Распределительный коллектор аппарата воздушного охлаждения Российский патент 2023 года по МПК F28F7/02 F28F9/02 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, а именно к аппаратам воздушного охлаждения (далее АВО) технологических потоков, и может быть использовано в градирнях сухого типа в химической, газодобывающей, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности.

В процессах гидрокрекинга и гидроочистки аппараты воздушного охлаждения применяются для охлаждения и конденсации отходящего потока сепаратора высокого давления. Наличие в потоке рабочей среды с высоким парциальным давления водорода (до 15 МПа), наличие в рабочей среде компонентов (водород, сероводород, хлориды), способных вызывать коррозионное растрескивание основного металла и сварных соединений, язвенную коррозию (коррозия под осадком солей NH₄HS и в особенности NH₄Cl) приводит к повреждению элементов распределительных камер. Камеры АВО для данных потоков должны быть выполнены с обеспечением доступа во внутреннее пространство через отверстия, заглушенные резьбовыми пробками с металлическими плоскими прокладками, и рассчитаны на применение давления до 25 МПа. При эксплуатации АВО с цельносварными камерами весьма вероятно образование трещин в сварных швах и в швах усиливающих перегородок коллекторов от воздействия высокого давления, водорода и агрессивной среды, т.к. угловые швы испытывают изгибные напряжения, швы усиливающих перегородок - растягивающие напряжения и величина этих напряжений достаточно велика.

Еще одним сдерживающим фактором при эксплуатации цельносварных камер секций АВО является обязательное проведение систематического контроля состояния сварных швов камер в процессе эксплуатации, и особенно внутреннего шва приварки усиливающей перегородки, который обеспечивает прочность всей конструкции. На основании характера имеющихся фактов разрушения коллекторов при эксплуатации, причиной которых являлся именно разрыв сварного шва перегородок, можно сделать вывод о внезапном развитии дефектов. В этом случае спрогнозировать их развитие можно на основе контроля методом акустической эмиссии (АЭ), но в процессе эксплуатации под давлением среды выполнить АЭ не представляется возможным. Проведение АЭ перед эксплуатацией не даст объективной оценки качества сварного соединения, так как дефекты развиваются в процессе колебания давления в аппарате, а также при пусках - остановах.

Из уровня техники известна камера распределительная продукта аппаратов воздушного охлаждения с трубчатой внутренней полостью и прямоугольной наружной геометрией (RU 2610972, кл. F28F 9/02, F28B 1/06, 2017 г.), содержащая корпус, на основе прямоугольного параллелепипеда, имеющего переднюю и заднюю грани, выполненные параллельно-плоскими. Внутренняя полость проточной камеры выполнена в виде параллельных цилиндрических каналов с осью, перпендикулярной осям отверстий для теплообменных труб и пробок, причем отверстия параллельных цилиндрических каналов выходят на торцевую сторону корпуса.

К недостаткам известной конструкции следует отнести отсутствие топологической оптимизации толщины стенок, т.е. отсутствие оптимизации распределения материала по толщине стенки коллектора при воздействии на нее заданных нагрузок от действия внутреннего давления с учетом прочностных свойств материала коллектора, в связи с чем, конструкция имеет избыточную металлоемкость. Кроме того, для предотвращения аварийных условий известные аппараты вынуждены делать с заведомо повышенной материалоемкостью, ведущей к необоснованному увеличению габаритов, снижающих теплопроводность стенок аппарата и повышающих стоимость оборудования.

Проблемой, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции распределительного коллектора аппарата воздушного охлаждения, использование которого исключает недостатки существующих технических решений.

Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости АВО, при сохранении прочностных свойств, повышение функциональной возможности и эффективности процесса охлаждения за счет обеспечения выполнения внутреннего пространства аппарата разной конфигурации, в том числе, количество рядов труб и количество ходов по трубному пространству, ориентацию труб внутри аппарата, а также снижение трудоемкости изготовления с повышением эксплуатационной надежности при работе с коррозионными средами и при высоком давлении, за счет уменьшения протяженности угловых сварных швов, с возможностью обслуживания распределительного коллектора при его эксплуатации.

Поставленная проблема и заявленный технический результат достигается за счет того, что распределительный коллектор аппарата воздушного охлаждения включает внутреннее пространство, образованное распределительными цилиндрическими каналами, торцы которых снабжены технологическими заглушками. Согласно изобретению, распределительные цилиндрические каналы образованы путем кольцевого сверления цельной монолитной заготовки, являющейся корпусом распределительного коллектора. Суммарная проходная площадь сечения распределительных каналов больше, и/или равна суммарной проходной площади сечения теплообменных труб, подсоединенных к распределительным цилиндрическим каналам распределительного коллектора.

В стенках корпуса дополнительно образованы, путем сверления, поворотные впускные и выпускные каналы, и дополнительные перепускные каналы, выполненные с возможностью пересечения распределительных каналов.

Распределительные каналы могут быть просверлены в стенках корпуса относительно каналов теплообменных труб, под углом α от 0° до 90°. Так, например, распределительные каналы могут иметь различное расположение относительно каналов теплообменных труб: параллельно, при α = 0°, перпендикулярно, при α = 90° или под произвольным углом α от 0 до 90°.

Выполнение распределительных цилиндрических каналов проточной камеры путем кольцевого сверления цельной монолитной заготовки, являющейся ее корпусом, создает условия для исключения из конструкции распределительного коллектора протяженных сварных швов, что обеспечивает высокую надежность при эксплуатации устройства, значительно сокращает время и трудоемкость изготовления распределительного коллектора с одновременными высокими физико-механическими характеристиками, а также с повышением эксплуатационной надежности при работе с коррозионными средами и при высоком давлении, за счет отсутствия нагруженных протяженных угловых сварных швов.

Выполнение распределительных каналов с суммарной проходной площадью сечения большей или равной суммарной проходной площади сечения теплообменных труб, обеспечивает низкие скорости потока в распределительных каналах и низкое гидравлическое сопротивление теплообменного пучка в целом.

При соблюдении указанных условий толщина стенок будет достаточной, чтобы противостоять воздействию внутреннего давления, но, не будет избыточной, чтобы не увеличивать вес и стоимость конструкции. Зависимость толщины стенки от внутреннего давления является ключевым фактором в процессе изготовления распределительного коллектора аппарата воздушного охлаждения.

Наличие впускных и выпускных переходных каналов обеспечивают связь с теплообменными трубами для поступления в распределительный коллектор и отвода из распределительного коллектора охлаждаемой среды.

Наличие дополнительных перепускных каналов, в монолитном корпусе, выполненных с возможностью пересечения распределительных каналов позволяет более эффективно организовать требуемое (расчетное) течение среды по ходам трубного пространства, что обеспечивает повышенный теплосъем аппарата воздушного охлаждения в целом за счет увеличения скорости охлаждаемого потока.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами, где: на фиг. 1 - общий вид распределительного коллектора в составе теплообменной секции аппарата воздушного охлаждения; на фиг. 2 - выноска А из фигуры 1; на фиг. 3 - входной распределительный коллектор; на фиг. 4 - элемент монолитного корпуса с распределительными каналами, расположенными под углом α к каналам теплообменных труб; на фиг. 5 - схема образования распределительных каналов в монолитном корпусе под углом α = 90°; на фиг. 6 - схема образования распределительных каналов в монолитном корпусе под углом α = 0°; на фиг. 7 - схема образования распределительных каналов в монолитном корпусе под углом α = от 0 до 90°; на фиг. 8 - конфигурация распределительного коллектора, в котором входной и выходной коллектор включает один распределительный канал; на фиг. 9 - конфигурация распределительного коллектора, в котором входной и выходной распределительные коллекторы включают по одному распределительному каналу во внутреннем пространстве, а поворотный коллектор - два распределительных канала и дополнительные переходные каналы между ними; на фиг. 10 - конфигурация распределительного коллектора, в котором входные и выходные распределительные коллекторы включают по два распределительных канала во внутреннем пространстве и дополнительные переходные каналы между ними; на фиг. 11 - построение сетки для конечно-элементной модели; на фиг. 12 - распределение напряжений от действия внутренних давлений.

Изобретение поясняется следующими позициями:

1 - корпус входного распределительного коллектора, выполненный цельным, монолитным из сплава на основе никеля, железа, хрома с добавлением молибдена;

2 - распределительный цилиндрический канал;

3 - технологическая заглушка распределительного канала;

4 - теплообменная труба;

5 - резьбовая пробка;

6 - перепускной канал;

7 - технологическая заглушка перепускного канала;

8 - корпус поворотного коллектора;

9 - входной канал;

10 - резьбовое отверстие под пробку;

11 - отверстия для теплообменных труб;

12 - входной коллектор;

13 - задний поворотный коллектор;

14 - передний поворотный коллектор;

15 - выходной коллектор;

16 - выходной канал.

Распределительный коллектор аппарата воздушного охлаждения работает следующим образом.

Расчетные условия работы распределительного коллектора, выполненного, например, из сплава 825, на основе никеля, железа, хрома с добавлением молибдена или аустенитно-ферритной (дуплексной) стали 2205 и включают возможность работы при давлении до 25 МПа и температуре до 350°С, со средой, включающей H₂O, H₂S, соли NH₄HS и NH₄Cl. Со стороны входа в корпус 1 во внутреннее пространство, охлаждаемая или конденсируемая среда поступает через входные каналы 9 в распределительный канал 2. Далее охлаждаемая среда распределяется по теплообменным трубам 4 через дополнительные перепускные каналы 6 и попадает в них и также распределяется по теплообменным трубам 4. Скорость потока в распределительных каналах 2 не должна превышать скорости потока в теплообменных трубах 4, а скорость потока в дополнительных перепускных каналах 6 должна быть ниже скорости потока в распределительных каналах 2 на 20%. В теплообменных трубах 4 происходит процесс теплообмена. Тепло от охлаждаемой среды потоком атмосферного воздуха отводится в окружающую атмосферу. Со стороны выхода охлажденная среда из теплообменных труб 4 попадает в распределительные каналы 2, далее в выходные каналы 16 и выводится за пределы аппарата. Продольные оси распределительных каналов 2 могут быть перпендикулярны продольным осям каналов теплообменных труб 4 (фиг. 6), продольные оси распределительных каналов 2 могут быть также образованы соосно продольным осям распределительных каналов 2 (фиг. 5), или под углом от 0 до 90° (фиг. 7).

Теплообменные трубы 4 закреплены в отверстиях распределительного коллектора при помощи развальцовки или обварки с развальцовкой. В отверстиях для крепления теплообменных труб 4 могут быть выполнены одна или две канавки (на фиг. не показано) для повышения надежности вальцовочного соединения. Напротив каждой теплообменной трубы 4 выполнено отверстие с резьбой, заглушаемое резьбовой пробкой 5 с прокладкой (фиг. 2, 3).

За счет того, что распределительный коллектор выполнен из монолитной заготовки (лист, поковка) путем формирования внутреннего пространства при помощи механической обработки сверлением, или кольцевым (трепанационным) сверлением, или фрезерованием, в устройстве отсутствуют протяженные и угловые сварные швы, которые испытывают высокие нагрузки и являются причиной аварий. Толщина внешних стенок корпуса 1 и стенок между распределительными каналами 2 топологически оптимизирована (фиг. 11 и 12), т.е. материал распределен по толщине стенки коллектора пропорционально воздействию на нее заданных нагрузок от действия внутреннего давления с учетом расчетных условий и прочностных свойств материала коллектора что, позволяет снизить металлоемкость коллектора с сохранением прочностных характеристик.

Изобретение относится к теплообменным аппаратам, а именно к аппаратам воздушного охлаждения технологических потоков. Распределительный коллектор аппарата воздушного охлаждения включает внутреннее пространство, образованное распределительными цилиндрическими каналами 2, торцы которых снабжены технологическими заглушками 3. Согласно изобретению, распределительные цилиндрические каналы 2 образованы путем кольцевого сверления цельной монолитной заготовки, являющейся корпусом 1. Суммарная проходная площадь сечения распределительных каналов 2 больше и/или равна суммарной проходной площади сечения теплообменных труб 4, подсоединенных к распределительным цилиндрическим каналам 2 распределительного коллектора. Технический результат - снижение металлоемкости АВО, при сохранении прочностных свойств, повышение функциональной возможности и эффективности процесса охлаждения за счет обеспечения выполнения внутреннего пространства аппарата разной конфигурации, снижение трудоемкости изготовления с повышением эксплуатационной надежности. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

1.Распределительный коллектор аппарата воздушного охлаждения, включающий внутреннее пространство, образованное распределительными цилиндрическими каналами, торцы которых снабжены технологическими заглушками, отличающийся тем, что распределительные цилиндрические каналы образованы путем кольцевого сверления цельной монолитной заготовки, являющейся корпусом распределительного коллектора, при этом суммарная проходная площадь сечения распределительных каналов больше, и/или равна суммарной проходной площади сечения теплообменных труб, подсоединенных к распределительным цилиндрическим каналам распределительного коллектора.

2. Распределительный коллектор аппарата воздушного охлаждения по п. 1, отличающийся тем, что в стенках корпуса дополнительно образованы путем сверления поворотные впускные и выпускные каналы, и дополнительные перепускные каналы, выполненные с возможностью пересечения распределительных каналов.

3. Распределительный коллектор по п. 2, отличающийся тем, что распределительные каналы просверлены в стенках корпуса относительно каналов теплообменных труб, под углом α от 0° до 90°.