EA005543B1

EA005543B1 - Пучок труб

Info

Publication number: EA005543B1
Application number: EA200401027A
Authority: EA
Inventors: Доминикус Фредерикус Малдер
Original assignee: Шелл Интернэшнл Рисерч Маатсхаппий Б.В.
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2005-04-28
Also published as: US7997329B2; DE60309431D1; KR20040086336A; ATE344431T1; CA2474935A1; EP1472500A1; PT1472500E; AU2003218972A1; ES2274218T3; CN1628234A; EP1472500B1; EA200401027A1; CA2474935C; AU2003218972B2; US20030173066A1; CN100359280C; KR101205760B1; DE60309431T2; WO2003067170A1; JP2005517150A

Abstract

Предлагается цилиндрический резервуар, представляющий собой цилиндрическую оболочку (30), внутри которой расположен пучок труб, составленный из некоторого множества параллельных труб (1, 5, 9) и имеющий поперечные опоры (21, 22, 23, 24, 25), расположенные с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и предназначенные для поддерживания труб (1, 5, 9) внутри цилиндрического резервуара, при этом каждая поперечная опора (21, 22, 23, 24, 25) представляет собой тонкий лист растянутого металла.

Description

Настоящее изобретение относится к пучку труб, содержащему множество параллельных труб и поперечных опор, расположенных с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и предназначенных для поддерживания труб внутри цилиндрического резервуара. В другом своем аспекте, настоящее изобретение относится к цилиндрическому резервуару, снабженному расположенным внутри него пучком труб, а еще в одном своем аспекте настоящее изобретение относится к теплообменнику, содержащему цилиндрическую оболочку и пучок труб, расположенный внутри цилиндрической оболочки.

Основной областью применения пучка труб являются оболочечно-трубчатые теплообменники. В общем, оболочечно-трубчатый теплообменник представляет собой цилиндрический резервуар, снабженный расположенным внутри него пучком труб, содержащим некоторое множество параллельных труб, которые уложены внутри резервуара в продольном направлении, при этом пучок труб дополнительно содержит поперечные опоры, расположенные с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и предназначенные для поддерживания труб внутри цилиндрического резервуара.

Хорошо известно, что оболочечно-трубчатый теплообменник представляет собой теплообменник непрямого действия, в котором происходит обмен тепла между текучей средой, проходящей по трубам, входящим в состав пучка труб (с трубчатой стороны), и текучей средой, проходящей через пространство, находящееся снаружи труб (с оболочечной стороны). Подробное описание оболочечно-трубчатых теплообменников можно, например, найти в книге Ретгу'к Сйеш1са1 Еидшеега' НаибЬоок, издание 5-е, 1973, издательство МсСга\\-НШ 1ис., стр. с 11-3 по 11-21. Пучок труб представляет собой наиболее важную часть теплообменника. Концы труб крепятся к трубному листу. Теплообменник может иметь два трубных листа, по одному с каждого конца цилиндрического резервуара, либо один трубный лист, находящийся с одного конца цилиндрического резервуара, в том случае если теплообменник представляет собой теплообменник с И-образными трубами.

Следует понимать, что промежуточные части труб также нуждаются в опоре, например, для того, чтобы предотвратить повреждение труб вследствие вибраций, вызываемых потоком текучей среды. Для поддерживания промежуточных частей труб предусматривается, чтобы в состав пучка труб входили также поперечные опоры, расположенные с интервалом друг относительно друга в осевом направлении. Обычная опора представляет собой отражательную перегородку, причем существует несколько разных видов отражательных перегородок, которые рассматриваются в вышеуказанном источнике информации (Ретгу'к). Отражательные перегородки не только поддерживают трубы, но поскольку они ограничивают проходное сечение с оболочечной стороны теплообменника, отражательные перегородки обеспечивают также и регулирование величины расхода текучей среды, проходящей с оболочечной стороны. Следовательно, конструкция отражательной перегородки также определяется, исходя из соображений обеспечения эффективной теплопередачи.

В описании изобретения к патенту США № 2018037 раскрывается трубная опора, конструкция которой способствует меньшему ограничению проходного сечения с оболочечной стороны теплообменника. В этой публикации раскрывается пучок труб, содержащий некоторое множество параллельных труб и поперечных опор, расположенных с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и предназначенных для поддерживания промежуточных частей труб внутри цилиндрического резервуара, при этом такие промежуточные опоры состоят из прутков или стержней, расположенных в проходах между рядами труб. Поперечная опора состоит из опорного кольца, которое имеет несколько меньший наружный диаметр, чем внутренний диаметр цилиндрического резервуара, и из параллельных прутков или стержней, которые крепятся своими концами к этому опорному кольцу. Когда трубы в пучке труб расположены в форме треугольника (при котором трубы размещаются таким образом, что их центры находятся в угловых точках равносторонних треугольников), то тогда для поддерживания труб во всех направлениях достаточно будет предусмотреть наличие комплекта, состоящего из трех поперечных опор, расположенных с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и с угловым смещением по отношению друг к другу на 60°. А когда трубы расположены в форме квадрата (при котором трубы размещаются таким образом, что их центры находятся в угловых точках квадратов), то тогда для поддерживания труб во всех направлениях достаточно будет предусмотреть наличие комплекта, состоящего всего лишь из двух поперечных опор, расположенных с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и с угловым смещением по отношению друг к другу на 90°.

Поскольку известные поперечные опоры состоят из опорного кольца и параллельных прутков или стержней, закрепленных внутри этого кольца, возникают некоторые трудности в производстве пучка труб, снабженного известными поперечными опорами.

Целью настоящего изобретения является создание пучка труб, производство которого упрощено по сравнению с известным пучком труб.

Для достижения указанной цели в соответствии с настоящим изобретением предлагается пучок труб, содержащий некоторое множество параллельных труб и поперечных опор, расположенных с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и предназначенных для поддерживания труб внутри цилиндрического резервуара, при этом каждая поперечная опора выполнена из тонкого листа растянутого металла.

- 1 005543

Тонкий лист растянутого металла изготавливается из тонколистового металла, который имеет соответствующие прорези и при последующем его растяжении приобретает решетчатую структуру в виде пересекающихся узких пластинок с промежутками между ними. Такой лист прост и дешев в производстве. Кроме того, эти листы можно легко разрезать, придавая им круглую форму, например, посредством лазерной резки.

Размер промежутков можно подобрать таким образом, чтобы он приблизительно равнялся диаметру трубы, благодаря чему с помощью одной поперечной опоры обеспечивается поддерживание трубы в разных поперечных направлениях. В альтернативном варианте размер промежутков может быть больше, чем диаметр трубы, и тогда поперечная опора поддерживает трубу только в одном или же сразу в двух поперечных направлениях. В этом случае для поддерживания трубы сразу во всех поперечных направлениях потребуется обеспечить наличие двух или более поперечных опор, смещенных друг относительно друга.

В описании изобретения и в формуле изобретения, выражение «размер промежутков приблизительно равен диаметру трубы» применяется для того, чтобы обозначить размер промежутков, имеющихся в поперечной опоре, который ограничивается верхним и нижним пределом. Нижний предел соответствует размеру, при котором труба может пройти сквозь промежутки без зазора, а верхний предел соответствует размеру, при котором сквозь промежутки может пройти без зазора контрольная труба, наружный диаметр которой на 10% больше наружного диаметра нормальной трубы. Выражение «размер промежутков больше, чем диаметр трубы» применяется для того, чтобы обозначить размер промежутков в поперечной опоре, который ограничивается нижним пределом, причем нижний предел соответствует размеру, при котором сквозь промежутки может пройти без зазора контрольная труба, наружный диаметр которой на 50% больше наружного диаметра нормальной трубы из состава пучка труб. Практически приемлемым верхним пределом считается такой размер промежутков, при котором от двух до четырех параллельных труб, входящих в состав пучка труб и расположенных на нормальном для них расстоянии между их осевыми линиями, могут пройти сквозь промежутки без зазора.

Сущность изобретения далее поясняется в следующем здесь ниже описании на примере осуществления изобретения при рассмотрении прилагаемых чертежей, на которых фиг. 1 - представленная схематически часть продольного сечения пучка труб, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 2 - представленный схематически в увеличенном масштабе вид в разрезе по линии ΙΙ-ΙΙ на фиг. 1;

фиг. 3 - представленный схематически альтернативный вариант определения размера промежутков в поперечных опорах;

фиг. 4 - представленный схематически пример сегментных поперечных опор;

фиг. 5 - представленный схематически пример поперечных опор, образованных из круглых сегментов;

фиг. 6 - вид сверху для одной из поперечных опор, показанных на фиг. 5.

Пучок труб согласно настоящему изобретению содержит некоторое множество параллельных труб 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9, а также поперечных опор 21, 22, 23, 24 и 25, расположенных с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и предназначенных для поддерживания промежуточных частей труб внутри цилиндрического резервуара, имеющего цилиндрическую оболочку 30. Следует отметить, что на фиг. 1 не показаны концевые части труб вместе с трубным листом.

Каждая поперечная опора выполнена из тонкого листа растянутого металла 40. При этом такой тонкий лист растянутого металла 40 представляет собой решетчатую структуру, выполненную в виде пересекающихся узких пластинок 41 с промежутками 42 между ними. Для большей ясности, не все узкие пластинки и промежутки между ними обозначены на фиг. 2 соответствующими номерами позиций. Размер промежутков 42 должен быть приблизительно равным наружному диаметру трубы 1-9 или же быть больше, чем этот диаметр.

Как показано на фиг. 2, размер промежутков 42, образующихся в тонком листе растянутого металла 40, представляющего собой поперечную опору 21, больше, чем наружный диаметр труб 1-9. Таким образом, поперечная опора 21 поддерживает трубы 1-9 только лишь в нижнем направлении. Для того чтобы удерживать трубы в верхнем направлении, следующая поперечная опора 22 должна быть расположена в шахматном порядке по отношению к поперечной опоре 21. Край промежутка 52, образованного в тонком листе растянутого металла следующей поперечной опоры 22, показан на фиг. 2 пунктирными линиями.

В необязательном порядке тонкие листы растянутого металла, представляющие собой поперечные опоры, могут быть закреплены на опорном кольце 27 (см. фиг. 1), имеющем несколько меньший наружный диаметр, чем внутренний диаметр цилиндрической оболочки 30. Опорные кольца 27 могут быть соединены между собой при помощи соответствующих соединительных прутков (не показаны), снабженных распорными элементами (не показаны) для того, чтобы обеспечить сохранение необходимого интервала между поперечными опорами в осевом направлении во время установки их на место и нормальной последующей эксплуатации.

- 2 005543

В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 2, трубы расположены в форме квадрата с разворотом опоры на 45° относительно горизонтали. В альтернативном варианте осуществления изобретения, расположение в форме квадрата остается горизонтальным, что соответствует форме расположения, показанной на фиг. 2, но развернутой дополнительно относительно нее на угол в 45°. В этом варианте осуществления изобретения, для поддерживания параллельных труб в поперечных направлениях (слева, справа, сверху и снизу) потребуется предусмотреть наличие четырех поперечных опор.

В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 1 и 2, две соседние поперечные опоры поддерживают все трубы. В альтернативном варианте осуществления изобретения каждая поперечная опора поддерживает трубы во всех поперечных направлениях, и в этом случае размер промежутков, образовавшихся в тонком листе растянутого металла, приблизительно равен наружному диаметру трубы.

Рассмотрим теперь фиг. 3, на которой показана только лишь небольшая часть двух соседних поперечных опор, расположенных следом одна за другой, выполненных в виде тонких листов растянутого металла 60 и 61 и смещенных друг относительно друга. Тонкие листы растянутого металла 60 и 61 содержат пересекающиеся узкие пластинки 62 с промежутками 63 между ними. Для большей ясности, не все узкие пластинки и промежутки между ними обозначены на фиг. 3 соответствующими номерами позиций. Размер промежутков 63 больше, чем наружный диаметр трубы 65. В конструкции, показанной на фиг. 3, четыре параллельные трубы 65, расположенные на нормальном для них расстоянии 70 между их осевыми линиями, могут пройти сквозь промежутки 63 без зазора. Поперечные опоры могут быть смещены друг относительно друга с тем, чтобы обеспечить поддерживание труб во всех направлениях.

В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 1 и 2, поперечные опоры занимают собой целиком весь внутренний диаметр цилиндрического резервуара. В альтернативном варианте поперечные опоры представляют собой сегментные поперечные опоры. При применении сегментных опор обеспечивается возможность образования поперечного потока текучей среды при прохождении ее с оболочечной стороны теплообменника.

На фиг. 4 схематически показан целый ряд сегментных опор 80а, Ь, с и ά, выполненных из растянутого металла, и каждая из которых имеет соответственно открытый сегмент 82а, Ь, с и ά, при этом указанные сегменты находятся в разных положениях. Трубы, входящие в состав пучка труб, здесь не показаны для большей ясности. При применении таких сегментных опор задается в чередующейся последовательности соответствующее направление движения потока, проходящего во время работы теплообменника через его оболочку, в результате чего этот поток будет до некоторой степени поперечным. Теплообмен при поперечном потоке улучшается по сравнению с теплообменом при продольном потоке.

На фиг. 5 и 6 показан еще один вариант исполнения поперечной опоры в соответствии с настоящим изобретением. Каждая из поперечных опор 90а и 90Ь образована соответственно четырьмя секторами круга 91а, Ь, 92а, Ь, 93а, Ь и 94а, Ь, выполненными из растянутого металла, а также опорным кольцом 98а, Ь. Каждый из этих секторов круга расположен наклонно относительно плоскости, перпендикулярной к осевому направлению пучка труб, т. е. по отношению к плоскости, определяемой соответствующими опорными кольцами 94а, Ь. В данном примере осуществления изобретения секторы круга расположены таким образом, что они наклонены за счет поворота их вокруг диаметра оболочки 96. Угол их наклона по отношению к горизонтальной плоскости находится соответственно в пределах от 20 до 70°. Хорошие результаты получены были, когда этот угол составляет приблизительно 30°. Может предусматриваться также наличие центральной осевой опорной балки 99, предназначенной для обеспечения механической устойчивости всей конструкции в целом. Трубы, входящие в состав пучка труб, и которые проходят сквозь промежутки, которые образуются в круге, составленном из отдельных секторов, выполненных из растянутого металла, для большей ясности на этих чертежах не показаны.

На фиг. 6 показана в виде сверху поперечная опора 90а. Секторы круга, как это видно на чертеже, построенном в данной проекции, занимают собой целиком весь внутренний диаметр кольцевой оболочки. При этом следует понимать, что во всех тех случаях, когда в тексте описания изобретения или же в формуле изобретения упоминается «размер промежутка», то это означает, что имеется в виду размер проекции промежутка на плоскость, перпендикулярную к осевой линии оболочки, и это будет как раз тот размер, который просматривается в виде сверху на фиг. 6.

Было установлено, что в том случае, когда сегменты круга расположены наклонно указанным образом, часть потока будет проходить через поперечные опоры сквозь просветы между секторами круга. Кроме того, при таком расположении секторов круга будет наблюдаться завихрение, сообщаемое потоку, и которое приводит к возникновению поперечного потока, способствующего улучшению передачи тепла. При таком расположении допускаются также и более высокие скорости потока и, кроме того, предотвращается образование застойных зон, благодаря чему наблюдается лишь весьма незначительная склонность к образованию осадка.

Кроме того, имеется также возможность легко установить одну или несколько продольных отражательных перегородок вдоль просветов между секторами круга. Использоваться такие продольные отра

- 3 005543 жательные перегородки могут для того, чтобы обеспечить такую конфигурацию оболочечно-трубчатого теплообменника, при которой поток текучей среды будет течь через него с оболочечной стороны сразу по нескольким проходам. Это позволяет получить конструкцию теплообменника с более коротким резервуаром. В частности, целесообразен такой вариант, в котором предусматривается установка двух продольных отражательных перегородок крест-накрест одна относительно другой, как это показано в варианте осуществления настоящего изобретения, представленном на фиг. 5 и 6, таким образом, чтобы они проходили по границам между секторами круга, простираясь соответственно на весь диаметр оболочки 95. Центральная опорная балка может быть в этом случае не нужна. Продольные отражательные перегородки разделяют оболочку на четыре сегмента, которые соответственно располагаются таким образом, чтобы между ними по текучей среде обеспечена была связь, при которой текучая среда проходила бы последовательно через каждый из четырех сегментов оболочки. При применении такой конструкции, можно вместо теплообменника с резервуаром, например, длиной 24 м и диаметром 1,5 м, в качестве альтернативы, получить теплообменник с резервуаром длиной всего лишь 6 м при диаметре 3 м. Это может быть так называемый теплообменник типа «техасской башни».

Изобретение относится также и к цилиндрическому резервуару, который представляет собой цилиндрическую оболочку, снабженную расположенным внутри нее пучком труб, выполненным в соответствии с настоящим изобретением. Цилиндрический резервуар, снабженный пучком труб, выполненным в соответствии с настоящим изобретением, может представлять собой оболочечно-трубчатый теплообменник или реактор. Находясь в эксплуатации, он может занимать либо горизонтальное положение, либо вертикальное положение.

Пучок труб, выполненный согласно настоящему изобретению, включает в свой состав также и соответствующие поперечные опоры, которые изготавливаются из простого материала, а именно - из тонкого листа растянутого металла. И поэтому такой пучок труб легче изготовить в производственных условиях, чем аналогичные пучки труб, снабженные известными поперечными опорами. Кроме того, поперечные опоры, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивают также низкое сопротивление потоку текучей среды.

В частности, конкретную область для практического применения настоящего изобретения являют собой химические реакторы, которые содержат пучок труб, заключенный в оболочку, например, такие как используемые в производстве окиси этилена. В данном случае часто требуется обеспечить наличие очень открытой опорной структуры для труб. Поперечная опора, предназначенная для такого ее применения, известна, например, из описания изобретения к патенту США № 5366188. Указанная известная опора изготавливается из сплошного диска, в котором соответствующим образом пробиваются отверстия. Изготовление таких перфорированных дисков в производственных условиях представляет собой весьма дорогостоящий технологический процесс. Поперечная опора, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой простую альтернативу для таких дисков. Для того чтобы создать такую опорную структуру, которая была бы очень открытой, предлагаемая поперечная опора может быть соответственно составлена из некоторого множества отдельных кусков растянутого металла, причем каждый такой кусок меньше по своему размеру, чем проходное сечение резервуара реактора и расположен наклонно по отношению к плоскости поперечного сечения резервуара, причем все эти отдельные куски, составляющие опору, соединены вместе между собой таким образом, что они перекрывают собой целиком проходное сечение резервуара реактора. Текучая среда может при этом проходить сквозь каждый такой кусок растянутого металла, а также через просветы между соседними, наклонно расположенными кусками опоры.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Пучок труб, содержащий некоторое множество параллельных труб и поперечных опор, расположенных с интервалом друг относительно друга в осевом направлении и предназначенных для поддерживания труб внутри цилиндрического резервуара, при этом каждая поперечная опора представляет собой тонкий лист растянутого металла.
2. Пучок труб по п.1, в котором каждая поперечная опора выполнена из одного тонкого листа растянутого металла.
3. Пучок труб по п.1 или 2, в котором поперечные опоры перекрывают собой целиком внутренний диаметр цилиндрической оболочки.
4. Пучок труб по п.1 или 2, в котором поперечные опоры представляют собой сегментные поперечные опоры.
5. Пучок труб по любому одному из пп.1-4, в котором каждая из поперечных опор образована, по существу, секторами круга, выполненными из растянутого металла.
6. Пучок труб по п.5, в котором секторы круга расположены наклонно по отношению к плоскости, которая проходит перпендикулярно к пучку труб.
7. Пучок труб по любому одному из пп.1-6, в котором размер промежутков, образовавшихся в тонком листе растянутого металла, приблизительно равен диаметру труб.

- 4 005543
8. Пучок труб по любому одному из пп.1-6, в котором размер промежутков, образовавшихся в тонком листе растянутого металла, больше, чем диаметр труб, и в котором соседние поперечные опоры смещены друг относительно друга, обеспечивая тем самым поддерживание труб во всех направлениях.
9. Пучок труб по любому одному из пп.1-8, расположенный внутри цилиндрического резервуара, представляющего собой цилиндрическую оболочку.
10. Пучок труб по любому одному из пп.1-9, расположенный внутри цилиндрической оболочки, представляющей собой часть теплообменника.
11. Пучок труб по любому одному из пп.1-9, в котором пучок труб образует собой часть химического реактора, в частности - реактора для производства окиси этилена.
12. Пучок труб по п.5 или 6, дополнительно снабженный продольными отражательными перегород ками, расположенными крест-накрест друг относительно друга, и которые находятся между секторами круга.