теплообменный аппарат

Формула изобретения

1. Теплообменный аппарат, содержащий корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси аппарата трубы в форме усеченных конусов, вертикальную центральную трубу для расположения термопар, отличающийся тем, что трубы в форме усеченного конуса выполнены с одновременным наклоном относительно оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата.

2. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что трубы в форме усеченного конуса наклонены в направлении вокруг оси аппарата путем смещения концов по окружностям их размещения, при этом углы наклона труб составляют 0,5-50,0°.

3. Теплообменный аппарат по п.1, отличающийся тем, что отверстия в трубных решетках выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами.

Описание изобретения к патенту

втИзобретение относится к теплоэнергетике, к теплообменной аппаратуре и может быть применено в энергетической, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности, при осуществлении гетерогенно-каталитического окисления, дегидрирования и других процессов.

Известен кожухотрубный теплообменный аппарат, содержащий кожух цилиндрической формы, трубы с трубными решетками, поперечные решетки и перегородки винтообразной формы в межтрубном пространстве, днища и патрубки входа и выхода потоков, (авт.свид. СССР № 345336, МПК F28D 7/16, опубл. 1970 г.). Теплообменник сложный в изготовлении и обладает большой металлоемкостью.

Известен кожухотрубный теплообменник, содержащий винтообразно закрученные теплообменные трубы овального профиля. При циркуляции теплообменивающихся сред в трубах и в межтрубном пространстве поддерживаются закрученные потоки посредством закрученной конструкции труб (а.с. СССР № 840662, МПК F28D 7/00, F28F 1/06, опубл. 1979 г.). Данный теплообменник может быть использован в ограниченных случаях, так как при больших скоростях потоков возможно усиление вибрации, ремонт и очистка труб достаточно проблематичны.

Известен реактор для каталитической очистки газообразных выбросов, содержащий в цилиндрическом корпусе ряд устройств, в том числе трубчатый теплообменник, трубы которого выполнены наклонными и расположены по круговому периметру корпуса, а также закреплены в трубных досках, отделяющих полости корпуса для очищаемого и очищенного газовых потоков. Газы, проходя через трубы, затем между трубами, должны подвергаться закручиванию из-за наклона труб, усиливая теплообмен между исходным и нагретым потоками (патент РФ 2299089, МПК B01D 53/86, F23G 7/06, опубл. 2005 г.). Недостатками являются неравномерные скорости в центральном и периферийном участках аппарата, а также нерациональное использование рабочего объема.

Известен теплообменный аппарат, наиболее близкий к заявляемому изобретению, который содержит корпус в виде усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, перегородки, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены трубы в форме усеченных конусов под углом к центральной оси аппарата, а также одну центральную трубу, ось которой совпадает с осью аппарата (патент РФ № 2372572, МПК F28D 15/00, опубл. 2009 г.).

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении интенсивности теплообмена при уменьшении металлоемкости, сопротивления потоку в межтрубном пространстве и упрощении конструкции.

Технический результат достигается тем, что в теплообменном аппарате, содержащем корпус в форме усеченного конуса с днищами, патрубки ввода и вывода теплоносителей в трубное и межтрубное пространства, трубные решетки, в отверстиях которых закреплены по концентрическим окружностям наклонно к оси аппарата трубы в форме усеченных конусов, вертикальную центральную трубу для расположения термопар, новым является то, что трубы в форме усеченного конуса выполнены с одновременным наклоном относительно оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата.

Трубы в форме усеченного конуса наклонены в направлении вокруг оси аппарата путем смещения концов по окружностям их размещения, при этом углы наклона труб составляют 0,5-50,0 градусов.

Отверстия в трубных решетках выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами.

На фиг.1 представлен разрез теплообменного аппарата с наклонными трубами; на фиг.2 - вид по поперечному сечению А-А; на фиг.3 - узел I (выполнение отверстий в трубных решетках).

Теплообменный аппарат (фиг.1) содержит корпус 1 в форме усеченного конуса с днищами 2 и 3, патрубки 4 и 5 ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, патрубки 6 и 7 соответственно ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, трубные решетки 8 и 9, в отверстиях которых закреплены трубы в форме усеченного конуса 10 и 11. В центральной вертикальной трубе 11 в кожухе расположены термопары 12. Трубы 10 расположены под углом к центральной оси корпуса 1, расширяются в направлении его расширения, при этом угол наклона труб 10, расположенных ближе к центральной оси корпуса меньше углов наклонов труб 10, расположенных на периферии. Наклоны труб 10, полученные смещением концов труб 10 по окружностям их размещения на решетках 8 и 9, существенно больше наклона относительно оси аппарата. Величина углов дополнительных наклонов труб 10 составляет 0,5÷50 градусов. Смещению труб 10 могут быть подвергнуты как верхние, так и нижние концы, а также одновременно, но в противоположные направления. Форма корпуса 1 и труб 10, представляющая собой усеченные конусы, а также наличие наклона относительно оси аппарата позволяют добиться дополнительного наклона труб 10 в направлении вокруг оси аппарата на достаточно большие углы относительно секущих плоскостей, проходящих через трубы 10 в радиальном направлении. В результате, не меняя расстояния между трубами 10, достигают оптимального их расположения для протока теплоносителей в закрученном режиме в трубном и межтрубном пространствах. В целях упрощения сборки, отверстия в трубных решетках 8 и 9 выполнены под усеченные конусы одинаковой высоты сомкнутыми малыми вершинами. Корпус аппарата 1, трубный пучок и трубы 10 и 11, имеющие форму усеченного конуса, наличие наклонов труб 10 одновременно относительно оси аппарата и в направлении вокруг оси аппарата в совокупности позволили пропускать теплоносители в режиме закрученных потоков более равномерно во всем объеме межтрубного пространства. При этом увеличивается интенсивность теплообмена без применения дополнительных устройств - интенсификаторов, а также уменьшается высота трубного пучка по сравнению с высотой пучка в аппарате-прототипе, и следовательно, уменьшается объем межтрубного пространства, что позволяет увеличить расход теплоносителя.

Теплообменный аппарат работает следующим образом. При организации работы аппарата прямотоком, теплоноситель трубного пространства поступает через патрубок 4 и днище большого диаметра 2 в трубы 10 и 11 (фиг.1), затем, проходя в виде закрученного потока по этим трубам 10 и 11, отдавая или принимая тепло через стенки от теплоносителя межтрубного пространства, выходит через днище малого диаметра 3 и патрубок 5 из аппарата. Теплоноситель межтрубного пространства поступает в аппарат через патрубок 6, проходя в виде закрученного потока, отдает или принимает тепло через стенки труб 10 и 11 и выходит через патрубок 7.

По мере продвижения теплоносителей в область малых диаметров корпуса 1 и труб 10 и 11, разность температур между теплоносителями постепенно уменьшается; в то же время потоки сужаются, следовательно, скорости потоков увеличиваются. Это компенсирует уменьшающуюся интенсивность теплообмена, вызываемую уменьшением разности температур. В результате интенсивность теплообмена остается более постоянной на всей теплообменной поверхности. Одновременно, существенное отклонение от прямолинейного движения потока в трубах 10, вызванное изменениями углов атак на внутренние стенки, из-за наклонов труб 10, усиливает теплопередачу и приближает к значениям, достигаемым при использовании дополнительных устройств-интенсификаторов. Если высокая интенсивность теплообмена вблизи входа теплоносителей определялась высокой температурной разностью, то вблизи выхода - высокими скоростями потоков. В закрученном потоке теплоносителя меньше разность температур в радиальном направлении между центральным и пристенным участками труб 10, что весьма важно при низких теплопроводностях загруженного материала и потока. В заполненных высокопористыми ячеистыми материалами или твердыми катализаторами трубах 10 и 11 меньше вероятность неравномерного износа, накопления загрязнений и образования каналов наименьшего сопротивления.

При использовании теплообменного аппарата в качестве реактора экзотермического процесса реакционная смесь начальной высокой концентрации реагирующих веществ подвергается через стенки труб 10 и 11 воздействию свежего теплоносителя межтрубного пространства, а также большему количеству катализатора на единице пути. Интенсивная реакция, сопровождаемая интенсивным тепловыделением, протекает в зоне интенсивной теплопередачи, вызванной большой разностью температур. При поступлении в область сужений реакционная масса в трубном пространстве обедняется реагирующими компонентами, скорость реакции уменьшается, тепловыделение должно было бы уменьшаться. Однако в этой области скорости теплоносителей увеличиваются, благоприятствуя сдвигу равновесия в сторону образования целевых продуктов, частота столкновений с частицами катализатора также увеличивается, уменьшенный диаметр труб способствует быстрой передаче тепла реакции. Вследствие этих факторов интенсивность реакции и тепловыделение остаются высокими, интенсивность теплообмена не снижается. В итоге происходит более полное и равномерное протекание процесса в аппарате. Более того, увеличение скорости реакционной массы вблизи выхода из аппарата позволяет избежать распада некоторой части целевого продукта, который усиливается при долгом пребывании в реакционной зоне. Ориентировочные расчеты показали увеличение выхода целевого продукта на 3,0-5,0% за счет оптимизации теплосъема.

В случае организации теплообмена прямотоком, теплоноситель трубного пространства поступает через патрубок 5 и днище 3 в трубы 10 и 11; при прохождении по трубам 10 и 11 происходит теплообмен с теплоносителем межтрубного пространства, затем через днище 2 и патрубок 4 выходит из аппарата. Теплоноситель межтрубного пространства поступает через патрубок 7, проходит, закручиваясь и обмениваясь теплом с теплоносителем трубного пространства, между трубами 10 и 11 и выходит через патрубок 6 из аппарата. В процессах каталитического превращения углеводородов в начальный период реакции реакционная смесь богата сырьем, интенсивность реакции и теплопоглощение высоки. Подача свежего теплоносителя в область высоких скоростей обеих теплоносителей (в область входа сырья), а также закрученность потоков компенсируют начальное теплопоглощение. По мере продвижения реакционной смеси вдоль аппарата она обедняется сырьем, при этом поглощение тепла уменьшается. Постепенно начинает влиять увеличение катализаторной массы в единице длины труб 10 и 11. Образование целевых продуктов остается на прежнем уровне. Использование предлагаемого аппарата в качестве реактора дегидрирования по этой схеме позволяет избежать затухания реакции и увеличивать выход целевых продуктов на 5-7 процентов, а также несколько снизить начальную температуру нагревающего теплоносителя.

При организации теплообмена противотоком нагревающийся поток поступает через патрубок 5 и днище 3 в трубы 10 и 11 и выходит через днище 2 и патрубок 4. Нагревающий поток поступает через патрубок 6, проходя между трубами 10 и 11, выходит через патрубок 7. Данная схема предпочтительна в случае использования аппарата в качестве испарителя или кипятильника. В этом случае испаряющийся теплоноситель проходит по трубам 10 и 11, а испаряющий - по межтрубному пространству. По мере приближения этого потока в область расширений, он нагревается до кипения за счет все более увеличивающегося повышения теплосодержания испаряющего теплоносителя и пути прохождения. У выхода из трубок общая площадь испарения или кипения увеличивается за счет расширения труб 10 и 11. Следовательно, процесс парообразования и теплообмена происходит более интенсивно. Дополнительное тепло, необходимое для парообразования, компенсируется начальной высокой температурой испаряющего теплоносителя и закрученных потоков.

Начальное соприкосновение теплоносителя в межтрубном пространстве с поверхностями периферийных труб 10 происходит под углом гораздо меньшим 90 градусов. Поток быстрее и с меньшим сопротивлением по сравнению с сопротивлением в аппарате-прототипе, распределяется в объеме около входа и выхода, что позволяет избежать местных перегревов. Это в сочетании с закручиванием потока обеспечивает более равномерную его плотность, стабильную турбулентность и уменьшение сопротивления.

Уменьшение высоты трубного пучка позволяет уменьшить объем межтрубного пространства, что приводит к увеличению объемного расхода теплоносителя при неизменном начальном расходе в межтрубном пространстве и способствует более интенсивному теплообмену и осуществлению высокотемпературных процессов, кроме того, уменьшаются габариты теплообменного аппарата и, следовательно, металлоемкость.