RO115084B1 - Schimbator de caldura - Google Patents

Description

Invenția se referă la un schimbător de căldură, destinat echipării instalațiilor în care are loc transfer de căldură.

Deseori, pe suprafețele de transfer al căldurii, ale unui schimbător de căldură, se precipită particule care aderă la aceste suprafețe și se depun ca un strat aco5 peritor, care reduce schimbul de căldură. Performanța schimbătorului de căldură este în mare parte dependentă de menținerea curată a suprafețelor. S-a demonstrat faptul că un strat, chiar subțire, de particule sau de depuneri reduce substanțial performanța. Dacă stratul de depuneri este mai gros, el va reduce și secțiunea de trecere a canalului, mărind astfel rezistența la curgere și obstrucționând astfel debitul me1D diului.

Temperatura mediului primar este uneori atât de înaltă, încât stratul acoperitor se întărește după scurt timp și, astfel, devine necesară păstrarea suprafețelor de răcire curate în mod eficient, fără adăugarea unor materiale străine, care să polueze produsul de curgere.

0 problemă des întâlnită a schimbătoarelor de căldură constă în aceea că procesul de îndepărtare a depunerilor este relativ complicat. Sunt cunoscute multe variante de echipamente de curățare și metode de îndepărtare interioară sau exterioară a depunerilor de pe tuburi, plăci, carcase.

Metoda uzuală de curățare a schimbătoarelor de căldură este spălarea atât 20 a tuburilor, cât și a carcasei, cu un lichid, căruia i se poate adăuga un solvent potrivit depunerii în cauză. O altă metodă utilizată este aceea de a dezmembra întregul schimbător de căldură și de a curăța mecanic, prin spălare și periere, întregul mănunchi de tuburi și carcasa. Oricum, amândouă aceste metode necesită scoaterea schimbătorului de căldură din proces, ceea ce reprezintă în mod normal o procedură costisi25 toare și laborioasă.

în documentul WO 88/01362 este prezentat un schimbător de căldură, cu mai multe bobine elicoidale din tuburi, compuse din mai multe tuburi paralele dispuse unul lângă celălalt. Bobinele din tuburi, cu un cap de distribuție la fiecare capăt, sunt montate pe un tub longitudinal central, permițând astfel extragerea din carcasă a 30 întregului mănunchi de tuburi cu capete de distribuție. Procesul de dezmembrare este astfel ușurat, reducându-se prin urmare timpul de curățare. Totuși, schimbătorul de căldură nu este proiectat pentru auto-curățare sau cu echipament de curățare.

în documentul NO 45071 este prezentat un schimbător de căldură rotativ, prevăzut cu dispozitive răzuitoare permanente. Dispozitivele răzuitoare sunt amplasate 35 în canalele prin care circulă gazele de fum și îndepărtează funinginea de pe suprafețele răcitoare. Totuși, dispozitivele răzuitoare acoperă întreaga secțiune transversală a canalului, impunând.astfel dirijarea gazelor de fum pe ambele părți ale dispozitivelor.

Scopul invenției este realizarea unui schimbător de căldură, fie cu auto-curățare, fie fără echipament de curățare extern, care să permită astfel curățarea schim40 bătorului de căldură în timpul funcționării.

Invenția înlătură dezavantajele menționate anterior, prin aceea că schimbătorul de căldură cuprinde o carcasă și un element interior elicoidal, montat permanent și care formează un canal pentru un mediu schimbător de căldură, elementul interior este proiectat cu unul sau mai multe canale pentru cel de-al doilea mediu schimbător 45 de căldură, iar de-a lungul axului central al carcasei este dispus un tub central, echipat cu un dispozitiv răzuitor și este caracterizat prin aceea că tubul central, prevăzut cu dispozitive răzuitoare, poate fi deplasat axial și rotit.

Avantajele aplicării invenției sunt următoarele:

- curățarea schimbătorului poate fi făcută în timpul funcționării;

RO 115084 Bl

- pentru curățare, nu este necesară dezmembrarea schimbătorului de căldură. 50 Invenția va fi descrisă în continuare prin prezentarea unor exemple de realizare, în legătură și cu fig. 1 și 2, care reprezintă:

- fig. 1, secțiune longitudinală printr-un schimbător de căldură prevăzut cu un element interior elicoidal, montat permanent și cu un element interior elicoidal, montat pe un tub central, mobil; 55

- fig. 2, secțiune longitudinală printr-un schimbător de căldură prevăzut cu un element interior elicoidal, montat permanent și cu elemente răzuitoare, sub forma unor brațe montate pe tubul central, mobil.

în cadrul figurilor explicative, aceleași componente au aceleași semne de referință. 60

Schimbătorul de căldură trebuie să mențină o performanță bună de transfer al căldurii, atunci când prin el circulă un mediu care are tendința pronunțată de a depune un strat acoperitor pe pereții canalului. în cadrul descrierii ce urmează, acest mediu este numit “mediu primar sau mediu de proces”. Mediul primar poate fi un produs de curgere, rezultat dintr-un proces, format dintr-un gaz, conținând particule 65 solide, gaze de fum cu funingine sau un lichid. Pe partea cealaltă a pereților de transfer al căldurii circulă un al doilea mediu, denumit “mediu secundar” sau “mediu de serviciu”, a cărui sarcină este fie să răcească, fie să încălzească mediul primar. Mediul secundar poate fi un gaz sau un lichid.

Elementul elicoidal prezintă niște canale interioare prin care circulă mediul 70 secundar. Secțiunea transversală a acestui element elicoidal poate fi sub forma unuia sau mai multor tuburi rectangulare adiacente unul altuia, sau a unor tuburi circulare adiacente unul altuia, iar pentru simplitate, în descrierea care urmează va fi folosit pentru denumirea sa termenul “bobina din tuburi”.

în fig. 1, schimbătorul de căldură este indicat prin 1. Acesta constă dintr-o car- 75 casă 2, care este construită cu un perete interior 3. Carcasa 2 poate fi echipată și cu un perete exterior 4, astfel încât să se formeze un canal 5. Canalul 5 are un orificiu de admisie 6 și un orificiu de evacuare 7 pentru un mediu. Mediul secundar poate fi dirijat prin canalul 5, peretele interior 3 al carcasei 2, contribuind astfel la transferul de căldură. Carcasa 2 poate fi proiectată cu o flanșă 8, pentru a-i permite 80 astfel să fie racordată la deschiderea de evacuare pentru echipament de procesare, de exemplu o cameră de reacție.

Un element interior elicoidal, sub forma unei bobine de tuburi 9, este montat pe peretele interior 3. Bobina de tuburi 9 are de preferință o lățime, adică întinderea pe direcție radială, mai mare decât înălțimea, care este întinderea pe direcție axială. 85 Bobina de tuburi 9 poate avea o secțiune transversală rectangulară, trapezoidală sau triunghiulară. Distanța dintre spirele bobinei de tuburi 9 poate fi comparată cu un pas de șurub, iar numărul de spire poate fi ales conform cerințelor pentru transfer de căldură etc.

Bobina de tuburi 9 este construită în mod uzual din plăci, iar pereții sunt supra- 90 fețe de transfer de căldură. în anumite cazuri, este nevoie de o presiune înaltă a mediului secundar, de exemplu la producerea aburului prin utilizarea căldurii reziduale dintr-un proces. în acest caz, bobina elicoidală de tuburi 9 poate fi compusă din câteva tuburi, amplasate unul lângă celălalt, sau poate fi întărită prin intermediul unor ancorări, încărcate prin sudură. Mediul secundar este dirijat printr-un canal 10, în 95 bobina de tuburi 9, care este proiectată a avea un orificiu de admisie 11 și un orificiu de evacuare 12.

RO 115084 Bl

Schimbătorul de căldură este proiectat cu un tub central 13, dispus de-a lungul axului central al carcasei 2. Tubul central 13 poate fi deplasat axial și rotit. Tubul central 13 este trecut prin carcasa 2, iar orificiul de trecere este etanșat cu un manșon 14, în mod convențional.

Pe tubul central 13 este montat un element interior elicoidal sub forma unei bobine de tuburi 15, care are aceeași distanță între spire ca bobina de tuburi 9. Bobina de tuburi 15 poate fi, prin urmare, amplasată în carcasă, intercalat cu bobina de tuburi elicoidală 9, montată permanent.

Mediul secundar este dirijat printr-un canal 16 în bobina de tuburi 15. Bobina de tuburi 15 poate avea o secțiune transversală rectangulară, trapezoidală sau triunghiulară și poate fi compusă din câteva tuburi, dispuse unul lângă celălalt. Tubul central 13 este proiectat cu un tub interior 17, formând astfel niște canale care dirijează și distribuie mediul secundar către și dinspre bobina de tuburi 15. Tubul central 13 este proiectat cu un orificiu de admisie 18 și cu un orificiu de evacuare 19 pentru mediul secundar.

Ambele bobine de tuburi 9 și 15, împreună cu carcasa 2, contribuie la schimbul de căldură, mediul secundar fiind dirijat prin niște canale 10 și 16 și prin canalul 5 în carcasa 2.

între bobinele de tuburi 9 și 15, care sunt amplasate la o anumită distanță una față de cealaltă, se formează un canal elicoidal 20, iar mediul primar este dirijat prin acest canal. Prin instalarea câtorva bobine de tuburi 9 și 15 paralele, fluxul primar va fi divizat în câteva parcursuri paralele.

Mediul primar trece de la o deschidere de admisie 21 printr-un canal elicoidal 20, care este format de pereții celor două bobine de tuburi 9 și 15, de peretele interior 3 al carcasei 2 și de tubul central 13 către o deschidere de evacuare 22.

Lățimea bobinelor de tuburi 9 și 15 este determinată astfel încât ele să se întindă între tubul central 13 și peretele interior 3 al carcasei 2, cu un anumit joc.

Elementele constitutive ale schimbătorului de căldură pot fi realizate din diferite materiale, în funcție de temperaturile de funcționare ale mediilor primar și secundar utilizate.

în plus, direcția de curgere a mediului primar și a mediului secundar poate fi aleasă conform necesității existente pentru schimbul de căldură și prin urmare poate fi realizat, în modul cunoscut, un schimb de căldură în flux paralel sau în contracurent.

Fig. 2 ilustrează o variantă de realizare, în cadrul căreia, pe tubul central sunt montate niște brațe răzuitoare. în celelalte privințe, scimbătorul de căldură este proiectat ca în fig. 1, aceleași părți având aceleași numere de referință.

Schimbătorul de căldură este proiectat cu un element interior elicoidal, sub forma unei bobine de tuburi 9. între spirele bobinei de tuburi 9 este format un canal elicoidal 20, iar mediul primar este dirijat prin acest canal dinspre deschiderea de admisie 21 către deschiderea de evacuare 22. Mediul secundar este dirijat prin canalul 10 dinspre orificiul de admisie 11 către orificiul de evacuare 12.

Pe tubul central 13, care poate fi deplasat axial și rotit, sunt montate niște elemente răzuitoare sub forma unor brațe răzuitoare 23. Este de preferat să se monteze câte două brațe răzuitoare 23 pentru fiecare spiră a bobinei de tuburi 9, dispuse diametral. Numărul brațelor răzuitoare 23 poate fi mărit, reducându-se astfel corespunzător mărimea unghiului de rotație necesar.

Brațele răzuitoare 23 sunt proiectate, de preferință, într-o formă cilindrică, cu

RO 115084 Bl

145 o lungime, adică întinderea după direcția radială, mai mare decât diametrul, care reprezintă întinderea după direcția axială. Lungimea brațului răzuitor este determinată astfel încât să se întindă de la tubul central 13 până la peretele interior 3 al carcasei 2, cu un anumit joc. Astfel, brațul răzuitor 23 va curăța peretele interior 3 al carcasei 2. Brațele răzuitoare 23 sunt proiectate mult mai înguste decât lățimea canalului 20, asigurându-se astfel ca debitul mediului primar din canalul 20 să nu fie obstrucționat. Numărul de brațe răzuitoare 23 din canalul 20 este adus la minimum, asigurându-se astfel ca debitul primar să fie obstrucționat în cea mai mică măsură posibilă.

Dacă este necesar, tubul central 13 și brațele răzuitoare 23 sunt răcite. în acest caz, brațele răzuitoare sunt prevăzute cu un tub interior 24, formându-se astfel niște canale pentru un mediu de răcire. Tuburile 24 sunt montate pe un tub interior 17 din tubul central 13. Prin urmare, în tubul central 13 se formează niște canale care conduc și distribuie un mediu de răcire către brațele răzuitoare 23. Mediul de răcire, care poate fi mediul secundar, este introdus prin orificiul de admisie 18 și este evacuat prin orificiul de evacuare 19 ale tubului central 13.

în continuare, este prezentat modul de funcționare al aparatului și este descris un exemplu de ciclu de curățare. Pot fi utilizate și alte cicluri. Suprafețele de transfer de căldură încărcate cu depuneri sunt curățate prin deplasarea axială a tubului central 13 cu bobina de tuburi 15, de exemplu către deschiderea de admisie 21, până când pereții bobinei de tuburi 15 sunt în contact cu pereții bobinei de tuburi 9 sau până la o distanță stabilită între acestea sau până ce depunerile se ating între ele. Este de preferat ca suprafețele de răcire să fie apropiate una de cealaltă, astfel încât ele să nu intre în contact direct una cu cealaltă. Astfel se previne uzura suprafețelor, care ar reprezenta un dezavantaj în sine. în plus, previne poluarea mediului primar de către materiale care ar putea fi desprinse de pe suprafețele de transfer al căldurii.

Tubul central 13 este apoi rotit cu o jumătate de tură, de exemplu în sensul acelor de ceasornic, pereții bobinelor de tuburi 9 și 15 fiind, în același timp, menținuți la aceeași distanță unul față de celălelt. Bobina de tuburi mobilă 15 este astfel înșurubată de-a lungul bobinei de tuburi montate permanent 9, iar depunerile sunt răzuite sau șterse de pe suprafețele de perete din întregul canal.

Următoarea etapă din procesul de curățare constă în deplasarea axială a tubului central 13 către manșonul de etanșare 14, până când pereții bobinelor de tuburi 9 și 15 sunt în contact unul cu celălalt. Tubul central 13 este apoi rotit cu o jumătate de tură în sens invers acelor de ceasornic, deternimând astfel răzuirea sau ștergerea depunerilor de pe suprafețe.

în cele din urmă, tubul central 13 este deplasat astfel, încât bobina de tuburi 15 să fie amplasată într-o poziție neutră.

în scopul de a acoperi ambele părți ale capetelor ambelor elemente interioare, prin determinarea elementelor interioare să se șteargă unul pe celălalt, ele trebuie să se rotească cel puțin o tură unul față de celălalt. într-un punct în care suprafețele se acoperă una pe cealaltă, mișcarea de frecare, adică cea în care suprafețele sunt înșurubate de-a lungul celeilalte și se ating una pe cealaltă, poate fi scurtă pentru ca depunerile să se desprindă. Dacă se dorește, mișcarea de rotire poate fi redusă, dar aceasta va determina reducerea efectului de curățare pe o parte a suprafețelor de capăt ale elementului interior.

Ciclul de curățare poate fi realizat cu aceleași etape atunci când pe tubul central 13 sunt montate brațele răzuitoare 23. Poate fi necesar, totuși, ca tubul central 13 să fie rotit una sau mai multe ture în fiecare sens, în funcție de numărul de

150

155

160

165

170

175

180

185

190

RO 115084 Bl brațe răzuitoare 23 montate pe tubul central.

Prin intermediul unui ciclu de curățare de acest fel, sunt răzuite toate suprafețele răcite aparținând canalului 20, ambilor pereți și bobinelor de tuburi 9 și 15, peretelui interior 3 al carcasei 2 și suprafața exterioară a tubului central 13. Acesta este unul dintre avantajele invenției.

în plus, bobina de tuburi 15 sau un braț răzuitor 23 vor curăța peretele cilindric interior 3 pe o anumită distanță deasupra intrării către canalul elicoidal 20. Lungimea suprafeței curățate poate fi aleasă prin intermediul proiectării tubului central 13 și a mișcării sale axiale. Un braț răzuitor 23 poate fi montat în afara bobinei de tuburi 9.

La ieșirea unui reactor, boiler sau alt element similar, apare în mod normal o oarecare îngustare a secțiunii transversale de curgere, care la rândul său determină o mare concentrare de particule sau depuneri. Prin dispunerea schimbătorului de căldură sub camera de reacție sau o incintă de boiler, bobina de tuburi 15 sau unul ori mai multe dintre brațele răzuitoare 23 vor avea o mișcare de ridicare și de rotire, determinând astfel materialele desprinse de deasupra schimbătorului de căldură să cadă și să urmărească curgerea produsului afară din sistem.

Secțiunea transversală a canalului 20 este aleasă astfel încât viteza de curgere a mediului primar să fie suficientă pentru a determina depunerile care au fost desprinse să urmărească fluxul de evacuare din schimbătorul de căldură. în plus, prin alegerea corectă a direcției de răzuire în raport cu forța de gravitație, brațele răzuitoare 23 pot ajuta la furnizarea în etape a depunerilor care au fost desprinse, evacuându-le din schimbătorul de căldură.

Suprafețele de transfer de căldură, dintr-un schimbător de căldură, sunt de preferință netede. în scopul creșterii efectului de curățare, una sau mai multe suprafețe care intră în contact una cu cealaltă, în timpul etapelor de curățare, pot fi echipate cu perii, cu o suprafață granulară sau rugoasă, cu muchii sau caneluri după un anumit tipar sau cu raclete, muchii răzuitoare sau muchii tăietoare. Acest aspect nu este ilustrat în desene.

într-o variantă de realizare, suprafața poate fi neuniformă, de exemplu o formă ondulată. în acest caz, depunerile vor fi expuse unor solicitări variabile atunci când suprafețele vor fi frecate una peste cealaltă și vor fi desprinse mai ușor.

într-o altă variantă, suprafața poate fi prevăzută cu niște caneluri, după un anumit tipar în care canelurile, de exemplu, să fie înclinate față de direcția radială. Atunci când suprafețele se vor roti una față de cealaltă, depunerile se vor deplasa întro parte și vor fi împinse în afara tiparului prevăzut.

Tubul central 13 poate fi conectat la un dispozitiv acționat de un motor, de exemplu acționat hidraulic, pentru ca tubul central să execute astfel mișcările axiale de du-te-vino și de rotație, necesare unui ciclu de curățare.

Un ciclu de curățare se poate desfășura continuu sau intermitent, iar ritmul de curățare poate fi controlat, de exemplu prin intermediul diferenței de temperatură dintre admisia și evacuarea unuia dintre medii sau al temperaturii de evacuare a unuia dintre medii, atunci când temperatura de admisie și debitul de curgere sunt constante.

Atât la deschiderea de admisie 21, cât și la deschiderea de evacuare 22, pot fi amplasați niște senzori de temperatură 25, de exemplu niște termoelemente. O scădere a diferenței de temperatură pentru mediul primar între aceste două puncte de măsurare va indica faptul că transferul de căldură s-a redus datorită formării de

245

RO 115084 Bl depuneri, iar aceasta poate iniția un ciclu de curățare sau poate mări ritmul unui astfel de ciclu.

Claims (7)

1. Revendicări

   1. Schimbător de căldură, care cuprinde o carcasă și un element interior elicoidal, montat permanent și care formează un canal pentru un mediu schimbător de căldură, elementul interior fiind proiectat cu unul sau mai multe canale pentru cel de-al doilea mediu schimbător de căldură, iar de-a lungul axului central al carcasei fiind dispus un tub central, echipat cu un dispozitiv răzuitor, caracterizat prin aceea că tubul central (13), prevăzut cu dispozitive răzuitoare (15, 23) poate fi deplasat axial și rotit.
2. 2. Schimbător de căldură conform revendicării 1, caracterizat prin caeea că dispozitivul răzuitor este compus dintr-un element interior elicoidal (15) de același tip ca elementul interior elicoidal montat permanent (9), iar un canal (16), prevăzut în elementul interior elicoidal (15) se află în legătură cu cel de-al doilea mediu schimbător de căldură prin intermediul tubului central (13).
3. 3. Schimbător de căldură, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că dispozitivul răzuitor este proiectat ca unul sau mai multe brațe răzuitoare (23), de preferință de formă tubulară, cu lungimea mai mare decât diametrul.
4. 4. Schimbător de căldură, conform revendicării 3, caracterizat prin aceea că brațele răzuitoare (23) sunt echipate cu un tub interior (24), formând astfel un canal care este în legătură cu cel de-al doilea mediu de schimb de căldură.
5. 5. Schimbător de căldură, conform revendicărilor 1,3 și 4, caracterizat prin aceea că, în fiecare spiră a elementului interior elicoidal (9), sunt prevăzute unul sau mai multe brațe răzuitoare (23), dispuse simetric în jurul tubului central (13).
6. 6. Schimbător de căldură, conform revendicărilor 1...5, caracterizat prin aceea că una sau mai multe dintre suprafețele dispozitivului răzuitor, proiectat fie ca un element interior elicoidal (15), fie ca brațe răzuitoare (23) sunt echipate cu perii, raclete, muchii răzuitoare sau muchii tăietoare atașate suprafeței, sau suprafața este proiectată a fi rugoasă, sau granulară, sau cu muchii, sau cu caneluri, de preferință după un tipar specific.
7. 7. Schimbător de căldură, conform revendicărilor 1...6, caracterizat prin aceea că, atunci când dispozitivul răzuitor se prezintă sub forma unui element interior elicoidal (15), una sau mai multe dintre suprafețele elementului interior montat permanent (9) pot fi echipate cu perii, raclete, muchii răzuitoare sau muchii tăietoare atașate suprafeței, sau cu muchii, sau cu caneluri, de preferință după un tipar specific.