RU46841U1

RU46841U1 - HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: RU46841U1
Application number: RU2004138441/22U
Authority: RU
Inventors: Б.И. Бондаренко; Л.И. Аносова; Е.В. Погодина; З.М. Леонтьева
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2005-07-27

Abstract

Предлагаемая конструкция относится к теплообменным аппаратам и может быть использована в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и смежных отраслях промышленности.The proposed design relates to heat exchangers and can be used in chemical, petrochemical, oil refining and related industries.

Трубный пучок разделен цилиндрическим кожухом 5 на входную часть 6 и выходную часть 7. Через ввод 10 во входную камеру 9 поступает рабочая среда, проходит во входную часть 6 трубного пучка и возвращается по выходной части 7 трубного пучка, отдавая свое тепло охлаждающей среде, протекающей в межтрубном пространстве 13 противотоком.The tube bundle is divided by a cylindrical casing 5 into the inlet part 6 and the outlet part 7. Through the inlet 10, the working medium enters the inlet chamber 9, passes into the inlet part 6 of the tube bundle and returns along the outlet part 7 of the tube bundle, giving off its heat to the cooling medium flowing in annular space 13 countercurrent.

В камеру межтрубного пространства 13 охлаждающая среда поступает через ввод 12. Затем охлаждающая среда проходит между цилиндрическим кожухом 5 и корпусом 1 а затем - в центральную зону межтрубного пространства 13. Перегородки 11 направляют охлаждающую среду поперек труб, благодаря чему создаются условия для более полного теплообмена между средами. Нагретая охлаждающая среда поступает по отводной трубе 15 на вывод 14.In the chamber of the annulus 13, the cooling medium enters through the inlet 12. Then, the cooling medium passes between the cylindrical casing 5 and the housing 1 and then into the central zone of the annular space 13. The partitions 11 direct the cooling medium across the pipes, which creates conditions for a more complete heat exchange between environments. Heated cooling medium enters through the outlet pipe 15 to the output 14.

Расчеты теплопередачи предлагаемой конструкции теплообменника показали увеличение эффективности по сравнению с прототипом на 10-12%. 2 ил.Calculations of heat transfer of the proposed design of the heat exchanger showed an increase in efficiency compared with the prototype by 10-12%. 2 ill.

Description

Известен горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник (Двухсекционный горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник, опубликовано «Сосуды и трубопроводы высокого давления», справочник под редакцией А.М.Кузнецова, В.И.Лившица, Иркутск, 1999 г., изд. второе, дополненное, стр.62),. Каждая секция состоит из трубного пучка, двух распределительных камер трубного пространства и корпуса межтрубного пространства. Трубный пучок образован двумя трубными решетками с жестко закрепленными, приваренными и развальцованными теплообменными трубами. В свою очередь, трубные решетки сварены с обечайкой корпуса межтрубного пространства и с распределительными камерами трубного пространства, образуя неразъемный аппарат.Known horizontal shell-and-tube heat exchanger (Two-section horizontal shell-and-tube heat exchanger, published "Vessels and pipelines of high pressure", reference edited by A. M. Kuznetsov, V. I. Livshits, Irkutsk, 1999, second edition, supplemented, p. 62) ,. Each section consists of a tube bundle, two distribution chambers of the tube space and the annulus body. The tube bundle is formed by two tube sheets with rigidly fixed, welded and expanded heat-exchange tubes. In turn, the tube sheets are welded with the shell of the annulus body and with the distribution chambers of the tube space, forming an integral device.

Конструкция теплообменника жесткого типа отличается простотой, вместе с тем, теплообменники этого типа обладают определенными недостатками. В эксплуатационных условиях в корпусе и трубках от разности температур возникают термические напряжения, которые с напряжениями от внутреннего давления могут вызвать нарушение герметичности в местах соединения труб с трубной решеткой.The design of a rigid type heat exchanger is simple, however, this type of heat exchanger has certain disadvantages. Under operating conditions, thermal stresses occur in the casing and tubes due to temperature differences, which with stresses from internal pressure can cause leakage at the joints of the pipes with the tube sheet.

Известен горизонтальный теплообменник (Горизонтальный теплообменник с U-образным трубным пучком, ОАО «Курганхимаш», Internet: http://khm.zaural.ru/katalog/toneftehim/004. doc), содержащий пучок U-образных теплообменных труб, соединенных перегородками и закрепленных в A horizontal heat exchanger is known (a horizontal heat exchanger with a U-shaped tube bundle, Kurganhimash OJSC, Internet: http://khm.zaural.ru/katalog/toneftehim/004. Doc) containing a bundle of U-shaped heat exchange tubes connected by partitions and enshrined in

трубной решетке, расположенных параллельно оси теплообменника, входные и выходные штуцера.tube sheet parallel to the axis of the heat exchanger, inlet and outlet fittings.

Конструкция теплообменника с U-образными трубами дает возможность трубному пучку свободно расширяться при изменениях температур независимо от корпуса и тем самым снизить образование температурных напряжений.The design of the heat exchanger with U-shaped pipes allows the tube bundle to expand freely with temperature changes independently of the casing and thereby reduce the formation of temperature stresses.

Недостатком данной конструкции теплообменника является низкая теплопередача из-за отсутствия противотока между средами, протекающими в трубном и межтрубном пространствах.The disadvantage of this design of the heat exchanger is the low heat transfer due to the lack of counterflow between the media flowing in the pipe and annular spaces.

Наиболее близким аналогом является конструкция, изложенная в патенте РФ (Патент РФ №2013739, МПК F 28 D 7/06, опубликовано 30.05.1994 г.). Известный теплообменник содержит цилиндрический корпус высокого давления с двумя пучками U-образных теплообменных труб, закрепленных в трубной решетке, приваренной к корпусу, плоскую крышку с вводами и выводами рабочей среды, перегородку, закрепленную одним торцом в крышке, а другим уплотненную с трубной решеткой с образованием входных и выходных камер охлаждаемой рабочей среды, расположенных на противолежащих половинах трубной решетки и разделенных перегородкой. Корпус имеет ввод охлаждающей среды и днище с выводом охлаждающей среды. Между трубной решеткой и торцом перегородки размещена уплотнительная прокладка из мягкого материала.The closest analogue is the design described in the patent of the Russian Federation (RF Patent No. 20133739, IPC F 28 D 7/06, published 05/30/1994). The known heat exchanger comprises a cylindrical high-pressure housing with two bundles of U-shaped heat transfer tubes fixed in a tube sheet welded to the body, a flat cover with inputs and outputs of the working medium, a partition fixed with one end face in the cover, and the other sealed with a tube sheet to form input and output chambers of the cooled working medium located on the opposite halves of the tube sheet and separated by a partition. The housing has a cooling medium inlet and a bottom with a cooling medium outlet. Between the tube sheet and the end wall of the partition there is a gasket made of soft material.

Недостатком известной конструкции теплообменника является наличие уплотнительной прокладки из мягкого материала, расположенной между трубной решетной и торцом перегородки, что не обеспечивает герметичность данного соединения при высоких давлениях и температурах. Кроме того, в трубной решетке известного теплообменника возникают высокие термоупругие напряжения, превышающие допускаемые напряжения из-за большой разности температур между рабочей и охлаждающей средами, которая возникает на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки в области размещения входных камер. При этом трубная решетка, испытывающая эти A disadvantage of the known design of the heat exchanger is the presence of a gasket made of soft material located between the tube sheet and the end of the partition, which does not ensure the tightness of this connection at high pressures and temperatures. In addition, high thermoelastic stresses arise in the tube sheet of the known heat exchanger, exceeding the allowable stresses due to the large temperature difference between the working and cooling media, which occurs on the pipe and annular sides of the tube sheet in the area of the inlet chambers. In this case, the tube sheet experiencing these

термоупругие напряжения, может деформироваться и привести к нарушению герметичности между нею и трубами трубных пучков. Следовательно, совместные действия при повышенных параметрах внутреннего давления и температурного поля, вызовут термоупругие напряжения, превышающие допускаемые, что значительно снижает надежность конструкции известного теплообменника.thermoelastic stresses can be deformed and lead to a violation of the tightness between it and the pipes of the tube bundles. Consequently, joint actions with increased parameters of internal pressure and temperature field will cause thermoelastic stresses that exceed permissible, which significantly reduces the reliability of the design of the known heat exchanger.

Эффективность теплообмена известного теплообменника также снижена из-за того, что поток охлаждающей среды, омывающий выходные участки трубных пучков, направлен по ходу потока рабочей среды в трубах этих трубных пучков, то есть снизу вверх.The heat transfer efficiency of the known heat exchanger is also reduced due to the fact that the flow of the cooling medium washing the outlet sections of the tube bundles is directed along the flow of the working medium in the pipes of these tube bundles, i.e., from bottom to top.

Задача данного предложения - повысить надежность и эффективность работы теплообменника при высоких давлениях и температурах.The objective of this proposal is to increase the reliability and efficiency of the heat exchanger at high pressures and temperatures.

Поставленная задача решается тем, что теплообменник, содержащий корпус с днищем и крышкой, трубный пучок с трубной решеткой, входную и выходную камеры рабочей среды, вводы и выводы рабочей и охлаждающей сред, согласно предложению, снабжен цилиндрическим кожухом, разделяющим трубный пучок на центральную входную часть и периферийную выходную часть, выходная камера рабочей среды имеет внутренний диаметр, соразмерный диаметру трубной решетки и сообщена с периферийной выходной частью трубного пучка, при этом входная камера рабочей среды размещена внутри выходной камеры рабочей среды и сообщена с центральной входной частью трубного пучка, а в межтрубном пространстве по оси корпуса установлена отводная труба, сообщенная своим верхним концом с межтрубным пространством, а нижним концом - с выводом охлаждающей среды.The problem is solved in that the heat exchanger comprising a housing with a bottom and a cover, a tube bundle with a tube sheet, input and output chambers of the working medium, inputs and outputs of the working and cooling media, according to the proposal, is equipped with a cylindrical casing separating the tube bundle into the central inlet part and the peripheral output part, the output chamber of the working medium has an inner diameter commensurate with the diameter of the tube sheet and is in communication with the peripheral output part of the tube bundle, while the input chamber of the working medium placed inside the outlet chamber of the working medium and communicated with the central inlet part of the tube bundle, and in the annular space along the axis of the casing a branch pipe is installed, communicated with its upper end with the annular space, and the lower end with the outlet of the cooling medium.

Технический результат предложения выражается в том, что теплообмен между средами идет в мягком режиме: входная часть трубного пучка омывается охлаждающей средой, уже подогретой при ее проходе противотоком между трубами выходной части трубного пучка, поэтому разница температур The technical result of the proposal is that the heat exchange between the media is in a soft mode: the inlet part of the tube bundle is washed by a cooling medium already heated during its passage in countercurrent between the tubes of the outlet part of the tube bundle, therefore, the temperature difference

на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки в ее центральной части значительно снижается и составляет ~ 30°С.on the pipe and annular sides of the tube sheet in its central part is significantly reduced and amounts to ~ 30 ° C.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показан продольный разрез теплообменника; на фиг.2 - поперечный разрез А-А теплообменника.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows a longitudinal section of a heat exchanger; figure 2 is a transverse section aa of the heat exchanger.

Теплообменник содержит цилиндрический стальной корпус 1 высокого давления, сваренный с трубной решеткой 2 и со сферической крышкой 3, а в нижней части - с днищем 4. В трубной решетке 2 герметично закреплены трубы трубного пучка, который с помощью цилиндрического кожуха 5 разделен на центральную входную часть 6 и периферийную выходную часть 7. Над трубной решеткой 2 размещены выходная камера 8 рабочей среды, имеющая внутренний диаметр, соразмерный диаметру трубной решетки 2 и сообщенная с выходной частью 7 трубного пучка. Внутри выходной камеры 8 размещена входная камера 9 рабочей среды, сообщенная с центральной входной частью 6 трубного пучка. Входная камера 9 имеет ввод 10, а выходная камера 8 имеет вывод 11 для рабочей среды. Корпус 1 имеет ввод 12 для охлаждающей среды, сообщенный с межтрубным пространством 13, и вывод 14 для охлаждающей среды, расположенный в нижней части корпуса 1. В межтрубном пространстве 13 внутри входной части 6 трубного пучка по центральной оси корпуса 1 установлена отводная труба 15 охлаждающей среды, сообщенная своим верхним концом с межтрубным пространством 13, а нижним концом - с выводом 14 для охлаждающей среды. В верхней части межтрубного пространства 13 в зоне подачи охлаждающей среды установлено кольцевое противоударное распределительное устройство 16. В межтрубном пространстве 13 установлены поперечные перегородки 17, которые служат для стабилизации расстояния между трубами трубного пучка, а также для распределения потока охлаждающей среды в межтрубном пространстве 13.The heat exchanger contains a cylindrical steel casing 1 of high pressure, welded with a tube sheet 2 and with a spherical cover 3, and in the lower part with a bottom 4. In the tube sheet 2 tubes of the tube bundle are sealed, which is divided by a cylindrical casing 5 into the central inlet part 6 and the peripheral output part 7. Above the tube sheet 2, an output chamber 8 of the working medium is disposed having an inner diameter commensurate with the diameter of the tube sheet 2 and in communication with the outlet part 7 of the tube bundle. Inside the output chamber 8 is placed the input chamber 9 of the working medium, in communication with the Central input part 6 of the tube bundle. The input chamber 9 has an input 10, and the output chamber 8 has an output 11 for the working environment. The housing 1 has an input 12 for the cooling medium in communication with the annular space 13, and a terminal 14 for the cooling medium located in the lower part of the housing 1. In the annular space 13 inside the inlet part 6 of the tube bundle, a drain pipe 15 of the cooling medium is installed along the central axis of the housing 1 communicated at its upper end with the annular space 13, and the lower end with the output 14 for the cooling medium. An annular shockproof distribution device 16 is installed in the upper part of the annular space 13 in the coolant supply zone 16. Transverse partitions 17 are installed in the annular space 13, which serve to stabilize the distance between the tubes of the tube bundle, as well as to distribute the flow of the cooling medium in the annular space 13.

Теплообменник работает следующим образом.The heat exchanger operates as follows.

Через ввод 10 подается максимально нагретая рабочая среда, которая поступает во входную камеру 9 и проходит в центральную входную часть 6 Through the input 10, a maximally heated working medium is supplied, which enters the inlet chamber 9 and passes into the central inlet part 6

трубного пучка, в котором она движется вниз и отдает свое тепло охлаждающей среде, которая противотоком поднимается навстречу по центральной зоне межтрубного пространства 13, ограниченной цилиндрическим кожухом 5. В нижней части трубного пучка рабочая среда переходит из центральной входной части 6 трубного пучка в периферийную выходную часть 7 трубного пучка, поднимаясь по трубам которого отдает свое тепло охлаждающей среде, противотоком протекающей в периферийной зоне межтрубного пространства 13. В выходную камеру 8 рабочая среда поступает с меньшей температурой по сравнению с температурой рабочей среды, поступающей во входную камеру 9, благодаря чему происходит активный дополнительный теплообмен между камерами 8 и 9 через стенку камеры 9. В результате этого разность температур на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки 2 в зоне ввода рабочей среды сохраняется минимальной и составляет ~ 30°С. В межтрубное пространство 13 поток охлаждающей среды поступает через ввод 12 и через распределительное устройство 16. Охлаждающая среда, имеющая наименьшую температуру, поступает вначале в периферийную зону межтрубного пространства 13, ограниченную цилиндрическим кожухом 5 и корпусом 1, а затем - в центральную зону межтрубного пространства 13. Перегородки 17 направляют потоки охлаждающей среды поперек труб, благодаря чему создаются условия для более полного теплообмена между рабочей и охлаждающей средами. Нагретая охлаждающая среда из верхней части межтрубного пространства 13 отводится через трубу 15 и через вывод 14.the tube bundle, in which it moves downward and gives off its heat to the cooling medium, which countercurrently rises towards the central zone of the annular space 13, limited by the cylindrical casing 5. In the lower part of the tube bundle, the working medium passes from the central inlet part 6 of the tube bundle to the peripheral output part 7 of the tube bundle, rising through the tubes of which gives its heat to the cooling medium, which flows countercurrently in the peripheral zone of the annular space 13. The working medium enters the outlet chamber 8 It has a lower temperature compared with the temperature of the working medium entering the inlet chamber 9, due to which there is an active additional heat exchange between the chambers 8 and 9 through the wall of the chamber 9. As a result, the temperature difference on the pipe and annular sides of the tube sheet 2 in the input zone of the working environment remains minimal and is ~ 30 ° C. In the annular space 13, the flow of cooling medium enters through the inlet 12 and through the distribution device 16. The cooling medium, which has the lowest temperature, first enters the peripheral zone of the annular space 13, limited by the cylindrical casing 5 and the housing 1, and then into the central zone of the annular space 13 Partitions 17 direct the flow of the cooling medium across the pipes, which creates the conditions for more complete heat transfer between the working and cooling media. Heated cooling medium from the upper part of the annular space 13 is discharged through the pipe 15 and through the terminal 14.

Конструкция теплообменника обеспечивает надежную работу аппарата за счет снижения разности температур между рабочей и охлаждающей средами на трубной и межтрубной сторонах трубной решетки. Благодаря этому темоупругие напряжения по толщине трубной решетки не превышают допускаемых величин в условиях повышенных рабочих температур и давлений. Эффективность предложенной конструкции теплообменника состоит в том, что теплообмен между средами идет в условиях противотока рабочей и The design of the heat exchanger ensures reliable operation of the apparatus by reducing the temperature difference between the working and cooling media on the pipe and annular sides of the tube sheet. Due to this, the thermoelastic stresses along the thickness of the tube sheet do not exceed the permissible values under conditions of increased operating temperatures and pressures. The effectiveness of the proposed design of the heat exchanger lies in the fact that heat exchange between the media occurs in a counterflow working and

охлаждающей сред как на центральной входной части 6 трубного пучка, так и на периферийной его части 7.cooling media both on the central inlet part 6 of the tube bundle and on its peripheral part 7.

Расчеты теплопередачи предлагаемой конструкции теплообменника показали увеличение эффективности теплообмена по сравнению с прототипом на 10-12%.Heat transfer calculations of the proposed design of the heat exchanger showed an increase in heat transfer efficiency compared to the prototype by 10-12%.

Claims

A heat exchanger comprising a housing with a bottom and a cover, a tube bundle with a tube sheet, input and output chambers of the working medium, inputs and outputs of the working and cooling media, characterized in that it is provided with a cylindrical casing separating the tube bundle into a central inlet part and a peripheral outlet part , the output chamber of the working medium has an internal diameter commensurate with the diameter of the tube sheet and is in communication with the peripheral output part of the tube bundle, while the input chamber of the working medium is located inside the output chamber of the working the medium is in communication with the central inlet part of the tube bundle, and a branch pipe is installed along the central axis of the casing, communicated with its upper end to the annulus and the lower end with the outlet of the cooling medium.