КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ПАКЕТ ТРУБ ДЛЯ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА, КОМПОНЕНТ ПАКЕТА ТРУБ, ПРИМЕНЕНИЕ КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2019 года по МПК F28D7/16 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кожухотрубному теплообменнику, к пакету труб для кожухотрубного теплообменника, компоненту пакета для кожухотрубного теплообменника (варианты).

Уровень техники

Кожухотрубные теплоносители именуются также кожухотрубными теплообменниками и являются наиболее часто используемыми в промышленности теплообменниками. У кожухотрубных теплообменников поверхность теплообмена отделяет горячее пространство для текучей среды от холодного. Текучая среда проходит через трубы (со стороны труб), в то время как другая текучая среда обтекает трубы (со стороны кожуха). Пакеты труб располагаются в кожухе и при этом таким образом удерживаются в трубной решётке, что она образует барьер для предотвращения смешивания обеих, имеющих различную температуру, текучих сред. Для достижения более высокой скорости в кожухе или для увеличения частоты контактов среды в пространстве кожуха с поверхностью теплообменника используются отражательные элементы. Текучая среда в пространстве кожуха имеет более длинный участок для прохождения между входным и выходным штуцерами.

Такой теплообменник в соответствии с уровнем техники представлен на фиг.1. На изображении сверху представлен в продольном разрезе работающий на перекрёстном токе кожухотрубный теплообменник. На изображении снизу представлено открытое перспективное изображение пространства кожуха с пакетом труб и отражательными сегментами.

Со стороны кожуха разделение труб оказывает большое воздействие на скорость текучей среды и, тем самым, на теплопередачу, а также на потери давления. Традиционные теплообменники, работающие на перекрёстном токе, имеют со стороны кожуха неравномерные линии потока и, вследствие этого, повышенную механическую нагрузку. Кроме того, потери давления у таких теплообменников очень высоки.

Следующим этапом развития кожухотрубных теплообменников был так называемый аппарат с радиальным прохождением. Такой теплообменник представлен на фиг.2 в продольном разрезе. На изображении сверху представлен в продольном разрезе работающий на перекрёстном токе кожухотрубный теплообменник. На изображении снизу представлено открытое перспективное изображение пространства кожуха с пакетом труб и отражательными элементами, причём соответствующие первичные пространства для подачи и отведения текучей среды со стороны трубы и со стороны кожуха не изображены.

При использовании кожухотрубного теплообменника с радиальным прохождением недостатки классического кожухотрубного теплообменника могут быть уменьшены. За счёт равномерного потока от центрального канала вовне в радиальном направлении или от пространства между кожухом теплообменника вокруг пакета труб к центральному каналу достигается как уменьшение механической нагрузки, так и уменьшение потери давления в пространстве кожуха теплообменника. Таким образом, добиваются не только свободы в выборе ориентации подводящего и отводящего штуцеров со стороны кожуха, но также и компактной конструкции пакета труб.

Радиальное расположение труб имеет недостаток в том, что количество рядов труб лимитировано. В качестве «рядов труб» здесь обозначаются трубы, которые расположены рядом друг с другом, в основном, по круговой траектории вокруг продольной оси пакета труб. Пакет труб имеет несколько таких рядов труб с различными радиусами. Зазоры между трубами в каждом ряду труб, а также зазоры между соседними рядами труб выбраны таким образом, что формируется максимально равномерное протекание текучей среды в пространстве кожуха через пакет труб в радиальном направлении, чтобы необходимая теплопередача могла быть произведена надёжным образом.

Проблемы у кожухотрубных теплообменников могут возникать, в частности, тогда, когда должны быть реализованы большие поверхности теплообмена. Как демонстрирует изображение на фиг.3А, при заданных габаритах кожухотрубного теплообменника при небольшом количестве рядов ряды труб настолько приближаются друг к другу, что эта конструкция становится нерабочей или практически невозможной. В представленном примере увеличение количества рядов труб с трёх до четырёх далее невозможно. Кроме того, следствием плохой проходимости таких узких мест между трубами является уменьшение эффективной поверхности теплообменника. В результате соприкосновения труб размещение необходимой поверхности для теплообмена ограничивается, что демонстрируют границы эскиза кожухотрубного теплообменника.

В качестве контрмеры выбирается бóльший диаметр центрального пространства пакета. На фиг.3В проиллюстрировано данное решение. За счёт выбора бóльших габаритов, по сравнению с представленным на фиг.3А трубным отражателем, теперь может быть размещено четыре ряда труб, следствием чего, разумеется, опять же является бóльший общий диаметр теплообменника.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения состоит в том, чтобы создать кожухотрубный теплообменник, в котором будут устранены недостатки известных кожухотрубных теплообменников. В частности, задачей изобретения является обеспечение возможности для увеличения поверхности теплообменника, без необходимости увеличения общего диаметра кожухотрубного теплообменника. Именно при неизменных габаритах кожухотрубного теплообменника должно быть обеспечено увеличение поверхности теплообменника.

Эти задачи простым способом решаются в кожухотрубном теплообменнике признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты усовершенствования являются предметом последующих зависимых пунктов формулы изобретения.

Изобретение предоставляет в распоряжение кожухотрубный теплообменник, в котором в пространстве кожуха расположен пакет труб из нескольких труб с, по меньшей мере, одной трубной решёткой, причём кожухотрубный теплообменник вовне ограничивается поверхностью кожуха и имеет проходящую по центру в пространстве кожуха продольную ось, вокруг которой образован свободный от труб внутренний канал и, причём с внутренней стороны, смежно поверхности кожуха образован свободный от труб внешний канал, причём пакет труб между внутренним каналом и внешним каналом включает в себя, по меньшей мере, два компонента пакета труб, которые отличаются по количеству труб на поверхности, и/или по внешнему диаметру труб, и/или по зазору между трубами.

Таким образом, изобретение реализует преимущество в том, что поверхность кожухотрубного теплообменника при неизменных габаритах кожуха может быть плавно подогнана под различные требования. Кожухотрубный теплообменник в соответствии с изобретением может обозначаться также как радиальный теплообменник с несколькими пакетами труб.

Использование такого радиального теплообменника с несколькими пакетами труб предоставляет возможность сначала выбрать самый небольшой диаметр пакета труб, а при необходимости или с целью оптимизации заменить его заново ориентированным пакетом труб. Это относится как к полностью снабжённому трубам по периферии каждого ряда труб пакету труб теплообменника, так и к так называемому полу-радиальному теплообменнику, на котором мы остановимся ниже более детально в связи с вариантом усовершенствования изобретения за счёт соединительной зоны.

Количество труб на поверхности компонента пакета труб перпендикулярно продольному расположению труб определяет плотность труб.

Зазор между трубами является минимальной дистанцией между внешней стенкой одной трубы и внешней стенкой следующей соседней трубы.

В процессе эксплуатации текучая среда в пространстве кожуха проходит через, по меньшей мере, два компонента пакета труб в форме круглого кольца как через радиально последовательные пакеты труб. Они расположены, в частности, концентрично продольной оси. Таким образом, изобретение создаёт кожухотрубный теплообменник с последовательно расположенными в пространстве кожуха в направлении перпендикулярно продольной оси компонентами пакета труб.

В предпочтительном варианте осуществления кожухотрубного теплообменника в соответствии с изобретением, по меньшей мере, два компонента пакета труб имеют перпендикулярно продольной оси, соответственно, в основном, поперечное сечение в форме круглого кольца. Таким образом, в конструктивном плане создаётся особенно простая возможность, так сказать, для штабелирования компонентов пакета труб в радиальном направлении в пакет труб. В частности, кожухотрубный теплообменник может включать в себя пакет труб, имеющий от двух до десяти компонентов пакета труб.

Чтобы, в зависимости от варианта применения, предоставить в распоряжение ориентированный на этот вариант применения пакет труб, изобретение предусматривает далее, что, по меньшей мере, два компонента пакета труб соединены друг с другом с возможностью разъёма. В частности, пакет труб имеет модульную конструкцию, включающую в себя, по меньшей мере, два компоненты пакета труб.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения от продольной оси радиально вовне к внутреннему каналу примыкает первый компонент пакета труб, а к нему второй компонент пакета труб, причём радиус обращённого к продольной оси внутреннего ограничения второго компонента пакета труб осуществлён в соответствии с радиусом внешнего ограничения первого компонента пакета труб.

Практически радиус обращённого к продольной оси внутреннего ограничения второго компонента пакета труб может быть осуществлён больше радиуса внешнего ограничения первого компонента пакета труб, по меньшей мере, настолько больше, что второй компонент пакета труб может быть смонтирован над первым компонентом пакета труб.

Таким образом, ко второму компоненту пакета труб могут присоединяться следующие компоненты пакета труб. При этом и внутри компонента пакета труб могут быть образованы зоны с различным количеством труб на поверхности, и/или с различными внешними диаметрами труб, и/или с различными зазорами между трубами, так что один компонент пакета труб может включать в себя несколько ступеней пакета труб.

Расположение труб в пакете труб или в компоненте пакета труб определяет так называемый трубный отражатель. Трубный отражатель может иметь, в принципе, форму с радиальным расположением или при помощи большого количества сегментов моделировать радиальную форму. Количество сегментов может быть любым. Сегменты на практике осуществлены в виде модулей пакета труб. Когда, по меньшей мере, один компонент пакета труб составлен из, по меньшей мере, двух, предпочтительно трёх, или четырёх, или пяти модулей пакета труб, то может быть осуществлена конструкция желаемого пакета труб, при реализации соединительной зоны в соответствии с изобретением, посредством предварительно изготовленных модулей по блочному принципу.

Модули пакета труб могут быть при этом однотипными. В частности, n-1 (к примеру, три) модуля пакета труб посредством, в основном, 1/n имеющего форму круга (к примеру, имеющего форму четверти круга) в поперечном сечении перпендикулярно продольной оси трубного отражателя могут быть соединены друг с другом, причём соединительная зона возникает за счёт недостающего до полного круга n-ого (к примеру, четвёртого) модуля. Соединение модулей пакета труб осуществляется в предпочтительном варианте простым способом посредством вставки в, по меньшей мере, одну трубную решётку. В следующем варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, один модуль пакета труб осуществлён не однотипным по сравнению с, по меньшей мере, одним другим модулем пакета труб.

В соответствии с предпочтительным вариантом усовершенствования изобретения кожухотрубный теплообменник имеет одну единственную камеру. В частности, кожухотрубный теплообменник с одной камерой осуществлён в виде модуля для состоящего из нескольких частей кожухотрубного теплообменника за счёт того, что выход из одной камеры осуществлён как присоединительный элемент к входу следующей камеры. Благодаря этому, обеспечивается возможность соединения нескольких кожухотрубных теплообменников в своего рода колонну или штабель, в котором в процессе эксплуатации текучая среда в пространстве кожуха после выхода из модуля теплообменника входит в следующий модуль.

Чтобы иметь возможность реализовать более длинные пути потока при максимально больших перепадах для теплопередачи, кожухотрубный теплообменник в варианте усовершенствования изобретения имеет две или более, предпочтительно до двадцати, камер на один единственный пакет труб, причём между соседними камерами расположен, по меньшей мере, один отражательный сегмент для текучей среды в пространстве кожуха.

В процессе эксплуатации кожухотрубного теплообменника текучая среда в пространстве кожуха входит в первую камеру, которая снаружи посредством поверхности кожуха ограничена от трубной решётки и отражательного сегмента. Отражательный сегмент состоит из диска с поверхностью перпендикулярной продольной оси, которая зеркально соответствует трубному отражателю, причём из этой поверхности вырезана одна внутренняя зона или одна внешняя зона. В частности, внутренняя зона по своему поперечному сечению соответствует практически такой же зоне внутреннего канала, а внешняя зона по своему поперечному сечению соответствует практически такой же зоне внешнего канала.

В соответствии с предпочтительным вариантом усовершенствования изобретения расположение труб в пакете труб определяет трубный отражатель, который имеет, по меньшей мере, одну соединительную зону, через которую в процессе эксплуатации кожухотрубного теплообменника текучая среда входит в пространство кожуха и/или выходит из пространства кожуха. При этом количество труб на поверхности поперечного сечения перпендикулярно продольной оси в соединительной зоне может быть меньше, чем снаружи соединительной зоны или, что соединительная зона полностью свободна от труб. При использовании теплообменника в соответствии с изобретением с соединительной зоной можно, в принципе, отказаться от кожуха в традиционном смысле, вслед за трубной решёткой в продольном направлении теплообменника. Таким образом, при помощи изобретения можно осуществить его более компактным и, тем самым, менее габаритным.

Выражаясь предметно, посредством кожухотрубного теплообменника с соединительной зоной реализуется «полурадиальное течение». Теплообменник в соответствии с изобретением обозначается, поэтому, также как «Semi RF Heat Exchanger». При этом выражение «semi» должно пониматься таким образом, что лишь одна часть – не обязательно половина – трубного отражателя укомплектована трубами.

Если, по меньшей мере, один компонент пакета труб составлен из модулей пакета труб и, по меньшей мере, один модуль пакета труб не однотипен с, по меньшей мере, одним другим модулем пакета труб, то может быть конструктивно простым способом реализована соединительная зона. Модуль пакета труб включает тогда в себя, к примеру, фрагмент из трубного отражателя с соединительной зоной и соседними трубами, в то время как остальные трубы следующего модуля или следующих модулей пакета труб формируются в общий трубный отражатель.

Сформированный посредством соединительной зоны впускной и/или выпускной зазор для текучей среды в пространстве кожуха может принимать любые геометрические формы. Для этого соединительная зона имеет в предпочтительно простом варианте осуществления первую и вторую проходные поверхности, а также два боковых ограничения, причём первая проходная поверхность является переходом между внешним каналом и соединительной зоной, вторая проходная поверхность является переходом между соединительной зоной и внутренним каналом, первое боковое ограничение проходит от расположенной в продольном направлении пространства кожуха кромки первой проходной поверхности к соответствующей расположенной в продольном направлении пространства кожуха кромке второй проходной поверхности, и второе боковое ограничение проходит от другой расположенной в продольном направлении пространства кожуха кромки первой проходной поверхности к соответствующей расположенной в продольном направлении пространства кожуха кромке второй проходной поверхности.

Оба боковых ограничения соединительной зоны располагаются, в основном, параллельно друг другу, когда соединительная зона должна реализовывать наикратчайший путь между внутренним и внешним каналами. В рамках изобретения боковые ограничения соединительной зоны в направлении перпендикулярно продольной оси или параллели продольной оси могут создавать также частично различные формы поперечного сечения соединительной зоны. Поперечное сечение соединительной зоны является поверхностью, через которую проходит текучая среда в пространстве кожуха, когда она проходит между внутренним и внешним каналами.

Изобретение создаёт большое количество возможностей за счёт геометрии соединительной зоны отрегулировать желаемый в процессе эксплуатации профиль потока текучей среды в пространстве кожуха, а, тем самым, также и кинетику теплопередачи. Боковые ограничения соединительной зоны могут располагаться, к примеру, по меньшей мере, частично, в основном, параллельно друг другу.

Оба боковых ограничения, если смотреть от продольной оси, могут образовывать между собой, по меньшей мере, на некоторых участках угол (α) в диапазоне от 180° до примерно 10°. Следующая возможность в рамках изобретения состоит в том, что оба боковых ограничения в направлении от внешнего канала к внутреннему каналу образуют между собой, по меньшей мере, на некоторых участках угол (α) в диапазоне от примерно 180° до примерно 10°.

Далее изобретение предоставляет возможность для того, чтобы первое или второе боковое ограничение или оба боковых ограничения соединительной зоны, по меньшей мере, на некоторых участках проходили в радиальном направлении, если смотреть от продольной оси. Дополнительная возможность состоит в том, что первое или второе боковое ограничение или оба боковых ограничения соединительной зоны в поперечном сечении, если смотреть перпендикулярно продольной оси, по меньшей мере, на некоторых участках проходят, в основном, тангенциально кромке внутреннего канала.

Следующий вариант осуществления изобретения предусматривает, что первое или второе боковое ограничение или оба боковых ограничения соединительной зоны в поперечном сечении, если смотреть перпендикулярно продольной оси, по меньшей мере, на некоторых участках проходят с изгибом, причём первое или второе боковое ограничение или оба боковых ограничения, по меньшей мере, на некоторых участках определяют, в частности, сегмент дуги окружности или участок спирали. Что касается ещё более детального описания соединительной зоны в различных возможных вариантах осуществления, то следует сослаться на поданную заявителем в настоящее время немецкую патентную заявку под названием «Кожухотрубный теплообменник», и там, в частности, на фигуры 12-30 и их описание, которая со ссылкой принимается в предложенную на рассмотрение заявку.

Изобретение касается также пакета труб для вышеописанного кожухотрубного теплообменника, а также компонента пакета труб для такого пакета труб. Такой пакет труб или каждый компонент пакета труб может быть изготовлен и может эксплуатироваться отдельно. Окончательный монтаж всего теплообменника в целом может быть осуществлён тогда, к примеру, лишь в месте использования посредством встраивания в кожух и установки подающих и отводящих элементов на присоединительные элементы для соединительной зоны.

Изобретение, к тому же, за счёт других параметров, создаёт возможность для того, чтобы целенаправленным образом оказывать воздействие на поток, в частности, текучей среды в пространстве кожуха и согласовывать его с соответствующими практическими требованиями. Так, с одной стороны, предусмотрено, что расположение труб в пакете труб определяет трубный отражатель, в котором трубы, по меньшей мере, местами расположены соосно друг другу и/или, по меньшей мере, местами со смещением относительно друг друга. Далее пакет труб может быть расположен также эксцентрично продольной оси в пространстве кожуха.

Кожухотрубный теплообменник в соответствии с изобретением может использоваться, в принципе, для жидких и газообразных сред, а также для текучих сред, которые содержат жидкие и газообразные компоненты, к примеру, аэрозоли или влажный пар. Посредством получаемой за счёт изобретения относительно большой поверхности теплообмена кожухотрубный теплообменник в особо предпочтительном варианте может быть использован в качестве теплообменника типа «газ-газ», то есть для теплопередачи между двумя, в основном, газообразными средами. К примеру, кожухотрубный теплообменник в соответствии с изобретением может применяться для регенерации тепла из горячих отработанных газов. Особая область применения выявляется на основании использования в рамках способов синтеза серной кислоты (H₂SO₄).

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется далее более детально со ссылкой на приложенные чертежи на основании примеров осуществления. Одинаковые и подобные конструктивные элементы снабжены при этом одинаковыми ссылочными позициями, причём признаки различных примеров осуществления могут быть скомбинированы друг с другом. На чертежах представлены:

фиг.1 схематичное изображение в продольном разрезе приводимого в действие посредством перекрёстного тока кожухотрубного теплообменника в соответствии с уровнем техники (вверху), а также схематичное открытое перспективное изображение соответствующего пространства кожуха с пакетом труб и отражательными сегментами (снизу),

фиг.2 схематичное изображение в продольном разрезе приводимого в действие посредством перекрёстного тока радиального кожухотрубного теплообменника в соответствии с уровнем техники (вверху), а также схематичное открытое перспективное изображение соответствующего пространства кожуха с пакетом труб и отражательными сегментами (снизу), причём соответствующее первичное пространство для подачи и отведения текучей среды со стороны труб и со стороны кожуха не изображены,

фиг.3 схематичное изображение поперечного сечения пакета труб в кожухе с соприкасающимися трубами (фиг.3А) и с увеличенными габаритами (фиг.3В) для размещения четырёх рядов труб вместо трёх,

фиг.4 схематичное изображение поперечного сечения пакета труб в кожухе в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения,

фиг.5 схематичное изображение соосного и со смещением расположения труб (фиг.5А), а также схематичное изображение поперечного сечения пакета труб (фиг.5В) в кожухе (слева) и без кожуха (справа) со смещённым расположением труб,

фиг.6 схематичное открытое перспективное изображение кожухотрубного теплообменника в соответствии с изобретением с двумя камерами с пакетом труб в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения,

фиг.7 схематичное изображение поперечного сечения пакета труб в кожухе в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения,

фиг.8 схематичное изображение поперечного сечения пакета труб в кожухе в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения,

фиг.9 схематичное открытое перспективное изображение кожухотрубного теплообменника в соответствии с изобретением с двумя камерами с пакетом труб в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения,

фиг.10 схематичное изображение поперечного сечения пакета труб в кожухе в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения,

фиг.11 схематичное изображение поперечного сечения пакета труб в кожухе в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения,

фиг.12 схематичное изображение поперечного сечения пакета труб в кожухе в соответствии со следующим вариантом осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На фигурах для лучшей наглядности частично направление потока текучей среды в пространстве кожуха и текучей среды в пространстве труб обозначено стрелками, как оно, в принципе, имеет место в процессе работы кожухотрубного теплообменника в соответствии с изобретением. Далее частично нанесены точечные линии, которые должны служить для лучшей наглядности разделения пакета труб на компоненты пакета труб (фиг.4 и 8) или пакета труб и соединительной зоны (фиг.10).

Впускной и выпускной штуцеры 13, 14 для текучей среды в пространстве кожуха могут принимать в рамках изобретения, в принципе, любые конструктивные формы, к примеру, с прямоугольным, овальным или круглым поперечным сечением. Диапазон рабочей температуры кожухотрубного теплообменника в соответствии с изобретением может составлять, в принципе, от -270°С до 2000°С, в частности, от -80°С до 2000°С, прежде всего, от -50°С до 1300°С. В предпочтительном варианте рабочий диапазон составляет от 0°С до 600°С.

Чтобы иметь возможность изменять поверхность кожухотрубного теплообменника, без изменения внешних габаритов пакета труб или теплообменника, изобретение создаёт пакет 2 труб с несколькими компонентами пакета труб, которые скомбинированы друг с другом, и трубы которого совместно определяют общую поверхность теплообменника.

На фиг.4 пакет труб 2 в соответствии с изобретением представлен в поперечном сечении. Он располагается вдоль продольной оси 33 и имеет внутренний канал 21. Между самым внешним рядом труб пакета 2 труб и внутренней стороной поверхности кожуха проходит внешний канал 23. В представленном примере осуществления изобретения пакет 2 труб включает в себя три компонента 50, 51, 52 пакета труб. Они позиционированы концентрично друг другу вокруг продольной оси 33.

Компоненты 50, 51, 52 пакета труб имеют, соответственно, поверхность поперечного сечения в форме круглого кольца. Перпендикулярно этой поверхности поперечного сечения во внешнем компоненте 50 пакета труб располагаются трубы 27 в шести концентричных рядах труб вокруг продольной оси 33.

Центральный компонент 51 пакета труб имеет габарит в радиальном направлении относительно продольной оси 33, который составляет примерно половину соответствующего габарита внешнего компонента 50 пакета труб. Трубы 22 центрального компонента 51 пакета труб имеют больший диаметр, чем трубы 27 внешнего компонента 50 пакета труб.

Трубы 27 располагаются в трёх концентричных относительно продольной оси 33 рядах труб.

Внутренний компонент 52 пакета труб включает в себя трубы 20, которые также располагаются в трёх концентричных относительно продольной оси 33 рядах труб. Трубы 20 имеют больший диаметр, чем трубы 22 центрального компонента 51 пакета труб. Его трубы 22 имеют диаметр, который также больше, чем диаметр труб 27 внешнего компонента 50 пакета труб. В зависимости от потребностей технологического процесса это соотношение диаметров может быть точно реализовано в обратной последовательности или в радиальном направлении может представлять собой комбинацию следующих друг за другом увеличивающихся и уменьшающихся диаметров компонентов пакета труб.

Трубы 20, 22, 27 расположены в компоненте 50, 51, 52 пакета труб по типу каменной кладки, то есть, так сказать, с зазорами относительно друг друга. Зазор между двумя соседними трубами 20, 22, 27 в компоненте 52, 51, 50 пакета труб равен минимальному зазору 1,05-кратного диаметра трубы от центра трубы до центра соседней трубы. Будучи обусловленным технологическим процессом или же конструктивным решением, он может быть увеличен.

Зазор между трубами 20 внутреннего компонента 52 пакета труб равен примерно 1,8-2,0 – кратному диаметру трубы. Зазор между трубами 22 центрального компонента 51 пакета труб равен примерно 1,1-1,3 – кратному диаметру трубы. Зазор между трубами 27 внешнего компонента 50 пакета труб равен примерно 1,8-2,0 – кратному диаметру трубы.

Выше был описан пакет труб, состоящий из компонентов пакета труб, причём трубы в каждом компоненте пакета труб расположены со смещением, при свободном от труб центре и свободном от труб внешнем кольце (кирпичная кладка). Следующей возможностью для расположения труб относительно друг друга в рамках изобретения является специальный вариант расположения со смещением, а именно, расположение – если смотреть от продольной оси – позиционированных друг за другом рядов труб таким образом, что трубы располагаются по изогнутой линии. Такое расположение достигается тогда, когда кирпичная кладка формируется посредством труб, центра которых позиционированы на концентричных окружностях вокруг продольной оси. На фиг.4 в виде пунктирных линий такие изогнутые линии 28 маркируются для внутреннего и внешнего компонента пакета труб.

Компонент пакета труб в соответствии с изобретением имеет в предпочтительном соответствующем варианте осуществления, по меньшей мере, один компонент пакета труб, в котором трубы своими центрами располагаются на, по меньшей мере, трёх концентричных продольной оси окружностях таким образом, что линия соединения центров трубы одной окружности и трубы окружности со следующим бóльшим диаметром при продвижении к соседней трубе следующей окружности с бóльшим диаметром, выявляет изогнутую линию 28. Таким образом, изобретение создаёт возможность для того, чтобы уложить трубы на соседних окружностях особенно плотно друг к другу, так как расстояние между окружностями, на которых располагаются центры труб, при рассчитанном соответствующим образом зазоре между трубами, может быть выбрано и меньше, чем радиус трубы. Такие варианты расположения труб реализованы в пакетах труб, которые представлены на фиг.7-12.

В рамках изобретения трубы могут быть расположены в компоненте пакета труб, однако, и соосно друг другу. В рамках изобретения предусматривается также возможность комбинирования соосного и смещённого расположения труб относительно друг друга. Такая комбинация может иметь место внутри одного единственного компонента пакета труб. Далее компоненты пакета труб со смещённым расположением труб могут быть скомбинированы с компонентами пакета труб с соосным расположением труб в один пакет труб. При этом зазоры между трубами в каждом компоненте пакета труб могут отличаться друг от друга.

Примеры соосного и смещённого расположения труб представлены на фиг.5. На фиг.5А слева представлено расположение труб 20, при котором центры соседних труб располагаются в ряд по прямой линии. Таким же образом центры соседних труб непосредственно следующих друг за другом рядов труб располагаются, соответственно, по прямой линии. Каждая труба является, таким образом, центром окружности с ортогональными плечами, на которых располагаются соседние трубы.

При представленном на фиг.5А справа смещённом расположении труб две соседние трубы одного ряда труб определяют зазор, причём в следующем ряду трубы располагаются в том месте, которое позиционировано в ряду с удалением на половину зазора от трубы предыдущего и последующего ряда труб. Трубы располагаются, таким образом, по типу кирпичной кладки с просветом.

На фиг.6 представлено открытое перспективное изображение камеры кожухотрубного теплообменника с пакетом труб, который имеет три компонента 50, 51, 52 пакета труб. Его трубы имеют один тот же диаметр, однако, количество труб на поверхности поперечного сечения внутреннего компонента 52 пакета труб меньше.

В процессе эксплуатации текучая среда в пространстве кожуха проходит через центральный канал 21 и обтекает друг за другом трубы внутреннего компонента 52 пакета труб, центрального компонента 51 пакета труб и внешнего компонента 50 пакета труб. Затем текучая среда в пространстве кожуха проходит во внешнем канале 23 по отражательной перегородке 32 и обтекает по пути обратно в центральный канал 21 трубы вышеуказанных компонентов пакета труб в обратной последовательности, прежде чем выйдет из внутреннего канала 21.

На фиг.7 представлен следующий вариант осуществления пакета 2 труб в соответствии с изобретением в поперечном сечении. Он располагается вдоль продольной оси 33 и имеет внутренний канал 21. Между самым внешним рядом труб пакета 2 труб и внутренней стороной поверхности кожуха проходит внешний канал 23. Пакет 2 труб включает в себя два компонента 50, 51 пакета труб. Они позиционированы концентрично друг другу вокруг продольной оси 33.

Компоненты 50, 51 пакета труб имеют, соответственно, поверхность поперечного сечения в форме круглого кольца. Перпендикулярно этой поверхности поперечного сечения проходят трубы 20.

Трубы 20 внутреннего компонента 51 пакета труб проходят в трёх концентричных относительно продольной оси 33 рядах труб. Зазор между трубами 20 внутреннего компонента 51 пакета труб равен примерно 0,95-1,05 – кратному диаметру трубы.

Вслед за третьим рядом труб внутреннего компонента пакета труб радиально в направлении вовне находится зона без труб. По своему радиальному габариту она соответствует примерно одному ряду труб. Такое свободное пространство в варианте модульной конструкции пакета труб из выполненных с возможностью разъёмного соединения друг с другом компонентов пакета труб может использоваться, к примеру, в качестве монтажной поверхности, на которую могут быть помещены крепёжные средства, к примеру, фланцевые соединения (на фигурах не изображены). Вслед за свободным пространством расположен внешний компонент 50 пакета труб. В нём трубы 20 уложены явно более плотно, чем во внутреннем компоненте 51 пакета труб. Зазор между трубами 20 во внешнем компоненте 50 пакета труб равен примерно 0,05-0,1 – кратному диаметру трубы.

На фиг.8 представлен следующий вариант осуществления пакета 2 труб в соответствии с изобретением в поперечном сечении, который включает в себя пять радиально последовательно расположенных компонентов 50, 51, 52, 53, 54 пакета труб, соответственно, с поверхностью поперечного сечения в форме круглого кольца. Зазоры между рядами труб во внешнем, центральном и внутреннем компонентах 50, 52, 54 равны. Разумеется, количество труб 20 в ряду в центральном компоненте 54 пакета труб явно меньше, чем во внешнем компоненте 50 пакета труб.

В представленном на фиг.8 варианте осуществления пакета 2 труб зоны с трубами и зоны без труб сменяют друг друга в радиальном направлении от продольной оси 33. Благодаря этому, между внешними и центральными компонентами 50, 52 пакета труб, а также между центральными и внутренними компонентами 52, 54 пакета труб создаются зоны без труб, которые также могут быть обозначены как компоненты 51, 53 пакета труб. Они имеют плотность труб, равную нулю. Эти зоны помогают в варианте модульной конструкции и при монтаже теплообменника, а также способствуют лучшему техническому обслуживанию и более позднему санированию установки.

На фиг.9 представлено открытое перспективное изображение камеры кожухотрубного теплообменника с трубными решётками 25, 26 для пакета 2 труб в соответствии с представленным на фиг.6 вариантом осуществления с двумя компонентами 50, 51 пакета труб. Однако не во все отверстия вставлены трубы, более того, одна зона остаётся свободной от труб. Эта зона представляет собой соединительную зону 4, посредством которой в процессе эксплуатации текучая среда в пространстве кожуха через соответствующие подающие и отводящие штуцера (не изображены) может быть введена во внутренний канал вокруг продольной оси 33 или выведена из него.

В процессе эксплуатации текучая среда в пространстве кожуха проходит через соединительную зону 4 в центральный канал 21 и обтекает друг за другом трубы внутреннего компонента 51 пакета труб и внешнего компонента 50 пакета труб. Затем текучая среда в пространстве кожуха проходит во внешнем канале 23 по отражательной перегородке 32 и обтекает на своём пути обратно в центральный канал 21 трубы вышеуказанных компонентов пакета труб в обратной последовательности, прежде чем снова выйдет из внутреннего канала через соединительную зону 4.

На фиг.10 представлен следующий вариант осуществления пакета 2 труб в соответствии с изобретением в поперечном сечении, который включает в себя четыре компонента 51, 52, 53, 54 пакета труб, соответственно, с кольцеобразной поверхностью поперечного сечения в три четверти круга. Представляющая собой выемку до образования полного круга зона образует соединительную зону 4, которая напрямую соединяет друг с другом внутренний канал 21 и внешний канал 23. Зазор между трубами 20 уменьшается извне наружу от одного компонента пакета труб к последующему. Наибольшую плотность труб имеет внешний компонент 51 пакета труб.

Компоненты пакета труб вышеописанного варианта осуществления изобретения позволяют в радиальном направлении относительно продольной оси осуществить конструкцию пакета труб по модульному принципу. В рамках изобретения это возможно также и в направлении параллельно продольной оси, что именно в отношении варианта осуществления с соединительной зоной позволяет осуществить особенно простую конструкцию. К тому же, за счёт варианта осуществления пакета труб в соответствии с изобретением с несколькими модулями пакета труб создаётся дополнительная степень свободы в конструкции и системе труб пакета труб.

На фиг.11 представлен пакет 2 труб в пространстве 3 кожуха следующего варианта осуществления теплообменника в соответствии с изобретением, в поперечном сечении. В отношении радиального разделения на компоненты пакета труб этот пакет труб соответствует пакету труб, представленному на фиг.6. Пакет 2 труб составлен из четырёх модулей 200, которые проходят параллельно продольной оси 33. Четыре модуля пакета труб смонтированы в трубной решётке таким образом, что комплектуются в закрытый в направлении периферии пакет труб. В представленном примере каждый из четырёх модулей пакета труб имеет поперечное сечение, в основном, в форме кольца в три четверти круга. В рамках изобретения модули пакета труб с поверхностями поперечного сечения, которые, соответственно, в направлении периферии относительно продольной оси перекрывают различные части кольца полного круга, также могут быть скомбинированы друг с другом в пакет труб.

В рамках изобретения, к примеру, и три модуля 200 пакета труб представленного на фиг.11 варианта осуществления также могут быть соединены в пакет 2 труб, который затем, вместо четвёртого модуля пакета труб, имеет соединительную зону. Эта конструкция соответствует, в принципе, представленному на фиг.10 варианту осуществления. Разделение на четыре модуля 200 пакета труб или вариант осуществления с соединительной зоной с поперечным сечением в форме кольца в четверть круга, следует понимать в качестве примера; в рамках изобретения может быть выбрана бóльшая или меньшая разбивка поверхности имеющего форму полного кольца поперечного сечения пакета 2 труб и/или же в пакете труб может быть расположено несколько соединительных зон.

Далее в рамках изобретения возможно оказывать воздействие на поток текучей среды в пространстве кожуха посредством того, что продольная ось пакета 2 труб располагается со смещением относительно продольной оси пространства 3 кожуха. Такое эксцентричное расположение пакета 2 труб в пространстве кожуха представлено на фиг.12.

Зазор между внешней кромкой 24 пакета труб и внутренней стороной поверхности 31 кожуха сначала увеличивается по часовой стрелке в представленном на фиг.12 варианте осуществления сверху по центру, пока не достигает своего максимума внизу по центру и, соответственно, снова уменьшается до минимума вверху по центру. За счёт эксцентричного расположения пакета труб относительно центральной оси 33 распределение текучей среды может быть оптимизировано, особенно, когда газ в качестве текучей среды в пространстве кожуха проходит в пакет труб не через центральный канал, а напрямую через кожух. Тем самым, изобретение создаёт возможность принимать во внимание и конструктивные особенности.

Для специалиста очевидно, что изобретение не ограничивается ранее описанными примерами, и, более того, может варьироваться различным образом. В частности, признаки отдельно представленных примеров могут быть также скомбинированы друг с другом или заменены друг другом. Это относится, в частности, к толщине труб, к внешнему диаметру труб и к зазору между трубами в изображённых в комбинации друг с другом компонентах пакета труб. Именно в отношении этих параметров в рамках изобретениям возможна свобода в выборе вариантов осуществления состоящего из нескольких компонентов пакета труб, так что для любого интересующего на практике случая применения может быть выбрана оптимальная система труб. Это относится как к вариантам осуществления с соединительной зоной, так и без неё.

Перечень ссылочных позиций

1 кожухотрубный теплообменник

11 камера, первая камера

12 последняя камера

13 система подведения для текучей среды в пространстве кожуха, подводящее устройство

14 систем отведения для текучей среды в пространстве кожуха, отводящее устройство

2 пакет труб

20, 22, 27 труба

21 внутренний канал

23 внешний канал

24 внешняя кромка пакета труб

200 модуль пакета труб

25 первая трубная решётка

26 вторая трубная решётка

28 изогнутая линия

250 подводящая камера

260 отводящая камера

R среда в пространстве трубы

M среда в пространстве кожуха

3 пространство кожуха

31 поверхность кожуха

32 направляющая перегородка, отражательный сегмент для текучей среды в пространстве кожуха

33 продольная ось

4 соединительная зона

50-54 компоненты пакета труб

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в кожухотрубных теплообменниках. Кожухотрубный теплообменник (1) содержит кожух, в пространстве (3) которого расположен пакет (2) труб из нескольких труб (20, 22, 27) с по меньшей мере одной трубной решёткой (25, 26), причём кожухотрубный теплообменник (1) вовне ограничивается поверхностью (31) кожуха и имеет проходящую по центру в пространстве кожуха продольную ось (33), вокруг которой образован свободный от труб внутренний канал (21), и причём с внутренней стороны смежно поверхности (31) кожуха образован свободный от труб внешний канал (23), причём пакет (2) труб между внутренним каналом (21) и внешним каналом (23) включает в себя по меньшей мере два компонента (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб, которые отличаются по количеству труб на поверхности, и/или по внешнему диаметру труб, и/или по зазору между трубами, при этом компоненты пакета труб имеют поперечное сечение в форме круглого кольца и в пространстве кожуха в направлении перпендикулярно продольной оси расположены последовательно, причем по меньшей мере два компонента (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб соединены друг с другом с возможностью разъёма. Технический результат - увеличение поверхности теплообмена без изменения габаритов теплообменника. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Кожухотрубный теплообменник (1), в котором в пространстве (3) кожуха расположен пакет (2) труб из нескольких труб (20, 22, 27) с по меньшей мере одной трубной решёткой (25, 26),

причём кожухотрубный теплообменник (1) вовне ограничен поверхностью (31) кожуха и имеет проходящую по центру в пространстве кожуха продольную ось (33), вокруг которой образован свободный от труб внутренний канал (21),

при этом с внутренней стороны смежно поверхности (31) кожуха образован свободный от труб внешний канал (23),

причём пакет (2) труб между внутренним каналом (21) и внешним каналом (23) содержит по меньшей мере два компонента (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб, которые отличаются по количеству труб на поверхности, и/или по внешнему диаметру труб, и/или по зазору между трубами,

отличающийся тем, что

компоненты пакета труб перпендикулярно продольной оси (33) соответственно имеют поперечное сечение в основном в форме круглого кольца и в пространстве кожуха в направлении перпендикулярно продольной оси расположены последовательно,

причем по меньшей мере два компонента (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб соединены друг с другом с возможностью разъёма.

2. Кожухотрубный теплообменник (1) по п.1, отличающийся тем, что пакет (2) труб содержит от двух до десяти компонентов (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб.

3. Кожухотрубный теплообменник (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что в по меньшей мере одном компоненте (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб трубы (20, 22, 27) своими центрами расположены на по меньшей мере трёх концентричных продольной оси (33) окружностях таким образом, что соединительная линия центров трубы одной окружности и трубы окружности со следующим бóльшим диаметром при продвижении к соседней трубе следующей окружности с бóльшим диаметром образует изогнутую линию (28).

4. Кожухотрубный теплообменник (1) по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что пакет труб выполнен в модульном исполнении из по меньшей мере двух компонентов (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб.

5. Кожухотрубный теплообменник (1) по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что по меньшей мере один компонент (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб собран из по меньшей мере двух, предпочтительно трёх, или четырёх, или пяти модулей (200) пакета труб.

6. Кожухотрубный теплообменник (1) по п.5, отличающийся тем, что модули (200) пакета труб выполнены однотипными или по меньшей мере один модуль пакета труб выполнен не однотипным по сравнению с по меньшей мере одним другим модулем пакета труб.

7. Кожухотрубный теплообменник (1) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что кожухотрубный теплообменник содержит одну камеру (11).

8. Кожухотрубный теплообменник (1) по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что кожухотрубный теплообменник имеет две или более, предпочтительно до двадцати, камер (11, 12) и по меньшей мере один пакет (2) труб, причём между соседними камерами расположен отражательный сегмент (32) для текучей среды (M) в пространстве кожуха.

9. Кожухотрубный теплообменник (1) по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что расположение труб (20) в пакете (2) труб определяет трубный отражатель, который имеет по меньшей мере одну соединительную зону (4), через которую в процессе эксплуатации кожухотрубного теплообменника (1) текучая среда (M) входит в пространство (3) кожуха и/или выходит из пространства (3) кожуха.

10. Кожухотрубный теплообменник (1) по п.9, отличающийся тем, что количество труб (20) на поверхности поперечного сечения перпендикулярно продольной оси (33) в соединительной зоне (4) меньше, чем вне соединительной зоны, или что соединительная зона свободна от труб.

11. Кожухотрубный теплообменник (1) по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что расположение труб (20) в пакете (2) труб определяет трубный отражатель, в котором трубы (20), по меньшей мере, местами расположены соосно друг другу и/или, по меньшей мере, местами со смещением относительно друг друга.

12. Кожухотрубный теплообменник (1) по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что пакет (2) труб расположен эксцентрично продольной оси (33) в пространстве (3) кожуха.

13. Пакет (2) труб для кожухотрубного теплообменника (1) по любому из пп.1-12, который в виде пакета (2) труб из нескольких труб (20, 22, 27) с по меньшей мере одной трубной решёткой (25, 26) в собранном состоянии расположен в пространстве (3) кожуха,

причём кожухотрубный теплообменник (1) вовне ограничивается поверхностью (31) кожуха и имеет проходящую по центру в пространстве кожуха продольную ось (33), вокруг которой образован свободный от труб внутренний канал (21), и

при этом с внутренней стороны смежно поверхности (31) кожуха образован свободный от труб внешний канал (23),

причём пакет (2) труб между внутренним каналом (21) и внешним каналом (23) содержит по меньшей мере два компонента (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб, которые отличаются по количеству труб на поверхности, и/или по внешнему диаметру труб, и/или по зазору между трубами,

отличающийся тем, что

компоненты пакета труб перпендикулярно продольной оси (33) соответственно имеют поперечное сечение в основном в форме круглого кольца и в пространстве кожуха в направлении перпендикулярно продольной оси расположены последовательно,

причём по меньшей мере два компонента (50, 51, 52, 53, 54) пакета труб соединены друг с другом с возможностью разъёма.

14. Применение кожухотрубного теплообменника (1) по любому из пп.1-12 в качестве теплообменника типа «газ-газ», в частности, для регенерации тепла.

15. Применение кожухотрубного теплообменника (1) по любому из пп.1-12 в качестве теплообменника типа «газ-газ», в частности, для регенерации тепла, причём теплообменник типа «газ-газ» применяется в способе синтеза серной кислоты.