РАДИАЛЬНО-ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННО-КОНТАКТНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2017 года по МПК F28D7/04 F28D9/00 

Изобретение относится к конструкции аппаратов, предназначенных для осуществления теплообмена между потоками флюидов, массообмена флюида с флюидом или твердым веществом, проведения химических процессов в условиях контроля температуры, и может быть использовано в различных отраслях промышленности.

Известны пластинчатые теплообменники, обладающие малой массой и габаритами и представляющие собой набор плоских гофрированных пластин, объединенных в пакет с помощью пайки, сварки или уплотнительных прокладок [Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник, кн. 4. М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 168].

Недостатками указанных теплообменников являются: большое гидравлическое сопротивление, невысокие предельные значения рабочих температуры и давления, склонность к накоплению отложений в застойных зонах и ненадежность в эксплуатации. Кроме того, конструкция пластинчатых теплообменников не позволяет использовать их для осуществления массообменных и химических процессов.

Известен пластинчатый теплообменник для изотермических химических реакторов [RU 2527901, опубл. 10.09.2014 г., МПК F28D 9/00], включающий несколько теплообменных пластин (элементов), каждая из которых включает первый и второй листы металла, образующие соответственно первую и вторую боковые поверхности, подающую линию теплоносителя и коллектор теплоносителя, и несколько внутренних проходов для теплоносителя между первым и вторым листами металла, причем первый и второй листы соединены по меньшей мере одним сварными швом, выполненным на первой боковой поверхности, а подающая линия теплоносителя и коллектор теплоносителя образованы подающим и коллекторным каналами и присоединены ко второму листу металла другими сварными швами, выполненными на второй поверхности пластины.

Недостатками известного теплообменника являются сложность конструкции, большое количество сварных соединений, сложность его изготовления, включающая изготовление отдельных элементов и их последовательное соединение с коллекторами теплоносителя с помощью линий теплоносителя, а также изменяющееся в радиальном направлении расстояние между теплообменными элементами, что приводит к падению скорости потока флюида в направлении от центра к периферии аппарата и снижению эффективности тепломассообменных или химических процессов, осуществляемых в пространстве между теплообменными элементами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является аппарат для проведения теплообменных и диффузионных процессов [RU 2075020, опубл. 10.07.1997 г., МПК F28D 7/04, F28D 9/00], содержащий цилиндрический корпус с патрубками для ввода/вывода теплоносителя (первый флюид) и реагента (второй флюид), обменивающихся теплом, и по меньшей мере один блок теплообменных элементов, вертикально установленных внутри корпуса последовательно один за другим с образованием кольцевого ряда вокруг продольной оси корпуса (коаксиально установленный кольцевой теплообменный блок). Теплообменные элементы выполнены полыми с двумя изогнутыми противоположными боковыми стенками (пластинами), кривизна которых уменьшается в направлении от продольной оси корпуса к его стенке, а также вертикальными и горизонтальными торцевыми стенками, образующими внутренние полости теплообменных элементов, сумма которых составляет внутреннюю полость теплообменного блока.

Внутренние полости теплообменных элементов, служащие для перемещения теплоносителя, соединены с патрубками ввода и вывода теплоносителя через камеры ввода и вывода, которые выполнены в виде распределительного и выпускного коллекторов, размещенных внутри корпуса, каждый из которых образован двумя коаксиально установленными вдоль продольной оси корпуса обечайками, кольцеобразное пространство между которыми образовано в осевом направлении верхней и нижней крышками и сообщено с внутренними полостями теплообменных элементов посредством щелевидных прорезей, выполненных на одних из горизонтально расположенных торцевых стенках теплообменных элементов в непосредственной близости от его вертикальных стенок, и примыкающей к ним одной из крышек соответствующего коллектора.

Теплообменные элементы размещены на равных друг от друга расстояниях и образуют между собой наружные спиралеобразные каналы (полости), сообщенные через центральный и периферийный кольцеобразные коллекторы и камеры ввода и вывода с патрубками ввода и вывода реагента. При этом центральный коллектор образован вертикальными торцевыми стенками теплообменных элементов, близко расположенных от продольной оси корпуса, а периферийный коллектор образован удаленными от продольной оси корпуса вертикальными торцевыми стенками теплообменных элементов и внутренней поверхностью стенки корпуса. Наружные спиралеобразные полости имеют в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, постоянную ширину, а их сумма составляет наружную полость теплообменного блока (смежную с внутренней полостью).

Аппарат может быть снабжен несколькими блоками теплообменных элементов с распределительными и выпускными коллекторами, вертикально установленными внутри корпуса, а также может быть дополнительно оборудован направляющими элементами, горизонтально установленными во внутренних и наружных каналах теплообменных элементов. Для проведения диффузионных процессов аппарат дополнительно снабжают устройством для распределения реагента по наружным стенкам теплообменных элементов.

К недостаткам данного аппарата относятся:

- сложность конструкции теплообменного блока, образованного кольцевым рядом полых теплообменных элементов с большим количеством сварных соединений, и связанная с этим сложность его изготовления, включающая изготовление отдельных элементов и их последовательное соединение с распределительным и выпускным коллекторами через совмещаемые прорези,

- невозможность превышения давления во внутренней полости теплообменного блока над давлением в его наружной полости, поскольку при этом происходит деформация изогнутых теплообменных элементов с уменьшением их кривизны (разворачивание) и разрушение вертикальных соединений боковых стенок теплообменных элементов из-за некомпенсируемых распирающих усилий.

Задачами настоящего изобретения являются: упрощение конструкции аппарата и возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости.

Техническим результатом является:

- упрощение конструкции аппарата за счет выполнения теплообменного блока из четного количества изогнутых пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлении,

- возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости за счет его оснащения перфорированными цилиндрическими обечайками.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном аппарате, включающем цилиндрический корпус с патрубками ввода/вывода флюидов и коаксиально установленный кольцевой теплообменный блок, содержащий изогнутые пластины с кривизной, уменьшающейся от оси к стенке аппарата, которые образуют между собой смежные полости теплообменного блока, сообщенные с патрубками ввода и вывода флюидов, особенностью является то, что теплообменный блок выполнен из четного количества изогнутых пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлении, наружные стороны которых имеют участки, экранированные прилегающей соседней пластиной, и неэкранированные участки, при этом пары четных и нечетных пластин расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, а теплообменный блок оснащен наружной и/или внутренней перфорированными цилиндрическими обечайками, на которых расположены упоры, прилегающие к неэкранированным участкам наружной стороны пластин, кроме того, теплообменный блок оборудован двумя наружными кольцами, соединенными с периферийными торцевыми поверхностями пластин и корпусом, и двумя внутренними крышками, соединенными с приосевыми торцевыми поверхностями пластин, которые отделяют смежные полости теплообменного блока друг от друга.

Для обеспечения возможности обслуживания и ремонта аппарата соединения теплообменного блока с корпусом целесообразно выполнить разъемными или разрезными.

Дополнительно к профилирующим выступам пластины могут быть оснащены направляющими элементами, обеспечивающими не только дистанцирование пластин на заданное расстояние, но и организацию движения флюидов в смежных полостях теплообменного блока, максимально приближенную к противоточной, а также турбулизацию потоков флюидов и повышение эффективности теплопередачи за счет этого.

Для снижения механических напряжений в аппарате, увеличения предельной рабочей температуры и повышения надежности аппарата целесообразно по меньшей мере одно соединение теплообменного блока с корпусом оснастить компенсатором температурного расширения.

Для осуществления массообмена газ-жидкость (например, абсорбции, дефлегмации или фракционирования) аппарат дополнительно оснащают устройствами для ввода и распределения жидкости (например, абсорбента или рефлюкса) по наружным поверхностям пластин в одной из смежных полостей теплообменного блока и/или устройствами для сбора и вывода жидких продуктов массообмена (например, флегмы или абсорбата).

Для осуществления массообмена флюид-твердое вещество (адсорбции) или проведения химических реакций в присутствии твердого катализатора аппарат может быть дополнительно оснащен устройствами для загрузки твердым материалом, проницаемым для флюида (например, адсорбентом или катализатором), по меньшей мере одной из смежных полостей теплообменного блока, а также его выгрузки.

Выполнение теплообменного блока из четного количества изогнутых пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлении, позволяет упростить конструкцию аппарата, автоматизировать изготовление теплообменного блока, снизить количество внутренних элементов, уменьшить количество их соединений, повысить надежность аппарата.

Расположение на одинаковом расстоянии друг от друга пар четных и нечетных пластин обеспечивает равенство скоростей движения флюидов в каждой из смежных полостей теплообменного блока, равномерность обтекания поверхностей потоками флюидов и увеличивает эффективность тепло- и массообменных процессов.

Оснащение теплообменного блока перфорированными цилиндрическими обечайками, на которых расположены упоры, прилегающие к неэкранированным участкам наружной стороны пластин, позволяет предотвратить разворачивание теплообменных пластин и компенсировать распирающие усилия, действующие на соединения пластин, за счет чего обеспечить возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости, а также увеличить надежность аппарата.

На фиг. 1-3 приведены примеры использования аппарата в качестве теплообменника, дефлегматора, адсорбера и каталитического реактора. Показаны развертки сечения указанных аппаратов поверхностью, проходящей через ось и серединные линии смежных полостей теплообменного блока, а также условно пересекающей патрубки ввода/вывода флюидов. Условно показано вертикальное расположение оси теплообменника, ввод/вывод одного из флюидов через верхний и нижний патрубки, соответственно, и ввод/вывод другого флюида через нижний и боковой патрубки, соответственно. Также условно показаны аппараты с одним теплообменным блоком.

Теплообменник (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с патрубками 2 и 3 ввода/вывода флюида 4 и патрубками 5 и 6 ввода/вывода флюида 7. В аппарате установлен коаксиальный кольцевой теплообменный блок 8 (выделен темным цветом), состоящий из соединенных друг с другом пластин 9, наружных колец 10 и внутренних крышек 11 и 12. Крышка 12 сообщена трубопроводом 13 с патрубком 5 ввода флюида 7. Теплообменный блок 8 оснащен перфорированной цилиндрической обечайкой 14 (условно показана одна наружная обечайка), на которой расположены упоры, прилегающие к неэкранированной наружной стороне пластин (на схеме не показано). Соединения 15 наружных колец 10 с корпусом 1 и соединение трубопровода 13 с патрубком 5 (выделены окружностями) могут быть выполнены разъемными или разрезными, что обеспечивает разборность аппарата.

При работе аппарата (условно показан перекрестный ток флюидов) горячий (условно) флюид 4 через патрубок 2 направляют в одну из смежных полостей теплообменного блока 8, из которой охлажденный флюид 4 выводят через патрубок 3. Холодный (условно) флюид 7 через патрубок 5, трубопровод 13 и крышку 12 подают в другую смежную полость теплообменного блока 8, из которой нагретый флюид 7 выводят через патрубок 6. За счет расположения профилирующих выступов и направляющих элементов может быть организовано как преимущественно прямоточное, так и преимущественно противоточное движение флюидов, как в радиальном, так и в аксиальном направлении.

Для использования в качестве массообменного, например, дефлегматора (фиг. 2) аппарат дополнительно оснащен патрубком вывода флегмы 16, а теплообменный блок 8 выполняет функцию тепломассообменного устройства. При работе аппарата в патрубок 6 подают хладагент 7, а в патрубок 17 - газ 18, содержащий легкие и тяжелые компоненты, который охлаждается, проходя по одной из смежных полостей (сплошные стрелки), на холодных поверхностях пластин 9 конденсируются тяжелые компоненты и в виде пленки флегмы стекают в низ аппарата. При противоточном движении газа и флегмы между ними происходит массообмен и обогащение газа легкими компонентами, а флегмы - тяжелыми компонентами газа. Из патрубка 2 выводят газ дефлегмации 19, содержащий, преимущественно, легкие компоненты, из патрубка 3 выводят нагретый хладагент 7, а из патрубка 16 - флегму 20. Возможны другие варианты размещения патрубков на корпусе аппарата и движения флюидов в аппарате (на схеме не показаны).

Аппарат может применяться в качестве адсорбера для осуществления массообмена флюид-твердое вещество (фиг. 3), при этом в одной из полостей размещен адсорбент. Например, при адсорбционной осушке газа через патрубок 15 вводят влажный газ 21, осушают его, пропуская через слой адсорбента в одной из смежных полостей (сплошные стрелки) и выводят через патрубок 2. Для обеспечения изотермического режима тепло адсорбции снимают, пропуская через другую смежную полость хладагент 7, вводимый через патрубок 6 и выводимый через патрубок 3. Возможны другие варианты размещения патрубков на корпусе аппарата и движения флюидов в теплообменном блоке (на схеме не показаны).

Аппарат может применяться в качестве реактора для осуществления химических превращений флюида в присутствии твердого катализатора (фиг. 3), при этом катализатор размещен в одной из полостей. Например, при паровой конверсии газа через патрубок 16 вводят смесь водяного пара и углеводородного газа 21, пропускают через слой катализатора в одной из смежных полостей (сплошные стрелки) и выводят через патрубок 2. Для обеспечения изотермического режима в реакционной зоне тепло, поглощаемое в ходе химической реакции, подводят, пропуская через другую смежную полость теплоноситель 7, например дымовой газ, вводимый через патрубок 6 и выводимый через патрубок 3. Возможны другие варианты размещения патрубков на корпусе аппарата и движения флюидов в теплообменном блоке (на схеме не показаны).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию аппарата, обеспечить возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к конструкции аппаратов, предназначенных для осуществления теплообмена между потоками флюидов, массообмена флюида с флюидом или твердым веществом, проведения химических процессов в условиях контроля температуры и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Аппарат может быть использован в качестве теплообменника, массообменного аппарата, адсорбера и каталитического реактора. Аппарат состоит из корпуса с патрубками ввода/вывода флюидов, в котором установлен аксиально симметричный кольцевой теплообменный блок, состоящий из четного количества изогнутых радиально ориентированных пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлении, двух наружных колец и двух внутренних крышек. Одна из крышек сообщена с патрубком ввода/вывода флюида. Теплообменный блок оснащен по меньшей мере одной перфорированной цилиндрической обечайкой, на которой расположены упоры, прилегающие к неэкранированным участкам наружной стороны пластин. Технический результат - упрощение конструкции аппарата и возможность превышения давления в любой из полостей теплообменного блока над давлением в смежной полости. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиально-пластинчатый теплообменно-контактный аппарат, включающий цилиндрический корпус с патрубками ввода/вывода флюидов и коаксиально установленный кольцевой теплообменный блок, содержащий изогнутые пластины с кривизной, уменьшающейся от оси к стенке аппарата, которые образуют между собой смежные полости теплообменного блока, сообщенные с патрубками ввода и вывода флюидов, отличающийся тем, что теплообменный блок выполнен из четного количества изогнутых пластин с профилирующими выступами, попеременно соединенных в аксиальном и радиальном направлениях, наружные стороны которых имеют участи, экранированные прилегающей соседней пластиной, и неэкранированные участки, при этом пары четных и нечетных пластин расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, а теплообменный блок оснащен наружной и/или внутренней перфорированными цилиндрическими обечайками, на которых расположены упоры, прилегающие к неэкранированным участкам наружной стороны пластин, кроме того, теплообменный блок оборудован двумя наружными кольцами, соединенными с периферийными торцевыми поверхностями пластин и корпусом, и двумя внутренними крышками, соединенными с приосевыми торцевыми поверхностями пластин, которые отделяют смежные полости теплообменного блока друг от друга.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно оснащен устройствами для ввода и распределения жидкости по наружным поверхностям пластин в одной из смежных полостей теплообменного блока и устройствами для сбора и вывода жидких продуктов массообмена.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно оснащен устройствами для загрузки по меньшей мере одной из смежных полостей теплообменного блока твердым материалом, проницаемым для флюида, и его выгрузки.

4. Аппарат по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что соединения теплообменного блока с корпусом выполнены разъемными или разрезными.

5. Аппарат по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что пластины дополнительно оснащены направляющими элементами.

6. Аппарат по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что по меньшей мере одно соединение теплообменного блока с корпусом оснащено компенсатором температурного расширения.