RU212946U1 - Кожухотрубный теплообменник - Google Patents

Abstract

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам, которое может найти применение в теплоэнергетической, химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизации тепла дымовых газов и переработке сточных вод. Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника является увеличение его производительности. Поставленный технических результат достигается в кожухотрубном теплообменнике, состоящем из кожуха, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, верхней и нижней крышек, патрубков для подвода и отвода теплоносителей, верхняя трубная решетка герметично закреплена на кольце посредством шпилек, причем патрубок подачи второго теплоносителя оснащен пульсатором, на верхней крышке посредством цилиндрических пружин установлен диск.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к теплообменным аппаратам, которое может найти применение в теплоэнергетической, химической, нефтехимической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах утилизации тепла дымовых газов и переработке сточных вод.

Известен кожухотрубный теплообменник, состоящий из корпуса и приваренных к нему трубных решеток, в которых герметично закреплен пучок труб. К трубным решеткам крепятся на болтах крышки, уплотняемые с помощью прокладок. На каждой крышке установлены патрубки для входа и выхода одного теплоносителя, а на корпусе установлены патрубки для входа и выхода другого топлоносителя и лапы для установки кожухотрубного теплообменника на фундамент [Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие для вузов / под общей редакцией А.С. Тимонина - Калуга: издательство Н.Ф. Бочкаревой, 2008. - 872 с.: стр. 473, 474].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится снижение производительности во времени из-за уменьшения скорости теплопередачи при накоплении термических отложений (накипи, солевого камня, продуктов термической деструкции) на стенках труб.

Известен пленочный трубчатый теплообменный аппарат, состоящий из вертикального корпуса, верхней и нижней камер, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены теплообменные трубки, патрубков для входа и выхода газа (пара, воздуха) в трубки и патрубков для входа и выхода второго теплоносителя, герметично установленного на корпусе, при этом внутри каждый теплообменной трубки установлены цилиндрические пружины с относительным диаметром [П.м. РФ 14878 B01D 3/28, B01D 1/22, опубл.10.12.2014].

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся длительность и сложность подготовки известного кожухотрубного теплообменника к работе, связанные с установкой и закреплением под каждой трубкой цилиндрической пружины фиксированной и одинаковой длины и одинаковой упругостью, а также закреплением на этих цилиндрических пружинах конических распределителей газа (пара или воздуха) с одинаковой массой. Это увеличивает время подготовки кожухотрубного теплообменника к работе, уменьшает основное время работы и производительность. Кроме того, его использование возможно только при движении в трубах газа, пара или воздуха.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип, является кожухотрубный теплообменник [Патент РФ №209163, МПК F28D 7/16, F28F 9/013, опубл. 03.02.2022 г.], состоящий из кожуха, трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, крышки, днища и патрубков для подвода и отвода теплоносителей, в котором верхняя трубная решетка выполнена с заданным наружным диаметром, а верхняя трубная решетка посредством шпилек соединена с герметично закрепленным в разъемных соединениях, скрепляющих верхнюю крышку с кожухом, кольцом, наружный диаметр которого равен наружному диаметру нижней трубной решетки.

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится снижение производительности во времени из-за уменьшения скорости теплопередачи при накоплении термических отложений (накипи, солевого камня, продуктов термической деструкции) на стенках труб. Это увеличивает время подготовки кожухотрубного теплообменника к работе, уменьшает основное время работы и производительность в целом.

Техническим результатом предлагаемой конструкции кожухотрубного теплообменника является увеличение его производительности.

Поставленный технических результат достигается в кожухотрубном теплообменнике, состоящем из кожуха, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, верхней и нижней крышек, патрубков для подвода и отвода теплоносителей, верхняя трубная решетка герметично закреплена на кольце посредством шпилек, причем патрубкок подачи второго теплоносителя, оснащен пульсатором, на верхней крышке посредством цилиндрических пружин установлен диск с диаметром, определяемым выражением

где d - диаметр диска распределителя, м,

D - внутренний диаметр кожуха, м,

Δ - кольцевой зазор между внутренним диаметром кожуха и периферийными трубками трубного пучка, м,

а упругость каждой цилиндрической пружины определяется выражением

где а - упругость каждой цилиндрической пружины, Н/м,

π - число Пи,

ν - частота колебаний пульсатора, Гц,

М - масса диска, кг,

N -число цилиндрических пружин.

Присоединение пульсатора к крышке с патрубком входа теплоносителя в трубки трубного пучка позволяет подавать этот теплоноситель в пульсационном режиме, который интенсифицирует теплоотдачу, а значит приводит к росту производительности.

Выполнение распределителя в виде диска установленного на цилиндрических пружинах в крышке с патрубками выхода теплоносителя из трубок трубного пучка с диаметром, определяемых выражением (1), позволяет перекрывать сечение всех трубок трубного пучка, в которых двигается пульсирующий поток теплоносителя, что одинаково интенсифицирует процесс теплопереноса при вибрации потока в трубках, а установка диска распределителя на цилиндрических пружинах с упругостью, подчиняющиеся выражению (2) приводит к резонансному режиму вибрации диска распределителя с частотой, совпадающей с частотой вынужденных колебаний пульсатора и высокой амплитудой, интенсифицирующей теплоперенос и приводящей к росту производительности.

Диск с массой М, установленный на цилиндрических пружинах числом N с упругостью каждой а представляет собой физический маятник собственная частота колебаний которого определяется уравнением

где

- частота колебаний цилиндрической пружины, Гц,

а - упругость цилиндрической пружины, Н/м,

π - число Пи,

m=М/N - масса диска приходящаяся на одну пружину, кг.

Если число цилиндрических пружин равно N, а общая масса диска распределителя M, то приравнивания собственную частоту колебаний пружинного маятника

к частоте вынужденных колебаний пульсатора

, то с учетом уравнения (3) получаем уравнение (2) для упругости каждой цилиндрической пружины, обеспечивающей резонансный режим колебаний диска распределителя с высокой амплитудой интенсифицирующей теплоперенос, за счет уменьшения времени подготовки теплообменника к работе и увеличении основного времени цикла его работы, а значит и производительность кожухотрубного теплообменника предлагаемой конструкции.

На фигуре изображен общий вид кожухотрубного теплообменника предлагаемой конструкции.

Кожухотрубный теплообменник состоит из кожуха 1 с патрубками входа 2 и выхода 3 одного теплоносителя, для его движения в межтрубном пространстве трубок 4 трубного пучка, закрепленных герметично в трубных решетках 5 сверху и снизу. Снизу к кожуху 1 на фланцах с помощью разъемных соединений прикреплена нижняя крышка 6 с патрубком подачи второго теплоносителя 7, оснащенного пульсатором 8.

Сверху на кожухе 1, посредством разъемных соединений, установлена верхняя крышка 9 с патрубком отвода второго теплоносителя 10 из трубок 4.

Над трубками 4 трубного пучка на верхней крышке 9 посредством цилиндрических пружин 11 установлен диск 12 массой М, при этом диаметр диска 12 подчиняется уравнению (1), а упругость каждой цилиндрической пружины 11 уравнению (2).

На внешней стороне кожуха 1 выполнены лапы 13, для установки кожухотрубного теплообменника на фундамент, а трубная решетка 5 сверху герметично закреплена на кольце 14 посредством шпилек 15.

Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.

По патрубку входа 2 внутрь кожуха 1 подают один теплоноситель, который движется в межтрубном пространстве, омывая наружную поверхность трубок 4 трубного пучка, и выходит наружу через патрубок выхода 3. По патрубку подачи второго теплоносителя 7 внутрь кожуха 1 поступает второй теплоноситель и включают пульсатор 8. Одновременно, второй теплоноситель движется в пульсационном режиме внутри нижней крышки 6 и в трубках 4 трубного пучка, а затем из верхней крышки 9 по патрубку отвода второго теплоносителя 10 выходит наружу. Так как диаметр диска 12 подчиняется уравнению (1), то есть он своей поверхностью перекрывает все трубки 4 трубного пучка, а упругость цилиндрических пружин 11, на которых подвешен диск 12 подчиняется уравнению (2), то диск 12 совершает пульсации с частотой, равной частоте пульсации, создаваемой пульсатором 8, тогда поток теплоносителя в трубках 4 трубного пучка колеблется в резонансном режиме с высокой амплитудой интенсифицирующей процесс теплопередачи, за счет чего увеличивается основное время цикла, связанного с процессами теплопереноса от одного теплоносителя движущегося в межтрубном пространстве ко второму теплоносителю, движущемуся в трубках 4, что вызывает рост производительности работы аппарата в целом.

Пример. Рассмотрим предлагаемую конструкцию кожухотрубного теплообменника, состоящим из 61 трубки с внутренним диаметром 27 мм и толщиной стенки 2,5 мм, высотой 1,25 м, когда по трубкам проходит q_v0=13 м³/час четыреххлористого углерода. Средняя температура четыреххлористого углерода t_ср=50°С, а температура внутренней поверхности стенки труб t_ст=24°С. Рассчитанный по критериальному уравнению коэффициент теплоотдачи при полном заполнении трубок жидким четыреххлористым углеродом составляет α₀=167 Вт/м²⋅град.

При использовании пульсатора без создания резонансного режима, то есть в отсутствии диска, подвешенного на цилиндрических пружинах, возможно увеличение коэффициента теплоотдачи при амплитуде пульсаций 1 мм в 2 раза, то есть увеличения коэффициента теплоотдачи α₁=2×α₀=334 Вт/м²⋅град и соответственно роста производительности по тепловой мощности

,

где Q₁ - тепловая мощность с использованием пульсатора, Вт,

Q₀ - тепловая мощность типового аппарата, Вт,

α₀ - коэффециент теплоотдачи без пульсации, Вт/м²⋅град,

t_ср - средняя температура четыреххлористого углерода, град,

t_ст - температура внутренней поверхности стенки труб, град.

Согласно уравнению теплового баланса

где ρ=1630 кг/м³ - плотность четыреххлористого углерода, движущегося внутри трубок 4 трубчатого пучка,

с_p - теплоемкость четыреххлористого углерода, Дж/кг,

q_v0 - объемный расход четыреххлористого углерода, м³/с,

получаем удвоение производительности

,

где q_v1 - объемный расход четыреххлористого углерода при воздействии пульсации, м³/с.

В резонансном режиме амплитуда колебаний потока четыреххлористого углерода может в несколько раз превышать амплитуду вынужденных колебаний, создаваемых пульсатором. (Например, в монографии [В.Д. Варсановьев, Э.Э. Кольман Иванов «Вибрационная техника в химической промышленности» - М.: Химия 1985, стр. 213] сказано, что теплоотдача при наложении низкочастотных колебаний может дать прирост коэффициента теплоотдачи до 700%.)

Допустим, при установке диска на цилиндрических пружинах, обеспечивающих повышение амплитуды колебаний в резонансном режиме по сравнению с амплитудой колебаний только от пульсатора, амплитуда возрастет с 1 мм до 2 мм, то есть еще в 2 раза, тогда мощность Q₂ проектируемого аппарата работающего в резонансном режиме, станет Q₂=2Q₁=4Q₀ и производительность также возрастет в 2 раза

,

где q_v2 - объемный расход четыреххлористого углерода при работе аппарата в резонансном режиме, м³/с.

Расчет цилиндрической пружины.

Частота пульсации пульсатора ν=10 Гц. Диаметр кожуха кожухотрубного теплообменника с 61 трубкой трубного пучка при наружном диаметре трубки d_н=32 мм при разбивке труб по шестиугольникам составит на диагонали 9 трубок с расстоянием между ними равном наружному диаметру труб, а кольцевой зазор Δ=1,5·d_н=48 мм.

Тогда внутренний диаметр кожуха составит

.

Согласно уравнению (1) диаметр диска распределителя будет

.

Если диск выполнен из стального листа толщиной δ=3 мм, то при плотности стали ρ_ст=8000 кг/м³ масса диска составит

.

При установке диска на 3х цилиндрических пружинах, то есть N=3 согласно уравнению (2) упругость каждой цилиндрической пружины должна быть

или а=9500 кг/м=9,5 кг/мм,

то есть при статической нагрузке 9,5 кг каждая цилиндрическая пружина должна растягиваться на 1 мм.

Подбираем из справочника [В.И. Анурьев Справочник конструктора-машиностроителя. Изд. 3-е, переработанное. - М.: Машиностроение, 1967, 688 с.; стр. 547] пружину цилиндрического растяжения, выполненную из проволоки диаметром d_н=5 мм с наружным диаметром витка D_н=45 мм, у которой каждый виток деформируется в статическом состоянии на t₁=4,2 мм при нагрузке Р₁=39,5 кг, то есть упругость такой пружины

.

При расчетной резонансной упругости, рассчитанной по уравнению (2)

,

при среднем расстоянии между витками t₁=9,2 мм.

Тогда под весом Р численно равном М в кг разделенном на 3 цилиндрических пружины деформация каждого витка в статическом состоянии составит

а с учетом выталкивающей силы Архимеда в нагреваемом четыреххлористом углероде ρ=1630 кг/м³

.

При числе витков в каждой цилиндрической пружине n=4, общая рабочая высота составит h=t1×n=9,2×4=36,8 мм, а в нерабочем состоянии в отсутствии четырехлористого углерода h₀=h-4×t=36,8-4×0,25=35,75 мм, а в рабочем состоянии без вибрации

.

Таким образом, использование кожухотрубного теплообменника, состоящего из кожуха, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, верхней и нижней крышек, патрубков для подвода и отвода теплоносителей, верхняя трубная решетка герметично закреплена на кольце посредством шпилек, пульсатора, диска, установленного посредством цилиндрических пружин на верхней крышке, позволяет увеличить производительность устройства в целом.

Claims (12)

1. Кожухотрубный теплообменник, состоящий из кожуха, верхней и нижней трубных решеток, в которых герметично закреплены трубки трубного пучка, верхней и нижней крышек, патрубков для подвода и отвода теплоносителей, верхняя трубная решетка герметично закреплена на кольце посредством шпилек, отличающийся тем, что патрубкок подачи второго теплоносителя оснащён пульсатором, на верхней крышке посредством цилиндрических пружин установлен диск с диаметром, определяемым выражением
2. 
3. где d - диаметр диска распределителя, м,
4. D - внутренний диаметр кожуха, м,
5. 

   - кольцевой зазор между внутренним диаметром кожуха и периферийными трубками трубного пучка, м,
6. а упругость каждой цилиндрической пружины определяется выражением
7. 
8. где а - упругость каждой цилиндрической пружины, Н/м,
9. π - число Пи,
10. ν - частота колебаний пульсатора, Гц,
11. М - масса диска, кг,
12. N - число цилиндрических пружин.

Images