охлаждаются значительно медленнее, чем кожух, и диаметральное удлинение их различно.

Для обеспечения более длительного срока службы теплообменика в условиях циклического изменения температурного режима предложен вертикальный кожухотрубный теплообменник, содержащий трубный пучок, верхнюю и нижнюю трубные решетки, крышки, кожух с компенсатором, патрубки для ввода и вывода среды в трубное пространство, а также расположенный в нижней части кожуха патрубок для ввода холодной воды в межтрубное пространство и патрубок вывода холодной воды, расположенный в верхней части кожуха, отличающийся тем, что в верхней части кожуха выше патрубка для вывода холодной воды установлен патрубок для ввода горячей воды в межтрубное пространство, а в нижней части кожуха выше патрубка для ввода холодной воды установлен патрубок для вывода горячей воды.

Технический результат, возникающий при использовании предложенной конструкции, состоит в уменьшении термоциклических напряжений в зонах соединения кожуха с трубными решетками. Этот эффект достигается благодаря предложенному расположению патрубков, которое обеспечивает постоянное сохранение слоя относительно горячей воды в зоне верхней трубной решетки и слоя относительно холодной воды в зоне нижней трубной решетки.

Для упрощения ремонта теплообменника в случае выхода из строя компенсатора кожух теплообменника может быть выполнен составным, по крайней мере из двух царг с фланцем, один из которых соединен с трубной решеткой, а с другой с фланцем смежной царги, причем компенсатор расположен на одной из царг и примыкает с одной стороны к фланцу, соединенному с трубной решеткой. В случае, когда компенсатор примыкает к фланцу, соединенному с верхней трубной решеткой, он расположен между патрубком для ввода горячей воды и патрубком для вывода холодной воды; если компенсатор примыкает к фланцу, соединенному с нижней трубной решеткой, он расположен между патрубком для ввода холодной воды и патрубком для вывода горячей воды.

Предложенное расположение компенсатора обеспечивает в рамках предложенной конструкции максимальную локализацию термоциклических напряжений. В случае выхода компенсатора из строя предложенный вариант конструкции обеспечивает легкость демонтажа царги с вышедшим из строя компенсатором и ее ремонт с наименьшими затратами.

На фиг. 1 изображен предложенный теплообменник с компенсатором в средней части кожуха, на фиг. 2 и 3 с компенсатором на отдельной царге соответственно в верхней и нижней части кожуха.

Теплообменник, изображенный на фиг. 1, содержит трубный пучок 1, верхнюю и нижнюю трубные решетки 2 и 3, верхнюю и нижнюю крышки 4 и 5, кожух 6 с компенсатором 7, патрубки 8 и 9 для ввода среды в трубы и ее вывода, патрубки 10 и 11 для ввода и вывода горячей воды, патрубки 12 и 13 для ввода и вывода холодной воды, перегородку 14 в межтрубном пространстве. В верхней части кожуха расположены патрубок 10 и патрубок 13 (ниже патрубка 10), в нижней части патрубок 12 и патрубок 11 (выше патрубка 12).

При осуществлении в теплообменнике цикла адсорбции на твердом сорбенте, помещенном в трубках, и последующей десорбции, он работает следующим образом. Через патрубок 8 в теплообменник поступает исходная газовая смесь, часть компонентов которой сорбируется, а не поглощенная часть выходит из аппарата через патрубок 9. Через патрубок 12 в межтрубное пространство поступает охлаждающая вода, которая выходит через патрубок 13. По достижении определенной степени насыщения сорбента подачу в теплообменник исходной газовой смеси и охлаждающей воды прекращают и начинают подавать в межтрубное пространство через патрубок 10 горячую воду, которая выходит через патрубок 11. Газы, десорбирующиеся благодаря нагреванию, выводят через патрубок 9. Благодаря тому, что плотность холодной воды выше плотности горячей воды, в межтрубном пространстве ниже патрубка 11 достаточно долгое время сохраняется слой холодной воды, и температура нижней трубной решетки 3 существенно не изменяется. Перемешиванию холодной и горячей воды дополнительно препятствует перегородка 14.

По окончании цикла десорбции прекращают подачу в межтрубное пространство горячей воды и возобновляют подачу исходной газовой смеси и охлаждающей воды. Благодаря указанной выше разности плотностей холодной и горячей воды в межтрубном пространстве выше патрубка 13 достаточно долгое время сохраняется слой горячей воды, и температура верхней трубной решетки 2 существенно не меняется.

Перегородка 14 также препятствует перемешиванию холодной и горячей воды.

Уменьшение диапазона колебаний температур в зоне трубных решеток приводит к снижению термоциклических напряжений и, соответственно повышению долговечности конструкции.

Теплообменник, изображенный на фиг. 2, отличается от теплообменника, изображенного на фиг. 1, тем, что кожух выполнен составным из двух царг - основной царги 6 и дополнительной верхней царги 15 с компенсатором 7 и фланцами 16 и 17. Верхний фланец 16 соединен с верхней трубной решеткой 2, к которой приварена верхняя крышка 4; нижний фланец 7 соединен с фланцем 18 основной царги 6. Патрубок для ввода горячей воды 10 расположен на царге 15 выше компенсатора 7, патрубок для вывода холодной воды на основной царге 6, ниже ее фланцевого соединения с царгой 15.

Данный теплообменник работает так же, как теплообменник, изображенный на фиг. 1. В случае выхода из строя компенсатора 7 достаточно разъединить фланцевые соединения царги 15 с верхней трубной решеткой 2 и основной царгой 6, снять и отремонтировать или заменить царгу 15.

Теплообменник, изображенный на фиг. 3, отличается от теплообменника, изображенного на фиг. 2, тем, что дополнительная царга 15 с компенсатором 7 расположена ниже основной царги 6, соединена с нижней трубной решеткой 3 и содержит патрубок для ввода холодной воды, расположенный ниже компенсатора 7. Теплообменник работает так же, как описанные выше, и для его ремонта предпринимают действия, аналогичные действиям при ремонте теплообменника, изображенного на фиг. 2.

Использование: в химической и других отраслях промышленности для проведения массообменных, например адсорбционных процессов. Сущность изобретения: теплообменник, предназначенный для циклической работы, содержит трубный пучок 1, трубные решетки 2 и 3, крышки 4 и 5, кожух 6 с компенсатором 7 и патрубки для ввода и вывода сред. В верхней части кожуха 6 расположены патрубок ввода горячей воды 10 и, ниже его, патрубок вывода холодной воды 13, в нижней части - патрубок ввода холодной воды 12 и выше него, патрубок вывода горячей воды 11. Расположение патрубков обеспечивает минимальный диапазон колебания температур трубных решеток и, соответственно, минимальное термоциклические напряжения. Для упрощения ремонта кожух может содержать дополнительную царгу 15 с компенсатором и фланцем 6, соединяемым с верхней и нижней трубной решеткой. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Вертикальный кожухотрубный теплообменник, содержащий трубный пучок, верхнюю и нижнюю трубные решетки, крышки, кожух с компенсатором, патрубки для ввода и вывода среды в трубное пространство, а также расположенный в нижней части кожуха патрубок для ввода холодной воды в межтрубное пространство и патрубок вывода холодной воды, расположенной в верхней части кожуха, отличающийся тем, что в верхней части кожуха выше патрубка для вывода холодной воды установлен патрубок для ввода горячей воды в межтрубное пространство, а в нижней части кожуха выше патрубка для ввода холодной воды установлен патрубок для вывода горячей воды. 2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что кожух выполнен составным по крайней мере из двух царг с фланцами, один из которых соединен с трубной решеткой, а другой с фланцем смежной царги, причем компенсатор расположен на одной из царг и примыкает с одной стороны к фланцу, соединенному с трубной решеткой. 3. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что компенсатор примыкает к фланцу, соединенному с верхней трубной решеткой, и расположен между патрубком для ввода горячей воды и патрубком для вывода холодной воды. 4. Теплообменник по п.2, отличающийся тем, что компенсатор примыкает к фланцу, соединенному с нижней трубной решеткой, и расположен между патрубком для ввода холодной воды и патрубком для вывода горячей воды.