RU2543094C1

RU2543094C1 - Tube and shell heat exchanger

Info

Publication number: RU2543094C1
Application number: RU2013157677/06A
Authority: RU
Inventors: Петр Михайлович Трофимов; Фарида Миргазизовна Трофимова; Владимир Васильевич Кунеевский; Наиля Идрисовна Захарова
Original assignee: Петр Михайлович Трофимов
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-02-27

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: heat exchanger comprises a housing provided with fittings for input and output of the coolant, the lids with fittings for input and output of the heat exchanging medium, and the bundle of heat exchanging tubes fixed in the holes of the tube grids, consisting of inner and the subsequent perforated plates with sealing material between them. Each tube grid is provided with the additional perforated plate. The housing is made with the inner recesses at the ends. The inner and the subsequent plates of the tube grids are clamped with the lids in the recesses of the housing. The heat exchanging tubes are equipped with clip bands.

EFFECT: simplification of manufacturing, improvement of reliability of the heat exchanger.

6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к кожухотрубным теплообменникам для теплообмена жидких и газообразных сред в энергетической, газовой, химической и других отраслях промышленности.The invention relates to the field of power engineering, in particular to shell-and-tube heat exchangers for heat exchange of liquid and gaseous media in the energy, gas, chemical and other industries.

Известны кожухотрубные теплообменники с различными способами крепления труб в трубных решетках, однако способ крепления каждой трубы в отдельности с помощью сальникового уплотнения широкого распространения не получил, так как сложен и дорог, к тому же не позволяет собрать трубы в плотный пучок (Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1995, часть 1, стр.334-339).Shell-and-tube heat exchangers with various methods of fastening pipes in tube sheets are known, however, the method of fastening each pipe individually with an packing seal is not widespread, as it is complex and expensive, and also does not allow to assemble pipes in a dense bundle (Dytnersky Yu.I. Processes and apparatuses of chemical technology. M., Chemistry, 1995, part 1, pp. 344-339).

Недостатком известных теплообменных аппаратов с трубными решетками является высокая трудоемкость закрепления труб в этих решетках, необходимость компенсации температурных напряжений. Вследствие невозможности уменьшения расстояния между трубами проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковые агрегатные состояния, скорость теплоносителя в межтрубном пространстве более низкая и коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для увеличения коэффициента теплопередачи в известных теплообменных аппаратах увеличивают скорость теплоносителя в межтрубном пространстве установкой поперечных и продольных перегородок, не дающих значительных результатов, так как перегородки также увеличивают гидравлическое сопротивление и создают застойные зоны в межтрубном пространстве.A disadvantage of the known heat exchangers with tube sheets is the high complexity of fixing pipes in these grids, the need to compensate for temperature stresses. Due to the impossibility of reducing the distance between the pipes, the bore of the annulus is 2-3 times larger than the bore inside the pipes. Therefore, at the same flow rates of heat carriers having the same aggregate states, the heat carrier velocity in the annulus is lower and the heat transfer coefficients on the annular surface are low, which reduces the heat transfer coefficient in the apparatus. To increase the heat transfer coefficient in known heat exchangers, the heat carrier speed in the annulus is increased by installing transverse and longitudinal partitions that do not give significant results, since the partitions also increase the hydraulic resistance and create stagnant zones in the annulus.

Известен также кожухотрубный теплообменник, трубные решетки которого собираются с помощью склеивающего полимерного заполнителя и имеют кольца на теплообменных трубах для предохранения их от провисания при выполнении аппаратов большей длины. Такая конструкция теплообменника позволяет увеличить параметры теплообмена при уменьшении массогабаритных показателей за счет применения профилированных особо тонкостенных теплообменных труб, собранных в плотный пучок (патент РФ №2038890, МПК B21D 53/06, 1995).A shell-and-tube heat exchanger is also known, the tube sheets of which are assembled using a bonding polymer aggregate and have rings on the heat-exchange tubes to protect them from sagging during the execution of apparatuses of greater length. This design of the heat exchanger allows you to increase the heat transfer parameters while reducing weight and size indicators due to the use of profiled especially thin-walled heat exchange tubes assembled in a dense bundle (RF patent No. 2038890, IPC B21D 53/06, 1995).

Однако известный теплообменник неперспективен для больших типоразмеров. Его нельзя применять для сред с высокими термодинамическими нагрузками, способными разрушить трубные решетки, собираемые с применением склеивающего полимерного заполнителя, имеющего значительно превышающий, чем у металлов, применяемых в изготовлении теплообменных труб и корпусов, коэффициент линейного теплового расширения. Более того, полимерные материалы с повышением температуры, размягчаясь, теряют прочность, а кольца на теплообменных трубах для предохранения их от провисания повышают гидравлическое сопротивление. Существенным недостатком данного теплообменника является невозможность разборки пучка на элементарные теплообменные трубы для их замены или очистки как внутренних, так и наружных поверхностей труб.However, the known heat exchanger is unpromising for large sizes. It cannot be used for environments with high thermodynamic loads capable of destroying tube sheets assembled using an adhesive polymer aggregate, which has a significantly higher coefficient of linear thermal expansion than the metals used in the manufacture of heat transfer pipes and bodies. Moreover, with increasing temperature, polymeric materials soften and lose strength, and rings on heat-exchange tubes to prevent sagging increase hydraulic resistance. A significant drawback of this heat exchanger is the inability to disassemble the beam into elementary heat transfer pipes to replace or clean both the internal and external surfaces of the pipes.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому теплообменнику является кожухотрубный теплообменник, выбранный в качестве прототипа и содержащий цилиндрический кожух, снабженный штуцерами для ввода и вывода теплоносителя, крышки со штуцерами для входа и выхода теплообменивающейся среды и пучок теплообменных труб, зафиксированных в отверстиях трубных решеток, состоящих из внутренней и последующей перфорированных пластин с термостойким герметиком между ними, зажатых между крышками и кожухом. В последующей пластине каждой трубной решетки выполнены дополнительные отверстия, расположенные между отверстиями под трубы. При сборке известного теплообменника герметик заполняет зазоры между пластинами, трубами и кожухом. При этом излишки герметика, проходящие через дополнительные отверстия, образуют заклепки, дополнительно соединяющие пластины трубных решеток (авторское свидетельство СССР №1758381, МПК F28D 7/00, 1992).The closest in technical essence to the proposed heat exchanger is a shell-and-tube heat exchanger, selected as a prototype and containing a cylindrical casing, equipped with fittings for the input and output of the heat carrier, covers with fittings for the inlet and outlet of the heat-exchanging medium, and a bundle of heat-exchange pipes fixed in the openings of the tube sheets consisting of from the inner and subsequent perforated plates with heat-resistant sealant between them, sandwiched between the covers and the casing. In the subsequent plate of each tube sheet, additional holes are made located between the holes for the pipes. When assembling a known heat exchanger, the sealant fills the gaps between the plates, pipes and the casing. In this case, excess sealant passing through additional openings forms rivets that additionally connect the plates of the tube sheets (USSR author's certificate No. 1758381, IPC F28D 7/00, 1992).

Недостатками выбранного прототипа являются дополнительные отверстия в последующих пластинах под заклепки, значительно увеличивающие межтрубное расстояние, не позволяя собирать теплообменные трубы в плотный пучок и увеличивая тем самым массогабаритные размеры. Кроме того, указанные заклепки значительно затрудняют разборку известного теплообменника на элементы для замены любых из них или очистки как внутренних, так и наружных поверхностей.The disadvantages of the selected prototype are additional holes in the subsequent plates for rivets, significantly increasing the annular distance, not allowing to collect heat transfer tubes in a dense bundle and thereby increasing the overall dimensions. In addition, these rivets significantly complicate the disassembly of the known heat exchanger into elements for replacing any of them or cleaning both internal and external surfaces.

Задачей изобретения является создание кожухотрубного теплообменника без ограничения диаметра и длины с прочной и надежной фиксацией теплообменных труб, как в пучке, так и в трубных решетках, дающей возможность применить имеющиеся способы интенсификации теплообмена и снижения гидравлического сопротивления при уменьшении массогабаритных показателей и улучшении ремонтопригодности.The objective of the invention is the creation of a shell-and-tube heat exchanger without limiting the diameter and length with a strong and reliable fixation of heat transfer pipes, both in the bundle and in the tube sheets, which makes it possible to apply the existing methods of heat transfer enhancement and hydraulic resistance reduction while reducing overall dimensions and improving maintainability.

Поставленная задача решается тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем кожух, снабженный штуцерами для ввода и вывода теплоносителя, крышки со штуцерами для входа и выхода теплообменивающейся среды и пучок теплообменных труб, зафиксированных в отверстиях трубных решеток, состоящих из внутренней и последующей перфорированных пластин с уплотнительным материалом между ними, согласно изобретению каждая трубная решетка снабжена по меньшей мере одной дополнительной последующей перфорированной пластиной, кожух выполнен с внутренними выемками по торцам, внутренняя и последующие пластины трубных решеток зажаты крышками в выемках кожуха, а теплообменные трубы снабжены бандажами.The problem is solved in that in a shell-and-tube heat exchanger containing a casing, equipped with fittings for entering and leaving the heat carrier, covers with fittings for the inlet and outlet of the heat-exchanging medium and a bundle of heat-exchange pipes fixed in the openings of the tube sheets consisting of internal and subsequent perforated plates with sealing material between them, according to the invention, each tube sheet is provided with at least one additional subsequent perforated plate, the casing is made with an inside With the recesses at the ends, the inner and subsequent plates of the tube sheets are clamped by covers in the recesses of the casing, and the heat exchange tubes are provided with bandages.

Поставленная задача решается также тем, что отверстия для теплообменных труб последующей пластины трубной решетки со стороны штуцера для выхода теплообменивающейся среды могут быть выполнены с диаметром, равным внутреннему диаметру теплообменных труб.The problem is also solved by the fact that the holes for the heat transfer tubes of the subsequent plate of the tube sheet on the nozzle side for the outlet of the heat exchange medium can be made with a diameter equal to the inner diameter of the heat transfer tubes.

Поставленная задача решается также тем, что бандажи теплообменных труб могут быть выполнены в виде проволочной спиральной навивки.The problem is also solved by the fact that the bandages of heat transfer tubes can be made in the form of a spiral wire winding.

Поставленная задача решается также тем, что теплообменные трубы могут быть стянуты в пучок хомутами или проволокой, навитой по спирали.The problem is also solved by the fact that the heat transfer tubes can be pulled into a bundle with clamps or wire wound in a spiral.

Поставленная задача решается также тем, что кожух может быть расширен в местах штуцеров для ввода и вывода теплоносителя и выполнен в расширенной части с выступами.The problem is also solved by the fact that the casing can be expanded in places of fittings for the input and output of the coolant and is made in the expanded part with protrusions.

Поставленная задача решается также тем, что кожух может иметь форму шестиугольной призмы.The problem is also solved by the fact that the casing may be in the form of a hexagonal prism.

На фиг.1 представлен предлагаемый кожухотрубный теплообменник.Figure 1 presents the proposed shell-and-tube heat exchanger.

На фиг.2 - вариант предлагаемого кожухотрубного теплообменника с расширенным кожухом.Figure 2 is a variant of the proposed shell-and-tube heat exchanger with an expanded casing.

Предлагаемый кожухотрубный теплообменник содержит кожух 1, снабженный штуцерами 2, 3 для ввода и вывода теплоносителя и выполненный с внутренними выемками 4 по торцам, крышки 5 со штуцерами 6, 7 для входа и выхода теплообменивающейся среды и пучок теплообменных труб 8, зафиксированных в отверстиях трубных решеток, состоящих из внутренней и последующих перфорированных пластин 9, 10 с уплотнительным материалом 11 между ними. Внутренняя и последующие пластины 9, 10 трубных решеток зажаты крышками 5 в выемках 4 кожуха 1, а теплообменные трубы 8 снабжены бандажами. Отверстия для теплообменных труб 8 последующей пластины 10 трубной решетки со стороны штуцера 7 для выхода теплообменивающейся среды могут быть выполнены с диаметром, равным внутреннему диаметру теплообменных труб 8. Тем самым теплообменные трубы 8 упираются в последующую перфорированную пластину 10, что исключает их выскальзывание из трубных решеток под действием сил в осевом направлении от входа к выходу, обусловленных имеющимся гидравлическим сопротивлением в теплообменных трубах и разностью давлений между входом и выходом. Бандажи теплообменных труб 8 могут быть выполнены в виде проволочной спиральной навивки 12 (фиг.2), позволяющей турбулизировать межтрубный поток, устанавливать фиксированный межтрубный зазор и исключить трение теплообменных труб 8 между собой. Теплообменные трубы 8 могут быть стянуты в пучок хомутами (не показаны) или проволокой 13, навитой по спирали, которая прочно и надежно закрепляет их в плотном пучке, что исключает провис и вибрацию теплообменных труб 8 и позволит отказаться от опор и перегородок, тем самым снизить гидравлическое сопротивление с возможностью реализации чистого противотока теплообменивающихся сред при повышенных скоростях их движения. В варианте для снижения местных гидравлических сопротивлений и исключения образования застойных зон кожух 1 может быть расширен в местах штуцеров 2, 3 для ввода и вывода теплоносителя, выполнен в расширенной части с выступами 14 и иметь форму шестиугольной призмы (не показано) для получения более плотного трубного пучка.The proposed shell-and-tube heat exchanger contains a casing 1, equipped with fittings 2, 3 for input and output of the coolant and made with internal recesses 4 at the ends, covers 5 with fittings 6, 7 for the inlet and outlet of the heat-exchanging medium, and a bundle of heat-exchange pipes 8 fixed in the openings of the tube sheets consisting of inner and subsequent perforated plates 9, 10 with sealing material 11 between them. The inner and subsequent plates 9, 10 of the tube sheets are clamped by covers 5 in the recesses 4 of the casing 1, and the heat exchange tubes 8 are provided with bandages. The holes for the heat exchange tubes 8 of the subsequent plate 10 of the tube sheet from the side of the nozzle 7 for exiting the heat exchange medium can be made with a diameter equal to the inner diameter of the heat transfer tubes 8. Thus, the heat transfer tubes 8 abut against the subsequent perforated plate 10, which prevents them from slipping out of the tube sheets under the action of forces in the axial direction from inlet to outlet, due to the existing hydraulic resistance in the heat transfer pipes and the pressure difference between the inlet and outlet. The bandages of the heat transfer pipes 8 can be made in the form of a spiral wire winding 12 (Fig. 2), which allows to turbulize the annular flow, establish a fixed annular gap and eliminate friction of the heat exchange pipes 8 between themselves. Heat transfer tubes 8 can be pulled into a bundle with clamps (not shown) or a wire 13 wound in a spiral that firmly and reliably fixes them in a dense bundle, which eliminates sagging and vibration of the heat transfer tubes 8 and allows to refuse supports and partitions, thereby reducing hydraulic resistance with the possibility of realizing a clean counterflow of heat-exchanging media at elevated speeds. In an embodiment, to reduce local hydraulic resistances and to prevent the formation of stagnant zones, the casing 1 can be expanded in places of fittings 2, 3 for entering and leaving the coolant, made in the expanded part with protrusions 14, and in the form of a hexagonal prism (not shown) to obtain a denser beam.

При сборке предлагаемого теплообменника в кожух 1 вставляется пучок теплообменных труб 8. Затем со стороны входа теплообменивающей среды в выемку 4 вставляется внутренняя перфорированная пластина 9, при этом теплообменные трубы 8 продеваются в отверстия внутренней перфорированной пластины 9. На внутреннюю перфорированную пластину 9 укладывается уплотнительный материал 11, заполняющий пространство между теплообменными трубами 8 и кожухом 1. Далее в выемку 4 вставляется последующая перфорированная пластина 10, при этом теплообменные трубы 8 также продеваются в отверстия последующей перфорированной пластины 10. На последующую перфорированную пластину 10 также укладывается уплотнительный материал 11. Для повышения надежности герметизации высокотемпературных теплообменивающихся сред при высоких перепадах давлений между ними в выемку 4 вставляется по меньшей мере одна дополнительная последующая перфорированная пластина 10, при этом теплообменные трубы 8 также продеваются в отверстия дополнительной последующей перфорированной пластины 10. Таким образом, увеличение перепадов давлений между высокотемпературными теплообменивающими средами надежно решается простым увеличением числа последующих перфорированных пластин 10. Собранная сальниковая трубная решетка зажимается далее крышкой 2. Под давлением излишки уплотнительного материала 11 заполняют зазоры между теплообменными трубами 8, перфорированными пластинами 9, 10 решеток и кожухом 1. Аналогично собирается трубная решетка со стороны выхода теплообменивающей среды из трубного пространства с уменьшенным диаметром отверстий в последующей перфорированной пластине 10 до внутренних диаметров теплообменных труб 8.When assembling the proposed heat exchanger, a bundle of heat exchanger tubes is inserted into the casing 1. Then, from the inlet side of the heat exchange medium, an internal perforated plate 9 is inserted into the recess 4, while the heat exchanger tubes 8 are threaded into the holes of the internal perforated plate 9. The sealing material 11 is laid on the internal perforated plate 9 filling the space between the heat exchange tubes 8 and the casing 1. Next, a subsequent perforated plate 10 is inserted into the recess 4, while the heat exchange tubes 8 Sealing material 11 is also threaded into the holes of the subsequent perforated plate 10. Sealing material 11 is also placed on the subsequent perforated plate 10. To increase the reliability of sealing of high-temperature heat-exchanging media at high pressure drops between them, at least one additional subsequent perforated plate 10 is inserted into the recess 4, while the heat-exchange pipes 8 are also threaded into the holes of an additional subsequent perforated plate 10. Thus, an increase in the differences pressure between high-temperature heat-transferring media is reliably solved by simply increasing the number of subsequent perforated plates 10. The assembled stuffing box grate is clamped further by the cover 2. Under pressure, excess sealing material 11 fills the gaps between the heat-exchange pipes 8, perforated plates 9, 10 of the gratings and casing 1. The pipe assembly is similarly assembled grate on the outlet side of the heat-transfer medium from the tube space with a reduced diameter of the holes in the subsequent perforated plate stina 10 to the inner diameters of the heat transfer tubes 8.

Описываемый теплообменник работает следующим образом.The described heat exchanger operates as follows.

Через штуцер 2 в кожух 1 подводится теплоноситель, который заполняет межтрубное пространство и выводится через штуцер 3. Через штуцер 6 в крышке 5 подается в трубное пространство теплообменивающаяся среда, которая выводится через штуцер 7. В результате осуществляется теплообмен теплоносителя и теплообменивающейся среды.Through the nozzle 2, a coolant is introduced into the casing 1, which fills the annulus and is discharged through the nozzle 3. Through the nozzle 6 in the cover 5, a heat-transferring medium is supplied to the tube space, which is discharged through the nozzle 7. As a result, the heat-transfer medium and the heat-exchanging medium are heat-exchanged.

В целях применения существующих способов интенсификации теплообменника с учетом физико-химических свойств теплообменивающихся сред конструкция предлагаемого кожухотрубного теплообменника позволяет:In order to apply existing methods of heat exchanger intensification, taking into account the physicochemical properties of heat-exchanging media, the design of the shell-and-tube heat exchanger proposed allows:

- использовать для изготовления теплообменных труб любые материалы как металлические, так и неметаллические;- use any materials, both metallic and non-metallic, for the manufacture of heat transfer tubes;

- применять теплообменные трубы любого диаметра и толщины, известно, что чем меньше диаметр труб и толщина стенки, тем выше коэффициент использования массы и объема теплообменника;- apply heat transfer pipes of any diameter and thickness, it is known that the smaller the pipe diameter and wall thickness, the higher the utilization of the mass and volume of the heat exchanger;

- применять как гладкие теплообменные трубы, так и гофрированные (сильфонные);- apply both smooth heat transfer pipes and corrugated (bellows);

- применять теплообменные трубы любого профиля, а также с накаткой кольцевых или спиральных канавок, турбулизирующих потоки на внутренней и внешней поверхности трубы, интенсифицирующих теплообмен;- apply heat transfer pipes of any profile, as well as with knurling of ring or spiral grooves, turbulent flows on the inner and outer surface of the pipe, intensifying heat transfer;

- снизить гидравлическое сопротивление, отказавшись от поперечных и продольных перегородок;- reduce hydraulic resistance, abandoning the transverse and longitudinal partitions;

- улучшить ремонтопригодность с возможностью полной разборки на элементарные теплообменные трубы и детали для замены любых из них или очистки как внутренних, так и наружных поверхностей;- to improve maintainability with the possibility of complete disassembly into elementary heat transfer pipes and parts to replace any of them or to clean both internal and external surfaces;

- отказаться от объединения в блоки с параллельными или последовательно-параллельным соединением трактов отдельных кожухотрубных теплообменников при недостающей площади поверхности теплообмена для реализации больших тепловых потоков или больших потерях давления, так как предлагаемый кожухотрубный теплообменник не имеет ограничений по длине и диаметру и, следовательно, величине тепловых потоков при незначительных потерях давления.- refuse to combine in blocks with parallel or series-parallel connection of the paths of individual shell-and-tube heat exchangers with an insufficient heat exchange surface area to realize large heat fluxes or large pressure losses, since the proposed shell-and-tube heat exchanger has no restrictions on the length and diameter and, therefore, the size of the heat flows with slight pressure loss.

Таким образом, реализация изобретения позволит обеспечить требуемые ремонтопригодность, а также простоту и надежность теплообменника, не ограничивая при этом применение проверенных способов интенсификации теплопередачи без опережающего роста гидравлического сопротивления.Thus, the implementation of the invention will provide the required maintainability, as well as the simplicity and reliability of the heat exchanger, without limiting the use of proven methods of intensifying heat transfer without an outstripping increase in hydraulic resistance.

Claims

1. Shell-and-tube heat exchanger, comprising a casing, equipped with fittings for entering and leaving a heat carrier, covers with fittings for entering and leaving a heat-exchanging medium, and a bundle of heat-exchange pipes fixed in the openings of the tube sheets consisting of internal and subsequent perforated plates with sealing material between them, characterized the fact that each tube sheet is provided with at least one additional subsequent perforated plate, the casing is made with internal recesses at the ends, the inner and osleduyuschie plate tubesheets clamped in the recesses of the housing lids and the heat exchange tubes are provided with shrouds.

2. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the openings for the heat exchange tubes of the subsequent plate of the tube sheet on the nozzle side for the outlet of the heat-exchanging medium are made with a diameter equal to the inner diameter of the heat exchange tubes.

3. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the bandages of the heat-exchange tubes are made in the form of a spiral wire winding.

4. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the heat-exchange tubes are pulled into a bundle with clamps or wire wound in a spiral.

5. Shell-and-tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the casing is expanded in places of the fittings for the input and output of the coolant and is made in the expanded part with protrusions.

6. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 5, characterized in that the casing has the shape of a hexagonal prism.