RU2306515C1 - Shell-and-tube heat exchanger - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: proposed shell-and-tube heat exchanger contains distributing chamber with cover connected with shell, heat exchanger tubes connected by partitions with segment cutouts, and unions for tube and inter-tube spaces. Distributing chamber is divided by partition, and from side opposite to distributing chamber floating head is arranged in shell cover. Ratio of outer diameter of shell to length of heat exchange tubes in proposed device is 0.14-0.26; ratio of diameter of heat exchanger tubes to outer diameter of shell is 0.02-0.14; total number of heat exchange tubes is within 13 and 1701; surface of heat exchange at length of heat exchange tubes lying within 1 and 9 m is within 1.0-961 sq. m: area of flow section in segment cutouts of partitions is within 30 and 1620 sq.m: area of flow section between partitions is within 50 and 1870 sq. m: area of section of one pass of heat exchange tubes is within 40 and 3750 sq.m; ratios of outer diameter D_o of shell to diameters of nominal bores of unions for tube and inter-tube spaces are equal, lying within 1.9-4.0.

EFFECT: increased efficiency of operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к кожухотрубным теплообменным аппаратам, которые могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для этих аппаратов может составлять 20...60 град, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.The invention relates to shell and tube heat exchangers that can be used as heat exchangers, refrigerators, condensers and evaporators in the chemical, petrochemical and other industries. Heat exchangers are designed for heating and cooling, and refrigerators are used for cooling (liquid or other non-toxic, non-flammable and non-explosive refrigerant) liquid and gaseous media. The largest allowable temperature difference between the casing and pipes for these devices can be 20 ... 60 degrees, depending on the material of the casing and pipes, the pressure in the casing and the diameter of the device.

Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является кожухотрубный теплообменный аппарат по а.с. СССР №1451519, F28D 7/00, содержащий распределительную камеру с крышкой, соединенную с кожухом, теплообменные трубы, соединенные перегородками с сегментными вырезами, линзовый компенсатор и штуцера для межтрубного и трубного пространств (прототип).The closest technical solution to the claimed object is a shell-and-tube heat exchanger according to as USSR No. 1451519, F28D 7/00, containing a distribution chamber with a cover connected to the casing, heat transfer pipes connected by partitions with segment cutouts, a lens compensator and fittings for annular and tube spaces (prototype).

Недостатком известного кожухотрубного теплообменного аппарата является сравнительно невысокая эффективность его работы.A disadvantage of the known shell-and-tube heat exchanger is the relatively low efficiency of its operation.

Технический результат - повышение эффективности его работы.The technical result is an increase in the efficiency of its work.

Это достигается тем, что в кожухотрубном теплообменнике, содержащем распределительную камеру с крышкой, соединенную с кожухом, теплообменные трубы, соединенные перегородками с сегментными вырезами, и штуцера для межтрубного и трубного пространства, распределительная камера разделена перегородкой, а со стороны, противоположной распределительной камере, в крышке кожуха размещена плавающая головка, при этом отношение наружного диаметра D_н кожуха к длине L теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин D_н/L=0,14...0,26, отношение диаметра теплообменных труб d к наружному диаметру D_н кожуха находится в оптимальном интервале величин d/D_н=0,02...0,14, общее количество теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин 13...1701, поверхность теплообмена при длине теплообменных труб L, лежащей в диапазоне от 1 до 9 м, находится в оптимальном интервале величин 1,0...961 м², площадь сечения потока в сегментных вырезах перегородок находится в оптимальном интервале величин 30...1640 м², площадь сечения потока между перегородками находится в оптимальном интервале величин 50...1870 м², площадь сечения одного хода по теплообменным трубам находится в оптимальном интервале величин 40...3750 м², отношения наружного диаметра D_н кожуха к диаметрам условного прохода D_y штуцеров для трубного и условного прохода D_y1 штуцеров для межтрубного пространства соответственно равны D_н/D_y=D_н/D_y1 и находятся в оптимальном интервале величин 1,9...4,0.This is achieved by the fact that in a shell-and-tube heat exchanger containing a distribution chamber with a cover connected to the casing, heat exchange pipes connected by partitions with segment cutouts and a fitting for the annular and pipe space, the distribution chamber is divided by a partition, and on the side opposite to the distribution chamber, in the housing cover is placed floating head, the outer diameter ratio D _n casing to the length L of heat-exchange tubes is in the optimal range of values D _n /L=0,14...0,26, ratio diameter heat exchanger tubes to the external diameter d D _n the casing is in the optimal range of values of d / D _n = 0.02 ... 0.14, the total amount of heat-exchange tubes is in the range of optimal values of 13 ... 1701 heat exchange surface with a length of heat exchange pipe L, lying in the range from 1 to 9 m, is in the optimal range of values of 1.0 ... 961 m ² , the cross-sectional area of the flow in the segment cut-outs of the partitions is in the optimal range of 30 ... 1640 m ² , the cross-sectional area of the flow between the partitions is in the optimal range of values of 50 ... 1870 m ² , the cross-sectional area of one stroke through the heat exchange pipes is in the optimal range of values of 40 ... 3750 m ² , the ratios of the outer diameter D _{n of the} casing to the diameters of the nominal bore D _{y of the} fittings for the pipe and conditional passage D _{y1 of the} fittings for the annular space are respectively equal to D _n / D _y = D _n / D _y1 and are in the optimal range of values of 1.9 ... 4.0.

На чертеже представлен кожухотрубчатый двухходовый (по трубному пространству) теплообменник, выполняющий функции холодильника.The drawing shows a shell-and-tube two-way (through the tube space) heat exchanger that performs the functions of a refrigerator.

Кожухотрубный теплообменник содержит распределительную камеру 2 с крышкой 1, соединенную с кожухом 3 диаметром D_н, теплообменные трубы 4 длиной L, перегородки 5 с сегментными вырезами, штуцера 6 для межтрубного пространства, штуцера 7 для трубного пространства и крышку 8 кожуха, внутри которой размещена крышка 9 плавающей головки. Распределительная камера 2 разделена перегородкой 10. Диаметры условного прохода штуцеров 7 для трубного пространства равны D_y, а штуцеров 6 для межтрубного пространства равны D_y1.The shell _- and-tube heat exchanger contains a distribution chamber 2 with a cover 1 connected to a casing 3 with a diameter of D _n , heat exchange tubes 4 of a length L, partitions 5 with segment cutouts, a nozzle 6 for the annular space, a nozzle 7 for the tube space, and a cover 8 of the casing inside which the cover is placed 9 floating heads. The distribution chamber 2 is divided by a partition 10. The diameters of the conditional passage of the fittings 7 for the pipe space are equal to D _y , and the fittings 6 for the annular space are equal to D _y1 .

Незакрепленная на кожухе 3 вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой 9, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует плавающую головку. Предложенная конструкция исключает температурные напряжения в кожухе 3 и трубах 4.Loose on the casing 3, the second tube sheet together with the inner cover 9, which separates the tube space from the annular, forms a floating head. The proposed design eliminates temperature stresses in the casing 3 and pipes 4.

Соотношения параметров описываемого теплообменника выбраны исходя из следующего:The ratio of the parameters of the described heat exchanger are selected based on the following:

отношение наружного диаметра D_н кожуха к длине L теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин D_н/L=0,14...0,26. Это влияет на производительность аппарата в целом; отношение диаметра теплообменных труб d к наружному диаметру D_н кожуха находится в оптимальном интервале величин d/D_н=0,02...0,14, этим диапазоном обусловлена эффективность тепломассообмена; общее количество теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин 13...1701; поверхность теплообмена при длине теплообменных труб L, лежащей в диапазоне от 1 до 9 м, находится в оптимальном интервале величин 1,0...961 м². Этим диапазоном обусловлена эффективность тепломассообмена; площадь сечения потока в сегментных вырезах перегородок находится в оптимальном интервале величин 30...1640 м², площадь сечения потока между перегородками находится в оптимальном интервале величин 50... 1870 м², площадь сечения одного хода по теплообменным трубам находится в оптимальном интервале величин 40...3750 м² этими диапазонами обусловлено минимальное гидравлическое сопротивление аппарата при сохранении высокой эффективности тепломассообмена, отношения наружного диаметра D_н кожуха к диаметрам условного прохода D_y штуцеров для трубного и условного прохода D_y1 штуцеров для межтрубного пространства соответственно равны D_н/D_y=D_н/D_y1 и находятся в оптимальном интервале величин 1,9...4,0, этими диапазонами обусловлено минимальное гидравлическое сопротивление аппарата при сохранении высокой эффективности тепломассообмена.the ratio of the outer diameter D _{n of the} casing to the length L of the heat exchanger tubes is in the optimal range of values of D _n /L=0.14...0.26. This affects the performance of the device as a whole; the ratio of the diameter of the heat exchange tubes d to the outer diameter D _{n of the} casing is in the optimal range of values d / D _n = 0.02 ... 0.14, this range determines the efficiency of heat and mass transfer; the total number of heat transfer pipes is in the optimal range of 13 ... 1701; the heat exchange surface with the length of the heat exchange tubes L lying in the range from 1 to 9 m, is in the optimal range of values of 1.0 ... 961 m ² . This range determines the efficiency of heat and mass transfer; the cross-sectional area of the flow in the segmented cut-outs of the partitions is in the optimal range of values of 30 ... 1640 m ² , the cross-sectional area of the flow between the partitions is in the optimal range of values of 50 ... 1870 m ² , the cross-sectional area of one stroke through the heat exchange pipes is in the optimal range of values 40 ... 3750 m ² these ranges determine the minimum hydraulic resistance of the apparatus while maintaining high heat and mass transfer efficiency, the ratio of the outer diameter D _{n of the} casing to the diameters of the nominal passage D _{y of} fittings for pipe and the conditional passage D _{y1 of the} fittings for the annulus are respectively equal to D _n / D _y = D _n / D _y1 and are in the optimal range of 1.9 ... 4.0, these ranges are responsible for the minimum hydraulic resistance of the apparatus while maintaining high heat and mass transfer efficiency .

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

Хладагент поступает и выходит через штуцера 7 для трубного пространства, циркулируя в теплообменных трубах 4, в то время как среда (вода или газ) поступает через штуцера 6 для межтрубного пространства и циркулирует с внешней стороны теплообменных труб 4. Перегородки 5 с сегментными вырезами, установленные в кожухе 3, направляют поток среды, который несколько раз меняет свое направление.The refrigerant enters and exits through the nozzle 7 for the pipe space, circulating in the heat exchanger tubes 4, while the medium (water or gas) enters through the nozzle 6 for the annular space and circulates from the outside of the heat exchanger tubes 4. Partitions 5 with segment cutouts installed in the casing 3, direct the flow of the medium, which changes its direction several times.

Теплообменники предложенной конструкции могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали.The heat exchangers of the proposed design can be installed horizontally or vertically, be two-, four- and six-way in the pipe space. Pipes, a casing and other structural elements can be made of carbon or stainless steel, and the pipes of refrigerators can also be made of brass. Distribution chambers and lids of refrigerators are made of carbon steel.

Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор 6) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1,6...8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами.The use of shell-and-tube heat exchangers with a temperature compensator on the casing (lens compensator 6) is limited by the maximum permissible pressure in the casing equal to 1.6 MPa. At higher pressure in the casing (1.6 ... 8.0 MPa), heat exchangers with a floating head or with U-shaped pipes should be used.

Claims (1)

Кожухотрубный теплообменник, содержащий распределительную камеру с крышкой, соединенную с кожухом, теплообменные трубы, соединенные перегородками с сегментными вырезами, и штуцера для межтрубного и трубного пространств, отличающийся тем, что распределительная камера разделена перегородкой, а со стороны, противоположной распределительной камере, в крышке кожуха, размещена плавающая головка, при этом отношение наружного диаметра D_н кожуха к длине L теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин D_н/L=0,14...0,26, отношение диаметра теплообменных труб d к наружному диаметру D_н кожуха находится в оптимальном интервале величин d/D_н=0,02...0,14, общее количество теплообменных труб находится в оптимальном интервале величин 13...1701, поверхность теплообмена при длине теплообменных труб L, лежащей в диапазоне от 1 до 9 м, находится в оптимальном интервале величин 1,0...961 м², площадь сечения потока в сегментных вырезах перегородок находится в оптимальном интервале величин 30...1640 м², площадь сечения потока между перегородками находится в оптимальном интервале величин 50...1870 м², площадь сечения одного хода по теплообменным трубам находится в оптимальном интервале величин 40...3750 м², отношения наружного диаметра D_Н кожуха к диаметрам условного прохода D_y штуцеров для трубного и условного прохода D_y1 штуцеров для межтрубного пространства соответственно равны D_н/D_y=D_н/D_y1 и находятся нв оптимальном интервале величин 1,9...4,0.A shell-and-tube heat exchanger comprising a distribution chamber with a cover connected to the casing, heat-exchange pipes connected by partitions with segment cutouts, and a fitting for the annular and pipe spaces, characterized in that the distribution chamber is separated by a partition, and on the side opposite to the distribution chamber, in the casing cover , placed floating head, the outer diameter ratio D _n casing to the length L of heat-exchange tubes is in the optimal range of values D _n /L=0,14...0,26, the ratio of diameter tra heat exchange tubes to the external diameter d D _n the casing is in the optimal range of values of d / D _n = 0.02 ... 0.14, the total amount of heat-exchange tubes is in the range of optimal values of 13 ... 1701 heat exchange surface with a length of heat exchange pipe L, lying in the range from 1 to 9 m, is in the optimal range of values of 1.0 ... 961 m ² , the cross-sectional area of the flow in the segment cut-outs of the partitions is in the optimal range of 30 ... 1640 m ² , the cross-sectional area of the flow between the baffles is in the optimal range of values of 50 ... 1870 m ^2, PLO ad sectional view of one turn of the heat exchange tubes is in the range of optimal values of 40 ... 3750 m ^2, the outer diameter D ratio _H housing to the diameter of orifice D _y for pipe fittings and D _y1 of orifice nozzles for the annulus are respectively D _N / D _y = D _n / D _y1 and are in the optimal range of values of 1.9 ... 4.0.