BG62581B1 - Топлообменник - Google Patents

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до топлообменник, проектиран като корпус с една или повече спирални вложки с преминаваща през тях загряваща или охлаждаща работна среда, и средства за поддържане на чистотата на повърхностите, чрез които се пренася топлината по време на работа. Топлообменникът е приложим във всички области, където е необходимо пренасянето на топлинна енергия от един флуид към друг.

Предшестващо състояние на техниката

Топлообменникът трябва да поддържа добра топлопреносна характеристика, когато работната среда, която преминава през него, има силна тенденция за отлагане на покритие върху стените на канала. В следващото описание тази работна среда се нарича “първична среда” или “среда на процеса”. Първичната среда може да бъде флуид от производствен процес във формата на газ с твърди частици, газов поток със сажди или течност. От другата страна на стените на топлообменника протича втора среда, наречена “вторична среда” или “обслужваща среда”, чиято задача е да охлажда или нагрява първичната среда.

Вторичната среда може да бъде газ или течност.

Спиралната вложка има вътрешни канали, през които протича вторичната работна среда. Напречното сечение на вложката може да е във формата на една или повече правоъгълни тръби, съседни една на друга, или няколко съседни една на друга кръгли тръби, която по-нататък за простота се нарича “тръбна намотка”.

В единия край на цилиндричния корпус има входящ отвор за първичната работна среда, която протича през навивките на вложката или вложките към изходящия отвор в другия край. Вторичната работна среда може да бъде успореден или противопосочен поток в зависимост от това, което е по-подходящо за процеса.

Изобретението се отнася до топлообменник, който е снабден с централна тръба, разположена по централната ос на корпуса. Цен30 тралната тръба е аксиално подвижна и с възможност за въртене. Върху централната тръба е монтирано устройство за отстраняване на налепи по стените на канала, в който се пренася 5 първичната работна среда.

Върху повърхностите на топлообменника за пренасяне на топлината често се отлагат частици, които се прилепват към повърхностите и се разполагат като покритие, което на10 малява пренасянето на топлината. Работата на топлообменника много зависи от чистотата на повърхностите. Известно е, че даже тънък слой от частици или налепи намалява съществено ефективността на топлообмена. Ако се 15 образува един по-дебел слой покритие, отворът на канала се стеснява, при което се повишава съпротивлението на потока и се затруднява протичането на работната среда през него.

Понякога температурата на първичната 20 работна среда е толкова висока, че покритието се втвърдява за кратко време, поради което възниква необходимост охлаждащите повърхности да се поддържат чисти по един ефективен начин, без добавяне на чужди вещества, 25 които биха замърсили потока на продукта.

Общ проблем за топлообменниците е, че процесът за отстраняване на замърсяването е относително сложен. Известни са много конструкции на почистващи средства и начини за вътрешно и външно отстраняване на замърсяванията върху тръбите, плочите и корпуса.

Обичайният метод за почистване на топлообменниците включва промиване на тръбите и корпуса с течност, към която може да се добави разтворител на съответното замърсяване. Друг метод, който се използва, се състои в демонтиране на целия топлообемнник и механично изчистване на целия тръбен възел и корпус чрез измиване и остъргване.И двата метода, обаче, изискват разкачване на топлообменника от процеса, което обикновено е скъпо и трудоемко.

В WO 88/01362 е описан топлообменник с множество спирални тръбни навивки, които са съставени от множество успоредни тръби, разположени една след друга. Тръбните навивки с разпределителна глава във всеки край са монтирани по надлъжна централна тръба, позволявайки по този начин целият тръбен възел заедно с разпределителните глави да бъде изтеглен от корпуса. Процесът на демонтиране се улеснява и се намалява времето за почист2 ване. Топлообменикът обаче не е конструиран като самопочистващ се или без специално почистващо средство.

От NO 45071 е известен въртящ се топлообменник с неподвижно инсталирани остъргващи устройства. Тези устройства са разположени в каналите, в които се пренася газовия поток, и остъргват саждите от охлажданите повърхности. Остъргващите устройства обхващат цялото напречно сечение на канала, поради което е необходимо газовият поток да се насочи към двете страни на устройствата.

Техническа същност на изобретението

Задача на настоящото изобретение е да се създаде топлообменник, който или е самопочистващ се, или е без външни почистващи средства, при което се осигурява почистване на топлообменника по време на работа.

Задачата е решена с топлообменник с корпус и неподвижно монтирана спирална вложка, която образува канал за една топлообменна работна среда, като вложката е конструирана с един или повече канали за втора топлообемнна работна среда, и централна тръба, разположена по централната ос на корпуса, снабдена с остъргващо устройство. За топлообменника е характерно, че централната тръба с остъргващото устройство е аксиално подвижна и с възможност за въртене.

В едно предпочитано изпълнение на топлообменника остъргващото устройство е изградено от спирална вложка от същия тип, както неподвижно монтираната спирална вложка, при което канал, предвиден в спиралната вложка, е във флуидна връзка с втората топлообменна работна среда посредством централната тръба.

В друг вариант на изпълнение на тополобемнника остъргващото устройство е конструирано като едно или повече остъргващи рамена които за предпочитане са с цилиндрична форма и дължината им е по-голяма от диаметъра им.

При този вариант на изпълнение е целесъобразно остъргващите рамена да се снабдени с вътрешна тръба, оформяйки по този начин канал, който е във флуидна връзка с втората топлообменна работна среда.

Целесъобразно е за всяка навивка на спиралната вложка да са предвидени едно или повече остръгващи рамена, разположени си метрично около централната тръба.

Подходящо е също така една или повече повърхности на остъргващото устройство, конструирано или като спирална вложка, или като остъргващи рамена, да са снабдени с четки, остриета, изстъргващи режещи ръбове, присъединени към повърхността, или повърхностите да са грапави или зърнести, или да са с канали или ръбове, за предпочитане разположени в определена конфигурация.

Целесъобразно е, когато остръгващото устройство е във формата на спирална вложка, една или повече повърхности на неподвижно монтираната вложка да бъде снабдена с четки, остриета, изтръгващи или режещи ръбове, присъединени към повърхността, или канали или ръбове, за предпочитане подредени в определена конфигурация.

Предимствата на топлообменника съгласно изобретението са в това, че отпада необходимостта от допълнителни елементи за отстраняване на наслагванията, поради наличието на подвижната тръбна намотка, която е част от самия топлообменник. При изпълнението на топлообменника с остръгавщи рамена, те могат да бъдат значително по-тесни от канала, така че да не препятстват протичането на флуида на първичната работна среда. В това изпълнение двете повърхности на остръгващите рамена са винаги чисти от налепи, поради което теглото им не се увеличава и това е допълнително предимство на изобретението.

Описание на приложените фигури

Изобретението се пояснява по-подробно на приложените фигури, които илюстрират примерни изпълнения на топлообменника.

Фигура 1 представлява разрез на топлообменник с неподвижно монтирана спирална вложка и спирална вложка, монтирана към подвижна централна тръба.

Фигура 2 - надлъжен разрез на топлообменник с неподвижно монтирана спирална вложка и остръгващи елементи във формата на рамена, закрепени към подвижната централна тръба.

На фигурите еднаквите части са означени с еднакви цифри.

Примери за изпълнение на изобретението

На фиг.1 топлообменникът е означен с 1.

Той се състои от корпус 2, конструиран с вътрешна стена 3. Корпусът 2 може също така да има външна стена 4, така че да се оформи канал 5. Каналът 5 има входящ отвор 6 и изходящ отвор 7 за работна среда. Вторичната работна среда може да преминава през канала 5, вътрешната стена 3 на корпуса 2, като съдейства по този начин на топлообмена. Корпусът 2 може да бъде снабден с фланец 8, което позволява монтирането му към изходящ отвор на работещо съоръжение, например реакторна камера.

Една спирална вложка във формата на тръбна намотка 9 е монтирана към вътрешната стена 3. Тръбната намотка 9 е за предпочитане да има по-голяма ширина, т.е. удължение в радиална посока, отколкото височина, която е удължение в аксиална посока. Тръбната намотка 9 може да има правоъгълно, трапецовидно или триъгълно напречно сечение. Разстоянието между навивките в тръбната намотка 9 може да се сравни със стъпката на резбата на винт, като броя на навивките може да се избере в зависимост от изискванията на топлопренасянето и т.н.

Обикновено тръбната намотка 9 е изградена от плочи, а стените са повърхностите за пренасяне на топлината (топлообменните повърхности). В някои случаи е необходимо високо налягане на вторичната работна среда, например при производството на пара чрез използване на отделена топлина при процес. В този случай спиралната тръбна намотка 9 може да бъде съставена от няколко тръби, разположени една след друга, или тръбната намотка 9 може да бъде укрепена чрез заваръчни връзки. Вторичната работна среда се пропуска през канала 10 на тръбната намотка 9, която е проектирана с входящ отвор 11 и изходящ отвор 12.

Топлообенникът е проектиран с централна тръба 13, разположена по централната ос на корпуса 2. Централната тръба 13 е аксиално подвижна, с възможност за въртене и е вкарана в корпуса 2, като проходният отвор е херметизиран чрез салниково тяло по традиционен начин.

Към централната тръба 13 е монтирана спирална вложка във формата на тръбна намотка 15, която има същото разстояние между навивките както тръбната намотка 9. По този начин тръбната намотка 15 може да бъде въве дена в корпуса между неподвижно монтираната спирална тръбна намотка 9.

Вторичната работна среда преминава през канал 16 в тръбната намотка 15. Тръбната намотка може да има правоъгълно, трапецовидно или триъгълно напречно сечение и да се състои от няколко тръби, разположени една до друга. Централната тръба 13 е конструирана с вътрешна тръба 17, оформяйки по този начин канали, които пренасят и разпределят вторичната работна среда към и от тръбната намотка 15. Централната тръба 13 е конструирана с входящ отвор 18 и изходящ отвор 19 за вторичната работна среда.

Двете тръбни намотки 9 и 15 и корпусът 2 съдействат за топлообмена, тъй като вторичната работна среда преминава през каналите 10 и 16 и през канала 5 в корпуса 2.

Между тръбните намотки 9 и 15, които са разположени на определено разстояние една от друга, е оформен спирален канал 20, като първичната работна среда преминава през този канал. Чрез инсталиране на няколко паралелни тръбни намотки 9 и 15 първичният поток се разделя на няколко паралелни потока.

Първичната работна среда преминава от входящия отвор 21 през спиралния канал 20, оформен между стените на двете тръбни намотки 9 и 15, вътрешната стена 3 на корпуса 2 и централната тръба 13, към изходящия отвор 22.

Ширината на тръбните намотки 9 и 15 е подбрана така, че те се простират между централната тръба 13 и вътрешната стена 3 на корпуса 2 с определена хлабина.

Конструктивните елементи на топлообменника могат да се направят от различни материали в зависимост от работните температури на използваната първична и вторична работна среда.

Посоката на протичане на първичната работна среда и на вторичната работна среда може да бъде избрана в съответствие със съществуващото изискване за топлообмен, като така може да бъде постигнат топлообмен при паралелни или насрещни потоци по известния начин.

На фиг.2 е показано примерно изпълнение, при което остъргващи рамена са монтирани върху централната тръба. В друго отношение топлообменникът е конструиран как то този съгласно фиг.1 като еднаквите части са означени с еднакви цифри.

Топлообменникът е конструиран със спирална вложка във формата на тръбна намотка 9. Между навивките на тръбната намотка 9 е оформен спирален канал 20, при което първичната работна среда преминава през този канал от входящия отвор 21 към изходящия отвор 22. Вторичната работна среда преминава през канала 10 от входящия отвор 11 към изходящия отвор 12.

Към централната тръба 13, която е аксиално подвижна и с възможност за въртене, са монтирани остъргващи елементи във формата на остръгващи рамена 23. За предпочитане е за всяка навивка на тръбната намотка 9 да бъдат монтирани две остъргващи рамена 23, разположени диаметрално. Броят на остъргващите рамена 23 може да бъде увеличен, като по този начин съответно се намалява необходимият ъгъл на въртене.

Остъргващите рамена 23 предпочитано се проектират с цилиндрична форма с по-голяма дължина, т.е. удължение в радиална посока, отколкото е диаметърът, т.е. удължение в аксиална посока. Дължината на остъргващото рамо е подобрена така, че то се простира от централната тръба 13 към вътрешната стена 3 на корпуса 2 с определена хлабина. По този начин остъргващото рамо 23 почиства вътрешната стена 3 на корпуса 2. Остъргващите рамена 23 се проектират много по-тесни от ширината на канала 20, като по този начин не се затруднява протичането на първичната работна среда през канала 20. Подбира се минимален брой на остъргващите рамена 23 в канала 20, така че протичането на първичната работна среда да се възпрепятства в най-малка степен.

Ако е необходимо, централната тръба 13 и остъргващите рамена 23 се охлаждат. В този случай остъргващите рамена са снабдени с вътрешна тръба 24, оформяйки по този начин канали за охлаждаща среда. Тръбите 24 са монтирани към вътрешната тръба 17 в централната тръба 13. В централната тръба 13 се оформят по този начин канали, които пренасят и разпределят охлаждаща работна среда към почистващите рамена 23. Охлаждащата среда, която може да бъде вторичната работна среда, се въвежда през входящия отвор 18 и се изпуска през изходящия отвор 19 в централната тръба 13.

Апаратурата работи по следния начин, разкрит в описания пример на почистващ цикъл. Могат да се използват и други цикли. Топлообменните повърхности с налепи се чистят чрез аксиално преместване на централната тръба 13 с тръбната намотка 15, например в посока към входящия отвор 21, докато стените на тръбната намотка 15 са в контакт със стените на тръбната намотка 9, или застанат на определено разстояние една от друга, или докато налепите се допрат. За предпочитане е охлаждащите повърхности да са придвижени близо една до друга, но по такъв начин, че да не влизат директно в контакт една с друга. Това предотвратява износването на повърхностите, което само по себе си е недостатък. Предотвратява се и замърсяването на първичната работна среда от материалите, които се отстраняват от топлообменните повърхности.

Централната тръба 13 след това се завърта на половин оборот, например по посока на часовниковата стрелка като в същото време стените на тръбните намотки 9 и 15 се поддържат на едно и също разстояние една от друга. Подвижната тръбна намотка 15 се навива по неподвижната тръбна намотка 9 и налепите се остъргват или изтриват от повърхностите на стените на целия отвор на канала.

Следващата стъпка в процеса на почистване се състои в аксиално придвижване на централната тръба 13 в посока към салниковото тяло докато стените на тръбните намотки 9 и 15 влязат в контакт една с друга. Централната тръба 13 се завърта на половин оборот обратно на часовниковата стрелка, предизвиквайки изстъргването или изтриването на налепите по повърхностите.

Накрая централната тръба 13 се придвижва така, че тръбната намотка 15 се разполага в неутрално положение.

За да се обхванат двете страни на двата края на вложките, като се предизвиква триенето им една в друга, те трябва да се завърта поне на един оборот една спрямо друга. В положението, в което повърхностите се покриват една с друга, т.е. когато повърхностите са навити на една в друга и се допират, триещото движение, може да бъде кратко, за да се отделят налепите. Въртеливото движение може да се намали, но това ще предизвика намален почистващ ефект върху част от периферните повърхности на вложката.

Почистващият цикъл може да се изпълни в същата последователност (т.е. със същите стъпки), когато върху централната тръба 13 са монтирани остъргващи рамена 23. Възможно е обаче да е необходимо завъртането на централната тръба 13 на един или повече оборота всеки път в зависимост от броя на почистващите рамена 23, монтирани върху тръбата 13.

Чрез почистващ цикъл от този вид всички охлаждани повърхности се остъргват в канала 20, както и стените на тръбните намотки 9 и 15, вътрешната стена 3 на корпуса 2 и външната повърхност на централната тръба 13. Това е едно от предимствата на изобретението. 15

В допълнение тръбната намотка 15 или едно остъргващо рамо 23 ще почиства цилиндричната вътрешна стена 3 на определено разстояние над входа на спиралния канал 20. Дължината на почистваната повърхност може 20 да се избере чрез проектирането на централната тръба 13 и аксиалното й движение. Почистващо рамо може да се монтира извън тръбната намотка 9.

На изхода на реактор, котел или подоб- 25 но съоръжение обикновено се получава намаляване на напречното сечение на потока, което на свой ред може да предизвика силна концентрация на частици и налепи. Чрез поставяне на топлообменника под реакторна камера или 30 котелното помещение тръбната намотка 15 или едно или повече остъргващи рамена 23 ще имат повдигащо или въртеливо движение, причинявайки по този начин свободните материали над топлообменника да паднат и да следват пото- 35 ка на продукта извън системата.

Напречното сечение на канала 20 се избира така, че скоростта на потока на първичната работна среда е достатъчна, за да позволи отстранените налепи да последват потока 40 извън топлообемнника. Чрез правилен избор на посоката на остъргване по отношение силата на гравитация, почистващите рамена 23 могат да подпомогнат отстранените налепи на напуснат топлообменника. 45

За предпочитане е топлообменните повърхности в един топлообемнник да са гладки. За да се увеличи почистващия ефект едната повърхност или двете повърхности, които влизат в контакт една с друга по време на почис- 50 тващите етапи, могат да са снабдени с четки, да имат груба или зърнеста повърхност, кана ли или ръбове с определена шарка или със зъбци, изстъргващи или режещи ръбове. Това не е показано на чертежите.

В едно примерно изпълнение повърхност5 та може да има неравномерен профил, например вълнист. Налепите ще бъдат изложени на вариращи натоварвания, когато повърхностите се трият една срещу друга, и което улеснява отстраняването им.

В друго изпълнение повърхността може да бъде снабдена с канали, като ръбове в определена шарка, в които каналите са наклонени по отношение на радиалната посока. Когато повърхностите се завъртат една спрямо друга, налепите се придвижват отстрани и се избутват от шарката.

Централната тръба 13 може да се свърже към устройство, което може да се задвижва от двигател, например с хидравлично управление, изпълнявайки по този начин аксиални възвратни и въртеливи движения, които са необходими за почистващия цикъл.

Един почистващ цикъл може да тече непрекъснато или периодично, като скоростта на почистване може да се контролира, например чрез температурната разлика между входящия и изходящия отвор за една от работните следи или чрез изходящата температура за една от работните среди когато входящата температура и скоростта на потока са постоянни.

Температурните сензори 25, например термоелементи, могат да се разположат при входящия отвор 21 и изходящия отвор 22. Намаляването на температурната разлика за първичната работна среда между две точки на измерване показва, че топлообменът се намалява поради образуването на налепи, което може да стартира почистващ цикъл или да увеличи неговата скорост.С топлообменника съгласно изобретението почистването може да се изпълнява по време на работа. Не е необходимо да се преустановява процеса, за да се промие топлообменника или да се разкачва за почистване.

Claims (7)

1. Патентни претенции

   1. Топлообменник с корпус (2) и неподвижно монтирана спирална вложка (9), която образува канал (20) за една топлообменна работна среда, като вложката (19) е конструирана с един или повече канали (10) за втора

   I топлообменна работна среда, и централна тръба (13), разположена по централната ос на корпуса (2), снабдена с остъргващо устройство, характеризиращ се с това, че централната тръба (13) с остъргващото устройство (15,23) е аксиално подвижна и с възможност за въртене.
2. 2. Топлообменник съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че остъргващото устройство е изградено от спирална вложка (15) от същия тип, както неподвижно монтираната спирална вложка (9), при което канал (16) , предвидена в спиралната вложка (15), е във флуидна връзка с втората топлообменна работна среда посредством централната тръба (13).
3. 3. Топлообменник съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че остъргващото устройство е конструирано като едно или повече остъргващи рамена (23), които за предпочитане са с цилиндрична форма и дължината им е по-голяма от диаметъра им.
4. 4. Топлообменник съгласно претенция 3, характеризиращ се с това, че остъргващите рамена (23) са снабдени с вътрешна тръба (24), оформяйки по този начин канал, който е във флуидна връзка с втората топлообменна работна среда.
5. 5. Топлообменник съгласно претенция 1,3 или 4, характеризиращ се с това, че за всяка навивка на спиралната вложка (9) са предвидени едно или повече остъргващи рамена (23), разположени симетрично около централната 5 тръба (13).
6. 6. Топлообменник съгласно коя да е от претенции от 1 до 5, характеризиращ се с това, че една или повече повърхности на остъргващо устройство, конструирано или като спи-

   10 радиа вложка (15), или като остъргващи рамена (23), са снабдени с четки, остриета, изстъргващи или режещи ръбове, присъединени към повърхността, или повърхностите са грапави или зърнисти, или са с канали или ръбове, 15 за предпочитане разположени в определена конфигурация.
7. 7. Топлообменник съгласно коя да е от претенции от 1 до 6, характеризиращ се с това, че когато остъргващото устройство е във фор-

   20 мата на спирална вложка (15), една или повече повърхности на неподвижно монтираната вложка (9) може да бъде снабдена с четки, остриета, изстьргващи или режещи ръбове, присъединени към повърхността, или канали 25 или ръбове, за предпочитане подредени в определена конфигурация.

   Приложение: 2 фигури

   Издание на Патентното ведомство на Република България

   1113 София, бул. Д-р Г. М. Димитров 52-Б