EA029786B1

EA029786B1 - Кожухотрубный конденсатор

Info

Publication number: EA029786B1
Application number: EA201600573A
Authority: EA
Inventors: Сергей Максимович Стёпин; Павел Александрович БЛОХИН
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Урало-Сибирская Компания "НЕКСАН"
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2018-05-31
Also published as: EA201600573A1

Abstract

Изобретение относится к кожухотрубным теплообменным аппаратам, в частности к устройству кожухотрубных конденсаторов, и может быть использовано в энергетической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности. Кожухотрубный конденсатор содержит корпус (1), в котором размещен пучок теплообменных труб (4) с накаткой на внешней поверхности, закрепленных при помощи трубных досок (5), расположенных на торцевых поверхностях корпуса (1), направляющие перегородки (6), патрубки ввода (7) и вывода (8) теплоносителя межтрубного пространства, патрубки ввода (9) и вывода (10) теплоносителя трубного пространства. В отличие от прототипа внешняя поверхность теплообменных труб (4) покрыта материалом с низкой смачиваемостью, а расстояние между направляющими перегородками (6) уменьшается от патрубка ввода (7) к патрубку вывода (8) теплоносителя межтрубного пространства. Технический результат - снижение термического сопротивления между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства путём снижения толщины плёнки конденсата на поверхности теплообменных труб.

Description

029786 Β1

029786

Изобретение относится к кожухотрубным теплообменным аппаратам, в частности к устройству кожухотрубных конденсаторов, и может быть использовано в энергетической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности.

Существует множество технических решений, относящихся к теплообменным аппаратам, общими признаками которых является корпус, в котором размещен пучок теплообменных труб, закрепленных при помощи трубных досок, распределительные камеры, каналы ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, каналы ввода и вывода теплоносителя трубного пространства. При этом постоянно создаются новые решения, направленные на улучшение их эксплуатационных свойств, в частности и в области конденсаторов.

Известен конденсатор, отличающийся тем, что теплообменные трубы выполнены из политетрафторэтилена (ПТФЭ) или из металла, но с нанесенным на поверхность слоем ПТФЭ. Это решение направлено на повышение срока службы теплообменных труб, путем повышения их стойкости к коррозии [патент СИ № 1078802, МПК Ρ28Ό 7/10, Ρ28Ό 7/10, дата приоритета 19.03.1993, дата публикации 24.11.1993].

Известен конденсатор, отличающийся тем, что содержит направляющие перегородки, причем в нижней части корпуса по всей его длине размещена труба с отверстиями и расположенным в ней стержнем соответствующего диаметра. Направляющие перегородки установлены с целью многократного направления теплоносителя поперек пучка теплообменных труб, а труба с отверстиями в нижней части корпуса для упрощения слива конденсата [патент §И № 409445, МПК Ρ28Ό 7/00, Р28Р 9/00, дата приоритета 01.12.1971, дата публикации 30.11.1973].

Наиболее близким техническим решением является конденсатор, который содержит корпус, в котором размещен пучок теплообменных труб, закрепленных при помощи трубных досок, расположенных на торцевых поверхностях корпуса, патрубки ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, патрубки ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, отличающееся тем, что теплообменные трубы выполнены с накаткой на внешней поверхности. Это решение направлено на обеспечение турбулизации потока ламинарного слоя на внешней поверхности теплообменных труб с целью интенсификации теплообмена [патент ИЛ № 74177, МПК Р28Р 1/10, дата приоритета 24.02.2012, дата публикации 25.10.2012].

В процессе теплообмена, при котором в теплообменных трубах течет теплоноситель трубного пространства с температурой более низкой, чем температура теплоносителя межтрубного пространства, на внешней поверхности теплообменных труб образуется конденсат в виде плёнки конденсата, что приводит к повышению термического сопротивления между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства.

Недостатком вышеописанных решений является низкая теплопередача между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства, ввиду того, что конструкции конденсаторов обеспечивают недостаточно эффективное снижение толщины образуемой плёнки конденсата, что ведёт к снижению эффективности теплообмена.

Техническая задача - интенсификация теплообмена между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства.

Технический результат - снижение термического сопротивления между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства путём снижения толщины плёнки конденсата на поверхности теплообменных труб.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем.

Кожухотрубный конденсатор содержит корпус, в котором размещен пучок теплообменных труб с накаткой на внешней поверхности, закрепленных при помощи трубных досок, расположенных на торцевых поверхностях корпуса, направляющие перегородки, патрубки ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, патрубки ввода и вывода теплоносителя трубного пространства. В отличие от прототипа внешняя поверхность теплообменных труб покрыта материалом с низкой смачиваемостью, а расстояние между направляющими перегородками уменьшается от патрубка ввода к патрубку вывода теплоносителя межтрубного пространства.

Материал, которым покрыты теплообменные трубы, обладает низкой смачиваемостью, то есть обеспечивает снижение адгезионного взаимодействия капель сконденсировавшегося в жидкость пара и поверхности теплообменных труб. В качестве таких материалов могут быть использованы, например, нейлон или фторопласт, или любые другие материалы, обладающие низкой смачиваемостью и обеспечивающие значение краевого угла (угла, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью) не менее 90°. При этом чем ниже смачиваемость материала, тем меньше занимаемая объёмом сконденсировавшийся жидкости поверхность трубки и тем активней отвод капель конденсата с поверхности теплообмена. При этом чем тоньше слой нанесенного покрытия, тем ниже термическое сопротивление между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства.

Теплообменные трубы с накаткой имеют дуговидные выпуклые отрезки поверхности и вогнутые кольцевые канавки. Это позволяет снизить стабильность образуемых капель конденсата на дуговидных выпуклых отрезках поверхности теплообменных труб, что приводит к их стеканию по кольцевым канав- 1 029786

кам, тем самым снижая толщину образования пленки конденсата на поверхности теплообменных труб, которая, в свою очередь, влияет на теплопередачу между теплоносителями трубного и межтрубного пространств.

Толщина стенок теплообменных труб может достигать 5 мм. Глубина накатки варьируется от 0,1 до 3 мм, шаг накатки зависит от наружного диаметра теплообменной трубы, может быть меньше, либо больше диаметра теплообменных труб, однако не должен превышать диаметр теплообменных труб более чем в 10 раз.

Уменьшение расстояние между направляющими перегородками обеспечивает поддержание постоянной оптимальной скорости прохождение теплоносителя межтрубного пространства по межтрубному пространству, которая находится в диапазоне 65-120 м/с. Теплоноситель межтрубного пространства, введенный в теплообменник через патрубок ввода теплоносителя межтрубного пространства в виде пара, по мере перемещения к патрубку вывода и прохождению ходов теплоносителя межтрубного пространства конденсируется, при этом так как жидкость имеет меньший объем чем пар, совокупный объем теплоносителя межтрубного пространства уменьшается, в следствие чего пар распространяется по межтрубному пространству, снижается давление внутри системы, а в конечном итоге снижается скорость движения пара. В связи с этим основным принципом уменьшения расстояния между направляющими перегородками является поддержание постоянной средней скорости движения пара по каждому ходу теплоносителя межтрубного пространства. Ходом теплоносителя межтрубного пространства в данном случае называется пространство между ближайшими направляющими перегородками, в котором пар движется прямолинейно. Постоянная средняя скорость пара по каждому ходу теплоносителя межтрубного пространства обеспечивается постоянным соотношением среднего объемного расхода пара по каждому ходу теплоносителя межтрубного пространства и площади сечения соответствующего хода теплоносителя межтрубного пространства. Соотношение определяется следующей формулой:

_{= =} ^д'п-1+^д%-1 _{= =}

2Ц 2Р₂ 2Р_п Р_л

Τί

, ^<£>6 - = £>_о0щГ=1

η

ί=1

где

Ό’₁ - объемный расход пара в начале ί-го хода межтрубного пространства, м³/ч;

Ό"₁ - объемный расход пара в конце ί-го хода межтрубного пространства, м³/ч;

Р₁ - площадь сечения хода теплоносителя межтрубного пространства, м²;

т- 2

Р - суммарная площадь сечения всех ходов, м ; η - общее количество ходов.

Дополнительным средством поддержания постоянной скорости движения теплоносителя межтрубного пространства, особенно в зонах поворота, может выступать уменьшение площади окна последующих направляющих перегородок по сравнению с предыдущими.

Заявляемое изобретение обладает новыми отличительными существенными признаками, а именно внешняя поверхность теплообменных труб покрыта материалом, обладающим низкой смачиваемостью, что обеспечивает снижение адгезионного взаимодействия капель конденсата и поверхности теплообменных труб, приводит к образованию капель конденсата;

расстояние между направляющими перегородками уменьшается от патрубка ввода к патрубку вывода теплоносителя межтрубного пространства, что позволяет поддерживать постоянную скорость движения теплоносителя межтрубного пространства, обеспечив удаление капель конденсата с поверхности теплообменных труб потоком несконденсировавшегося межтрубного теплоносителя на протяжении всего межтрубного пространства.

Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности "новизна".

Указанные отличительные признаки заявляемого изобретения известны из уровня техники и встречаются в различной научно-технической литературе, однако в большинстве случаев перечисленные отличительные признаки направлены на достижение иного технического результата, связанного, например, с обеспечением повышенной износостойкости теплообменных труб (ПТФЭ покрытие), турбулизации потока жидкости или увеличения длительности контакта между теплоносителями трубного и межтрубного пространства. Кроме того, из уровня техники не известно сочетание указанных отличительных признаков между собой, а также неизвестно их сочетание с наличием накатки на теплообменных трубах. Создание конструкции, включающей покрытие теплообменных труб материалом с низкой степенью смачиваемости, накатку на теплообменных трубах и последовательно уменьшающееся расстояние между направляющими перегородками, позволяет достичь синергетического эффекта, заключающегося в многократном увеличении интенсивности теплообмена (повышении коэффициента теплопередачи) за счет снижения термического сопротивления между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем

- 2 029786

межтрубного пространства.

Указанный синергетический эффект достигается за счёт того, что сконденсировавшийся в процессе теплообмена теплоноситель межтрубного пространства из-за покрытия теплообменных труб материалом с низкой степенью смачиваемости образует на поверхности теплообменных труб минимальную по толщине пленку и собирается в капли, большинство из которых скатывается с дуговидных выпуклых отрезков поверхности теплообменных труб в кольцевые канавки, образованные накаткой, а оставшиеся на дуговидных выпуклых отрезках теплообменных труб капли конденсата, удаляются потоком теплоносителя межтрубного пространства, скорость которого поддерживается путём уменьшения расстояния между направляющими перегородками от патрубка ввода к патрубку вывода теплоносителя межтрубного пространства.

В целях иллюстрации синергетического эффекта были проведены лабораторные испытания, направленные на определение изменения коэффициента теплопередачи при применении отличительных признаков заявляемого изобретения по отдельности и при их совместном применении. В результате исследований были получено, что выполнение накатки на теплообменных трубах увеличивает коэффициент теплопередачи примерно в 1,5-2,3 раза, покрытие теплообменных труб материалом с низкой степенью смачиваемости - в 1,2-1,5 раза, а последовательное уменьшение расстояния между направляющими перегородками - в 1,1-1,2 раза. При суммировании эффектов от применения всех трех признаков коэффициент теплопередачи увеличится примерно в 3,8-5 раз, в то время, как в заявляемом изобретении наблюдается увеличение коэффициента теплопередачи в 5,5-12 раз, что превышает простой суммарный эффект от внедрения вышеуказанных признаков заявляемого изобретения и подтверждает возможность достижения синергетического эффекта.

Вышеуказанное свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявляемое изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности "промышленная применимость".

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 - общий вид конденсатора с односторонней подачей теплоносителя межтрубного пространства в разрезе с охладителем конденсата.

Фиг. 2 - общий вид конденсатора с односторонней подачей теплоносителя межтрубного пространства в разрезе без охладителя конденсата.

Фиг. 3 - общий вид конденсатора с двусторонней подачей теплоносителя межтрубного пространства в разрезе.

Фиг. 4 - вид сбоку теплообменной трубы с накаткой.

Фиг. 5 - вид сверху теплообменной трубы с накаткой.

Кожухотрубный теплообменник содержит корпус 1, распределительную камеру 2, поворотную камеру 3. В корпусе 1 размещен пучок теплообменных труб 4 с накаткой на внешней поверхности, закрепленных при помощи трубных досок 5, расположенных на торцевых поверхностях корпуса 1, направляющие перегородки 6, патрубок 7 ввода и патрубок 8 вывода теплоносителя межтрубного пространства, патрубок 9 ввода и патрубок 10 вывода теплоносителя трубного пространства. Внешняя поверхность теплообменных труб 4 покрыта фторопластом, а расстояние 8_п между направляющими перегородками 6 уменьшается от патрубка 7 ввода к патрубку 8 вывода теплоносителя межтрубного пространства, таким образом, что 8п<8_п-₁. Теплообменные трубы 4 имеет накатку, благодаря которой образуются дуговидные выпуклые отрезки 11 поверхности теплообменных труб 4 и кольцевые канавки 12.

Заявляемый кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.

В патрубок 9 ввода теплоносителя трубного пространства подается хладагент, имеющий температуру ниже конденсации паров в межтрубном пространстве корпуса 1. Далее хладагент циркулирует внутри системы кожухотрубного теплообменника от патрубка 9 ввода теплоносителя трубного пространства в распределительную камеру 2, далее через теплообменные трубы 4 и поворотную камеру 3 обратно к распределительной камере 2 и к патрубку 10 вывода теплоносителя трубного пространства. Теплоноситель межтрубного пространства, требующий охлаждения, подают через патрубок 7 ввода теплоносителя межтрубного пространства в межтрубное пространство корпуса 1, при этом он, соприкасаясь с поверхностью теплообменных труб 4, начинает конденсироваться и двигаться в сторону патрубка 8 вывода теплоносителя межтрубного пространства. Благодаря фторопластовому покрытию теплообменных труб 4 сконденсировавшийся теплоноситель межтрубного пространства собирается в капли 13, большинство из которых скатывается с дуговидных выпуклых отрезков 11 поверхности теплообменных труб 4 в кольцевые канавки 12, образованные накаткой, а оставшиеся на дуговидных выпуклых отрезках 11 теплообменных труб 4 капли 13 конденсата удаляются потоком не сконденсировавшегося теплоносителя межтрубного пространства, скорость которого поддерживается благодаря тому, что расстояние между направляющими перегородками 6 последовательно от патрубка 7 ввода теплоносителя межтрубного пространства к патрубку 8 вывода теплоносителя межтрубного пространства уменьшается.

- 3 029786

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Кожухотрубный конденсатор, содержащий корпус, в котором размещен пучок теплообменных труб с накаткой на внешней поверхности, закрепленных при помощи трубных досок, расположенных на торцевых поверхностях корпуса, направляющие перегородки, патрубки ввода и вывода теплоносителя межтрубного пространства, патрубки ввода и вывода теплоносителя трубного пространства, отличающийся тем, что внешняя поверхность теплообменных труб покрыта материалом с низкой смачиваемостью, а расстояние между направляющими перегородками уменьшается от патрубка ввода к патрубку вывода теплоносителя межтрубного пространства.
2. Кожухотрубный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность теплообменных труб покрыта нейлоном или фторопластом.
3. Кожухотрубный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность теплообменных труб покрыта материалом, обеспечивающим значение краевого угла не менее 90°.
4. Кожухотрубный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что расстояние между направляющими перегородками уменьшается таким образом, чтобы обеспечивалась постоянная средняя скорость движения пара по каждому ходу теплоносителя межтрубного пространства.
5. Кожухотрубный конденсатор по п.1, отличающийся тем, что расстояние между направляющими перегородками уменьшается таким образом, чтобы обеспечивалось постоянное соотношение среднего объемного расхода пара по каждому ходу теплоносителя межтрубного пространства и площади сечения соответствующего хода теплоносителя межтрубного пространства.