RU2743930C1 - Shell and tube heat exchanger - Google Patents

Shell and tube heat exchanger Download PDF

Info

Publication number
RU2743930C1
RU2743930C1 RU2020120182A RU2020120182A RU2743930C1 RU 2743930 C1 RU2743930 C1 RU 2743930C1 RU 2020120182 A RU2020120182 A RU 2020120182A RU 2020120182 A RU2020120182 A RU 2020120182A RU 2743930 C1 RU2743930 C1 RU 2743930C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bundles
heat
sections
exchange tubes
medium
Prior art date
Application number
RU2020120182A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ахиллей Периклович Пеков
Александр Сергеевич Бажуков
Александр Михайлович Масленников
Александр Борисович Пупков
Артем Александрович Целищев
Дмитрий Михайлович Гузеев
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Турбопневматик"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Турбопневматик" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "НТЦ "Турбопневматик"
Priority to RU2020120182A priority Critical patent/RU2743930C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2743930C1 publication Critical patent/RU2743930C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D3/00Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits
    • F28D3/02Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits with tubular conduits

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

FIELD: heat exchangers.
SUBSTANCE: invention relates to heat exchangers and can be used in heat exchangers of different technological processes especially when the temperature of the coolant exceeds the maximum allowable temperature for the material of heat exchange tubes and walls of the heat exchanger body. The shell-and-tube heat exchanger consists of a housing with inlet and outlet nozzles, bundles of heat exchange tubes placed in it, consisting of heat exchange tubes fixed in tube sheets, each having an autonomous input and output of the pipe medium. All inlets and outlets of the pipe medium are installed on the inner surfaces of the walls of the casing and cover from 60% to 90% of the wall areas, all bundles are made with the same geometric parameters. Each subsequent bundle of heat exchange tubes is at an angle of 90 degrees relative to the previous one. All bundles are installed in a pre-tensioned state along the heat-exchange tubes and some of the bundles are connected by direct flow by means of crossover and outlet pipes, and some of the bundles are connected in counter flow with respect to the direction of the intertubular medium. The proportion (%) of the bundles connected by direct flow γD or counter flow γC is determined by calculation.
EFFECT: invention makes it possible to ensure operational manufacturability and maintainability, to remove restrictions on the temperature of the annular medium, to ensure gravitational independence and rational use of the heat exchanger volume.
1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к теплообменным аппаратам и может быть использовано в теплообменниках различных технологических процессов, особенно, когда температура теплоносителя превышает предельно допустимую температуру для материала теплообменных трубок и стенок корпуса теплообменника.The invention relates to heat exchangers and can be used in heat exchangers of various technological processes, especially when the temperature of the coolant exceeds the maximum allowable temperature for the material of the heat exchange tubes and the walls of the heat exchanger body.

Основные характеристики теплообменных аппаратов (ТА) хорошо изучены и широко освещены в многочисленных публикациях например, А.С. Цыганкова «Расчеты судовых теплообменных аппаратов, справочное пособие. Государственное союзное издательство судостроительной промышленности. Ленинград, 1956 г., или Кейс В.М., Лондон А.Л. «Компактные теплообменники», М.: Энергия, 1967 г. В указанных публикациях, в частности, значительное внимание уделено рассмотрению, вопросов оптимизации характеристик теплообменных аппаратов путем выбора различных схем подключения секций-пучков теплообменных труб, способа защиты элементов конструкций от перегрева, снижения металлоемкости конструкций, и др. Подробно раскрыты преимущества «противоточных» схем подключения секций пучков при незначительном градиенте температур теплоносителей и преимущества «прямоточных» схем при значительном превышении теплоносителем критических температур материалов теплообменных труб.The main characteristics of heat exchangers (TA) are well studied and widely covered in numerous publications, for example, A.S. Tsygankov “Calculations of ship heat exchangers, reference manual. State Union publishing house of the shipbuilding industry. Leningrad, 1956, or Case V.M., London A.L. "Compact heat exchangers", M .: Energiya, 1967. In these publications, in particular, considerable attention is paid to the consideration of optimization of the characteristics of heat exchangers by choosing various schemes for connecting sections-bundles of heat exchange tubes, a method of protecting structural elements from overheating, reducing metal consumption constructions, etc. Advantages of "countercurrent" schemes for connecting beam sections with an insignificant temperature gradient of the coolants and the advantages of "direct-flow" schemes with a significant excess of the critical temperatures of heat-exchange tube materials by the coolant are disclosed in detail.

Известен теплообменник (Авторское свидетельство SU №172142 А1, МПК G06G 5/00, F15C 3/14, опубл. 1965 г.), содержащий корпус прямоугольного сечения с фланцами для подвода и отвода теплоносителя, установленные внутри корпуса змеевики, и устройство для защиты корпуса от прогара, выполненное в виде экрана из ряда труб, соединенных перемычками, расположенных между стенками и змеевиками, при этом между одним из периферийных пакетов змеевиков и смежным с ним пакетом установлены закрепленные на крышке полые стержни со съемными форсунками, сообщенные с входным коллектором охлаждающей среды. Известный теплообменник обладает следующими недостатками:A known heat exchanger (Inventor's certificate SU No. 172142 A1, IPC G06G 5/00, F15C 3/14, publ. 1965), containing a rectangular body with flanges for supplying and removing the coolant, installed inside the body of the coil, and a device for protecting the body from burnout, made in the form of a screen of a number of pipes connected by jumpers located between the walls and the coils, while between one of the peripheral packages of the coils and the adjacent package there are hollow rods fixed on the cover with removable nozzles connected to the inlet manifold of the cooling medium. The known heat exchanger has the following disadvantages:

- конструктивно сложен из-за наличия дополнительного элемента в виде защитного экрана;- structurally complex due to the presence of an additional element in the form of a protective screen;

- не обеспечивает равномерного съема тепла в плоскости поперечного сечения из-за локализации входов охлаждающей среды на одной стенке корпуса;- does not provide uniform heat removal in the cross-sectional plane due to the localization of the inlets of the cooling medium on one wall of the case;

- не обеспечивает равномерного съема тепла вдоль потока межтрубной среды из-за снижения движущей силы между теплообменными средами;- does not provide uniform heat removal along the flow of the annular medium due to a decrease in the driving force between the heat exchange media;

- является гравитационно зависимым из-за возможного провисания теплообменных трубок при работе на боку или вертикально;- is gravitationally dependent due to the possible sagging of the heat exchange tubes when working on the side or vertically;

- для защиты элементов ТА от перегрева требует расхода охлаждающей среды, что значительно повышает эксплуатационные затраты.- to protect the elements of heating from overheating, it requires the consumption of a cooling medium, which significantly increases operating costs.

Наиболее близким по технической сущности и техническому результату является кожухотрубный теплообменник (Патент RU №2090816, МПК F28D 7/00, F28F 1/00, опубл. 20.09.1997 г.), принятый за наиболее близкий аналог (прототип), содержащий корпус с входным и выходным патрубками для направления межтрубной среды и размещенные в нем секции-пучки теплообменных трубок, состоящие из теплообменных трубок, закрепленных в трубных решетках, и имеющие каждая автономный ввод и вывод трубной среды.The closest in technical essence and technical result is a shell-and-tube heat exchanger (Patent RU No. 2090816, IPC F28D 7/00, F28F 1/00, publ. 09/20/1997), taken as the closest analogue (prototype) containing a housing with an inlet and outlet nozzles for directing the intertubular medium and placed therein sections-bundles of heat exchange tubes, consisting of heat exchange tubes fixed in tube sheets, and each having an autonomous input and output of the tube medium.

В вышеуказанном патенте предложены решения, позволяющие выровнять теплообмен как в плоскости поперечного сечения, так и вдоль ТА. Однако известный кожухотрубный теплообменник обладает следующими недостатками:In the above patent, solutions are proposed that make it possible to align heat transfer both in the cross-sectional plane and along the TA. However, the known shell-and-tube heat exchanger has the following disadvantages:

- отсутствие взаимозаменяемости секций-пучков из-за разного - переменного шага между трубками, что усложняет конструкцию и снижает ее эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность;- lack of interchangeability of sections-bundles due to different - variable pitch between the tubes, which complicates the design and reduces its operational manufacturability and maintainability;

- ограничение температуры межтрубной среды, максимально допустимой температурой материала боковых стенок корпуса;- limiting the temperature of the annular medium, the maximum permissible temperature of the material of the side walls of the casing;

- является гравитационно зависимым из-за возможного провисания теплообменных трубок при работе в положении на боку или вертикально, поэтому требует дополнительной фиксации трубок внутри корпуса при их относительно большой длине;- it is gravitationally dependent due to the possible sagging of the heat exchange tubes when operating in a lateral or vertical position, therefore, requires additional fixation of the tubes inside the body when they are relatively long;

- вносит дополнительные гидравлические потери потока межтрубной среды на элементах фиксации трубок;- introduces additional hydraulic losses of the annular fluid flow on the tube fixing elements;

- нерациональное использование объема теплообменника из-за повышенного расстояния между трубками первых - входных рядов секций-пучков.- irrational use of the volume of the heat exchanger due to the increased distance between the tubes of the first - inlet rows of sections-bundles.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является:The technical problem, the solution of which is provided in the implementation of the proposed invention and cannot be implemented using the prototype, is:

- невозможность обеспечения взаимозаменяемости секций пучков;- the impossibility of ensuring the interchangeability of the sections of the beams;

- невозможность повышения температуры межтрубной среды свыше максимально допустимой температуры для материала боковых стенок корпуса;- the impossibility of increasing the temperature of the intertubular medium above the maximum allowable temperature for the material of the side walls of the body;

- невозможность обеспечения работоспособности теплообменника в различных пространственных положениях без внесения дополнительных гидравлических потерь потока межтрубной среды.- the impossibility of ensuring the performance of the heat exchanger in different spatial positions without introducing additional hydraulic losses in the flow of the annular medium.

- невозможность рационального использования объема теплообменника.- impossibility of rational use of the volume of the heat exchanger.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение эксплуатационной технологичности и ремонтопригодности, снятие ограничения по температуре межтрубной среды, обеспечение гравитационной независимости и рационального использования объема теплообменника.The technical objective of the present invention is to ensure operational manufacturability and maintainability, removing restrictions on the temperature of the annular medium, ensuring gravitational independence and rational use of the volume of the heat exchanger.

Техническая проблема решается тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем корпус с входным и выходным патрубками для направления межтрубной среды и размещенные в нем секции-пучки теплообменных трубок, состоящие из теплообменных трубок, закрепленных в трубных решетках, и имеющие каждая автономный ввод и вывод трубной среды, согласно изобретению, все вводы и выводы трубной среды установлены на внутренних поверхностях стенок корпуса и покрывают от 60% до 90% площадей стенок, все секции-пучки выполнены одинаковыми по геометрическим параметрам, каждая последующая секция-пучок теплообменных трубок развернута под углом 90° относительно предыдущей, все секции-пучки установлены в предварительно натянутом состоянии вдоль теплообменных трубок и часть секций-пучков посредством перекидных и отводящих патрубков подключены прямотоком, а часть секций-пучков подключены противотоком по отношению к направлению межтрубной среды и долю секций-пучков подключенных прямотоком γD или противотоком γC определяют по формуле:The technical problem is solved by the fact that in a shell-and-tube heat exchanger containing a housing with inlet and outlet nozzles for directing the intertubular medium and the sections-bundles of heat exchange tubes placed in it, consisting of heat exchange tubes fixed in the tube sheets, and each having an autonomous input and output of the tube medium , according to the invention, all inlets and outlets of the pipe medium are installed on the inner surfaces of the walls of the casing and cover from 60% to 90% of the wall areas, all sections-bundles are made with the same geometric parameters, each subsequent section-bundle of heat exchange tubes is deployed at an angle of 90 ° relative to the previous one, all sections-bundles are installed in a pre-tensioned state along the heat-exchange tubes and some of the sections-bundles are connected in direct flow by means of crossover and outlet pipes, and some of the sections-bundles are connected in counterflow with respect to the direction of the intertubular medium and the proportion of sections-bundles connected by direct flow γ D or countercurrent γ C determined by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

ND - количество секций-пучков, подключенных прямотоком;N D - the number of sections-bundles connected by direct flow;

N - общее количество секций-пучков в теплообменнике;N is the total number of bundle sections in the heat exchanger;

Figure 00000002
- критическая температура, обусловленная требованием длительной прочности материала, °С;
Figure 00000002
- critical temperature due to the requirement for long-term strength of the material, ° С;

Figure 00000003
- температура горячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник, соответственно, °С.
Figure 00000003
- temperature of the hot and cold heat carrier at the inlet to the heat exchanger, respectively, ° С.

а, b - эмпирические константы, зависящие от теплофизических свойств потоков теплоносителей.a, b - empirical constants depending on the thermophysical properties of the heat carrier flows.

Кожухотрубный теплообменник содержит корпус с входным и выходным патрубками для направления межтрубной среды и размещенные в нем секции-пучки теплообменных трубок, состоящие из теплообменных трубок, закрепленных в трубных решетках, и имеющие каждая автономный ввод и вывод трубной среды.The shell-and-tube heat exchanger contains a housing with inlet and outlet nozzles for directing the intertubular medium and the sections-bundles of heat exchange tubes placed in it, consisting of heat exchange tubes fixed in the tube sheets, and each having an autonomous input and output of the tube medium.

В отличии от прототипа, все вводы и выводы трубной среды установлены на внутренних поверхностях стенок корпуса и покрывают от 60% до 90% площадей стенок, все секции-пучки выполнены одинаковыми по геометрическим параметрам, каждая последующая секция-пучок теплообменных трубок развернута под углом 90° относительно предыдущей, все секции-пучки установлены в предварительно натянутом состоянии вдоль теплообменных трубок и часть секций-пучков посредством перекидных и отводящих патрубков подключены прямотоком, а часть секций-пучков подключены противотоком по отношению к направлению межтрубной среды и долю секций-пучков подключенных прямотоком γD или противотоком γC определяют по формуле:Unlike the prototype, all inlets and outlets of the pipe medium are installed on the inner surfaces of the walls of the body and cover from 60% to 90% of the wall areas, all sections-bundles are made with the same geometric parameters, each subsequent section-bundle of heat exchange tubes is deployed at an angle of 90 ° relative to the previous one, all section-bundles are installed in a pre-tensioned state along the heat-exchange tubes and some of the sections-bundles are connected in direct flow by means of crossover and outlet pipes, and some of the sections-bundles are connected in counterflow with respect to the direction of the intertubular medium and the proportion of sections-bundles connected by direct flow γ D or countercurrent γ C is determined by the formula:

Figure 00000004
Figure 00000004

ND, шт. - количество секций-пучков, подключенных прямотоком;N D , pcs. - the number of sections-bundles connected by direct flow;

N, шт. - общее количество секций-пучков в теплообменнике;N, pcs. - the total number of sections-bundles in the heat exchanger;

Figure 00000005
°С - критическая температура, обусловленная требованием длительной прочности материала;
Figure 00000005
° С - critical temperature due to the requirement for long-term strength of the material;

Figure 00000006
°С - температура горячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник, соответственно.
Figure 00000006
° С is the temperature of the hot and cold heat carrier at the inlet to the heat exchanger, respectively.

а, b - эмпирические константы, зависящие от теплофизических свойств потоков теплоносителей.a, b - empirical constants depending on the thermophysical properties of the heat carrier flows.

Все вводы и выводы трубной среды установлены на внутренних поверхностях стенок корпуса и покрывают от 60% до 90% площадей стенок, защищая их тем самым от перегрева и повышая теплоотдачу в нагреваемую среду за счет дополнительных теплообменных поверхностей.All inlets and outlets of the pipe medium are installed on the inner surfaces of the casing walls and cover from 60% to 90% of the wall areas, thereby protecting them from overheating and increasing heat transfer to the heated medium due to additional heat exchange surfaces.

Секции-пучки выполнены одинаковыми по всем геометрическим параметрам (диаметрам, длинам и т.п.), что позволяет устанавливать любую секцию-пучек в любое место как при ремонте, так и при замене вышедших из строя на новые, повышая тем самым эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность ТА.Section-bundles are made the same in all geometric parameters (diameters, lengths, etc.), which allows you to install any section-bundle in any place both during repair and when replacing failed ones with new ones, thereby increasing the operational manufacturability and maintainability of TA.

Каждая последующая секция-пучок теплообменных трубок развернута под углом 90° относительно предыдущей, что позволяет защитить как боковые, так и верхнюю с нижней стенки корпуса от перегрева.Each subsequent section-bundle of heat exchange tubes is deployed at an angle of 90 ° relative to the previous one, which protects both the side and the top from the bottom wall of the housing from overheating.

Общее кол-во секций-пучков рассчитывается по известным методикам, приведенным, например, в указанных источниках к заявке.The total number of sections-beams is calculated according to well-known methods, given, for example, in the indicated sources to the application.

Все секции-пучки установлены в предварительно натянутом состоянии вдоль теплообменных трубок, что позволяет избежать провисания трубок при их тепловых расширениях и обеспечить гравитационную независимость.All sections-bundles are installed in a pre-tensioned state along the heat exchange tubes, which avoids sagging of the tubes during their thermal expansion and ensures gravitational independence.

Требуемое усилие натяжения секции-пучка для минимизации провисания трубок определяется по известной формуле, например, «Козловые краны и мостовые перегружатели. Краны кабельного типа», А.П. Кобзев, В.П. Пономарев; под ред. К.Д. Никитина, Красноярск: И1Щ КГТУ, 2005, стр. 33, 34:The required tension force of the section-bundle to minimize the sagging of the tubes is determined by the well-known formula, for example, “Gantry cranes and overhead cranes. Cable type cranes ”, A.P. Kobzev, V.P. Ponomarev; ed. K. D. Nikitina, Krasnoyarsk: I1SCh KSTU, 2005, p. 33, 34:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Н, кг - усилие предварительного натяжения теплообменных трубок;where N, kg is the pre-tensioning force of the heat exchange tubes;

G, кг - вес заполненной теплообменной трубки;G, kg - weight of the filled heat exchange tube;

L, м - длина теплообменной трубки;L, m - the length of the heat exchange tube;

f, м - допустимая стрела прогиба теплообменной трубки;f, m - permissible deflection arm of the heat exchange tube;

n - количество теплообменных трубок в секции-пучке.n is the number of heat exchange tubes in the section-bundle.

Часть секций-пучков посредством перекидных и отводящих патрубков подключены прямотоком, что позволяет избежать нагрева стенок теплообменных трубок свыше критической температуры.Some of the sections-bundles are connected by a forward flow by means of cross-over and outlet pipes, which makes it possible to avoid heating the walls of the heat exchange tubes above the critical temperature.

Часть секций-пучков посредством перекидных и отводящих патрубков подключены противотоком по отношению к направлению межтрубной среды, что позволяет выровнять тепловые напоры в секциях-пучках и повысить тем самым компактность ТА.Some of the sections-bundles are connected by means of cross-over and outlet pipes in a countercurrent with respect to the direction of the annular medium, which makes it possible to equalize the thermal heads in the sections-bundles and thereby increase the compactness of the TA.

Расчет долей секций-пучков, подключаемых прямотоком или противотоком по приведенной выше формуле оптимизирует их соотношение, что позволяет определить минимально необходимое количество прямоточных секций-пучков для исключения возможного нагрева теплообменных трубок свыше критической температуры при максимизации средней движущей силы, что, в конечном итоге, определяет компактность конструкции и эффективность ТА в целом.The calculation of the proportions of section-bundles connected by direct flow or counter-current according to the above formula optimizes their ratio, which makes it possible to determine the minimum required number of direct-flow sections-bundles to exclude possible heating of heat exchange tubes above the critical temperature while maximizing the average driving force, which ultimately determines compact design and efficiency of the TA as a whole.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность, снять ограничения по температуре межтрубной среды, обеспечить гравитационную независимость и рациональное использование объема теплообменника.Thus, the proposed invention makes it possible to ensure operational manufacturability and maintainability, to remove restrictions on the temperature of the annular medium, to ensure gravitational independence and rational use of the volume of the heat exchanger.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение кожухотрубного теплообменника.FIG. 1 shows a cross-section of a shell-and-tube heat exchanger.

На фиг. 2 изображена схема подключения секций-пучков и схема движения теплообменных сред.FIG. 2 shows a diagram of the connection of sections-bundles and a diagram of the movement of heat exchange media.

На фиг. 3 изображен вид «Б» на стенки кожухотрубного теплообменника, поясняющий степень перекрытия стенок вводами и выводами.FIG. 3 shows a view "B" on the walls of a shell-and-tube heat exchanger, explaining the degree of overlapping of the walls by inputs and outputs.

На фиг. 4, 5, 6 представлены примеры обтекания вводов или выводов при разных степенях перекрытия стенок (60%, 75%, 90%).FIG. 4, 5, 6 show examples of flow around inputs or outputs at different degrees of wall overlap (60%, 75%, 90%).

На фиг. 7 представлен фрагмент (разрез А-А) трубной решетки с теплообменными трубками.FIG. 7 shows a fragment (section A-A) of a tube sheet with heat exchange tubes.

Приведены позиции на чертежах:The positions in the drawings are given:

1 - кожухотрубный теплообменник1 - shell-and-tube heat exchanger

2 - корпус2 - case

3 - входной патрубок3 - inlet pipe

4 - выходной патрубок4 - outlet branch pipe

5 - направление межтрубной среды5 - the direction of the annular medium

6 - стенка (нижняя)6 - wall (bottom)

7 - теплообменная трубка7 - heat exchange tube

8 - трубные решетки8 - tube sheets

9 - ввод трубной среды9 - inlet of the pipe medium

10 - вывод трубной среды10 - outlet of the pipe medium

11 - стенка(боковая)11 - wall (side)

12 - предыдущая секция-пучок12 - previous section-beam

13 - последующая секция-пучок13 - subsequent section-beam

14 - секция-пучок подключена прямотоком14 - section-beam is connected by direct flow

15 - секция-пучок подключена противотоком15 - section-beam is connected in countercurrent

16 - отводящий патрубок16 - outlet branch pipe

17 - перекидной патрубок17 - crossover pipe

18 - подводящий патрубок18 - supply pipe

19 - внутренняя поверхность стенок19 - inner surface of the walls

20 - стенка (верхняя).20 - wall (top).

В корпусе 2 кожухотрубного теплообменника 1 с входным 3 и выходным 4 патрубками размещены одинаковые по геометрическим параметрам секции-пучки 12, 13 в предварительно натянутом положении усилием натяжения (без позиции), каждая последующая 13 секция-пучок развернута под углом 90° относительно предыдущей 12, вводы 9 и выводы 10 трубной среды (без позиции) установлены на внутренних поверхностях 19 стенок 11, 20, 6 (боковой, верхней, нижней) корпуса 2, покрывая их площадь от 60% до 90%. Часть секций-пучков 14 установлены прямотоком, часть секций-пучков 15 установлены противотоком по отношению к направлению межтрубной среды 5 с помощью перекидных патрубков 17, подводящих 18 и отводящих 16 патрубков.In the case 2 of the shell-and-tube heat exchanger 1 with inlet 3 and outlet 4 nozzles, sections-bundles 12, 13 of the same geometrical parameters are placed in a pre-tensioned position by a tension force (without position), each subsequent section 13-bundle is deployed at an angle of 90 ° relative to the previous 12, inlets 9 and outlets 10 of the pipe medium (without position) are installed on the inner surfaces 19 of the walls 11, 20, 6 (side, top, bottom) of the body 2, covering their area from 60% to 90%. Part of the sections-bundles 14 are installed in direct flow, part of the sections-bundles 15 are installed in counterflow with respect to the direction of the intertubular medium 5 with the help of crossover pipes 17, supply 18 and outlet 16 pipes.

Работает кожухотрубчатый теплообменник следующим образом. Горячий теплоноситель (без позиции) поступает в теплообменник 1 через входной патрубок 3, проходит сквозь секции-пучки, отдает им тепло и выходит через выходной патрубок 4. Холодный теплоноситель (без позиции) поступает в теплообменник 1 через подводящий патрубок 18 и разделяется на два потока, один из которых направляется в секции-пучки 14, подключенные посредством перекидных патрубков 17 прямотоком, другой в секции-пучки 15, подключенные противотоком по отношению к направлению межтрубной среды 5. Предварительное натяжение секций-пучков 14 и 15 вдоль теплообменных трубок 7 обеспечивает их устойчивое положение при любом пространственном положении теплообменника 1. Теплообменные трубки 7 закреплены в трубных решетках 8. Каждая последующая секция-пучок 13 теплообменных трубок развернута под углом 90° относительно предыдущей секции-пучка 12, что позволяет защитить как боковые 11, так и верхнюю 20 с нижней 6 стенки корпуса 2 от перегрева. Разворот на угол 90° последующей секции-пучка 13 относительно предыдущей секции-пучка 12 выполняется как по часовой стрелке, так и против часовой, поскольку секции-пучки имеют одинаковую геометрию.The shell-and-tube heat exchanger works as follows. Hot coolant (without position) enters the heat exchanger 1 through the inlet pipe 3, passes through the bundle sections, gives off heat to them and exits through the outlet pipe 4. The cold coolant (without position) enters the heat exchanger 1 through the inlet pipe 18 and is divided into two streams , one of which is directed to section-bundles 14, connected by means of cross-over pipes 17 in direct flow, the other into section-bundles 15, connected in counterflow with respect to the direction of the intertubular medium 5. Pre-tension of sections-bundles 14 and 15 along the heat exchange tubes 7 ensures their stable position at any spatial position of the heat exchanger 1. The heat exchange tubes 7 are fixed in the tube sheets 8. Each subsequent section-bundle 13 of the heat-exchange tubes is deployed at an angle of 90 ° relative to the previous section-bundle 12, which makes it possible to protect both the side 11 and the upper 20 from the bottom 6 walls of housing 2 from overheating. A 90 ° rotation of the subsequent beam section 13 relative to the previous beam section 12 is performed both clockwise and counterclockwise, since the beam sections have the same geometry.

Расположение автономных вводов 9 и выводов 10 трубной среды 3 на внутренних поверхностях 19 стенок 11, 20, 6 корпуса 2 теплообменника 1 позволяет снизить тепловой поток в стенки путем его поглощения и экранирования. Оптимальная степень перекрытия (экранирования) стенок 11, 20 и 6 корпуса 2 вводами 9 и выводами 10 трубной среды в диапазоне от 60% до 90% проиллюстрирована на фиг. 3. Здесь L - это размер, определяющий площадь стенки, a 0,6L÷0,9L - размер, определяющий площади вводов 9 или выводов 10, перекрывающих площадь стенки.The location of the autonomous inputs 9 and outputs 10 of the pipe medium 3 on the inner surfaces 19 of the walls 11, 20, 6 of the housing 2 of the heat exchanger 1 allows to reduce the heat flux into the walls by absorbing and shielding it. The optimal degree of overlap (screening) of the walls 11, 20 and 6 of the housing 2 by the inlets 9 and outlets 10 of the tubular medium in the range from 60% to 90% is illustrated in FIG. 3. Here L is the size that determines the wall area, and 0.6L ÷ 0.9L is the size that determines the area of inputs 9 or outputs 10 overlapping the wall area.

На фиг. 4, 5, 6 изображены картины обтекания (примеры обтекания) вводов 9 или выводов 10 трубной среды при трех разных степенях (%) покрытия (перекрытия) площадей стенок.FIG. 4, 5, 6 show flow patterns (examples of flow) of inlets 9 or outlets 10 of the pipe medium at three different degrees (%) of coverage (overlap) of the wall areas.

На фиг. 4 видно, что при степени перекрытия 60% площадей стенок основной поток горячего теплоносителя (без позиции) создает вторичный вихрь (вихревой поток) (без позиции), в пространстве между вводами 9 и выводами 10 трубной среды, который касается стенок 11, 20 и 6 теплообменника и, значит, интенсивно их нагревает, но при этом вихревой поток омывает и теневые поверхности вводов и выводов (без позиции), (затененную поверхность) и тем самым повышает интенсивность теплообмена между горячим и холодным теплоносителями.FIG. 4 it can be seen that with a degree of overlap of 60% of the wall areas, the main flow of the hot coolant (without position) creates a secondary vortex (vortex flow) (without position), in the space between inputs 9 and outputs 10 of the pipe medium, which touches walls 11, 20 and 6 heat exchanger and, therefore, intensively heats them, but at the same time the vortex flow washes also the shadow surfaces of inputs and outputs (out of position), (shaded surface) and thereby increases the intensity of heat exchange between hot and cold heat carriers.

При степени перекрытия 90% (фиг. 6) площадей стенок основной поток горячего теплоносителя (без позиции) не создает вихревого потока в пространстве между вводами 9 и выводами 10 трубной среды, не касается и не нагревает стенки 11, 20 и 6 (боковые, нижнюю, верхнюю) корпуса 2 теплообменника 1, но при этом и не омывает теневые поверхности (без позиции) (затененную поверхность) вводов 9 и выводов 10 трубной среды, что снижает интенсивность теплообмена между горячим и холодным теплоносителями.With a degree of overlap of 90% (Fig. 6) of the wall areas, the main flow of the hot coolant (without position) does not create a vortex flow in the space between the inlets 9 and outlets 10 of the pipe medium, does not touch or heat the walls 11, 20 and 6 (side, bottom , upper) of the body 2 of the heat exchanger 1, but at the same time it does not wash the shadow surfaces (out of position) (the shaded surface) of the inputs 9 and outputs 10 of the pipe medium, which reduces the intensity of heat exchange between hot and cold heat carriers.

При степени перекрытия 75% (фиг. 5) основной поток создает менее интенсивные вторичные вихревые потоки, чем при перекрытии в 60%, а также третичные вихри (вихревые потоки) (без позиции), которые омывают теневые поверхности (затененную поверхность) вводов 9 и выводов 10 трубной среды, частично повышая интенсивность теплообмена между горячим и холодным теплоносителями, и частично подогревая стенки 11, 20 и 6 теплообменника 1.With a degree of overlap of 75% (Fig. 5), the main flow creates less intense secondary vortex flows than with an overlap of 60%, as well as tertiary vortices (vortex flows) (out of position) that wash the shadow surfaces (shaded surface) of bushings 9 and outlets 10 of the pipe medium, partially increasing the intensity of heat exchange between hot and cold heat carriers, and partially heating the walls 11, 20 and 6 of the heat exchanger 1.

Таким образом, управляя степенью перекрытия вводами 9 и выводами 10 трубной среды площади внутренней поверхности стенок 11, 20 и 6 корпуса 2 теплообменника 1 (ТА), обеспечивается допустимая предельная температура материала стенок теплообменника (например, для сплава 12Х18Н10Т предельная температура 700°С, см. ГОСТ 34347-17, «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия») и максимизируется интенсивность теплообмена между горячим и холодным теплоносителями путем вовлечения в теплообмен дополнительных - теневых поверхностей (без позиции) вводов 9 и выводов 10 трубной среды.Thus, by controlling the degree of overlap of the inputs 9 and outputs 10 of the pipe medium of the area of the inner surface of the walls 11, 20 and 6 of the housing 2 of the heat exchanger 1 (TA), the permissible limiting temperature of the material of the walls of the heat exchanger is ensured (for example, for alloy 12X18H10T the limiting temperature is 700 ° C, cm GOST 34347-17, "Steel welded vessels and apparatus. General technical conditions") and the intensity of heat exchange between hot and cold heat carriers is maximized by involving additional - shadow surfaces (without position) inlets 9 and outlets 10 of the pipe medium in heat exchange.

Разворотом каждой последующей секции-пучка 13 относительно предыдущей секции-пучка 12 на 90° обеспечивается защита верхней 20 и нижней 6 стенок корпуса каждой предыдущей секцией-пучком 12, а защита боковых стенок 11 каждой последующей секцией-пучком 12.By turning each subsequent section-beam 13 relative to the previous section-beam 12 by 90 °, the upper 20 and lower 6 walls of the body are protected by each previous section-beam 12, and the side walls 11 are protected by each subsequent section-beam 12.

По заявляемому конструктивному выполнению кожухотрубного теплообменника успешно проведены экспериментальные работы.Experimental work has been successfully carried out on the claimed design of the shell-and-tube heat exchanger.

Приведены примеры осуществления предлагаемого изобретения - расчет оптимальной доли прямоточных секций-пучков в ТА.Examples of the implementation of the proposed invention are given - the calculation of the optimal proportion of straight-flow sections-beams in the TA.

Пример 1: Исходные данные:Example 1: Initial data:

N=32 шт. - общее количество секций-пучков в теплообменнике, рассчитанное по известным методикам расчетов ТА, см., например, А.С. Цыганкова «Расчеты судовых теплообменных аппаратов», справочное пособие, Государственное союзное издательство судостроительной промышленности, Ленинград, 1956 г.;N = 32 pcs. - the total number of sections-bundles in the heat exchanger, calculated according to well-known methods for calculating TA, see, for example, A.S. Tsygankov "Calculations of ship heat exchangers", reference manual, State Union publishing house of the shipbuilding industry, Leningrad, 1956;

Figure 00000008
- критическая температура для сплава 12ХН1810Т;
Figure 00000008
- critical temperature for alloy 12XH1810T;

Figure 00000009
- температура холодного теплоносителя (без позиции) на входе в секции-пучки;
Figure 00000009
- temperature of the cold coolant (without position) at the entrance to the section-bundles;

Figure 00000010
- температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник.
Figure 00000010
- temperature of the hot coolant at the inlet to the heat exchanger.

Теплообменные среды:Heat exchange media:

- холодный теплоноситель - CO2 под давлением 65 бар;- cold heat carrier - CO 2 at a pressure of 65 bar;

- горячий теплоноситель - Продукты горения углеводородных топлив давлением 1,2 бара.- hot coolant - Products of combustion of hydrocarbon fuels with a pressure of 1.2 bar.

Эмпирические коэффициенты для указанных теплоносителей равны:The empirical coefficients for the indicated heat transfer fluids are:

- а=29,4;- a = 29.4;

- b=11,2.- b = 11.2.

Рассчитаем долю прямоточных секций-пучков по формуле:Let's calculate the proportion of straight-flow sections-beams according to the formula:

Figure 00000011
Figure 00000011

Тогда количество прямоточных секций пучков будет равно:Then the number of straight-flow sections of the beams will be equal to:

ND=54,42*32/100=17,4 шт., округляем до большего целого - 18 шт.N D = 54.42 * 32/100 = 17.4 pcs., Round up to a larger integer - 18 pcs.

Пример 2. В том же ТА поднимем температуру горячего теплоносителя до 1500°С.Example 2. In the same TA, we will raise the temperature of the hot heat carrier to 1500 ° C.

N=32 шт.N = 32 pcs.

Figure 00000012
- критическая температура для сплава 12ХН1810Т;
Figure 00000012
- critical temperature for alloy 12XH1810T;

Figure 00000013
- температура холодного теплоносителя на входе в секции-пучки;
Figure 00000013
- temperature of the cold coolant at the entrance to the section-bundles;

Figure 00000014
- температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник.
Figure 00000014
- temperature of the hot coolant at the inlet to the heat exchanger.

Теплообменные среды:Heat exchange media:

- холодный теплоноситель - CO2 под давлением 65 бар;- cold heat carrier - CO 2 at a pressure of 65 bar;

- горячий теплоноситель - Продукты горения углеводородных топлив давлением 1,2 бара.- hot coolant - Products of combustion of hydrocarbon fuels with a pressure of 1.2 bar.

Эмпирические коэффициенты для указанных теплоносителей равны:The empirical coefficients for the indicated heat transfer fluids are:

- а=29,4;- a = 29.4;

- b=11,2.- b = 11.2.

Рассчитаем долю прямоточных секций-пучков по формуле:Let's calculate the proportion of straight-flow sections-beams according to the formula:

Figure 00000015
Figure 00000015

Тогда количество прямоточных секций пучков будет равно:Then the number of straight-flow sections of the beams will be equal to:

ND=93,08*32/100=29,8 шт., округляем до большего целого - 30 шт.N D = 93.08 * 32/100 = 29.8 pcs., Round up to a larger integer - 30 pcs.

Пример 3. В том же ТА снизим температуру горячего теплоносителя до 800°С.Example 3. In the same TA, we will reduce the temperature of the hot heat carrier to 800 ° C.

N=32 шт.N = 32 pcs.

Figure 00000016
- критическая температура для сплава 12ХН1810Т;
Figure 00000016
- critical temperature for alloy 12XH1810T;

Figure 00000017
- температура холодного теплоносителя на входе в секции-пучки;
Figure 00000017
- temperature of the cold coolant at the entrance to the section-bundles;

Figure 00000018
- температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник.
Figure 00000018
- temperature of the hot coolant at the inlet to the heat exchanger.

Теплообменные среды:Heat exchange media:

- холодный теплоноситель - CO2 под давлением 65 бар;- cold heat carrier - CO 2 at a pressure of 65 bar;

- горячий теплоноситель - Продукты горения углеводородных топлив давлением 1,2 бара.- hot coolant - Products of combustion of hydrocarbon fuels with a pressure of 1.2 bar.

Эмпирические коэффициенты для указанных теплоносителей равны:The empirical coefficients for the indicated heat transfer fluids are:

- а=29,4;- a = 29.4;

- b=11,2.- b = 11.2.

Рассчитаем долю прямоточных секций-пучков по формуле:Let's calculate the proportion of straight-flow sections-beams according to the formula:

Figure 00000019
Figure 00000019

Тогда количество прямоточных секций пучков будет равно:Then the number of straight-flow sections of the beams will be equal to:

ND=1,93*32/100=0,62 шт., округляем до большего целого - 1 шт.N D = 1.93 * 32/100 = 0.62 pcs., Round up to a larger integer - 1 pc.

Положительный технический результат получен во всех приведенных примерах осуществления.A positive technical result was obtained in all the above examples of implementation.

Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, позволяет обеспечить эксплуатационную технологичность и ремонтопригодность, снять ограничения по температуре межтрубной среды, обеспечить гравитационную независимость и рациональное использование объема теплообменника.Thus, the proposed invention with the above distinctive features, in conjunction with the known features, allows to ensure operational adaptability and maintainability, remove restrictions on the temperature of the annular medium, ensure gravitational independence and rational use of the volume of the heat exchanger.

Claims (7)

Кожухотрубный теплообменник, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для направления межтрубной среды и размещенные в нем секции-пучки теплообменных трубок, состоящие из теплообменных трубок, закрепленных в трубных решетках, и имеющие каждая автономный ввод и вывод трубной среды, отличающийся тем, что все вводы и выводы трубной среды установлены на внутренних поверхностях стенок корпуса и покрывают от 60% до 90% площадей стенок, все секции-пучки выполнены одинаковыми по геометрическим параметрам, каждая последующая секция-пучок теплообменных трубок развернута под углом 90° относительно предыдущей, все секции-пучки установлены в предварительно натянутом состоянии вдоль теплообменных трубок и часть секций-пучков посредством перекидных и отводящих патрубков подключены прямотоком, а часть секций-пучков подключены противотоком по отношению к направлению межтрубной среды и долю секций-пучков, подключенных прямотоком γD или противотоком γС определяют по формулеA shell-and-tube heat exchanger containing a housing with inlet and outlet nozzles for directing the intertubular medium and placed in it sections-bundles of heat exchange tubes, consisting of heat exchange tubes fixed in tube sheets, and each having an autonomous input and output of the tube medium, characterized in that all inputs and the outlets of the pipe medium are installed on the inner surfaces of the walls of the body and cover from 60% to 90% of the wall areas, all sections-bundles are made of the same geometric parameters, each subsequent section-bundle of heat-exchange tubes is deployed at an angle of 90 ° relative to the previous one, all sections are bundles installed in a pre-tensioned state along the heat exchange tubes and a part of the bundle sections by means of crossover and outlet pipes are connected in direct flow, and a part of the bundle sections are connected in countercurrent with respect to the direction of the intertubular medium and the proportion of the bundle sections connected by direct flow γ D or countercurrent γ C is determined by formula
Figure 00000020
Figure 00000020
ND - количество секций, подключенных прямотоком;N D - the number of sections connected by direct flow; N - общее количество секций в теплообменнике;N is the total number of sections in the heat exchanger;
Figure 00000021
- критическая температура, обусловленная требованием длительной прочности материала, °С;
Figure 00000021
- critical temperature due to the requirement for long-term strength of the material, ° С;
Figure 00000022
- температура горячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник, соответственно, °С.
Figure 00000022
- temperature of the hot and cold heat carrier at the inlet to the heat exchanger, respectively, ° С.
а, b - эмпирические константы, зависящие от теплофизических свойств потоков теплоносителей.a, b - empirical constants depending on the thermophysical properties of the heat carrier flows.
RU2020120182A 2020-06-11 2020-06-11 Shell and tube heat exchanger RU2743930C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020120182A RU2743930C1 (en) 2020-06-11 2020-06-11 Shell and tube heat exchanger

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020120182A RU2743930C1 (en) 2020-06-11 2020-06-11 Shell and tube heat exchanger

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2743930C1 true RU2743930C1 (en) 2021-03-01

Family

ID=74857570

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020120182A RU2743930C1 (en) 2020-06-11 2020-06-11 Shell and tube heat exchanger

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2743930C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU945625A1 (en) * 1980-05-27 1982-07-23 Новополоцкий политехнический институт Shell-and-tube heat exchanger
SU1444612A1 (en) * 1987-02-26 1988-12-15 Предприятие П/Я А-1345 Shell-and-tube heat exchanger
RU2090816C1 (en) * 1993-07-23 1997-09-20 Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики Shell-and-tube heat exchanger
RU2262054C2 (en) * 1999-02-01 2005-10-10 Олесевич Алексей Кириллович Heat exchange apparatus
US7686072B2 (en) * 2007-02-05 2010-03-30 Riello S.P.A. Heat exchanger and methods of producing the same
RU2699851C1 (en) * 2019-05-20 2019-09-11 Акционерное общество "ОДК-Климов" Tubular heat exchanger

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU945625A1 (en) * 1980-05-27 1982-07-23 Новополоцкий политехнический институт Shell-and-tube heat exchanger
SU1444612A1 (en) * 1987-02-26 1988-12-15 Предприятие П/Я А-1345 Shell-and-tube heat exchanger
RU2090816C1 (en) * 1993-07-23 1997-09-20 Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики Shell-and-tube heat exchanger
RU2262054C2 (en) * 1999-02-01 2005-10-10 Олесевич Алексей Кириллович Heat exchange apparatus
US7686072B2 (en) * 2007-02-05 2010-03-30 Riello S.P.A. Heat exchanger and methods of producing the same
RU2699851C1 (en) * 2019-05-20 2019-09-11 Акционерное общество "ОДК-Климов" Tubular heat exchanger

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4401153A (en) Heat exchanger incorporating nitriding-resistant material
US3982585A (en) Heat exchange apparatus
ES2496171T3 (en) Process to perform an endothermic reaction
EP2482020B2 (en) Heat exchanger
EP0390420B1 (en) Combined heat exchanger system such as for ammonia synthesis reactor effluent
RU2743930C1 (en) Shell and tube heat exchanger
AU2005256114B8 (en) Improved heat exchanger
JP2007192535A (en) Heat exchanger device
US4263260A (en) High pressure and high temperature heat exchanger
US3482626A (en) Heat exchanger
US4244421A (en) Process and an apparatus for cooling of waste gas bends
GB2095389A (en) Shell and tube exchanger
US4852644A (en) Tubular heat exchanger
US20230330616A1 (en) A shell-and-tube heat exchanger, method of exchanging heat and use of heat exchanger
CN110542334A (en) Pure countercurrent shell and tube type fresh water cooler
KR20200010318A (en) Heat Exchanger for Molten Salt Steam Generator in Concentrated Solar Power Plant
US8672021B2 (en) Simplified flow shell and tube type heat exchanger for transfer line exchangers and like applications
EP3502608B1 (en) Heat exchanger for a molten salt steam generator in a concentrated solar power plant (iii)
CN106979716A (en) A kind of three-dimensional deflection plate and shell-and-tube heat exchanger
CN110869688B (en) Heat exchanger for harsh operating conditions
US20150083382A1 (en) Heat exchanger
JPS6128584A (en) Water cooling wall for dual tower type gasification system
RU2328682C1 (en) Heat exchanger
TW202415854A (en) Reactor effluent heat recovery system
AU2018233665B2 (en) Protection device for a shell-and-tube equipment