RU2614266C1

RU2614266C1 - Shell-and-tube heat exchanger

Info

Publication number: RU2614266C1
Application number: RU2016104450A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Савельев; Александр Николаевич Орешкин
Original assignee: Публичное акционерное общество криогенного машиностроения (ПАО "Криогенмаш")
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2017-03-24

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: shell-and-tube heat exchanger contains a housing with the built-in heat exchange surface in the form of straight-tube bundle with a movable bottom tune grid with the collector, pipes for input and output of gas-liquid coolants, disposed on the housing. Straight-tube bundle contains a central tube, having an outer ring cavity, closed at the bottom. The upper part of the straight-tube bundle pipes on the condensing side is limited by the partition-apron with a pipe for discharging the non-condensed gas outside the device housing.

EFFECT: increase of the heat exchanger operation reliability.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области нефтехимической промышленности и теплоэнергетики, в частности к теплообменной аппаратуре, работающей в условиях конденсации и охлаждения, кипения и нагрева рабочих сред, и может быть использовано в установках по производству мономеров.The invention relates to the field of the petrochemical industry and the power system, in particular to heat exchange equipment operating in conditions of condensation and cooling, boiling and heating of working media, and can be used in installations for the production of monomers.

Известен поверхностный теплообменник по патенту RU 2147102 C1, опубл. 27.03.2000 г., включающий корпус, внутри которого установлен встроенный охладитель конденсата с коробом над ним и размещенными в нем горизонтальными перегородками, трубный пучок с перегородками, водоподводящую и водоотводящую камеры с патрубками входа и выхода нагреваемой воды, патрубок подвода пара в паровой объем корпуса, трубный пучок охладителя конденсата размещен между двумя направляющими поток конденсата или пара вертикальными перегородками, установленными по периферии трубного пучка охладителя конденсата, между которыми размещены горизонтальные перегородки разных диаметров, при этом в перегородках с наибольшим диаметром со стороны патрубка входа пара вне зоны расположения труб в трубном пучке выполнены отверстия, соединенные посредством вертикальных труб с паровым объемом корпуса над коробом.Known surface heat exchanger according to patent RU 2147102 C1, publ. 03/27/2000, including a housing, inside which there is a built-in condensate cooler with a duct above it and horizontal partitions placed in it, a tube bundle with partitions, water supply and water drainage chambers with heated water inlet and outlet pipes, a steam supply pipe into the steam volume of the body , the condensate cooler tube bundle is placed between two condensate or steam flow guides with vertical partitions installed on the periphery of the condensate cooler tube bundle, between which are placed horizontal partitions of different diameters, while in the partitions with the largest diameter on the side of the steam inlet pipe outside the pipe location zone, holes are made in the tube bundle connected by means of vertical pipes to the steam volume of the body above the box.

Недостатком данного теплообменника является невозможность реализовать в нем процесс кипения жидкости с давлением внутри труб, близким к атмосферному.The disadvantage of this heat exchanger is the inability to implement in it the process of boiling a liquid with a pressure inside the pipe close to atmospheric.

Известен кожухотрубный теплообменник по патенту RU 2246089 C2, опубл. 10.02.2005 г., который включает кожух теплообменника с патрубками подвода и отвода среды с меньшим давлением, охватывающий теплообменные трубки, присоединенные к трубной решетке, распределительную камеру, разделенную перегородкой на входную и выходную полости и ограниченную корпусом с патрубками подвода и отвода среды с большим давлением, крышкой корпуса и трубной решеткой, имеющей укрепляющую связь в распределительной камере.Known shell-and-tube heat exchanger according to patent RU 2246089 C2, publ. 02/10/2005, which includes a casing of a heat exchanger with nozzles for supplying and discharging a medium with a lower pressure, covering heat exchanging tubes connected to a tube sheet, a distribution chamber divided by a partition into inlet and outlet cavities and limited by a housing with pipes for supplying and discharging a medium with a large pressure, housing cover and tube sheet having a reinforcing bond in the distribution chamber.

Недостатком данного теплообменника является невозможность реализовать в нем процесс кипения жидкости внутри труб с давлением, близким к атмосферному.The disadvantage of this heat exchanger is the inability to implement in it the process of boiling liquid inside the pipes with a pressure close to atmospheric.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является теплообменный вертикальный кожухотрубный аппарат - вертикальный сетевой теплообменник по патенту RU 79642 U1, опубл. 10.01.2009 г., принят за прототип, включающий корпус с патрубками входа пара, выхода конденсата и неконденсирующихся газов, распределительную водяную камеру с патрубками входа и выхода нагреваемой воды, прямотрубный пучок с направляющими перегородками и подвижной нижней трубной решеткой с коллектором, смешивающий воздухоохладитель, для организации которого на выступающих за пределы трубного пучка участках горизонтальных перегородок выполнены отверстия для слива и переохлаждения конденсата, на струях которого осуществляется конденсация пара с интенсивным образованием неконденсирующихся газов, далее выводимых через вертикальную перфорированную трубу.Closest to the proposed invention is a vertical heat exchanger shell-and-tube apparatus - a vertical network heat exchanger according to patent RU 79642 U1, publ. 01/10/2009, adopted as a prototype, comprising a housing with nozzles for steam inlet, condensate and non-condensable gases, a distribution water chamber with nozzles for the inlet and outlet of heated water, a straight tube bundle with guide baffles and a movable lower tube sheet with a manifold, mixing air cooler, for the organization of which on the sections of the horizontal partitions protruding beyond the tube bundle, holes are made for drainage and subcooling of condensate, on the jets of which condensation ara with intense formation of non-condensable gases, then outputted through a vertical perforated pipe.

Недостатком данного теплообменника является невозможность исключить подвод тепла к нисходящему потоку охлаждаемой жидкости, что в случае использования его в качестве испарителя жидкости при атмосферном давлении не обеспечит надежную работу аппарата.The disadvantage of this heat exchanger is the inability to exclude the supply of heat to the downward flow of the cooled liquid, which, if used as an evaporator of liquid at atmospheric pressure, will not ensure reliable operation of the apparatus.

Цель изобретения - разработка компактной конструкции кожухотрубного теплообменника, позволяющей использовать его в технологических схемах нефтехимической промышленности и теплоэнергетики, а также обеспечение возможности внутритрубного испарения жидкости при атмосферном давлении.The purpose of the invention is the development of a compact shell-and-tube heat exchanger design that allows it to be used in technological schemes of the petrochemical industry and the power system, as well as providing the possibility of in-line evaporation of liquid at atmospheric pressure.

Технический результат - повышение надежности работы теплообменника.The technical result is an increase in the reliability of the heat exchanger.

Указанный технический результат достигается тем, что кожухотрубный теплообменник содержит корпус с встроенной в него поверхностью теплообмена в виде прямотрубного пучка с подвижной нижней трубной решеткой с коллектором, патрубки для ввода и вывода газожидкостных теплоносителей, расположенные на корпусе, прямотрубный пучок содержит центральную трубу, имеющую наружную кольцевую полость, замкнутую внизу, а верхняя часть труб прямотрубного пучка на стороне конденсации ограничена перегородкой-фартуком с патрубком для вывода несконденсированного газа за пределы корпуса аппарата. В верхней части центральной трубы предусмотрено отверстие для перелива неиспарившейся части жидкости из полости кипения.The specified technical result is achieved by the fact that the shell-and-tube heat exchanger contains a housing with a heat exchange surface built-in to it in the form of a straight-tube bundle with a movable lower tube sheet with a collector, nozzles for input and output of gas-liquid coolants located on the body, a straight-tube bundle contains a central pipe having an outer annular a cavity closed at the bottom, and the upper part of the pipes of the straight pipe bundle on the condensation side is limited by an apron-partition with a pipe for the output of non-condensation Rowan gas outside the apparatus. An opening is provided in the upper part of the central pipe for overflow of the non-evaporated part of the liquid from the boiling cavity.

Изобретение поясняется чертежом:The invention is illustrated in the drawing:

На фиг. 1 приведена схема кожухотрубного теплообменника с прямотрубным пучком с центральной трубой.In FIG. 1 shows a diagram of a shell-and-tube heat exchanger with a straight-tube bundle with a central pipe.

Кожухотрубный теплообменник (см. фиг. 1) содержит поверхность теплообмена в виде прямотрубного пучка 1 с центральной трубой 2, с верхней 12 и нижней 13 трубными решетками, коллектором 3 и патрубками для ввода 4, 6 и вывода 5, 7, 11 газожидкостных теплоносителей, расположенными на корпусе 8, наружную замкнутую внизу кольцевую полость 9, перегородку-фартук 10. Центральная труба прямотрубного пучка 2 в верхней части имеет сообщение с паровой полостью, что позволяет неиспарившейся в трубах части кипящей жидкости переливаться обратно в центральную трубу и далее направляться в полость кипения.The shell-and-tube heat exchanger (see Fig. 1) contains a heat exchange surface in the form of a straight-tube bundle 1 with a central pipe 2, with an upper 12 and lower 13 tube sheets, a manifold 3 and nozzles for entering 4, 6 and output 5, 7, 11 of gas-liquid coolants, located on the housing 8, the outer annular cavity 9 closed at the bottom, the apron-baffle 10. The central pipe of the straight tube bundle 2 in the upper part is in communication with the steam cavity, which allows the part of the boiling liquid that does not evaporate in the pipes to flow back into the central pipe and further sent to the boiling cavity.

Кожухотрубный теплообменник содержит корпус 8 с встроенной в него поверхностью теплообмена в виде прямотрубного пучка 1 с центральной трубой 2, с верхней 12 и нижней 13 (с коллектором 3) трубными решетками, с патрубками для ввода 4, 6 и вывода 5, 7, 11 газожидкостных теплоносителей, расположенными на корпусе 8, в условиях атмосферного давления подача жидкости в полость кипения осуществляется за счет веса столба жидкости, заполняющей центральную трубу 2 прямотрубного пучка 1. Центральная труба 2 имеет наружную кольцевую полость 9, замкнутую внизу, заполняемую конденсатом для обеспечения работоспособности аппарата за счет исключения теплообмена между жидкостью, заполняющей центральную трубу 2, и конденсирующимся и охлаждаемым потоком в межтрубном пространстве. Центральная труба 2 прямотрубного пучка 1 в верхней части имеет сообщение с паровой полостью, что позволяет неиспарившейся в трубах части кипящей жидкости переливаться обратно в центральную трубу 2 и далее направляться вновь в полость кипения. Конструкция кожухотрубного теплообменника выполнена с подвижной нижней решеткой 13 с коллектором (с «плавающей головкой») 3, что способствует компенсации температурных напряжений, возникающих в конструкции, и обеспечивает ее работоспособность как при низких, так и при высоких перепадах температур между теплоносителями и отдельными частями аппарата. Верхняя часть труб прямотрубного пучка 1 на стороне конденсации ограничена перегородкой-фартуком 10.The shell-and-tube heat exchanger contains a housing 8 with a heat exchange surface built into it in the form of a straight tube bundle 1 with a central pipe 2, with an upper 12 and lower 13 (with a collector 3) tube sheets, with nozzles for introducing 4, 6 and 5, 7, 11 gas-liquid outlets coolants located on the housing 8, at atmospheric pressure, the liquid is supplied to the boiling cavity due to the weight of the liquid column filling the central pipe 2 of the straight pipe bundle 1. The central pipe 2 has an outer annular cavity 9, closed below, filled with condensate to ensure the operability of the apparatus by eliminating heat exchange between the liquid filling the central pipe 2 and the condensing and cooled stream in the annulus. The central pipe 2 of the straight tube bundle 1 in the upper part has a connection with the vapor cavity, which allows the part of the boiling liquid that does not evaporate in the pipes to be transferred back to the central pipe 2 and then sent back to the boiling cavity. The design of the shell-and-tube heat exchanger is made with a movable lower grill 13 with a collector (with a “floating head”) 3, which helps to compensate for the temperature stresses arising in the structure and ensures its operability both at low and at high temperature differences between the coolants and individual parts of the apparatus . The upper part of the pipes of the straight tube bundle 1 on the condensation side is bounded by a partition apron 10.

Подача жидкости в полость центральной трубы 2 через верхнее ее сечение и ее заполнение обеспечивает создание движущего напора и передавливание жидкости за счет веса жидкостного столба высотой, равной расстоянию между трубными решетками 12, 13, в каналы кипения - прямые трубы, где и осуществляется теплообмен между кипящей в трубах жидкостью и подогреваемым паром и конденсирующимся в межтрубном пространстве паром и охлаждаемым конденсатом.The fluid supply to the cavity of the central pipe 2 through its upper section and its filling ensures the creation of a driving pressure and the liquid is squeezed due to the weight of the liquid column with a height equal to the distance between the tube sheets 12, 13, into the boiling channels - straight pipes, where heat is exchanged between the boiling in pipes with liquid and heated steam and steam condensing in the annulus and cooled with condensate.

Применение на центральной трубе 2 наружной замкнутой внизу кольцевой полости 9, заполняемой в начале пуска аппарата конденсатом из межтрубного пространства, обеспечивает дополнительное термосопротивление между жидкостью внутри центральной трубы 2 и конденсирующимся потоком в межтрубном пространстве и, таким образом, сводит к минимуму вероятность парообразования внутри центральной трубы 2, что сохраняет величину движущего напора на стороне кипения, повышая надежность работы теплообменника.The use of an outer annular cavity 9 closed at the bottom of the central pipe 2 and filled with condensate from the annular space at the start of the apparatus, provides additional thermal resistance between the liquid inside the central pipe 2 and the condensing flow in the annular space and, thus, minimizes the likelihood of vaporization inside the central pipe 2, which saves the magnitude of the driving pressure on the boiling side, increasing the reliability of the heat exchanger.

Применение перегородки-фартука 10 в верхней части труб прямотрубного пучка 1 на стороне конденсации позволяет выводить из аппарата через патрубок 11 накапливаемый неконденсируемый газ, ухудшающий теплообмен, что приводит к уменьшению необходимой поверхности теплообмена, следовательно, повышая надежность работы теплообменника.The use of a partition apron 10 in the upper part of the pipes of the straight-tube bundle 1 on the condensation side allows the accumulated non-condensable gas to degrade heat transfer from the apparatus through the pipe 11, which leads to a decrease in the necessary heat transfer surface, therefore, increasing the reliability of the heat exchanger.

Применение в верхней части центральной трубы 2 переливного отверстия для неиспарившейся жидкости, циркулирующей внутри труб прямотрубного пучка 1, исключает ее накопление над верхней трубной решеткой 12, приводящее к снижению движущего напора, таким образом, повышая надежность работы теплообменникаThe use of an overflow hole for the non-vaporized liquid circulating inside the tubes of the straight tube bundle 1 in the upper part of the central pipe 2 eliminates its accumulation above the upper tube sheet 12, which leads to a decrease in the driving pressure, thereby increasing the reliability of the heat exchanger

Кожухотрубный теплообменник работает следующим образом.Shell-and-tube heat exchanger operates as follows.

Жидкость с давлением, близким к атмосферному, подается в полость кипения и подогрева через патрубок 4 и центральную трубу 2, заполняя ее и коллектор 3. Далее под весом собственного столба жидкость распределяется по трубкам прямотрубного пучка 1, где испаряется, и, при необходимости, подогревается до заданной температуры за счет конденсации и охлаждения образующегося в межтрубном пространстве конденсата и отводится через патрубок 5. Пар на конденсацию в межтрубное пространство подается через патрубок 6, а образующийся конденсат и неконденсируемый газ отводятся соответственно через патрубки 7 и 11. Часть конденсирующегося потока заполняет кольцевую полость 9 и, таким образом, исключает наружную поверхность центральной трубы 2 из режима конденсации, что, в свою очередь, не позволяет кипеть жидкости внутри центральной трубы 2 и сохраняет максимальным движущий напор в аппарате. Накапливаемый неконденсирующийся газ из полости конденсации, ограниченной перегородкой-фартуком 10, отводится за пределы аппарата.A liquid with a pressure close to atmospheric is fed into the boiling and heating cavity through the pipe 4 and the central pipe 2, filling it and the manifold 3. Then, under the weight of its own column, the liquid is distributed through the tubes of the straight pipe 1 where it evaporates and, if necessary, is heated to a given temperature due to condensation and cooling of the condensate formed in the annulus and is discharged through the nozzle 5. Steam for condensation in the annulus is supplied through the nozzle 6, and the condensate and non-condensation formed the gas being drawn is discharged through nozzles 7 and 11, respectively. A part of the condensed stream fills the annular cavity 9 and, thus, excludes the outer surface of the central pipe 2 from the condensation mode, which, in turn, does not allow liquid to boil inside the central pipe 2 and keeps the driving pressure in the apparatus. The accumulated non-condensable gas from the condensation cavity, limited by the apron-baffle 10, is discharged outside the apparatus.

Claims

1. Shell-and-tube heat exchanger comprising a housing with a heat exchange surface in it in the form of a straight tube bundle with a movable lower tube sheet with a collector, nozzles for introducing and discharging gas-liquid heat carriers located on the housing, characterized in that the straight tube bundle contains a central tube having an outer annular the cavity is closed at the bottom, and the upper part of the pipes of the straight pipe bundle on the condensation side is bounded by an apron-partition with a pipe for removing non-condensed gas outside to unit of the apparatus.

2. The shell-and-tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that an opening is provided in the upper part of the central pipe for overflowing the non-evaporated part of the liquid from the boiling cavity.