RU170614U1

RU170614U1 - SHELL TUBE CONDENSER

Info

Publication number: RU170614U1
Application number: RU2016132511U
Authority: RU
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: 2017-05-02

Abstract

Полезная модель относится к кожухотрубным теплообменным аппаратам, в частности к устройству кожухотрубных конденсаторов, и может быть использована в энергетической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности.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.Технический результат - снижение термического сопротивления между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства путем снижения толщины пленки конденсата на поверхности теплообменных труб. 5 з.п. ф-лы. 5 ил.The invention relates to shell-and-tube heat exchangers, in particular, to the construction of shell-and-tube condensers, and can be used in the energy, oil refining, petrochemical, chemical, gas, and other industries. The shell-and-tube condenser contains a housing in which a bundle of heat-exchange tubes with knurling is placed on the outer surface fixed by means of tube plates located on the end surfaces of the housing, guiding partitions, inlet and outlet pipes of the coolant inter Ruby space, inlet and outlet pipes of the coolant of the pipe space. Unlike the prototype, the outer surface of the heat transfer tubes is covered with a low wettability material, and the distance between the guide walls decreases from the input pipe to the pipe outlet of the pipe coolant. The technical result is a reduction in thermal resistance between the pipe coolant and the pipe coolant by reducing the thickness of the condensate film by surfaces of heat transfer pipes. 5 cp f-ly. 5 ill.

Description

Полезная модель относится к кожухотрубным теплообменным аппаратам, в частности к устройству кожухотрубных конденсаторов, и может быть использована в энергетической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности.The utility model relates to shell-and-tube heat exchangers, in particular, to the construction of shell-and-tube condensers, and can be used in the energy, oil refining, petrochemical, chemical, gas and other industries.

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.There are many technical solutions related to heat exchangers, the common features of which are the housing in which a bundle of heat exchange tubes is mounted, fixed with the help of tube plates, distribution chambers, the inlet and outlet channels of the annular coolant, the inlet and outlet channels of the pipe coolant. At the same time, new solutions are constantly being created aimed at improving their operational properties, in particular in the field of capacitors.

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 CN №1078802, МПК F28D 7/10, F28D 7/10, дата приоритета 19.03.1993, дата публикации 24.11.1993].A condenser is known, characterized in that the heat exchange tubes are made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or metal, but with a PTFE layer deposited on the surface. This decision is aimed at increasing the service life of heat transfer pipes by increasing their resistance to corrosion [CN Patent No. 1078802, IPC F28D 7/10, F28D 7/10, priority date 03/19/1993, publication date 11/24/1993].

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 SU №409445, МПК F28D 7/00, F28F 9/00, дата приоритета 01.12.1971, дата публикации 30.11.1973].A known capacitor, characterized in that it contains guide walls, and in the lower part of the housing along its entire length there is a pipe with holes and a rod of the corresponding diameter located in it. The guide baffles are installed with the aim of repeatedly directing the heat carrier across the bundle of heat transfer pipes, and the pipe with holes in the lower part of the housing to facilitate condensate drainage [Patent SU No. 409445, IPC F28D 7/00, F28F 9/00, priority date 12/01/1971, publication date 11/30/1973].

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, отличающийся 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 UA №74177, МПК F28F 1/10, дата приоритета 24.02.2012, дата публикации 25.10.2012].The closest technical solution is a condenser, which contains a housing in which a bundle of heat exchange tubes is placed, fixed by means of tube plates located on the end surfaces of the housing, the inlet and outlet pipes of the annular coolant, the inlet and outlet pipes of the pipe coolant, characterized in that heat transfer tubes are knurled on the outer surface. This decision is aimed at ensuring the turbulization of the flow of the laminar layer on the outer surface of the heat exchange tubes in order to intensify heat transfer [Patent UA No. 74177, IPC F28F 1/10, priority date 02.24.2012, publication date 10.25.2012].

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 пленки конденсата, что приводит к повышению термического сопротивления между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства.In the heat exchange process, in which the tube fluid flows at a temperature lower than the temperature of the annulus, the condensate forms on the outer surface of the heat exchangers in the form of a condensate film, which leads to an increase in thermal resistance between the tube coolant and the annulus .

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 пленки конденсата, что ведет к снижению эффективности теплообмена.The disadvantage of the above solutions is the low heat transfer between the coolant of the pipe space and the coolant of the annular space, due to the fact that the design of the capacitors does not sufficiently reduce the thickness of the formed condensate film, which leads to a decrease in the heat transfer efficiency.

Техническая проблема - интенсификация теплообмена между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства.A technical problem is the intensification of heat transfer between the coolant of the pipe space and the coolant of the annulus.

Технический результат - снижение термического сопротивления между теплоносителем трубного пространства и теплоносителем межтрубного пространства путем снижения толщины пленки конденсата на поверхности теплообменных труб.The technical result is a decrease in thermal resistance between the coolant of the pipe space and the coolant of the annular space by reducing the thickness of the condensate film on the surface of the heat exchange pipes.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем.The essence of the claimed utility model is as follows.

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.The shell-and-tube condenser contains a housing in which a bundle of heat-exchange tubes with knurling is placed on the outer surface, fixed by means of tube plates located on the end surfaces of the housing, guiding partitions, inlet and outlet pipes of the annulus coolant, and pipes for the inlet and outlet of the pipe fluid. Unlike the prototype, the outer surface of the heat exchange tubes is covered with a material with low wettability, and the distance between the guide walls decreases from the inlet pipe to the pipe outlet of the coolant of the annulus.

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 твердого тела с касательной, проведенной к поверхности жидкости из точки ее соприкосновения с поверхностью) не менее 90°. При этом, чем ниже смачиваемость материала, тем меньше занимаемая объемом сконденсировавшейся 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.The material with which the heat exchange tubes are coated has low wettability, that is, it provides a decrease in the adhesive interaction of droplets of vapor condensed into the liquid and the surface of the heat exchange tubes. For example, nylon or fluoroplastic, or any other material with low wettability and providing the value of the contact angle (the angle formed by the surface of a solid with a tangent drawn to the surface of the liquid from the point of contact with the surface) of at least not less than 90 °. In this case, the lower the wettability of the material, the less the surface of the tube occupied by the volume of condensed liquid and the more actively the removal of condensate droplets from the heat transfer surface. Moreover, the thinner the coating layer, the lower the thermal resistance between the coolant of the pipe space and the coolant of the annular space.

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 канавкам, тем самым снижая толщину образования пленки конденсата на поверхности теплообменных труб, которая, в свою очередь, влияет на теплопередачу между теплоносителями трубного и межтрубного пространств.Knurled heat exchangers have arcuate convex surface sections and concave annular grooves. This reduces the stability of condensate droplets formed on the arcuate convex segments of the surface of the heat exchanger tubes, which leads to their runoff along the annular grooves, thereby reducing the thickness of the formation of a condensate film on the surface of the heat exchanger tubes, which, in turn, affects the heat transfer between the heat transfer fluids of the pipe and annular spaces.

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.The wall thickness of the heat exchanger tubes can reach 5 mm. The rolling depth varies from 0.1 to 3 mm, the rolling step depends on the outer diameter of the heat exchanger pipe, it can be less or more than the diameter of the heat exchanger pipes, however, it should not exceed the diameter of the heat exchanger pipes by more than 10 times.

Уменьшение расстояния между направляющими перегородками обеспечивает поддержание постоянной оптимальной скорости прохождения 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, вследствие 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.Reducing the distance between the guide walls provides a constant optimal flow rate of the coolant in the annulus along the annulus, which is in the range of 65-120 m / s. The annulus coolant introduced into the heat exchanger through the inlet annular coolant inlet pipe in the form of steam, as it moves to the outlet nozzle and the passage of the annulus coolant condenses, while the liquid has a smaller volume than steam, the total volume of the annulus coolant decreases, as a result, the vapor propagates through the annulus, the pressure inside the system decreases, and ultimately the steam speed decreases. In this regard, the basic principle of reducing the distance between the guide walls is to maintain a constant average speed of steam along each passage of the annular coolant. In this case, the flow of the coolant in the annulus is called the space between the nearest guide baffles, in which the steam moves rectilinearly. A constant average steam velocity for each passage of the annulus coolant is provided by a constant ratio of the average volumetric flow rate of steam for each passage of the annulus coolant and the cross-sectional area of the corresponding passage of the annulus coolant. The ratio is determined by the following formula.

Где:Where:

D'_i - объемный расход пара в начале i-го хода межтрубного пространства, м³/ч,D ' _i - volumetric flow rate of steam at the beginning of the i-th stroke of the annular space, m ³ / h,

D''i - объемный расход пара в конце i-го хода межтрубного пространства, м³/ч,D''i is the volumetric flow rate of steam at the end of the i-th stroke of the annular space, m ³ / h,

F_i - площадь сечения хода теплоносителя межтрубного пространства, м²,F _i - cross-sectional area of the path of the coolant of the annulus, m ² ,

F - суммарная площадь сечения всех ходов, м²,F is the total cross-sectional area of all moves, m ² ,

n - общее количество ходов.n is the total number of moves.

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.An additional means of maintaining a constant flow velocity of the coolant in the annulus, especially in the turning zones, may be a reduction in the window area of subsequent guide baffles compared to the previous ones.

Заявляемая полезная модель обладает новыми отличительными существенными признаками, а именно:The inventive utility model has new distinctive essential features, namely:

- 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;- the outer surface of the heat exchanger tubes is coated with a material having low wettability, which reduces the adhesion of condensate droplets and the surface of the heat exchanger tubes, leads to the formation of condensate droplets;

- 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 не сконденсировавшегося межтрубного теплоносителя на протяжении всего межтрубного пространства.- the distance between the guide baffles decreases from the inlet pipe to the pipe end of the annular coolant, which allows you to maintain a constant flow rate of the annular coolant, ensuring the removal of condensate droplets from the surface of the heat exchanger pipes by the flow of non-condensed annular coolant throughout the annulus.

Наличие новых отличительных существенных признаков свидетельствует о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности "новизна".The presence of new distinctive essential features indicates the compliance of the claimed utility model with the patentability criterion of "novelty."

Заявляемая полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».The inventive utility model can be made of known materials using known means, which indicates the compliance of the claimed utility model with the patentability criterion of "industrial applicability".

Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами.The inventive utility model is illustrated by the following drawings.

Фиг. 1 - общий вид конденсатора с односторонней подачей теплоносителя межтрубного пространства в разрезе с охладителем конденсата.FIG. 1 is a perspective view of a condenser with one-sided supply of the annular coolant in a section with a condensate cooler.

Фиг. 2 - общий вид конденсатора с односторонней подачей теплоносителя межтрубного пространства в разрезе без охладителя конденсата.FIG. 2 is a sectional view of a condenser with one-sided supply of annular coolant in a section without a condensate cooler.

Фиг. 3 - общий вид конденсатора с двусторонней подачей теплоносителя межтрубного пространства в разрезе.FIG. 3 is a cross-sectional perspective view of a condenser with two-sided supply of an annulus coolant

Фиг. 4 - вид сбоку теплообменной трубы с накаткой.FIG. 4 is a side view of a knurled heat exchanger pipe.

Фиг. 5 - вид сверху теплообменной трубы с накаткой.FIG. 5 is a plan view of a knurled heat exchange pipe.

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 S_n между направляющими перегородками 6 уменьшается от патрубка 7 ввода к патрубку 8 вывода теплоносителя межтрубного пространства, таким образом, что S_n<S_n-1. Теплообменные трубы 4 имеет накатку, благодаря которой образуются дуговидные выпуклые отрезки 11 поверхности теплообменных труб 4 и кольцевые канавки 12.The shell-and-tube heat exchanger comprises a housing 1, a distribution chamber 2, a rotary chamber 3. In the housing 1 there is a bundle of heat-exchange tubes 4 knurled on the outer surface, fixed by means of tube plates 5 located on the end surfaces of the housing 1, guide walls 6, an input pipe 7 and the pipe 8 output coolant annular space, the pipe 9 input and pipe 10 output coolant pipe space. The outer surface of the heat exchange tubes 4 is coated with fluoroplastic, and the distance S _n between the guide walls 6 decreases from the inlet pipe 7 to the pipe end 8 of the heat transfer medium, so that S _n <S _n-1 . The heat transfer tubes 4 have a knurling, due to which arcuate convex segments 11 of the surface of the heat transfer tubes 4 and the annular grooves 12 are formed.

Заявляемый кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.The inventive shell-and-tube heat exchanger operates as follows.

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.A refrigerant having a temperature lower than vapor condensation in the annular space of the housing 1 is supplied to the pipe coolant inlet pipe 9, then the refrigerant circulates inside the shell-and-tube heat exchanger system from the pipe space coolant inlet 9 to the distribution chamber 2, then through the heat exchange pipes 4 and the rotary chamber 3 back to the distribution chamber 2 and to the pipe outlet 10 of the coolant of the pipe space. The annular coolant that requires cooling is supplied through the annular coolant inlet pipe 7 to the annulus of the housing 1, while in contact with the surface of the heat exchange tubes 4, it begins to condense and move towards the annular coolant outlet pipe 8. Due to the fluoroplastic coating of the heat exchange tubes 4, the condensed coolant of the annulus is collected in droplets 13, most of which rolls from the arcuate convex sections 11 of the surface of the heat exchange pipes 4 into the annular grooves 12 formed by knurling, and the remaining 4 on the arcuate convex sections 11 of the heat exchange tubes 13 are removed by the flow of the non-condensed annular coolant, the speed of which is maintained due to the fact that the distance between the guides mi partitions 6 sequentially from the pipe 7 of the input fluid of the annulus to the pipe 8 of the output of the fluid of the annulus decreases.

Claims

1. Shell-and-tube condenser, comprising a housing in which a bundle of heat-exchange tubes with knurling is placed on the outer surface, fixed by means of tube plates located on the end surfaces of the housing, guide walls, inlet and outlet pipes of the annulus coolant, and pipes for the inlet and outlet of the pipe characterized in that the outer surface of the heat exchanger tubes is coated with a material with low wettability, and the distance between the guide walls decreases from pat ubka input to output coolant pipe annulus.

2. Shell-and-tube condenser according to claim 1, characterized in that the outer surface of the heat exchange tubes is coated with nylon.

3. Shell-and-tube condenser according to claim 1, characterized in that the outer surface of the heat exchange tubes is coated with fluoroplastic.

4. The shell-and-tube condenser according to claim 1, characterized in that the outer surface of the heat exchanger tubes is coated with a material providing a contact angle value from 90 to 180 °.

5. The shell-and-tube condenser according to claim 1, characterized in that the distance between the guide baffles is reduced so as to ensure a constant average speed of steam along each passage of the annular coolant.

6. The shell-and-tube condenser according to claim 1, characterized in that the distance between the guide walls is reduced so as to ensure a constant ratio of the average volumetric flow rate of steam for each passage of the annular coolant and the cross-sectional area of the corresponding passage of the annulus coolant.