Кожухотрубчатый паровой теплообменник Российский патент 2023 года по МПК F28B1/00 F28B9/02 F28B11/00 

Изобретение относится к теплообменным устройствам рекуперативного типа, в которых в качестве греющего теплоносителя используется пар, и может быть реализовано в энергетике и различных промышленных технологиях, где осуществляется нагрев текучих сред.

Промышленные паровые теплообменники технологического назначения часто работают в условиях переменных тепловых нагрузок, что связано с непостоянством расходов нагреваемых теплоносителей и температур их нагрева в процессах тепловой обработки. При этом возникают трудности отвода конденсата греющего пара от теплообменников, так как устанавливаемые на выпускных конденсатных линиях конденсатоотводчики имеют ограниченный и достаточно узкий диапазон пропускной способности, который может не соответствовать отдельным интервалам рабочего диапазона изменения тепловой нагрузки теплообменника. В соответствие с известной схемой отвода конденсата от паровых теплообменников поверхностного типа с помощью конденсатоотводчиков [1], конденсат выпускается с температурой насыщения при давлении греющего пара в паровом пространстве теплообменника. При этом значительными являются потери с пролетным паром из-за часто неэффективной работы конденсатоотводчиков и с вторичным паром, образующимся из потока конденсата при снижении его давления на пути следования от теплообменника до сборного конденсатного бака. Как показывает практика, при работе теплообменника с переменными тепловыми нагрузками данные потери могут составлять 25 - 30% и более от расхода греющего пара.

Регулирование переменной тепловой нагрузки в паровых теплообменниках осуществляется обычно путем дросселирования греющего пара в регулирующем органе, установленном на подводящем паропроводе, и производится за счет изменения температуры конденсации пара в пределах от температуры насыщения при максимальном давлении пара в подающем паропроводе (верхний предел регулирования) до температуры насыщения при давлении за регулирующим органом (нижний предел регулирования). При использовании открытых и закрытых систем сбора конденсата давление пара за регулирующим органом должно быть не ниже атмосферного давления и, следовательно, температура конденсации пара не может быть меньше 105÷110°С, что ограничивает нижний предел регулирования. Регулирование нагрева продукта таким способом затруднено еще и тем, что при дросселировании пара в регулирующем органе вместе с температурой насыщения изменяется и расход пара. При этом расходные характеристики регулирующего органа и теплообменного аппарата не удается совместить для всех участков рабочих диапазонов их изменения в процессе работы.

Известный кожухотрубчатый паровой теплообменник с системой автоматического регулирования, включающей в себя регулирующий орган на подающем паропроводе и конденсатоотводчик, установленный на конденсатопроводе при выходе конденсата пара из теплообменника [2], имеет недостаток, состоящий в несоответствии нагрузочной характеристики теплообменного аппарата и расходной характеристики конденсатоотводчика в большей части рабочих графиков изменения данных характеристик.

В известном кожухотрубчатом паровом теплообменнике [3] поплавковый конденсатоотводчик установлен выше выпускного патрубка парового теплообменника и оборудован трубкой, соединяющей паровые пространства поплавкового конденсатоотводчика и парового теплообменника. Так как давление в соединенных между собой полостях парового пространства теплообменника и конденсатоотводчика одинаковое, то при работе парового теплообменника в нем устанавливается уровень слоя конденсата греющего пара на высоте размещения поплавкового конденсатоотводчика. Нижняя часть теплопередающей поверхности со стороны парового пространства теплообменника при этом оказывается залитой конденсатом. Слой конденсата в нижней части парового пространства теплообменника создает гидравлический затвор, препятствующий проходу пролетного пара в конденсатный трубопровод. Контактируя с теплопередающей поверхностью парового теплообменника в слое залива, конденсат охлаждается и поступает в конденсатный трубопровод с температурой меньшей, чем температура насыщения греющего пара. Выпуск конденсата из парового теплообменника в переохлажденном состоянии позволяет уменьшить или полностью исключить образование и потери вторичного пара. Недостатком является то, что в процессе работы нет возможности изменять высотное расположение поплавкового конденсатоотводчика и тем самым изменять положение уровня конденсата в паровом пространстве теплообменника для обеспечения переменных тепловых нагрузок и регулирования температуры обработки целевого продукта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является кожухотрубчатый паровой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, к торцовым сторонам которого приварены трубные решетки, соединенные с трубными решетками с помощью фланцев крышки, патрубки входа и выхода греющего и нагреваемого теплоносителей, закрепленные своими концами в отверстиях трубных решеток теплообменные трубы, регулирующий орган, установленный на линии выхода конденсата [4] - прототип. Возможности регулирования нагрева обрабатываемого продукта в известном аппарате [4] ограничены тем, что температура греющего теплоносителя в межтрубном пространстве не может быть снижена ниже температуры насыщения, соответствующей давлению подаваемого пара. Недостатком является и необходимость установки поплавкового конденсатоотводчика на выпускном конденсатопроводе для устранения выхода пролетного пара. Применяемые в настоящее время механические конденсатоотводчики, к которым относятся поплавковые, характеризуются как малонадежные технические устройства, что может отрицательно сказываться на эффективности работы оборудованных ими теплообменных аппаратов.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в расширении температурного диапазона регулирования процесса тепловой обработки целевого продукта, устранения потерь с пролетным паром и повышения эффективности работы теплообменника.

Поставленная проблема решается тем, что кожухотрубчатый паровой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, к торцовым сторонам которого приварены трубные решетки, соединенные с трубными решетками с помощью фланцев крышки, патрубки входа и выхода греющего и нагреваемого теплоносителей, закрепленные своими концами в отверстиях трубных решеток теплообменные трубы, регулирующий орган, установленный на линии выхода конденсата, дополнительно оборудован приваренному к нижней части корпуса коллектором, на охватываемой коллектором площади стенки корпуса имеются сквозные сопловые отверстия, патрубок для входа греющего теплоносителя установлен на коллекторе, установленный на нижней части корпуса патрубок для выхода греющего теплоносителя соединен с вертикальным стояком, регулирующий орган размещен на вертикальном стояке, на верхней части корпуса установлены воздухоотводчик и прерыватель вакуума.

В отличие от известного устройства, наличие приваренного к нижней части корпуса коллектора, сквозных сопловых отверстий на охватываемой коллектором площади стенки корпуса, размещение патрубка для входа греющего теплоносителя на коллекторе, соединение установленного на нижней части корпуса патрубка для выхода греющего теплоносителя с вертикальным стояком, размещение регулирующего органа на вертикальном стояке, а также установка на верхней части корпуса воздухоотводчика и прерывателя вакуума, дает возможность регулировать тепловую нагрузку теплообменника и температуру нагрева целевого теплоносителя в процессе работы путем изменения расхода конденсата через регулирующий орган на вертикальном стояке. Привод регулирующего органа работает под действием сигнала от датчика температуры, установленного в патрубке выхода нагреваемого теплоносителя. В соответствие с изменением расхода выпускаемого конденсата будет изменяться и расход поступающего в теплообменник греющего теплоносителя - пара. Объем межтрубного пространства в корпусе заполнен конденсатом, находящемся в циркуляционном движении под действием, в основном, паровых струй и пузырей, выходящих из сквозных сопловых отверстий на охватываемой коллектором площади стенки корпуса. При работе теплообменника с переменной тепловой нагрузкой температура конденсата может изменяться в пределах от температуры насыщения греющего пара, соответствующей давлению в подающем паропроводе, до текущей температуры нагрева целевого теплоносителя. Процесс регулирования при этом упрощается, а его диапазон увеличивается.

Интенсивности теплообмена в отдельности конденсата и пара с наружной поверхностью стенок теплообменных труб мало различаются между собой и они часто выше интенсивности теплообмена нагреваемого теплоносителя, протекающего внутри теплообменных труб. Совокупный процесс теплопередачи в данном случае лимитируется внутренним теплообменом нагреваемого теплоносителя. Поэтому переход от непосредственного контакта греющего пара с теплообменными трубами, как это осуществляется в известных кожухотрубчатых теплообменниках, к контакту с промежуточным теплоносителем - конденсатом в предлагаемом устройстве, не приведет к снижению интенсивности процесса теплопередачи и к необходимости увеличения площади поверхности теплопередачи. Интенсивное тепловое и гидромеханическое взаимодействие барботирующих пузырей греющего пара с конденсатом в межтрубном пространстве будет способствовать активному перемешиванию конденсатной среды и обеспечению ее температурной однородности в объеме межтрубного пространства.

Заполненные конденсатом в рабочем состоянии и соединенные между собой объемы межтрубного пространства в корпусе и вертикального стояка образуют гидравлический затвор, препятствующий проходу пролетного пара. Тем самым устраняется необходимость в установке конденсатоотводчика за теплообменником. При выпуске конденсата с температурой не выше 100°С минимизируются или исключаются также потери с вторичным паром. Все это способствует повышению энергетической эффективности теплообменника.

Наличие воздухоотводчика, установленного на верхней части корпуса, позволяет удалять воздух из межтрубного пространства при запуске аппарата в работу и в последующем периодически удалять инертные газы, выделяющиеся из пара при его конденсации. В воздухоотводчике в качестве рабочего элемента может быть использован, например, термостатный клапан, автоматически открывающийся при скоплении под ним инертных газов и воздуха. Установленный на верхней части корпуса прерыватель вакуума служит защитным средством от образования вакуума внутри корпуса в случае, когда при закрытых запорных органах на линиях подачи греющего пара и выпуска конденсата происходит полная конденсация пара, находящегося во внутреннем пространстве устройства, а также при сливе конденсата из межтрубного пространства теплообменника.

Таким образом, отличительные признаки изобретения позволяют решить поставленную техническую проблему.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Известные технические решения [1…4] имеют ограниченные возможности в регулировании процесса тепловой обработки целевого теплоносителя и нуждаются в установке конденсатоотводчика на линии вывода конденсата из аппарата.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».

На фиг. 1 приведено схематичное изображение вертикального кожухотрубчатого парового теплообменника; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - схематичное изображение горизонтального кожухотрубчатого парового теплообменника; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 3.

Кожухотрубчатый паровой теплообменник состоит из цилиндрического корпуса 1, к торцовым сторонам которого приварены трубные решетки 2. С трубными решетками 2 с помощью фланцев соединены крышки 3, на которых установлены патрубки входа 4 и выхода 5 нагреваемого теплоносителя. В отверстиях трубных решеток 2 закреплены своими концами теплообменные трубы 6. К нижней части корпуса приварен коллектор 7, на котором установлен патрубок 8 входа греющего пара. Патрубок 9 выхода конденсата установлен на нижней части корпуса 1. На охватываемой коллектором 7 площади стенки корпуса 1 расположены сквозные сопловые отверстия 10. Патрубок 9 выхода конденсата соединен с вертикальным стояком 11, на котором размещен регулирующий орган 12 с приводом связанным импульсной линией 13 с термодатчиком 14, измеряющим температуру нагреваемого теплоносителя в патрубке 5. На верхней части корпуса 1 установлены воздухоотводчик 15 и прерыватель вакуума 16. В своей нижней части вертикальный стояк 11 имеет штуцер 17 слива конденсата. Линии подачи греющего пара и выпуска конденсата оборудованы запорными органами 18.

Кожухотрубчатый паровой теплообменник работает следующим образом.

Для приведения теплообменника в исходное рабочее состояние пространство между теплообменными трубами 6 и трубными решетками 2 в корпусе 1 заполняется конденсатом с одновременным вытеснением находящегося в этом пространстве воздуха через воздухоотводчик 75. Конденсат для заполнения межтрубного пространства может образовываться из потока подаваемого через патрубок 8 пара в изначально холодный теплообменник или закачиваться через сливной штуцер 17.

В процессе работы целевой нагреваемый теплоноситель подается через патрубок 4, расположенный на одной из крышек 3, распределяется по теплообменным трубам 5, в которых нагревается, воспринимая теплоту в процессе теплопередачи через стенки труб 5 от конденсата, находящегося в межтрубном пространстве. Нагретый в трубах 6 до необходимой температуры, целевой теплоноситель одним общим потоком выводится из теплообменника через патрубок 5, расположенный на другой крышке 3. Греющий теплоноситель - пар подается через патрубок 8 в коллектор 7, откуда через сквозные сопловые отверстия 10 на стенке корпуса 1 поступает в виде струй и пузырей в конденсат, заполняющий межтрубное пространство, где происходит конденсация пара с выделением теплоты фазового перехода. Выделенная теплота фазового перехода в процессах теплообмена конденсата со стенками теплообменных труб 6 и теплопередачи через стенки труб 6 передается протекающему в трубах нагреваемому теплоносителю. Активная циркуляция конденсата в межтрубном пространстве, вызываемая паровыми струями и пузырями, способствует интенсификации процесса теплообмена и выравниванию температуры конденсата в объеме межтрубного пространства. Количество конденсата, равное образовавшемуся из поступившего через патрубок 8 греющего пара, под действием исходного давления в подающем паропроводе вытесняется из межтрубного пространства через патрубок 9 в вертикальный стояк 11, из которого через регулирующий орган 12 выводится из теплообменника. Регулирующий орган 12 получает управляющий сигнал по импульсной линии 73 от термодатчика 14, установленного в выпускном патрубке 5, и своей работой обеспечивает требуемую по технологии тепловой обработки температуру нагрева целевого теплоносителя на выходе из теплообменника путем регулирования расхода выпускаемого конденсата и, следовательно, расхода поступающего в теплообменник греющего пара. Например, для случая повышения температуры нагрева целевого теплоносителя, приводной механизм регулирующего органа 12 под действием управляющего сигнала от термодатчика 14 увеличивает проходное сечение в клапанном узле регулирующего органа 12 для выпуска конденсата. При этом расход конденсата через регулирующий орган 12 возрастает, соответственно увеличивается расход подаваемого в теплообменник греющего пара, что приводит к увеличению температуры конденсата в межтрубном пространстве (в пределе - до температуры насыщения пара при его давлении в подающем паропроводе) и, как следствие, повышается температура нагрева целевого теплоносителя. Скапливающиеся в процессе работы в верхней части межтрубного пространства инертные газы периодически выводятся из теплообменника через автоматически действующий воздухоотводчик 75.

При выводе теплообменника из работы линии подачи греющего пара и вывода конденсата перекрываются с помощью установленных на них запорных органов 18, а запорный орган 18, установленный на штуцере 17, открывается для слива конденсата из межтрубного пространства. При этом автоматически открывается прерыватель вакуума 16, впускающий атмосферный воздух в межтрубное пространство.

Предлагаемое устройство имеет следующие преимущества:

- повышенная надежность и эффективность работы;

- устранение потерь с пролетным и вторичным паром;

- не требуется установка конденсатоотводчика;

- возможность регулирования температуры нагрева целевого теплоносителя в расширенном температурном диапазоне при работе парового теплообменника как с постоянной, так и с переменной тепловой нагрузкой;

- устранение вибрации и вызванных вибрацией повреждений теплообменных труб при работе парового теплообменника.

Источники информации

1. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М. -Л.: Энергия, 1966. С. 233, рис. 8 - 10.

2. Печенегов Ю.Я., Богатенко Р.В. Работа конденсатоотводчиков в системе с теплообменником, снабженным автоматическим регулятором подачи пара // Промышленная энергетика, №2, 2001. С. 32, рис. 1.

3. Печенегов Ю.Я., Грачева Ю.А., Денисов В.А. Повышение энергетической эффективности паровых теплообменников // Энергобезопасность и энергосбережение. №2. 2018. С. 23, рис. 3.

4. Патент РФ №184017. МПК F28B 1/00, опубл. 11.10.2018, бюл. №29.

Изобретение относится к теплообменным устройствам рекуперативного типа, в которых в качестве греющего теплоносителя используется водяной пар, и может быть реализовано в энергетике и различных промышленных технологиях, где осуществляется нагрев текучих сред. Кожухотрубчатый паровой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, к торцовым сторонам которого приварены трубные решетки, соединенные с трубными решетками с помощью фланцев крышки, патрубки входа и выхода греющего и нагреваемого теплоносителей, закрепленные своими концами в отверстиях трубных решеток теплообменные трубы, регулирующий орган, установленный на линии выхода конденсата, дополнительно оборудован приваренным к нижней части корпуса коллектором, на охватываемой коллектором площади стенки корпуса имеются сквозные сопловые отверстия, патрубок для входа греющего теплоносителя установлен на коллекторе, установленный на нижней части корпуса патрубок для выхода греющего теплоносителя соединен с вертикальным стояком, регулирующий орган размещен на вертикальном стояке, на верхней части корпуса установлены воздухоотводчик и прерыватель вакуума. Технический результат - расширение температурного диапазона регулирования процесса тепловой обработки целевого продукта, устранение потерь с пролетным паром и повышение эффективности работы теплообменника. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Кожухотрубчатый паровой теплообменник, содержащий цилиндрический корпус, к торцовым сторонам которого приварены трубные решетки, соединенные с трубными решетками с помощью фланцев крышки, патрубки входа и выхода греющего и нагреваемого теплоносителей, закрепленные своими концами в отверстиях трубных решеток теплообменные трубы, регулирующий орган, установленный на линии выхода конденсата, отличающийся тем, что к нижней части корпуса приварен коллектор, на охватываемой коллектором площади стенки корпуса имеются сквозные сопловые отверстия, патрубок для входа греющего теплоносителя установлен на коллекторе, установленный на нижней части корпуса патрубок для выхода греющего теплоносителя соединен с вертикальным стояком, регулирующий орган размещен на вертикальном стояке.

2. Кожухотрубчатый паровой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что на верхней части корпуса установлены воздухоотводчик и прерыватель вакуума.