Многосекционный кожухотрубчатый теплообменник Российский патент 2003 года по МПК F28D7/00 

Изобретение относится к теплообменной технике и может быть использовано в химической, нефтехимической и пищевой промышленности.

Известен многосекционный теплообменник (заявка Франции №2272350, М. Кл² F 28 D 7/00), состоящий из ряда секций с пучками труб одного диаметра. Секции расположены одна за другой на заданном расстоянии.

Недостатком является незначительное перемешивание жидкости в промежуточной камере.

Известен секционный теплообменник (А.с. СССР №591679, М. Кл.³ F 28 D 7/00), содержащий секции и промежуточную камеру, в которой размещён направляющий элемент в виде лопасти, развернутой на 180° относительно оси камеры. В этом теплообменнике нагреваемая жидкость в промежуточной камере разворачивается на лопасти без перемешивания, а поле температур не выравнивается.

Недостаток - снижение эффективности теплоотдачи в последующих секциях теплообменника.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является кожухотрубчатый теплообменник (А.С. СССР №1092353, М. Кл.³ F 28 D 7/00), содержащий пучок из труб различного диаметра, разделенный на группы, в каждой из которых трубы имеют равный диаметр и расположены по концентрическим окружностям с уменьшением диаметра труб в направлении от центральных окружностей к внешним в два раза.

Недостатком устройства является трудоемкость его изготовления, требующая больших затрат времени на подбор стандартных теплообменных трубок и их размещение по концентрическим окружностям для соблюдения указанного соотношения диаметров труб в направлении от центральных окружностей к внешним. Вследствие разного диаметра труб в секции аппарата через них протекает разное количество нагреваемой жидкости, что приводит к существенной разнице в величине тепловой нагрузки на каждый ряд труб, а следовательно, и к различной температуре стенок трубок с этих рядах. Это обстоятельство является причиной различных линейных удлинений в рядах труб, что может привести к нарушению герметичности в местах крепления труб в трубной решетке или их деформации. Так как скорости течения жидкости в каждом ряде труб разные по величине, а их значения неизвестны, то отсутствует возможность расчета интенсивности теплообмена в каждом ряду труб и в аппарате в целом.

Технической задачей является интенсификация процесса теплообмена.

Техническая задача достигается тем, что в многосекционном кожухотрубчатом теплообменнике, содержащем трубные секции с промежуточными камерами между ними, новым является то, что в промежуточных камерах установлены перемешивающие устройства, лопасти которых закреплены на ступице и выполнены в форме загнутых под углом 90-135° трапеций, сужающихся от центра к периферии и имеющих отверстия, диаметры которых уменьшаются также от центра к периферии, причём квадрат отношения диаметра ступицы к диаметру перемешивающего устройства равен отношению меньшего основания трапеции к большему основанию, а длина труб в каждой секции определятся по формуле:

где L - длина трубы,

d - диаметр трубы,

Рr - число Прандтля,

Re - число Рейнольдса,

λ - гидравлический коэффициент трения,

при этом трубы имеют одинаковый диаметр.

На фиг. 1 представлен общий вид многосекционного кожухотрубчатого теплообменника; на фиг. 2 - развертка лопасти перемешивающего устройства; на фиг. 3 - угол загибания лопасти; на фиг. 4 - перемешивающее устройство в изометрии.

Технический результат заключается в том, что предложенный многосекционный кожухотрубчатый теплообменник позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи на 25% за счёт неоднократного использования эффекта начального участка в трубных секциях с определённой длиной труб путём установления в промежуточных камерах перемешивающих устройств, лопасти которых выполнены в форме загнутых под углом 90-135° трапеций, сужающихся от центра к периферии при квадрате отношения диаметра ступицы к диаметру всей лопасти, равном отношению основания трапеции при её вершине к основанию трапеции при ступице, с отверстиями, диаметр которых уменьшается от центра к периферии, а также позволяет повысить эффективность теплообмена за счет выбора длины труб в каждой секции в зависимости от параметров процесса и выравнивания температур на выходе из труб.

Многосекционный кожухотрубчатый теплообменник состоит из соединённых соосно секций 1, разделённых промежуточными камерами 2. Число секций в теплообменнике определяется необходимой площадью теплопередающей поверхности. Каждая из секций содержит корпус 3 с пучками труб 4, закреплённых в трубных решетках 5 и штуцеры 6 и 7 для входа и выхода греющего агента. Трубный пучок образован трубами 4, диаметр которых одинаков, а длина труб в каждой секции при заданной интенсивности теплообмена и с учетом изменения параметров процесса определяется по формуле (I). Промежуточная камера 2 представляет собой полую царгу, в которой установлены перемешивающие устройства 8, находящиеся на валу 9, лопасти которых закреплены на ступице и выполнены в форме загнутых под углом 90-135° трапеций, сужающихся от центра к периферии и имеющих отверстия, диаметры которых уменьшаются также от центра к периферии, причём квадрат отношения диаметра ступицы к диаметру перемешивающего устройства равен отношению меньшего основания трапеции к большему основанию. Промежуточная камера служит для соединения кожухотрубчатых секций в аппарате и осуществления смешения нагреваемой жидкости до средней температуры. Теплообменник снабжен крышками 10 с входным и выходным штуцерами 11 и 12 нагреваемой жидкости.

Предложенный аппарат работает следующим образом. Нагреваемая жидкость через штуцер 11 поступает во входную камеру. Греющий агент поступает в межтрубное пространство секций через штуцер 6, а выходит через штуцер 7. Так как длина трубок в секции незначительна, то мала и толщина термического пограничного слоя, а следовательно, коэффициент теплоотдачи в них велик. Для выравнивания поля температур перед входом в трубки следующей секции с целью повторного использования влияния входного участка в промежуточных камерах применяются перемешивающие устойства 8, выполненные в форме загнутых под углом 90-135° усечённых трапеций, сужающихся от центра к периферии при квадрате отношения диаметра ступицы к диаметру всей лопасти, равном отношению основания трапеции при её вершине к основанию трапеции при ступице, с отверстиями, диаметр которых уменьшается от центра к периферии, которые обеспечивают среднемассовую температуру перемешиваемой нагреваемой жидкости. Описанный процесс неоднократно повторяется в последующих секциях и камерах теплообменника. За счёт того, что длина труб в секциях не одинакова и определяется с учетом изменения параметров процесса по длине теплообменника, заданная эффективность теплообмена остаётся постоянной в каждой секции и по всему теплообменнику вцелом. Нагретая до заданной температуры жидкость из выходной камеры через штуцер 12 выводится из теплообменника. В качестве греющего агента целесообразно использование пара.

Использование предлагаемого теплообменника позволяет за счет выбора длины труб в каждой секции в зависимости от параметров процесса, а также за счёт выравнивания температур на выходе из труб увеличить интенсивность теплообмена на 25%. Некоторое увеличение гидравлического сопротивления предлагаемого теплообменника по сравнению с существующим приводит к дополнительному переходу части механической энергии в тепловую, используемую в конечном счете по основному назначению аппарата - на нагревание жидкости.

Изобретение предназначено для применения в теплообменной технике, а именно в химической, нефтехимической и пищевой промышленностях. Изобретение включает трубные секции с промежуточными камерами между ними, причем в промежуточных камерах установлены перемешивающие устройства, лопасти которых закреплены на ступице и выполнены в форме загнутых под углом 90-135° трапеций, сужающихся от центра к периферии и имеющих отверстия, диаметры которых уменьшаются также от центра к периферии, причём квадрат отношения диаметра ступицы к диаметру перемешивающего устройства равен отношению меньшего основания трапеции к большему основанию, а длина труб в каждой секции определятся по формуле:

где L - длина трубы, d - диаметр трубы, Pr - число Прандтля, Re - число Рейнольдса, λ - коэффициент гидравлического трения, при этом трубы имеют одинаковый диаметр. Изобретение позволяет увеличить интенсивность процесса теплообмена. 4 ил.

Многосекционный кожухотрубчатый теплообменник, содержащий трубные секции с промежуточными камерами между ними, отличающийся тем, что в промежуточных камерах установлены перемешивающие устройства, лопасти которых закреплены на ступице и выполнены в форме загнутых под углом 90-135° трапеций, сужающихся от центра к периферии и имеющих отверстия, диаметры которых уменьшаются также от центра к периферии, причём квадрат отношения диаметра ступицы к диаметру перемешивающего устройства равен отношению меньшего основания трапеции к большему основанию, а длина труб в каждой секции определятся по формуле

где L - длина трубы;

d - диаметр трубы;

Рr - число Прандтля;

Re - число Рейнольдса,

λ - коэффициент гидравлического трения,

при этом трубы имеют одинаковый диаметр.