RU2743930C1 - Shell and tube heat exchanger - Google Patents
Shell and tube heat exchanger Download PDFInfo
- 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
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
- F28D3/00—Heat-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
- F28D3/02—Heat-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
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:
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;
- критическая температура, обусловленная требованием длительной прочности материала, °С; - critical temperature due to the requirement for long-term strength of the material, ° С;
- температура горячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник, соответственно, °С. - 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:
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;
°С - критическая температура, обусловленная требованием длительной прочности материала; ° С - critical temperature due to the requirement for long-term strength of the material;
°С - температура горячего и холодного теплоносителя на входе в теплообменник, соответственно. ° 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:
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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;
- критическая температура для сплава 12ХН1810Т; - critical temperature for alloy 12XH1810T;
- температура холодного теплоносителя (без позиции) на входе в секции-пучки; - temperature of the cold coolant (without position) at the entrance to the section-bundles;
- температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник. - 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:
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.
- критическая температура для сплава 12ХН1810Т; - critical temperature for alloy 12XH1810T;
- температура холодного теплоносителя на входе в секции-пучки; - temperature of the cold coolant at the entrance to the section-bundles;
- температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник. - 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:
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.
- критическая температура для сплава 12ХН1810Т; - critical temperature for alloy 12XH1810T;
- температура холодного теплоносителя на входе в секции-пучки; - temperature of the cold coolant at the entrance to the section-bundles;
- температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник. - 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:
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)
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)
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 |
-
2020
- 2020-06-11 RU RU2020120182A patent/RU2743930C1/en active
Patent Citations (6)
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 |