RU2599889C2 - Теплообменник с u-образными трубками, способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом и применение теплообменника с u-образными трубками - Google Patents
Теплообменник с u-образными трубками, способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом и применение теплообменника с u-образными трубками Download PDFInfo
- Publication number
- RU2599889C2 RU2599889C2 RU2012102917/06A RU2012102917A RU2599889C2 RU 2599889 C2 RU2599889 C2 RU 2599889C2 RU 2012102917/06 A RU2012102917/06 A RU 2012102917/06A RU 2012102917 A RU2012102917 A RU 2012102917A RU 2599889 C2 RU2599889 C2 RU 2599889C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coolant
- shaped tubes
- inlet
- heat
- shaped
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
- F28F19/002—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using inserts or attachments
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
- F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
- F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
- F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
- F28D2021/0075—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for syngas or cracked gas cooling systems
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/06—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
- Power Steering Mechanism (AREA)
- Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменных аппаратах с U-образными трубками. Теплообменник с U-образными трубками содержит впускные трубы, расположенные на трубной доске впускных труб, находящейся под нейтральным давлением, теплоноситель проходит впускные трубы в U-образные трубки, расположенные на трубной решетке, где среда разделяется на два потока и течет из обоих концов U-образных трубок в выходную камеру теплоносителя и выходит из теплообменника через выходной патрубок. Технический результат - обеспечение значительной теплопередачи, сопротивляемости к износу материалов и низкий перепад давления. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Данное изобретение относится к теплообмену в трубчатом теплообменнике, предназначенном для эксплуатации в критических условиях процессов, таких как высокие температуры, большие разности температур, высокие перепады давления и агрессивные среды, а именно к теплообменнику с U-образными трубками, процессу теплообмена между теплоносителем и хладагентом и применению теплообменника с U-образными трубками.
Согласно изобретению теплообменник с U-образными трубками предпочтительно представляет собой котел-утилизатор с U-образными трубками и еще более предпочтительно котел-утилизатор синтез-газа с водой или паром в качестве хладагента.
Далее настоящее изобретение описывается в отношении котла-утилизатора с синтез-газом в качестве теплоносителя и водой или паром в качестве хладагента. Необходимо понимать, что теплообменник согласно настоящему изобретению также относится к котлам-утилизаторам с другими теплоносителями и хладагентами или даже к другим областям теплообмена со сложными условиями эксплуатации, где должны быть предприняты надлежащие меры по предотвращению материального ущерба без нежелательных потерь высокого давления в теплообменнике.
Промышленное производство аммиака основано на процессе синтеза аммиака, в котором происходит экзотермическая реакция между водородом и азотом с получением аммиака. Синтез аммиака осуществляется в реакторе при высоком давлении и повышенной температуре во время прохождения азота и водорода через слой соответствующего катализатора. Такой реактор называется колонна синтеза аммиака. Тепло, выделяющееся при экзотермической реакции в колонне, часто подвергается регенерации посредством производства пара в котле-утилизаторе синтез-газа. Котел-утилизатор синтез-газа является теплообменником, в котором горячий газ из колонны синтеза аммиака охлаждается посредством косвенного теплообмена с кипящей водой.
Котел-утилизатор синтез-газа эксплуатируется в сложных условиях, которые во многих отношениях требуют специальной конструкции котла-утилизатора. Наиболее жесткие условия относятся к соединениям впускной трубы для газа и трубной решетки теплообменника.
В теплообменнике согласно изобретению отсутствуют соединения впускной трубы для газа и трубной решетки теплообменника. Кроме того, трубная решетка, а также ее соединения подвергаются воздействию теплоносителя только после его охлаждения. Поэтому удается избежать большинства случаев поломки котла-утилизатора благодаря конструкции по изобретению.
Уровень техники
Для теплообменника, такого как котел-утилизатор синтез-газа, существует ряд специфических условий, и является затруднительным учесть все эти условия в одной конструкции.
Эти условия связаны с давлением, температурой, азотированием, водородной коррозией и механической коррозией.
Синтез-газ для производства аммиака обычно находится под давлением 120-220 бар. Кипящая вода обычно находится под низким (5-15 бар), средним (30-50 бар) или высоким давлением (90-130 бар). Стенки, разделяющие синтез-газ и кипящую воду, должны быть сконструированы в расчете на наибольший перепад давлений между двумя средами. В кожухотрубных теплообменниках это, как правило, приводит к необходимости использования очень толстых трубных решеток, обычно толщиной 300-450 мм.
Синтез-газ для производства аммиака может находиться при температурах от 380°С до 500°С на входе в котел-утилизатор и при температурах от 200°С до 380°С на выходе. Кипящая вода может находиться при температуре от 150°С до 330°С, в зависимости от давления пара.
Котлы-утилизаторы синтез-газа часто конструируются в виде теплообменников с U-образными трубками и с очень толстой трубной решеткой. Толстая трубная решетка теплообменника приобретает температуру металла, близкую к температуре газа в проходящих через трубную решетку трубах. В случае U-образных труб, как следует из известного уровня техники, область впускной трубы станет горячей, тогда как область выпускной трубы станет холодной. По этой причине высокие температурные нагрузки являются рискованными, если разница температур между входящим и выходящим газом слишком велика. В случае производства пара при низком и среднем давлении может быть приемлема разность температур от 200°С до 300°C. Однако согласно известному уровню техники оказалось сложно или невозможно сконструировать котел-утилизатор с U-образными трубками для такой большого перепада температур.
Азотирование представляет собой воздействие на материалы аммиачной составляющей синтез-газа. Степень азотирования зависит от вида металлического сплава и температуры металла. Низколегированные стали вступают в недопустимое взаимодействие при 380°С. Нержавеющая сталь может применяться при температурах 450°С или выше, а сплав «Инконель» не вступает в недопустимое взаимодействие даже при 500°С. Область впускной трубы трубной решетки парового котла с U-образными трубками часто будет иметь температуру выше 420°С. Поэтому материалы, вступающие в контакт с синтез-газом, должны быть высоколегированными. На стороне трубной решетки, контактирующей с газом, и на поверхности входных отверстий необходимо предохранение с помощью облицовки или обшивки.
Водородная коррозия вызывает повышение хрупкости материалов при их взаимодействии с водородсодержащими газами. Важными параметрами являются парциальное давление водорода, температура и состав стали. При условиях состава, температуры и давления промышленного синтез-газа обычно требуется стальной сплав, содержащий 2% хрома (Cr) и 1% молибдена (Мо).
Механическая коррозия представляет угрозу для материалов, контактирующих с водой. Тем не менее этот вид коррозии не является критическим для ферритовых материалов, в то время как аустенитные материалы чувствительны к этому виду воздействия.
Типичный котел-утилизатор синтез-газа представляет собой теплообменник с U-образными трубками, с синтез-газом в трубном пространстве и водой/паром в межтрубном пространстве. Трубная решетка очень толстая. Входная сторона трубной решетки защищена путем облицовки сплавом «Инконель». Если трубы приварены к газовой стороне трубной решетки, то они должны быть обшиты сплавом «Инконель» с внутренней стороны на всем протяжении их прохода через трубную решетку. Если трубы приварены к водяной стороне трубной решетки, то входные отверстия трубной решетки должны быть обшиты сплавом «Инконель» в целях защиты.
Котлы-утилизаторы синтез-газа часто выходят из строя из-за трещин, вызванных одним или несколькими описанными механическими и/или коррозионными явлениями. Наиболее жесткие условия среди упомянутых наблюдаются возле входных отверстий труб. Это происходит вследствие высокой температуры, разности температур между впускной и выпускной трубами, механической коррозии, застаивания водорода между материалами различного состава, азотирования и водородной коррозии. Другой особенностью котла-утилизатора синтез-газа является падение давления синтез-газа при прохождении его через теплообменник. Низкое давление необходимо поддерживать из соображений энергопотребления компрессора синтез-газа.
В патенте США US 3568764 раскрывается теплообменник с U-образным трубками, который снабжен разделительной перегородкой, примыкающей к выходной стороне трубной решетки многотрубного теплообменника. Часть холодного входного потока скорее проходит между перегородкой и трубной решеткой, нежели чем через трубы, таким образом, поддерживается в основном равномерная и низкая температура трубной решетки. Уплотнительные кольца пропускают порции нагретого выходного газа из труб в выходную камеру канала. Однако эффективность теплообмена снижается из-за части входного потока, которая обходит трубы теплообменника. Теплоноситель находится в межтрубном пространстве теплообменника, в чем состоит отличие от настоящего изобретения, где в межтрубном пространстве находится хладагент.
В патенте ЕР 0860673 описано решение вышеупомянутых проблем с помощью жаротрубного теплообменника с множеством теплообменных труб, в котором теплообменные трубы выполнены в форме двойных труб с закрытой на одном конце внешней трубой и открытой с обоих концов внутренней трубой, отделенной от внешней трубы. Этот теплообменник приспособлен для теплообмена между горячим газом в трубном пространстве внешней трубы и текучей средой в межтрубном пространстве. Хотя такое конструктивное решение позволяет устранить упомянутые выше проблемы, оно приводит к значительному падению давления в трубах по сравнению с теплообменником с U-образными трубками, что делает это решение более дорогостоящим из-за расходов на увеличенную поверхность теплообмена для данного падения давления.
Сущность изобретения
Целью данного изобретения является устранение недостатков известных из уровня техники теплообменников, в частности котлов-утилизаторов, путем обеспечения теплообменника с U-образными трубками со значительной теплопередачей, сопротивляемостью к износу материалов и низким перепадом давления.
Эта цель достигается теплообменником согласно настоящему изобретению.
Признаки изобретения
1. Теплообменник с U-образными трубками для теплообмена между теплоносителем и хладагентом, отличающийся тем, что теплообменник содержит:
- камеру хладагента с входным и выходным отверстиями
- входную камеру теплоносителя с входным отверстием
- выходную камеру теплоносителя с выходным отверстием
- трубную решетку с множеством отверстий трубной решетки, трубная решетка отделяет камеру хладагента с одной стороны от выходной камеры теплоносителя с другой стороны
- множество теплообменных U-образных трубок, имеющих первый и второй концы
- множество впускных труб, имеющих входной и выходной концы, при этом каждая впускная труба соответствует одной из U-образных трубок
- трубную доску для впускных труб, расположенную таким образом, что она отделяет впускную камеру теплоносителя от выходной камеры теплоносителя, трубная доска для впускных труб имеет множество отверстий трубной доски для впускных труб,
где указанное множество теплообменных U-образных трубок расположено в трубной решетке, причем каждый первый и второй концы присоединены по контуру каждого отверстия трубной решетки, U-образные трубки, проходящие через камеру хладагента, контактируют с хладагентом в межтрубном пространстве U-трубок и указанное множество впускных труб располагается в трубной доске для впускных труб, причем входной конец присоединен по контуру каждого отверстия трубной доски для впускных труб, где выходной конец каждой из впускных труб частично расположен внутри первого конца соответствующей теплообменной U-образной трубки, внешний диаметр каждой впускной трубы меньше, чем внутренний диаметр первого конца соответствующих теплообменных U-образных трубок в, по меньшей мере, части каждой U-образной трубки, где соответствующая впускная труба расположена внутри, единственное соединение текучих сред между входной камерой теплоносителя и трубной решеткой и внутренним пространство U-образных трубок осуществляется при прохождении текучей средой впускных трубок, посредством чего первый и второй концы U-образных трубок, а также трубная решетка контактируют только с охлажденным теплоносителем в трубном пространстве U-образных трубок и трубной решетки.
2. Теплообменник с U-образными трубками по признаку 1, в котором хладагентом является вода или пар, синтез-газ или технологический газ.
3. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где теплообменником является котел-утилизатор и в качестве хладагента применяется вода или пар.
4. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где теплообменником является котел-утилизатор синтез-газа и в качестве теплоносителя применяется синтез-газ.
5. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где охлажденный теплоноситель, выходящий из первого конца каждой из множества U-образных трубок, имеет температуру, по существу равную температуре охлажденного теплоносителя, выходящего из второго конца каждой из множества U-образных трубок.
6. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где разность температур между охлажденным теплоносителем, выходящим из первого конца каждой из множества U-образных труб, и охлажденным теплоносителем, выходящим из второго конца каждой из множества U-образных труб, составляет от 0°С до 50°С, предпочтительно от 0°С до 20°С.
7. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где по меньшей мере часть множества впускных труб, расположенных внутри соответствующей U-образной трубки, является теплоизолированной.
8. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где имеется кольцевое пространство между частью каждой из впускных трубок, расположенных внутри первого конца соответствующей теплообменной U-образной трубки, и первым концом соответствующих теплообменных U-образных трубок.
9. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где множество впускных труб не контактирует с множеством U-образных труб.
10. Теплообменник с U-образными трубками по любому из предшествующих признаков, где диаметр второго конца каждой из U-образных трубок меньше, чем диаметр первого конца указанной U-образной трубки.
11. Способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом в теплообменнике с U-образными трубками по признаку 1, отличающийся тем, что способ содержит следующие стадии:
а. подача потока хладагента через входное отверстие для хладагента в камеру хладагента, где хладагент контактирует с межтрубным пространством U-образных трубок, и далее через выходное отверстие хладагента из камеры хладагента,
b. подача потока теплоносителя в камеру теплоносителя через входное отверстие теплоносителя,
c. подача потока теплоносителя далее через отверстия трубной доски для впускных труб во входные концы впускных труб, далее через впускные трубы и из выходных концов впускных труб и в каждую из соответствующих U-образных трубок на расстояние от первого конца указанных U-образных трубок,
d. разделение потока теплоносителя в каждой их U-образных трубок на поток первой части, который проходит через первую часть каждой U-образной трубки в кольцевое пространство между впускной трубой и U-образной трубкой, перед тем как поток первой части выходит из каждой U-образной трубки через первый конец, и поток второй части, который проходит через вторую часть каждой U-образной трубки и выходит из каждой U-образной трубки через второй конец, причем потоки как первой, так и второй части участвуют в косвенном теплообмене с хладагентом через стенки U-образных трубок и охлаждаются хладагентом во время прохода через U-образные трубки,
e. сбор всех охлажденных потоков теплоносителя в выходной камере теплоносителя, где охлажденный теплоноситель контактирует со второй стороной трубных решеток, и дальнейшая подача потока охлажденного теплоносителя из выходной камеры теплоносителя через выходной канал теплоносителя.
12. Способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом по признаку 11, где в качестве хладагента применяется вода или пар.
13. Способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом по признаку 11 или 12, где температура хладагента на входе находится в интервале от 100°С до 350°С, предпочтительно в интервале от 250°С до 325°С, температура хладагента на выходе находится в интервале от 100°С до 350°С, предпочтительно в интервале от 250°С до 325°С, температура теплоносителя на входе находится в интервале от 300°С до 500°С, предпочтительно в интервале от 390°С до 450°С, и температура теплоносителя на выходе находится в интервале от 120°С до 390°С, предпочтительно в интервале от 300°С до 370°С.
14. Способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом по любому из признаков 11-13, где разность температур между каждым из потоков охлажденного теплоносителя первой части и потоков охлажденного теплоносителя второй части находится в интервале 0°С-50°С, предпочтительно 0°С-20°С при выходе из первого и второго конца каждой из U-образных трубок в выходную камеру теплоносителя.
15. Применение теплообменника по любому из признаков 1-10 для осуществления теплообмена между водой или паром и синтез-газом.
Описание изобретения
Настоящее изобретение далее детально рассматривается в отношении конкретных вариантов выполнения изобретения со ссылкой на чертежи, которые относятся к теплообменнику котла-утилизатора:
На Фиг.1 показано поперечное сечение варианта выполнения котла-утилизатора по изобретению, и
На Фиг.2 показано поперечное сечение детали U-образной трубки в варианте выполнения котла-утилизатора по изобретению.
Номера позиций
101) Трубная решетка
102) Отверстия трубной решетки
103) Теплообменные U-образные трубки
104) Впускные трубы
105) Трубная доска для впускных труб
106) Оболочка бокового давления хладагента
107) Камера хладагента
108) Входной патрубок хладагента
109) Выходной патрубок хладагента
110) Оболочка бокового давления теплоносителя
111) Камера теплоносителя
112) Входная камера теплоносителя
113) Выходная камера теплоносителя
114) Входной патрубок теплоносителя
115) Выходной патрубок теплоносителя
116) Изоляция впускных труб
Трубная решетка (101) с одной стороны соединена с оболочкой бокового давления хладагента (106) (напр., воды/пара), а с другой стороны с оболочкой бокового давления теплоносителя (110) и разделяет камеру хладагента (107) и камеру теплоносителя (111) (напр., синтез-газа). Трубная решетка перфорирована множеством отверстий трубной решетки (102). Теплообменные U-образные трубки (103) приварены к трубной решетке (101) с обоих концов U-образные трубок в отверстиях трубной решетки (102). Теплообменные U-образные трубы (103) проходят в камеру хладагента (107). Трубная доска для впускных труб (105) размещена внутри камеры теплоносителя (111). Трубная решетка впускных труб (105) перфорирована отверстиями, соответствующими отверстиям в трубной решетке (101). Впускные трубы (104), имеющие меньший внешний диаметр, чем внутренний диаметр теплообменных U-образных труб (103), прикреплены к отверстиям трубной доски для впускных труб (105) и проходят вовнутрь теплообменных U-образных трубок (103). Трубная доска для впускных труб (105) соединена с патрубком теплоносителя (114) с помощью пластин и оболочек, образуя газонепроницаемую входную камеру теплоносителя (112). Впускные трубы (104) покрыты слоем изоляции впускных труб (116).
Хладагент, например кипящая питательная вода из барабана парового котла, проходит в камеру хладагента (107) через входной патрубок хладагента (108). Теплообменные U-образные трубки (103) обеспечивают подачу тепла для кипения в камере хладагента (107). Смесь воды и пара покидает камеру хладагента (107) через выходные патрубки камеры хладагента (109). Теплоноситель, например горячий синтез-газ из колонны синтеза аммиака, поступает во входную камеру теплоносителя (111) через входной патрубок камеры теплоносителя (114). Затем синтез-газ проходит через отверстия трубной доски для впускных труб (105), через впускные трубы (104) в теплообменные U-образные трубки (103). Во всех теплообменных U-образных трубках поток первой части синтез-газа меняет направление движения, возвращаясь по U-образным трубкам в кольцевое пространство, проходя вне впускных труб (104) и внутри теплообменных U-образных трубок (103) назад в выходную камеру теплоносителя (113). Поток синтез-газа второй части во всех теплообменных U-образных трубах проходит дальше к U-образному изгибу U-образных труб и поступает в выходную камеру теплоносителя (113). Затем синтез-газ выходит из теплообменника через выходной патрубок теплоносителя (115).
При прохождении синтез-газа в кольцевом пространстве между впускной трубой (104) и теплообменной U-образной трубой он охлаждается, осуществляя косвенный теплообмен с кипящей водой. Теплопередача между входным газом, проходящим во впускных трубах (104), и газом, проходящим в кольцевом пространстве, исключается благодаря слою изоляции впускной трубы (116).
Характерной чертой теплообменника по изобретению является то, что толстая трубная решетка (101) вступает в контакт лишь с охлажденным выходящим синтез-газом. Таким образом, минимизируются вышеупомянутые проблемы котлов-утилизаторов синтез-газа, связанные с горячим входящим газом и температурным перепадом между трубами в толстой трубной решетке. Трубная доска для впускных труб (105) согласно изобретению является тонкой, так как эта часть не находится под давлением и может быть выполнена из аустенитной высоколегированной стали, потому что она не взаимодействует с водой. По изобретению перепад давления в теплообменнике снижен по сравнению с теплообменниками с глухими трубами, так как поток газа разделяется на два при выходе из впускных труб. Перепады давлений и коэффициенты теплопередачи первого и второго газовых потоков, проходящих через первую и вторую части, и вне U-образных трубок, могут быть уравновешены таким образом, что температура синтез-газа будет сопоставима на обоих выходных концах U-образных трубок. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения это может быть осуществлено путем уменьшения диаметра второго конца U-образных трубок, как показано на Фиг.2.
Claims (13)
1. Теплообменник с U-образными трубками для теплообмена между теплоносителем и хладагентом, содержащий:
- камеру хладагента с входным и выходным отверстиями
- входную камеру теплоносителя с входным отверстием
- выходную камеру теплоносителя с выходным отверстием
- трубную решетку с множеством отверстий, отделяющую камеру хладагента с одной стороны от выходной камеры теплоносителя с другой стороны
- множество теплообменных U-образных трубок, имеющих первый и второй концы
- множество впускных труб, имеющих входной и выходной концы, при этом каждая впускная труба соответствует одной из U-образных трубок
- трубную доску для впускных труб, имеющую множество отверстий и расположенную таким образом, что она отделяет входную камеру теплоносителя от выходной камеры теплоносителя,
при этом указанное множество теплообменных U-образных трубок расположено в трубной решетке, причем указанные первый и второй концы теплообменных U-образных трубок присоединены по контуру каждого отверстия трубной решетки, U-образные трубки, проходящие через камеру хладагента, в контакте с хладагентом в межтрубном пространстве U-трубок, и указанное множество впускных труб расположено в трубной доске для впускных труб, причем входной конец впускных труб присоединен по контуру каждого отверстия трубной доски для впускных труб, а выходной конец каждой из впускных труб частично расположен внутри первого конца соответствующей теплообменной U-образной трубки, внешний диаметр каждой впускной трубы меньше, чем внутренний диаметр первого конца соответствующих теплообменных U-образных трубок в по меньшей мере части каждой U-образной трубки, где соответствующая впускная труба расположена внутри, единственное соединение по текучим средам между входной камерой теплоносителя и трубной решеткой и внутренним пространством U-образных трубок осуществляется при прохождении текучей средой впускных трубок, посредством чего первый и второй концы U-образных трубок, а также трубная решетка находятся в контакте только с охлажденным теплоносителем в трубном пространстве U-образных трубок и трубной решетки, отличающийся тем, что охлажденный теплоноситель, выходящий из первого конца каждой из множества U-образных трубок, имеет температуру, равную в основном температуре охлажденного теплоносителя, выходящего из второго конца каждой из множества U-образных трубок.
- камеру хладагента с входным и выходным отверстиями
- входную камеру теплоносителя с входным отверстием
- выходную камеру теплоносителя с выходным отверстием
- трубную решетку с множеством отверстий, отделяющую камеру хладагента с одной стороны от выходной камеры теплоносителя с другой стороны
- множество теплообменных U-образных трубок, имеющих первый и второй концы
- множество впускных труб, имеющих входной и выходной концы, при этом каждая впускная труба соответствует одной из U-образных трубок
- трубную доску для впускных труб, имеющую множество отверстий и расположенную таким образом, что она отделяет входную камеру теплоносителя от выходной камеры теплоносителя,
при этом указанное множество теплообменных U-образных трубок расположено в трубной решетке, причем указанные первый и второй концы теплообменных U-образных трубок присоединены по контуру каждого отверстия трубной решетки, U-образные трубки, проходящие через камеру хладагента, в контакте с хладагентом в межтрубном пространстве U-трубок, и указанное множество впускных труб расположено в трубной доске для впускных труб, причем входной конец впускных труб присоединен по контуру каждого отверстия трубной доски для впускных труб, а выходной конец каждой из впускных труб частично расположен внутри первого конца соответствующей теплообменной U-образной трубки, внешний диаметр каждой впускной трубы меньше, чем внутренний диаметр первого конца соответствующих теплообменных U-образных трубок в по меньшей мере части каждой U-образной трубки, где соответствующая впускная труба расположена внутри, единственное соединение по текучим средам между входной камерой теплоносителя и трубной решеткой и внутренним пространством U-образных трубок осуществляется при прохождении текучей средой впускных трубок, посредством чего первый и второй концы U-образных трубок, а также трубная решетка находятся в контакте только с охлажденным теплоносителем в трубном пространстве U-образных трубок и трубной решетки, отличающийся тем, что охлажденный теплоноситель, выходящий из первого конца каждой из множества U-образных трубок, имеет температуру, равную в основном температуре охлажденного теплоносителя, выходящего из второго конца каждой из множества U-образных трубок.
2. Теплообменник с U-образными трубками по п. 1, в котором хладагентом является вода или пар, синтез-газ или технологический газ.
3. Теплообменник с U-образными трубками по п. 1, представляющий собой котел-утилизатор, с применением в нем воды или пара в качестве хладагента.
4. Теплообменник с U-образными трубками по п. 1, представляющий собой котел-утилизатор синтез-газа, с применением в нем синтез-газа в качестве теплоносителя.
5. Теплообменник с U-образными трубками по п. 1, где разность температур между охлажденным теплоносителем, выходящим из первого конца каждой из множества U-образных труб, и охлажденным теплоносителем, выходящим из второго конца каждой из множества U-образных труб, составляет от 0°С до 50°С, предпочтительно от 0°С до 20°С.
6. Теплообменник с U-образными трубками по п. 1, где по меньшей мере часть множества впускных труб, расположенных внутри соответствующей U-образной трубки, является теплоизолированной.
7. Теплообменник с U-образными трубками по п. 1, где имеется кольцевое пространство между частью каждой из впускных трубок, расположенных внутри первого конца соответствующей теплообменной U-образной трубки, и первым концом соответствующих теплообменных U-образных трубок.
8. Теплообменник с U-образными трубками по п. 1, где множество впускных труб не находится в контакте с множеством U-образных трубок.
9. Теплообменник с U-образными трубками по любому из пп. 1-8, где диаметр второго конца каждой из U-образных трубок меньше, чем диаметр первого конца указанной U-образной трубки.
10. Способ проведения теплообмена между теплоносителем и хладагентом в теплообменнике с U-образными трубками по п. 1, включающий следующие стадии:
a. подача потока хладагента через входное отверстие для хладагента в камеру хладагента, где хладагент контактирует с межтрубным пространством U-образных трубок, и далее через выходное отверстие хладагента из камеры хладагента,
b. подача потока теплоносителя в камеру теплоносителя через входное отверстие теплоносителя,
c. подача потока теплоносителя далее через отверстия трубной доски для впускных труб во входные концы впускных труб, далее через впускные трубы и из выходных концов впускных труб и в каждую из соответствующих U-образных трубок на расстояние от первого конца указанных U-образных трубок,
d. разделение потока теплоносителя в каждой из U-образных трубок на поток первой части, который подают через первую часть каждой U-образной трубки в кольцевое пространство между впускной трубой и U-образной трубкой, перед тем как поток первой части пускают из каждой U-образной трубки через первый конец, и поток второй части, который подают через вторую часть каждой U-образной трубки и пускают из каждой U-образной трубки через второй конец, причем поток как первой, так и второй части участвуют в косвенном теплообмене с хладагентом через стенки U-образных трубок и охлаждаются хладагентом во время прохода через U-образные трубки,
е. сбор всех охлажденных потоков теплоносителя в выходной камере теплоносителя, где охлажденный теплоноситель находится в контакте со второй стороной трубных решеток, и дальнейшая подача потока охлажденного теплоносителя из выходной камеры теплоносителя через выходной канал теплоносителя.
a. подача потока хладагента через входное отверстие для хладагента в камеру хладагента, где хладагент контактирует с межтрубным пространством U-образных трубок, и далее через выходное отверстие хладагента из камеры хладагента,
b. подача потока теплоносителя в камеру теплоносителя через входное отверстие теплоносителя,
c. подача потока теплоносителя далее через отверстия трубной доски для впускных труб во входные концы впускных труб, далее через впускные трубы и из выходных концов впускных труб и в каждую из соответствующих U-образных трубок на расстояние от первого конца указанных U-образных трубок,
d. разделение потока теплоносителя в каждой из U-образных трубок на поток первой части, который подают через первую часть каждой U-образной трубки в кольцевое пространство между впускной трубой и U-образной трубкой, перед тем как поток первой части пускают из каждой U-образной трубки через первый конец, и поток второй части, который подают через вторую часть каждой U-образной трубки и пускают из каждой U-образной трубки через второй конец, причем поток как первой, так и второй части участвуют в косвенном теплообмене с хладагентом через стенки U-образных трубок и охлаждаются хладагентом во время прохода через U-образные трубки,
е. сбор всех охлажденных потоков теплоносителя в выходной камере теплоносителя, где охлажденный теплоноситель находится в контакте со второй стороной трубных решеток, и дальнейшая подача потока охлажденного теплоносителя из выходной камеры теплоносителя через выходной канал теплоносителя.
11. Способ по п. 10, в котором в качестве хладагента применяют воду или пар.
12. Способ по п. 10, в котором температура хладагента на входе находится в интервале от 100°С до 350°С, предпочтительно в интервале от 250°С до 325°С, температура хладагента на выходе находится в интервале от 100°С до 350°С, предпочтительно в интервале от 250°С до 325°С, температура теплоносителя на входе находится в интервале от 300°С до 500°С, предпочтительно в интервале от 390°С до 450°С, и температура теплоносителя на выходе находится в интервале от 120°С до 390°С, предпочтительно в интервале от 300°С до 370°С.
13. Способ по любому из пп. 10-12, где разность температур между каждым из потоков охлажденного теплоносителя первой части и потоков охлажденного теплоносителя второй части находится в интервале от 0°С до 50°С, предпочтительно от 0°С до 20°С при выходе из первого и второго конца каждой из U-образных трубок в выходную камеру теплоносителя.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DKPA201100061 | 2011-01-31 | ||
DKPA201100061 | 2011-01-31 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012102917A RU2012102917A (ru) | 2013-08-10 |
RU2599889C2 true RU2599889C2 (ru) | 2016-10-20 |
Family
ID=45217128
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012102917/06A RU2599889C2 (ru) | 2011-01-31 | 2012-01-30 | Теплообменник с u-образными трубками, способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом и применение теплообменника с u-образными трубками |
Country Status (9)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10767942B2 (ru) |
EP (1) | EP2482020B2 (ru) |
KR (1) | KR20120088523A (ru) |
CN (1) | CN102620580B (ru) |
AU (1) | AU2012200455B2 (ru) |
CA (1) | CA2759343C (ru) |
ES (1) | ES2748856T5 (ru) |
PL (1) | PL2482020T5 (ru) |
RU (1) | RU2599889C2 (ru) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105674775B (zh) * | 2016-03-16 | 2017-10-20 | 福建邵化化工有限公司 | 一种用于合成氨企业脱碳原料气冷却的氨冷器冷却系统 |
CN106006042A (zh) * | 2016-06-30 | 2016-10-12 | 安徽泽加业粉体工程有限公司 | 一种气力输送机 |
CN106679467B (zh) * | 2017-02-28 | 2019-04-05 | 郑州大学 | 具有外接管箱的管壳式换热器 |
CN106855367B (zh) * | 2017-02-28 | 2024-01-26 | 郑州大学 | 具有分布性出入口的管壳式换热器 |
DK3406999T3 (da) | 2017-05-26 | 2021-02-01 | Alfa Laval Olmi S P A | Rørkedelvarmeveksler |
RU2700990C1 (ru) * | 2018-12-04 | 2019-09-24 | Александр Геннадьевич Шершевский | Многоходовый кожухотрубчатый теплообменник |
CN110057210A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-07-26 | 燕河能源技术(北京)股份有限公司 | 一种污水源换热器 |
CN110186297A (zh) * | 2019-07-02 | 2019-08-30 | 江苏晨力环保科技有限公司 | 耐酸换热器 |
CN110274512B (zh) * | 2019-07-15 | 2024-05-03 | 北京凯瑞英科技有限公司 | 一种精确控制热反应温度的反应器系统和工艺 |
DE102019120096A1 (de) * | 2019-07-25 | 2021-01-28 | Kelvion Machine Cooling Systems Gmbh | Rohrbündelwärmetauscher |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3568764A (en) * | 1969-09-05 | 1971-03-09 | Daniel J Newman | Heat exchanger |
GB2089951A (en) * | 1980-12-23 | 1982-06-30 | Borsig Gmbh | Heat Exchanger for the Generation of Steam |
US4431049A (en) * | 1979-11-27 | 1984-02-14 | Toyo Engineering Corporation | Bayonet tube heat exchanger |
RU98103022A (ru) * | 1997-02-21 | 2000-01-10 | Хальдор Топсеэ А/С | Котел-утилизатор для синтез-газа |
RU2373471C2 (ru) * | 2004-05-29 | 2009-11-20 | Хальдор Топсеэ А/С | Процесс и реактор для проведения реакций теплообмена |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1918966A (en) | 1930-06-20 | 1933-07-18 | Gen Chemical Corp | Apparatus for treating gas |
GB380548A (en) * | 1931-07-20 | 1932-09-22 | William Yorath Lewis | Improvements in heat-transfer apparatus applicable to water-tube boilers |
US2502675A (en) * | 1946-12-23 | 1950-04-04 | Modine Mfg Co | Cleanable type heat exchanger |
GB1148982A (en) * | 1966-07-05 | 1969-04-16 | Parsons C A & Co Ltd | Improvements in and relating to tubular heat exchangers |
DE2804187C2 (de) | 1978-02-01 | 1980-04-03 | L. & C. Steinmueller Gmbh, 5270 Gummersbach | Wärmeaustauscher mit in einer Platte eingelassenen hängenden U-Rohren zur Abkühlung von unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Prozeßgasen |
DE3022480A1 (de) † | 1980-06-14 | 1982-01-07 | Uhde Gmbh, 4600 Dortmund | Vorrichtung zum waermetausch zwischen einen nh (pfeil abwaerts)3(pfeil abwaerts) -konverter verlassendem kreislaufgas und wasser |
US5436028A (en) | 1992-07-27 | 1995-07-25 | Motorola, Inc. | Method and apparatus for selectively applying solder paste to multiple types of printed circuit boards |
CA2178524C (en) * | 1996-06-07 | 2007-07-03 | Howard John Lawrence | Boiler protection tube assembly |
EP0860673A3 (en) | 1997-02-21 | 1999-03-24 | Haldor Topsoe A/S | Synthesis gas waste heat boiler |
AU4090600A (en) * | 1999-06-30 | 2001-01-04 | Rohm And Haas Company | High performance heat exchangers |
EP1724544A1 (de) | 2005-05-19 | 2006-11-22 | Balcke-Dürr GmbH | Wärmeaustauschverfahren und Wärmetauscher |
DE102005057674B4 (de) | 2005-12-01 | 2008-05-08 | Alstom Technology Ltd. | Abhitzekessel |
DE102007031419A1 (de) | 2006-07-06 | 2008-01-10 | Behr Gmbh & Co. Kg | Abgaskühler, insbesondere für ein Kraftfahrzeug |
-
2011
- 2011-11-23 ES ES11009291T patent/ES2748856T5/es active Active
- 2011-11-23 PL PL11009291.3T patent/PL2482020T5/pl unknown
- 2011-11-23 EP EP11009291.3A patent/EP2482020B2/en active Active
- 2011-11-24 CA CA2759343A patent/CA2759343C/en active Active
- 2011-12-01 US US13/309,123 patent/US10767942B2/en active Active
- 2011-12-23 KR KR1020110140974A patent/KR20120088523A/ko not_active Application Discontinuation
-
2012
- 2012-01-27 AU AU2012200455A patent/AU2012200455B2/en active Active
- 2012-01-30 RU RU2012102917/06A patent/RU2599889C2/ru active
- 2012-01-31 CN CN201210021465.6A patent/CN102620580B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3568764A (en) * | 1969-09-05 | 1971-03-09 | Daniel J Newman | Heat exchanger |
US4431049A (en) * | 1979-11-27 | 1984-02-14 | Toyo Engineering Corporation | Bayonet tube heat exchanger |
GB2089951A (en) * | 1980-12-23 | 1982-06-30 | Borsig Gmbh | Heat Exchanger for the Generation of Steam |
RU98103022A (ru) * | 1997-02-21 | 2000-01-10 | Хальдор Топсеэ А/С | Котел-утилизатор для синтез-газа |
RU2373471C2 (ru) * | 2004-05-29 | 2009-11-20 | Хальдор Топсеэ А/С | Процесс и реактор для проведения реакций теплообмена |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2482020B2 (en) | 2022-12-21 |
US10767942B2 (en) | 2020-09-08 |
ES2748856T5 (es) | 2023-03-14 |
PL2482020T3 (pl) | 2020-02-28 |
CA2759343C (en) | 2019-02-12 |
US20120193082A1 (en) | 2012-08-02 |
ES2748856T3 (es) | 2020-03-18 |
AU2012200455B2 (en) | 2014-01-16 |
EP2482020A3 (en) | 2015-05-06 |
AU2012200455A1 (en) | 2012-08-16 |
RU2012102917A (ru) | 2013-08-10 |
CN102620580B (zh) | 2016-12-14 |
CA2759343A1 (en) | 2012-07-31 |
KR20120088523A (ko) | 2012-08-08 |
PL2482020T5 (pl) | 2023-03-27 |
EP2482020A2 (en) | 2012-08-01 |
EP2482020B1 (en) | 2019-09-04 |
CN102620580A (zh) | 2012-08-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2599889C2 (ru) | Теплообменник с u-образными трубками, способ теплообмена между теплоносителем и хладагентом и применение теплообменника с u-образными трубками | |
RU2374587C2 (ru) | Способ осуществления теплообмена и теплообменник для его выполнения | |
AU2015291388B2 (en) | Shell and tube heat exchanger | |
RU2505482C2 (ru) | Способ производства аммиака и пароперегреватель | |
EP0774103B1 (en) | Apparatus for cooling hot gas | |
JPH10292901A (ja) | 合成ガス廃熱ボイラー | |
US9415364B2 (en) | Facility and reactor for directly synthesizing hydrochloric acid from hydrogen and chlorine with heat recovery | |
Brodov et al. | State of the Art and Trends in the Design and Operation of High-and Low-Pressure Heaters for Steam Turbines at Thermal and Nuclear Power Plants in Russia and Abroad: Part 1. Heater Types and Designs | |
Philipp | Longer Lifecycles with Duplex Stainless Steels and Innovative Concepts of Combining Different Materials | |
AU762513B2 (en) | Preheater in steam power plants | |
Lahiri et al. | Material Selection and Performance in Fertilizer Industry |