КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2006 года по МПК F28D7/16 

Изобретение относится к теплообменному оборудованию и может быть использовано на объектах нефтеперерабатывающей, химической, нефтяной, газовой, энергетической и других отраслях промышленности, где используются кожухотрубчатые теплообменники с высоким давлением и большим потоком межтрубной среды.

Наиболее близким прототипом кожухотрубчатого теплообменника является конструкция по патенту РФ № 2055958, в котором представлен теплообменник, содержащий кожух с пучком теплообменных труб и патрубками ввода и вывода межтрубной среды, коллекторную трубную решетку и продольные теплоизолированные перегородки, установленные по оси камеры и кожуха, причем продольная перегородка снабжена уплотнительными приспособлениями, расположенными между перегородкой и внутренней поверхностью кожуха. Уплотнительные приспособления выполнены в виде пакетов лент, симметрично закрепленных на боковых краях по длине продольной перегородки с обеих ее сторон, причем каждая из лент размещена с прилеганием к внутренней поверхности кожуха, а продольная перегородка изолирована на 2/3 длины, прилежащей к трубной решетке.

Рассмотренная конструкция оказалась довольно эффективной в промышленных условиях, но обнаружился недостаток конструкции в том, что в местах (в трехгранных, трехреберных внутренних углах между внутренней поверхностью кожуха, трубной решеткой и продольной перегородкой), где уплотнительные ленты торцами примыкают к трубной коллекторной решетке, не образуется надежного герметического уплотнения между продольными уплотнительными лентами и трубной решеткой.

В этих местах (углах) при больших расходах межтрубной среды существует и наибольший перепад давления, и наибольшая разница температуры потока межтрубной среды, и при ее протечке ухудшается эффективность работы теплообменника. Это же происходит и в случае недостаточной "подгонки", недостаточного примыкания торцов уплотнительных лент к поверхности трубной решетки при изготовлении кожухотрубчатого теплообменника. Рассматриваемая конструкция не обеспечивала равномерного движения межтрубной среды вдоль пучка теплообменных труб в кожухе теплообменника. С целью ликвидации рассмотренных недостатков конструкции кожухотрубчатого теплообменника по патенту РФ № 2059958 и повышения эффективности и надежности работы кожухотрубчатого теплообменника предлагается специальная конструкция уплотнения в трехгранных углах у трубной решетки, где продольные уплотнительные ленты подходят торцами к трубной решетке.

Поставленный технический результат достигается в теплообменнике, содержащем кожух с пучком теплообменных труб и патрубками ввода и вывода межтрубной среды, коллекторную камеру, соединенную с одним из торцов кожуха и снабженную патрубками ввода и вывода трубной среды, коллекторную трубную решетку и продольные теплоизолированные перегородки, установленные по оси коллекторной камеры и кожуха, продольная перегородка последнего снабжена уплотнительными приспособлениями в виде пакетов продольных лент, расположенных между перегородкой и внутренней поверхностью кожуха, симметрично продольной перегородке, причем согласно изобретению в местах, где уплотнительные продольные ленты примыкают поперечными торцами к трубной решетке, т.е. в трехгранных (трехреберных) углах, установлены симметрично продольной теплоизолированной перегородке уплотнительные приспособления в виде пакетов лент или пластин лепестковой или язычковой формы, плотно закрепленных на трубной решетке, причем каждая язычковая лента или пластина размещена с прилеганием к продольным лентам и имеет прогиб в сторону к продольным уплотнительным лентам.

Согласно второму пункту изобретения лепестковые и язычковые ленты или пластины имеют треугольную, прямоугольную, трапецеидальную, параболическую или другую геометрическую форму, подобную язычковой форме.

Согласно третьему пункту изобретения со стороны повышенного давления межтрубной среды каждая из уплотнительных лент размещена с прилеганием к внутренней поверхности кожуха, а со стороны меньшего давления межтрубной среды - в обратном порядке, при этом к внутренней поверхности кожуха примыкает только уплотнительная лента наибольшей ширины, аналогично размещены и уплотнительные ленты или пластины язычковой формы.

Согласно четвертому пункту изобретения у каждого патрубка межтрубной среды установлены решетки, прикрывающие горизонтально сечение кожуха до 2/3 от патрубка и вертикально до 1/3 ширины свободного межтрубного сечения симметрично от патрубков.

Согласно пятому пункту изобретения на удаленном от трубной решетки конце продольной пластины установлена симметрично сплошная перегородка, перекрывающая до 2/3 свободного общего межтрубного горизонтального сечения кожуха, опирающаяся на обручи и на вертикальные стержни, перекрывающие симметрично сечение на 1/3 диаметра.

Поставленный технический результат также достигается выполнением пакета лепестковых лент язычковой формы, разной длины, жестко и герметично прикрепленных к трубной решетке, при этом каждая язычковая лента установлена с прилеганием к продольным уплотненным лентам и с образованием продольного прогиба язычковой ленты в сторону уплотнительных лент.

Эта конструкция обеспечивает лабиринтное уплотнение трехгранного угла между внутренней поверхностью кожуха, уплотнительными продольными лентами и трубной решеткой. Нами предлагается и новая конструкция поперечных стержневых перегородок для равномерного движения межтрубной среды вдоль теплообменных труб трубного пучка.

Заявленное изобретение представлено следующими графическими материалами:

- на фиг.1 представлена конструкция кожухотрубчатого теплообменника с продольной теплоизолированной перегородкой и внутренним устройством трубчатого пучка теплообменных труб, а также укрепляющими и усредняющими скоростей межтрубной фазы поперечными решетками;

- на фиг.2 представлен поперечный вид разреза теплообменника по А-А;

- на фиг.3 представлен поперечный вид разреза поперечных решетчатых стержневых перегородок теплообменника по В-В, обеспечивающих равномерное и турбулентное движение межтрубной фазы вдоль трубного пучка, а также "жесткость" пучка теплообменных трубок;

- на фиг.4 представлен поперечный вид разреза поперечных решетчатых стержневых перегородок теплообменника по Г-Г, обеспечивающих равномерное и турбулентное движение межтрубной фазы вдоль трубного пучка, а также "жесткость" пучка теплообменных трубок;

- на фиг.5 представлен поперечный вид разреза поперечных решетчатых стержневых перегородок теплообменника по Б-Б, обеспечивающих равномерное и турбулентное движение межтрубной фазы вдоль трубного пучка, а также "жесткость" пучка теплообменных трубок;

- на фиг.6 представлена конструкция герметичного уплотнения трехгранного (трехреберного) угла между внутренней поверхностью кожуха, трубной решеткой и продольной перегородкой, "вырез Д-Д";

- на фиг.7 представлена конструкция язычкового пластинчатого упругого элемента - пластина 1;

- на фиг.8 представлена конструкция язычкового пластинчатого упругого элемента - пластина 2;

- на фиг.9 представлена конструкция язычкового пластинчатого упругого элемента - пластина 3;

- на фиг.10 представлена конструкция язычкового пластинчатого упругого элемента - пластина 4;

- на фиг.11 представлена конструкция язычкового пластинчатого упругого элемента - пластина 5;

- на фиг.12 представлена последовательность расположения стержней поперечных стержневых перегородок по отношению к теплообменной трубе;

- на фиг.13 представлена опорная поперечная перегородка, последняя на удаленном от трубной решетки конце продольной перегородки;

- на фиг.14-16 представлены поперечные разрезы устройств уплотнения между продольной перегородкой и внутренней поверхностью кожуха.

На фиг.1 теплообменник содержит штуцеры 1, 2 для ввода и вывода трубной и 3, 4 межтрубных сред, кожух 5, теплообменные трубки 6, трубную решетку 7, теплоизолированную продольную в кожухе разделительную перегородку 8 с теплоупругими уплотнительными лентами, стержневые турбулизаторы 9, распределительную камеру 10 с теплоизолированной перегородкой 11, с "плавающей головкой" 12 (поворотной камеры трубной среды).

В рассматриваемой конструкции теплообменника первая по ходу стержневая решетчатая перегородка 13 и последняя перегородка 14 с целью организации равномерного движения межтрубной среды выполнены таким образом, что горизонтальные стержни 15 перекрывают свободное сечение потока межтрубной среды до 2/3 сечения, примыкающего к штуцерам 3 и 4, а вертикальные стержни 16 перекрывают свободное сечение до 1/3 сечения потока межтрубной среды симметрично оси штуцеров 3 и 4. На дальнем конце продольной перегородки 8 от трубной решетки 7 установлена опорная поперечная перегородка 17 для опоры "плавающей головки". Поперечная опорная перегородка 17 выполняет двойную роль, во первых, является опорой для плавающей головки, а во вторых, усредняет скорости потока среды по поперечному сечению. В связи с этим часть этой перегородки выполнена стержневой, перекрывающей вертикальными стержнями до 1/3 свободного сечения, симметрично вертикальной осевой плоскости теплообменника, а часть выполнена сплошной перегородкой 19 с прорезями для прохода теплообменных труб, которые держат "на весу" плавающую головку. Сплошная часть поперечной перегородки перекрывает до 2/3 общего сечения кожуха, обеспечивая равномерное движение потока межтрубной среды. Сплошная часть поперечной перегородки 17 опирается на опорные обручи 18. Отдельно конструкция продольной перегородки 17 представлена на фиг.13. На фиг.3 - 4 - разрезы продольных перегородок по В-В и Г-Г показывают конструкции поперечных стержневых перегородок: поперечные горизонтальные стержни крепятся на полукольцах 18, а вертикальные стержни крепятся на полукольцах 18 и на продольной перегородке 8, при этом их чередование соответствует фиг.12. Такое расположение стержней, кроме общей турбулизации потока стержнями, обеспечивает вращательное движение межтрубной среды при движении вдоль теплообменных труб. Поперечное сечение стержней может быть различной формы: круглое, квадратное, овальное, прямоугольное, каплевидное и др. Турбулизирующие и укрепляющие стержни могут быть выполнены в виде лент, в этом случае увеличивается ширина укрепляющих полуколец и уменьшается количество таких поперечных перегородок. Стержни могут быть наклонены под углом при расположении теплообменных трубок по треугольнику. На фиг.6 изображен один из узлов уплотнения трехгранного (трехреберного) пространственного угла между внутренней поверхностью кожуха 5, трубной решеткой 7 и продольной перегородкой 8. Теплообменные трубки с целью лучшей наглядности на фиг.6 не показаны, указаны только отверстия для теплообменных трубок в трубной решетке 7. Язычковые пластинчатые упругие элементы, фиг.7-11 ( например, 5 пластин 20/ 1-5), жестко и герметично укрепляются на трубной решетке 7, при этом расположение язычковых уплотнительных пластин установлено таким образом, что все пластины примыкают к уплотнительным лентам 21 симметрично продольной перегородке 8, при этом ближе всего к продольной перегородке устанавливается меньших размеров уплотнительная упругая пластина 20/5, затем 20/4 и...наиболее крайней снаружи - наибольшей длины язычковая пластина 21/1.

Такое расположение язычковых упругих пластин обеспечивает лабиринтное уплотнение трехгранного угла. Число упругих пластин может быть различным в зависимости от задачи наиболее надежного гидравлического уплотнения. Расположение уплотнительных лепестковых язычковых пластин 20 может быть в промежутках между продольными уплотнительными лентами 21 или только с одной стороны, но при этом учитывать расположение продольных пластин по фиг.14-16. Уплотнительные фигуры 20 могут иметь форму разного вида: язычковую, треугольную, прямоугольную, овальную, эллиптическую или форму, полученную из математического выражения по данным конкретных размеров трехгранного или трехреберного угла между внутренней поверхностью кожуха 5, поверхностью трубной решетки 7 и поверхностью продольных уплотнительных лент 21 продольной перегородки 8. На фиг.14, 15 теплоизоляционный материал 22 установлен между двумя металлическими листами - перегородками 23. На фиг.16 продольная перегородка одинарная 24, а теплоизоляция 22 устанавливается с двух сторон металлической перегородки, закрывается двумя металлическими защитными листами 25.

На фиг.14-16 представлены варианты расположения уплотнительных лент 21 продольной перегородки 8 в зависимости от перепада давления на продольной перегородке 8. При том условии, когда неизвестно, какой перепад давления будет на продольной перегородке, расположение уплотнительных пластин соответствует симметричному расположению, как на фиг.14. В случае, когда известно, что перепад давления соответствует указанному стрелкой, т.е: давление над перегородкой больше, чем под перегородкой, расположение уплотненных лент соответствует фиг.15.

В случае, когда давление под пластиной больше, чем над пластиной, вариант расположения уплотнительных лент соответствует фиг.16.

Предлагаемая конструкция стержневого кожухотрубчатого теплообменника с продольной теплоизолированной перегородкой работает следующим образом. Теплообменивающие потоки противоточно поступают в теплообменник. Один из потоков (первый) через штуцер 1 распределительной головки 10 поступает в теплообменные трубки 6, проходит поворот в плавающей головке 12 и через штуцер 2 выходит из теплообменника. Другой поток входит в штуцер 3, проходит межтрубное пространство, огибая продольную перегородку 8, турбулизируется горизонтальными и вертикальными стержнями, при этом решетками 14, 13 и 17 обеспечивается относительно равномерное движение межтрубной среды по сечению теплообменника.

Сравнение предлагаемых решений в комплексе с другими техническими решениями показывает, что признаки, отличающие предлагаемое изобретение от прототипа и др., соответствуют критерию "существенные отличия" и "новизна".

Изобретение предназначено для применения в теплообменном оборудовании, а именно может быть использовано на объектах нефтеперерабатывающей, химической, нефтяной, газовой, энергетической и других отраслях промышленности. Теплообменник содержит кожух с пучком теплообменных труб и патрубками ввода и вывода межтрубной среды, коллекторную камеру, соединенную с одним из торцов кожуха и снабженную патрубками ввода и вывода трубной среды, коллекторную трубную решетку и продольные теплоизолированные перегородки, установленные по оси коллекторной камеры и кожуха, причем продольная перегородка последнего снабжена уплотнительными приспособлениями в виде пакетов продольных лент, расположенных между перегородкой и внутренней поверхностью кожуха, симметрично продольной перегородке, кроме того, в местах, где уплотнительные продольные ленты примыкают поперечными торцами к трубной решетке, т.е. в трехгранных (трехреберных) углах, установлены симметрично продольной теплоизолированной перегородке уплотнительные приспособления в виде пакетов лент или пластин лепестковой или язычковой формы, плотно закрепленных на трубной решетке, причем каждая язычковая лента или пластина размещена с прилеганием к продольным лентам и имеет прогиб в сторону к продольным уплотнительным лентам. Изобретение позволяет обеспечить лабиринтное уплотнение трехгранного угла между внутренней поверхностью кожуха, уплотнительными продольными лентами и трубной решеткой. 3 з.п.ф., 16 ил.

1. Теплообменник, содержащий кожух с пучком теплообменных труб и патрубками ввода и вывода межтрубной среды, коллекторную камеру, соединенную с одним из торцов кожуха и снабженную патрубками ввода и вывода трубной среды, коллекторную трубную решетку и продольные теплоизолированные перегородки, установленные по оси коллекторной камеры и кожуха, причем продольная перегородка последнего снабжена уплотнительными приспособлениями в виде пакетов продольных лент, расположенных между перегородкой и внутренней поверхностью кожуха, симметрично продольной перегородке, отличающийся тем, что в местах, где уплотнительные продольные ленты примыкают поперечными торцами к трубной решетке, т.е. в трехгранных (трехреберных) углах, установлены симметрично продольной теплоизолированной перегородке уплотнительные приспособления в виде пакетов лент или пластин лепестковой или язычковой формы, плотно закрепленных на трубной решетке, причем каждая язычковая лента или пластина размещена с прилеганием к продольным лентам и имеет прогиб в сторону к продольным уплотнительным лентам.2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что лепестковые и язычковые ленты или пластины имеют треугольную, прямоугольную, трапецеидальную, параболическую или другую геометрическую форму, подобную язычковой форме.3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что со стороны повышенного давления межтрубной среды каждая из уплотнительных лент размещена с прилеганием к внутренней поверхности кожуха, а со стороны меньшего давления межтрубной среды - в обратном порядке, при этом к внутренней поверхности кожуха примыкает только уплотнительная лента наибольшей ширины, аналогично размещены и уплотнительные ленты или пластины язычковой формы.4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что у каждого патрубка межтрубной среды установлены решетки, прикрывающие горизонтально сечение кожуха до 2/3 от патрубка и вертикально до 1/3 ширины свободного межтрубного сечения симметрично от патрубков.5. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что на удаленном от трубной решетки конце продольной пластины установлена симметрично сплошная перегородка, перекрывающая до 2/3 свободного общего межтрубного горизонтального сечения кожуха, опирающаяся на обручи и на вертикальные стержни, перекрывающие симметрично сечение на 1/3 диаметра.