РАДИАЛЬНО-СИЛЬФОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННО-КОНТАКТНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2019 года по МПК F28D7/04 

Изобретение относится к конструкции аппаратов, предназначенных для 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 данного 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 (тепломассообменный блок), 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 теплообменных элементов тепломассообменного 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 (приосевой) коллектор образован вертикальными торцевыми стенками теплообменных элементов, близко расположенных от продольной оси корпуса, а периферийный (пристеночный) коллектор образован удаленными от продольной оси корпуса вертикальными торцевыми стенками теплообменных элементов и внутренней поверхностью стенки корпуса. Наружные спиралеобразные полости имеют постоянную ширину в плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса, а их сумма составляет наружную полость тепломассообменного 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, в этом случае в блоке протекают как теплообменные, так и массообменные процессы и блок является тепломассообменным. Этот термин будет использован далее для названия блоков, независимо от того, выполняет ли блок только теплообменные или, и тепло-, и массообменные функции, если не оговорено иное.

Основным недостатком данного аппарата является сложность конструкции тепломассообменного 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,

Задачами настоящего изобретения являются упрощение конструкции аппарата.

Техническим результатом является упрощение конструкции аппарата за счет выполнения тепломассообменного блока из сильфонов с поперечным сечением, близким к прямоугольному, изогнутых в радиальном направлении с кривизной, уменьшающейся в направлении от продольной оси к стенке корпуса, соединенных краями боковых стенок.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном аппарате, включающем цилиндрический корпус с патрубками ввода/вывода флюидов и по меньшей мере один коаксиально установленный кольцевой тепломассообменный блок, образующий приосевой и пристеночный коллекторы и содержащий теплообменные элементы, изогнутые в радиальном направлении с кривизной, уменьшающейся от оси к стенке аппарата, которые образуют смежные полости, сообщенные с патрубками ввода и вывода флюидов, особенностью является то, что каждый тепломассообменный блок состоит из по меньшей мере одной секции, теплообменные элементы которой образованы сильфонами с поперечным сечением в форме прямоугольника со скругленными углами и аксиально направленной длинной стороной, соседние сильфоны соединены краями боковых стенок, а расстояние между плоскостями симметрии соседних сильфонов одинаково, кроме того, секции оснащены герметизирующими элементами, отделяющими друг от друга их смежные полости, в качестве герметизирующих элементов концевых секций со стороны днищ установлены внутренняя крышка и наружное кольцо, а со стороны примыкающей секции - внутренняя и наружная втулки, а в качестве герметизирующих элементов промежуточных секций установлены внутренняя и наружная втулки с каждой из сторон, при этом наружные кольца соединяют края пристеночных торцевых стенок сильфонов с корпусом, внутренние крышки соединяют края приосевых торцевых стенок сильфонов между собой, внутренняя и наружная втулки соединяют, соответственно, края приосевых и пристеночных торцевых стенок сильфонов смежных секций.

При необходимости по меньшей мере одна из крышек может быть соединена с патрубком ввода или вывода одного из флюидов.

Для обеспечения возможности работы аппарата при разных давлениях по меньшей мере в одной из смежных полостей могут быть размещены дистанцирующие вкладки, которые обеспечивают не только неизменность расположения боковых стенок сильфонов на заданном расстоянии, но и организуют движение флюидов, турбулизируют их потоки, что повышает эффективности теплопередачи. За счет расположения элементов дистанцирующих вкладок может быть организовано или преимущественно перекрестноточное, или прямоточное, или противоточное движение флюидов, как в радиальном, так и в аксиальном направлении.

Для обеспечения равномерности подачи вдоль оси аппарата флюида, движущегося радиально, целесообразно по меньшей мере в одном коллекторе установить распределительный элемент, например, отбойную вставку, которая, в частности, в приосевом коллекторе может иметь форму усеченного конуса, направленной узким основанием к набегающему потоку флюида, а в пристеночном - форму тора, имеющего в радиальном сечении форму усеченной пирамиды, например, прямоугольной, направленной узким основанием к уходящему потоку флюида.

Для обеспечения возможности обслуживания и ремонта аппарата соединения колец с корпусом целесообразно выполнить разъемными или разрезными. Для снижения механических напряжений в аппарате, увеличения предельной рабочей температуры и повышения надежности аппарата целесообразно соединение по меньшей мере одного кольца с корпусом оснастить компенсатором температурного расширения.

Для осуществления массообмена газ-жидкость (например, при абсорбции или фракционировании флюида) в условиях подачи тепла или холода, распределенной по высоте аппарата, последний должен быть дополнительно оснащен устройствами для ввода и распределения жидкости (например, абсорбента или рефлюкса) по наружным поверхностям боковых стенок сильфонов в одной из смежных полостей и/или устройствами для сбора и вывода жидких продуктов тепломассообмена (например, флегмы или абсорбата).

Для массообмена флюид - твердое вещество (адсорбции) или проведения гетерогенных каталитических химических реакций аппарат должен быть оснащен устройствами для загрузки по меньшей мере одной из смежных полостей твердым материалом, проницаемым для флюида (например, адсорбентом или катализатором), а также устройствами для выгрузки отработанного адсорбента или катализатора.

Выполнение теплообменных элементов из сильфонов позволяет упростить конструкцию, уменьшить количество внутренних элементов и их соединений, повысить надежность аппарата, а выполнение одинаковым расстояния между плоскостями симметрии соседних сильфонов обеспечивает благоприятный гидродинамический режим и равномерность обтекания поверхностей потоками флюидов, что увеличивает эффективность тепло- и массообменных процессов.

На фиг. 1-4 приведены примеры использования аппарата с одним односекционным тепломасообменным блоком в качестве теплообменника, дефлегматора, адсорбера и каталитического реактора, соответственно. Показаны развертки сечения указанных аппаратов поверхностью, проходящей через ось и серединные линии смежных полостей секции, 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. На фиг. 5 приведен пример использования аппарата с двухсекционным тепломасообменным блоком в качестве дефлегматора. На фиг. 6 приведен пример расположения двух соседних сильфонов в секции в поперечном разрезе.

Теплообменник с односекционным тепломасообменным блоком (фиг. 1) включает корпус 1 с патрубками 2 и 3 ввода/вывода флюида 4 и патрубками 5 и 6 ввода/вывода флюида 7. В аппарате коаксиально установлен кольцевой тепломассообменный блок 8 (выделен темным цветом), состоящий из соединенных друг с другом сильфонов 9, колец 10 и крышек 11 и 12. Крышка 12 сообщена трубопроводом 13 с патрубком 5. Тепломассообменный блок 8 может быть оснащен перфорированными цилиндрическим обечайками (условно показана одна наружная обечайка 14), на которой расположены упоры, прилегающие к не экранированным участкам боковых стенок сильфонов (на схеме не показано). Соединения 15 трубопровода 13 с патрубком 5 и наружных колец 10 с корпусом 1 (выделены окружностями) могут быть выполнены разъемными или разрезными, что обеспечивает разборность аппарата. В пристеночном 16 и приосевом 17 коллекторах могут быть установлены отбойные вставки 18 и 19 (показано пунктиром).

При работе аппарата с перекрестным током флюидов горячий (условно) флюид 4 через патрубок 2 направляют в одну из полостей тепломассообменного 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 смежную полость тепломассообменного блока 8, из которой нагретый флюид 7 выводят через патрубок 6.

Для использования аппарата в качестве массообменного, например, дефлегматора (фиг. 2) в тепломассообменном блоке 8 осуществляют дефлегмацию газа. При работе аппарата в патрубок 20 подают газ 21, содержащий легкие и тяжелые компоненты, который охлаждается, проходя (вертикально направленные стрелки) по одной из смежных полостей тепломассообменного блока 8 за счет подачи в патрубок 6 хладоагента 7, который в нагретом виде затем выводят из патрубка 3. При этом на наружных поверхностях сильфонов 9 конденсируются тяжелые компоненты газа, в виде флегмы стекают в низ аппарата и выводятся 22 из патрубка 5. При противоточном движении газа и флегмы между ними происходит массообмен - обогащение газа легкими компонентами, а флегмы - тяжелыми компонентами. Из патрубка 2 выводят газ дефлегмации 23, содержащий, преимущественно, легкие компоненты.

При использовании аппарата в качестве адсорбера (фиг. 3), например, при адсорбционной осушке, через патрубок 5 вводят влажный газ 24, пропускают его через слой адсорбента, размещенный в одной из полостей тепломассообменного блока 8 (вертикально направленные стрелки), осушенный газ 25 выводят через патрубок 2. Для обеспечения изотермического режима и повышения эффективности адсорбции адсорбент охлаждают, вводя хладоагент 7 через патрубок 6 и выводя через патрубок 3.

При использовании аппарата в качестве каталитического реактора (фиг. 4), например, паровой конверсии, смесь водяного пара и метана 26 вводят через патрубок 5, пропускают через слой катализатора, размещенный в одной из полостей тепломассообменного блока 8 (вертикально направленные стрелки), а полученный синтез-газ 27 выводят через патрубок 2. Для подвода тепла в слой катализатора через смежную полость пропускают теплоноситель 7, например, дымовой газ, вводя его через патрубок 6 и выводя через патрубок 3. Устройства для заполнения полостей адсорбентом или катализатором и их опорожнения на фиг. 3 и 4 условно не показаны.

На фиг. 5 показан пример дефлегматора с двухсекционным тепломассообменным блоком, при работе которого газ 21, содержащий легкие и тяжелые компоненты, подают в патрубок 20, последовательно охлаждают в первой 28 и второй 29 секциях тепломассообменного блока, соединенных наружной и внутренней втулками 30 и 31, соответственно, с помощью хладоагента 7, подаваемого в патрубок 2 и выводимого из патрубка 3. Образовавшуюся флегму 22 выводят из патрубка 5, а из патрубка 32 выводят газ дефлегмации 23.

Возможны другие варианты размещения патрубков на корпусе аппарата и движения флюидов в аппарате кроме представленных на фиг. 1-5.

На фиг. 6 приведен пример расположения двух соседних сильфонов в тепломассобменном блоке, оснащенном наружной 32 и внутренней 33 перфорированными обечайками и упорами 34, в поперечном разрезе. Показаны экранированные 35 и не экранированные 36 участки боковых стенок сильфонов, их торцевые стенки 37 и соединение боковых стенок 38.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию аппарата и может найти применение в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к конструкции аппаратов, предназначенных для 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 коаксиально установлен по меньшей мере один кольцевой тепломассообменный блок, состоящий из по меньшей мере одной секции, образованной сильфонами, соединенными друг с другом краями боковых стенок, и герметизирующих элементов в составе колец, крышек и, возможно, втулок. Соединения наружных колец с корпусом могут быть выполнены разъемными или разрезными. В пристеночном и приосевом коллекторах могут быть установлены распределительные элементы. Технический результат - упрощение конструкции аппарата. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Радиально-сильфонный теплообменно-контактный аппарат, включающий цилиндрический корпус с патрубками ввода/вывода флюидов и по меньшей мере один коаксиально установленный кольцевой тепломассообменный блок, образующий приосевой и пристеночный коллекторы и содержащий теплообменные элементы, изогнутые в радиальном направлении с кривизной, уменьшающейся от оси к стенке аппарата, которые образуют смежные полости, сообщенные с патрубками ввода и вывода флюидов, отличающийся тем, что каждый тепломассообменный блок состоит из по меньшей мере одной секции, теплообменные элементы которой образованы сильфонами с поперечным сечением в форме прямоугольника со скругленными углами и аксиально направленной длинной стороной, соседние сильфоны соединены краями боковых стенок, а расстояние между плоскостями симметрии соседних сильфонов одинаково, кроме того, секции оснащены герметизирующими элементами, отделяющими друг от друга их смежные полости, в качестве герметизирующих элементов концевых секций со стороны днищ установлены внутренняя крышка и наружное кольцо, а со стороны примыкающей секции - внутренняя и наружная втулки, а в качестве герметизирующих элементов промежуточных секций установлены внутренняя и наружная втулки с каждой из сторон, при этом наружные кольца соединяют края пристеночных торцевых стенок сильфонов с корпусом, внутренние крышки соединяют края приосевых торцевых стенок сильфонов между собой, внутренняя и наружная втулки соединяют соответственно края приосевых и пристеночных торцевых стенок сильфонов смежных секций.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из крышек соединена с патрубком ввода или вывода одного из флюидов.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере в одной из смежных полостей размещены дистанцирующие вкладки.

4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере в одном коллекторе установлен распределительный элемент.

5. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что соединения колец с корпусом выполнены разъемными или разрезными.

6. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что соединение по меньшей мере одного кольца с корпусом оснащено компенсатором температурного расширения.

7. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно оснащен устройствами для ввода и распределения жидкости по наружным поверхностям боковых стенок сильфонов в одной из смежных полостей тепломассообменного блока и/или устройствами для сбора и вывода жидких продуктов.

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