КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2001 года по МПК F28D3/00 F28D7/00 

Изобретение относится к теплотехнике, конкретно к теплообменникам для нагрева текучих сред энергией пара.

Известен кожухотрубчатый теплообменник, содержащий коллекторы входа-выхода среды трубного пространства, коллекторы вход-выхода среды межтрубного пространства, теплообменный пучок в виде трубок Фильда и установленную в зазоре тонкостенную обечайку (см. а.с. СССР N 885784, кл. F 28 D 7/17, публ. 1981 г.).

Недостатком теплообменников данного типа является их сравнительно низкий КПД.

Известен также теплообменный элемент, содержащий две соосно установленные трубы, наружная из которых заглушена с торца, а внутренняя выполнена проницаемой для теплоносителя по всей длине (см. а.с. СССР N 1657922, кл. F 28 D 7/12, публ. 1991 г.). Элементы данной конструкции неприменимы в теплообменниках, где недопустим прямой контакт между паром и нагреваемой водой.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемому устройству является кожухотрубный теплообменник по а. с. СССР N 1538006, кл. F 28 D 7/16, 1990 - прототип.

Указанный теплообменник содержит кожух со штуцерами для впуска-выпуска первой теплообменной среды.

Внутри кожуха размещен пучок труб, закрепленный в трубных досках, имеющих сообщение с коллекторами для впуска-выпуска другой теплообменной среды.

К недостаткам прототипа следует отнести сравнительно невысокую эффективность теплообменника данной конструкции. Проблема в том, что при использовании кожухотрубного теплообменника указанной конструкции в теплоэнергетике, когда первой средой является пар, значительное количество пролетного пара покидает кожух, не успев сконденсироваться на трубах с другой теплообменной средой.

Исследования показывают, что теплообмен затрудняет пленка конденсата, которая образуется на поверхности труб. Эта пленка играет роль теплоизолирующего слоя и снижает интенсивность теплообмена между первой теплообменной средой и металлом труб с другой теплообменной средой.

Техническая задача состоит в повышении эффективности кожухотрубного теплообменника.

Технический результат достигается тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем кожух, патрубок для впуска первой теплообменной среды, патрубок для выпуска отработанной первой теплообменной среды, пучок труб, закрепленный в трубных досках, имеющих сообщение с коллекторами для впуска-выпуска другой теплообменной среды, причем согласно изобретению первая теплообменная среда является преимущественно паром, а другая теплообменная среда является, преимущественно, жидкостью. Кроме того теплообменник содержит патрубок для впуск первой теплообменной среды, установленный соосно внутри патрубка для выпуска отработанной теплообменной среды, который размещен в нижней части кожуха и соединен с конденсатным баком.

Теплообменник отличается также тем, что при вертикальном расположении пучка труб патрубок для впуска первой теплообменной среды снабжен коническим наконечником, который размещен в межтрубном пространстве кожуха. Теплообменник отличается также тем, что на патрубке для впуска первой теплообменной среды установлен струйный насос с сепаратором пара.

Теплообменник отличается также тем, что при горизонтальном расположении пучка труб кожух разделен внутренними перегородками на секции, каждая секция оборудована патрубком для впуска первой теплообменной среды, который установлен соосно внутри патрубка для выпуска отработанной теплообменной среды.

Технический результат состоит в том, что поток пара, вводимый через патрубок, установленный по оси кожуха, разбивается на множество турбулентных вихрей, которые обдувают трубы с ДТС, не позволяя каплям конденсата слиться в пленку. При этом свежий пар сам конденсируется на сухих трубах, превращаясь в капли, которые в свою очередь сбиваются новой порцией пара и т.д. При этом значительно повышается интенсивность теплообмена и уменьшается доля пролетного пара.

Изобретение поясняется чертежами, на которых показаны 3 варианта конкретного исполнения для различных условий эксплуатации. На фиг. 1 показан базовый вариант вертикального теплообменника, фиг.2 - вертикальный вариант со струйным насосом и сепаратором пара, фиг.3 - горизонтальный вариант длинномерного теплообменника.

Базовый вариант теплообменника содержит кожух 1, внутри которого размещены трубы 2, закрепленные в трубных досках 3,4. Доска 3 сообщена с коллектором 5, имеющим патрубок 6 для ввода холодной воды, и с коллектором 7, имеющим патрубок 8 для вывода нагретой воды. Между коллекторами 5,7 установлена водонепроницаемая перегородка 9.

Доска 4 сообщена с переходной камерой 10. На доске 4 закреплен патрубок 11 со штуцером 12 для вывода отработанной теплообменной среды, конкретно - конденсата. Внутри патрубка 11 соосно закреплен патрубок 13 для ввода пара в кожух. Патрубок 13 имеет конусный наконечник 13a, который расположен в межтрубном пространстве кожуха.

Во втором варианте теплообменника (см.фиг. 2) на конусном наконечнике 13a закреплен струйный насос 14 с сепаратором пара 15, который установлен на всасывающей части воронки.

В горизонтальном варианте (см. фиг. 3) теплообменник содержит длинномерный кожух 16 с пучком труб 17, закрепленным в передней 18 и задней 19 трубных досках. Доска 18 сообщена с коллектором 20 для ввода холодной воды и коллектором 21 для вывода горячей воды. Между коллекторами установлена водонепроницаемая перегородка 22. Трубная доска 19 сообщена с переходной камерой 23. Внутри кожуха 16 установлены перегородки 24 (условно показана одна перегородка), разбивающие его объем на секции. В каждой секции внизу приварен патрубок 25 для вывода конденсата из секции. Патрубки 25 присоединены к сливной магистрали 26, сообщенной с конденсатным баком (условно не показан). Внутри патрубков 25 соосно проходят патрубки 27 для ввода пара в секцию кожуха. Патрубки 27 соединены с источником пара при помощи паровой магистрали 28.

Теплообменник, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.

Предназначенная для нагрева холодная вода под давлением поступает через патрубок 6 в коллектор 5, проходит по трубам 2 вниз в переходную камеру 10, откуда вытесняется в правую ветвь пучка труб 2. Здесь вода поднимается и через коллектор 7 и патрубок 8 поступает в распределительную магистраль потребителя.

Пар под давлением подают через патрубок 13 в межтрубное пространство кожуха 1. Поток пара, вылетающий из конусного наконечника 13a, достигает трубной доски 3 и, сделав поворот на 180^o, начинает двигаться в сторону входа. Встречные потоки пара разбиваются на турбулентные вихри, обозначенные на фиг. 1, 2 стрелками. Эти паровые вихри конденсируются на трубах 2, передавая им скрытую теплоту парообразования. При этом вихри разгоняют капли конденсата, успевшие образоваться на трубах, не позволяя им слиться в сплошную пленку. Капли стекают по трубам вниз на трубную доску 4 и через патрубок 11 и штуцер 12 сливаются в конденсатный бак.

Какая-то часть нисходящего потока пара может при определенных условиях попасть в виде пролетного пара в патрубок 11. Здесь пролетный пар в виде пароконденсатной смеси окончательно конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования патрубку для вывода ОТС, что снижает эффективность теплообменника. С целью возврата доли пролетного пара в межтрубное пространство можно использовать насадку в виде струйного насоса 14 с сепаратором пара 15, которая закрепляется непосредственно на наконечнике 13a (см. фиг. 2).

Струйный насос 14 работает таким образом.

Пароконденсатная смесь всасывается в струйный насос и попадает в сепаратор пара 15, который пропускает сухой пар, но задерживает капли конденсата, которые постепенно стекают в патрубок 11. Сухой пар инжектируется в межтрубное пространство с целью конденсации на трубах с другой теплообменной средой.

Для более мощного теплообмена применяют длинномерные теплообменники с пучком длинных труб, которые целесообразно устанавливать горизонтально (см. фиг. 3). В горизонтальном варианте циклическое перемещение паровых вихрей, поступающих из патрубков 27 в секции кожуха 16, создается за счет перегородок 24 и цилиндрических стенок кожуха. При необходимости возможно использование струйных насосов 14 аналогично варианту 2. Конденсат, образовавшийся в каждой секции, стекает в патрубки 25 и сливается через магистраль 26 в конденсатный бак.

Согласно описанной выше схеме на предприятии ООО "Велон" (г. Екатеринбург) изготовлен базовый вариант теплообменника и проведены его испытания, которые показали хорошие результаты. В ходе многочасовой работы теплообменника горячая вода на выходе имела установленную температуру. При этом в сливной патрубок поступал только чистый конденсат без пролетного пара.

В настоящее время на предприятии проектируется горизонтальный теплообменник большой производительности.

Учитывая изложенное выше, можно сделать вывод, что данное устройство, представленное в трех вариантах, которые реализуют единый изобретательский замысел, отвечает критериям новизны, неочевидности и промышленной применимости, в связи с чем предлагается к правовой защите патентом на изобретение.

Устройство предназначено для применения в теплообменниках для нагрева текучих сред за счет энергии пара. Теплообменник содержит пучок труб для жидкости, закрепленных внутри кожуха при помощи трубных досок, патрубок для ввода рабочего пара и патрубок для вывода отработанного пара, причем патрубок для ввода пара установлен соосно внутри патрубка для вывода отработанного пара, соединенного с конденсатным баком. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы кожухотрубного теплообменника. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кожухотрубный теплообменник, содержащий кожух, патрубок для впуска первой теплообменной среды, патрубок для выпуска отработанной первой теплообменной среды, пучок труб, закрепленный в трубных досках, имеющих сообщение с коллекторами для впуска-выпуска другой теплообменной среды, отличающийся тем, что первая теплообменная среда является, преимущественно, паром, а другая теплообменная среда является, преимущественно, жидкостью, патрубок для впуска первой теплообменной среды установлен соосно внутри патрубка для выпуска отработанной теплообменной среды, который размещен в нижней части кожуха и соединен с конденсатным баком. 2. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что при вертикальном расположении пучка труб, патрубок для впуска первой теплообменной среды снабжен коническим наконечником, который размещен в межтрубном пространстве кожуха. 3. Кожухотрубный теплообменник по п.2, отличающийся тем, что на патрубке для впуска первой теплообменной среды установлен струйный насос с сепаратором пара. 4. Кожухотрубный теплообменник по п.1, отличающийся тем, что при горизонтальном расположении пучка труб кожух разделен внутренними перегородками на секции, при этом каждая секция оборудована патрубком для впуска первой теплообменной среды, установленным соосно внутри патрубка для выпуска отработанной теплообменной среды.