CZ204590A3 - Výměník tepla - Google Patents

Description

(57) Anotace:

Výměník tepla je opatřen v podstatě válcovým proudovým prostorem /2/, který je prvním mediem protékán v podstatě ve svislém směru. Uvnitř trubek, probíhajících k proudovému prostoru /2/, kolmo, proudí druhé medium. Ke zvýšení mechanické stability jsou použity vestavby- opěrné plechy /12/. Navíc mohou být ke tlumení akustických kmitů vestavěny rovnoběžně s trubkami protihlukové plechy /11/. Pro rozdělění prvního media může být použit speciálně vytvořený odrážecí plech /10/.

Vynález se týká výměníku tepla s podstatě válcovým proudovým prostorem, ohraničeným pláštěm a opatřeným trubkami, které proudovým prostorem procházejí v podstatě rovnoběžně s osou válce a alespoň dvojicí hrdel, která jsou upravena na válcové ploše pláště proti sobě a vedou do proudového prostoru. Vynález se dále týká způsobu provozování tohoto výměníku tepla, dále jeho použití a využití způsobu.

Takovéto výměníky tepla se používají pro velmi mnoho způsobů chlazení nebo ohřívání tekutin a/nebo plynů, a to nepřímou výměnou tepla. Medium přitom vstupuje jedním hrdlem do proudového prostoru, oplachuje přitom trubky ve směru proudění, které probíhá v podstatě kolmo ke ose válce a pak dalším hrdlem vystupuje opět ven. Často bývá proudový prostor rozdělen na vícero úseků, vždy s vlastní dvojicí vstupních a výstupních hrdel. Taková konstrukce, u níž medium v proudovém prostoru proudí příčným prouděním vůči druhému mediu, které je vedeno vnitřkem trubek, je výhodné v tom, že první medium vykazuje při průchodu výměníkem tepla pouze velmi nepatrnou tlakovou ztrátu. Toto vyplývá z poměrně přímého průchodu proudovým prostorem, který obecně předpokládá zcela otevřenou konstrukci bez použití vestaveb v proudovém prostoru, které by zhoršovaly proudění.

Toto řešení však zmenšuje mechanickou stabilitu a tuhost zařízení, takže takového výměníky tepla mohou být používány pouze při poměrně nízkých proudových rychlostech media v proudovém prostoru. Mimoto u takových výměníků tepla s příčným prouděním nebyl uspokojivě vyřešen problém dělení prvního media v proudovém prostoru a to v kolmém směru na směr proudění.

Úloha vynálezu spočívá ve zlepšení výměníku tepla již popsaného typu tak, aby jeho mechanická stabilita byla při použití vyšších proudových rychlostí dostačující. Přitom má být zaručen příznivý přenos tepla a dobré dělení prvého media v proudovém prostoru.

Tato úloha je řešena opěrnými plechy, které jsou vestavěny v proudovém prostoru v proudovém prostoru v podstatě kolmo k ose válce. Tyto opěry zaručují podstatně stabilnější a tužší mechanickou konstrukci a zvyšují tuhost válcového pláště kolem proudového prostoru. Výměník tepla podle vynálezu může proto zvládnout rychlosti proudění v proudovém prostoru až do přibližně 10 % rychlosti zvuku.

Vedle mechanické stability v podélném směru mohou u výměníků tepla vzniknout problémy, dané zvukovými kmity, které jsou vyvolány vlnami v rovinách, kolmých k ose válce. Podle dalšího aspektu vynálezu může být k překonání těchto těžkostí vestavěn alespoň jeden protihlukový plech, který je v proudovém prostoru upraven v podstatě rovnoběžně s osou válce.

Zpravidla se používají dva rovnoběžné protihlukové plechy, umístěné z obou stran osy válce, které leží po celé délce proudového prostoru. Podle okolností může být také příznivý lichý počet a nesymetrické uspořádání protihlukových plechů. Tímto způsobem jsou do každé plochy průřezu vestavěny překážky, které působí proti vzniku zvukových vln.

Pro další zvýšení stability výměníku tepla a pro ulehčení jeho výroby je výhodné, jsou-li protihlukové a opěrné plechy navzájem spojeny látkovým stykem, například svařením dotykových ploch. Tím vzniká uvnitř proudového prostoru obzvlášt stabilní a tuhá voštinová konstrukce.

Při této konstrukci není již samozřejmě možná příčná výměna media v proudovém prostoru, takže rovnoměrné rozdělení media není již bez dalšího opatření zaručeno. Obzvláště výměna mezi oblastí, rozdělenou voštinami a okrajovou oblastí proudového prostoru je značně ztížena, takže přenos tepla, především v této okrajové oblasti není optimální.

Podle dalšího vytvoření vynálezu je použit odrážecí plech, který je upraven v podstatě kolmo na spojovací čáru mezi dvěma protilehlými hrdly, upravenými ve dvojici, a ležící rovnoběžně s osou válce po celé délce proudového prostoru. Přitom je příznivé, když mezi podélnými stranami odrážecího plechu a pláštěm je vytvořen meziprostor.

Oproti běžně používaným odrážecím plechům, které mohou být umístěny pouze na malé ploše pod vstupním hrdlem a mohou představovat pouze nedokonalou úpravu pro rozdělení media, proudícího vstupním hrdlem, dosahuje odrážecí plech podle vynálezu lepší přívod media do okrajových oblastí proudového prostoru.

Dále je příznivé, je-li odrážecí plech ve směru osy válce rozdělen na úseky, které mají rozdílné relativní průřezové plochy otvorů. Tím může být dosaženo cílené rozdělení media, vedeného proudovým prostorem, také ve směru osy válce.

Přitom je výhodné, je-li odrážecí plech rozdělen do dílčích kusů, které mají celý počet n úseků a jsou na každé straně ohraničeny buá koncem proudového prostoru nebo rovinou, ležící přesně mezi dvěma dvojicemi hrdel kolmo k ose válce. Hrdla jsou výhodně upravena tak, že dílčí kusy jsou stejně veliké. Výměník tepla může být opatřen větším počtem dílčích kusů nebo také pouze jedním. V posledním případě je použita pouze jedna dvojice hrdel.

Podle dalšího výhodného vytvoření vynálezu je vždy jeden kus odrážecího plechu opatřen sudým počtem n za sebou následujících úseků P^, i = 1 ..., přičemž vždy úseky ?i ^a ^n-i+1’ ^{1 -} ··· > ⁿ/2 jsou s ohledem na jejich rozměry a^, b.^ a jejich poměrnou průřezovou plochu otvorů konstruovány identicky.

Dílčí kus nebo dílčí kusy jsou tedy s ohledem na jejich rozdělení na úseky symetrické ke spojovací čáře příslušné dvojice hrdel.

Ukázalo se jako výhodné, činí-li počet n úseků P₁ uvnitř jednoho dílčího kusu 2 až 18 a platí-li pro relativní průřezové plochy úseku P^ vztah ^Li > ^Li+1’ ^{1 = 1} ···’» ^n/2_1·

Výhodně činí n 2 až 8.

Podle účelného příkladu provedení vynálezu se poměr mezi největší a nejmenší relativní průřezovou plochou otvorů L^/L_n/₂ ^v©lí v závislosti na roztečné délce lv (= vzdálenost mezi středovou osou plnicího hrdla a ohraničením odpovídajícího dílčího kusu) a na vnitřním poloměru r plnicího hrdla a to výhodně podle vztahu ^Li = ^f

Γ n/2

Faktor f má hodnotu kolem 1, přibližně mezi 0,8 a 1,3. Poměr lv/r leží zpravidla v oblasti 3; ^L]/^Ln/2 ^siní obecně zpravidla 1,5 až 2,0, výhodně přibližně 1,7.

Nesčetné hydrodynamické výpočty prokázaly, že takovýmto vytvořením odrážecího plechu se získá příznivé rozdělení plynu, který je veden proudovým prostorem, čímž může být dosaženo ve výměníku tepla vysokého přestupu tepla. Jako obzvlášt výhodné se ukázala oblast hodnot L_n/₂ mezi 10 až 30 %.

Podle další varianty výměníku tepla podle vynálezu jsou trubky, procházející proudovým prostorem, spojeny do většího počtu svazků, seřazených podél spojovací osy dvojice hrdel, přičemž trubky jsou navzájem spojeny tak, že svazky jsou mediem, procházejícím trubkami, protékány za sebou. Tímto způsobem může být dodatečně, podle druhu použití, dosažen souproud nebo protiproud.

- 5 Vynález se týká způsobu provozování takového výměníku tepla, u něhož každá dvojice hrdel sestává ze vstupního a výstupního hrdla, přičemž při tomto způsobu se první medium zavádí pomocí vstupního hrdla (vstupních hrdel) do proudového prostoru a odvádí výstupním hrdlem (výstupními hrdly) opět ven. Způsob podle vynálezu se vyznačuje tím, že druhé medium se nejdříve zavádí do trubek svazku, ležícího nejblíže u výstupního hrdla a poté probíhá svazky, ležícími dále ve směru vstupního hrdla. Druhé medium se tím vede v jistém rozsahu protiproudem k prvnímu mediu.

Podle dalšího vytvoření způsobu podle vynálezu se první medium zavádí do proudového prostoru v plynové formě, které při výměně tepla s druhým mediem zčásti kondenzuje.

Je příznivé použít při tomto způsobu jako druhé medium vodu, aby tato tvořila chladicí nebo topné medium.

Přibližně před 15 lety bylo běžné použít jako chladič štěpného plynu v ethylenových zařízeních výměníky tepla, které jsou opatřeny obdobně jako výměník podle vynálezu válcovým proudovým prostorem a trubkami s chladicí vodou, ležícími rovnoběžně s osou válce, u nichž však chlazený plyn byl vícekrát v obou směrech veden průřezem proudového prostoru.

Přitom však vzniká podstatně vyšší tlaková ztráta a způsob je vcelku energeticky nevýhodný.

Jakmile se energie stala nedostatková a dražší, bylo nutno použít přímý kontaktní výměník a štěpný plyn chladit přímou výměnou tepla s vodou. Taková zařízení mají sice nízkou tlakovou ztrátu, která je však vykoupena vysokými náklady na přístroje.

Ty vyplývají jednak z toho, že chladicí voda musí být vedena v kruhovém oběhu a proto opět chlazena ve zvláštním výměníku.

Dále je nutné z přímého kontaktního chladiče oddělit v odlučovači vodu a zkondenzované těžké uhlovodíky.

Použití výměníku tepla podle vynálezu jako stupňového chladiče štěpného plynu v ethylenovém zařízení, případně použití způsobu podle vynálezu při způsobu získávání ethylenu k ochlazení štěpného plynu spojuje tedy výhody těchto typů chladičů štěpného plynu, známých z ethylenových zařízení, a to jednak pro značný přístrojový náklad a tím poměrně malé finanční výdaje a dále pak pro velmi nízkou tlakovou ztrátu a tím i nízké provozní výdaje. S výhodou se přitom štěpný plyn vede proudovým prostorem jako první médium.

Vynález a jeho bližší podrobnosti jsou dále blíže popsány na příkladu provedení a podle připojených výkresů. Na nich značí obr. 1 podélný řez ve svislé rovině, obr. 2 příčný řez a obr. 3 další podélný řez výměníkem tepla podle vynálezu ve vodorovné rovině. i rlášt 1 výměníku tepla je vytvořen v podstatě válcově souměrný kolem osy 8 válce. Obklopuje spolu s dělicími stěnami 3A a 3G proudový prostor 2. Tento prostor je opět rozdělen další dělicí stěnou 3B na dva dílčí prostory, mezi nimiž není možná žádná výměna plynu. K dílčímu prostoru, vytvořenému na obr. 1 vlevo, přísluší první dvojice 4 hrdel, která je tvořena vstupním hrdlem 4A a výstupním hrdlem 4B. Analogicky jsou na pravé straně umístěna hrdla 5A a 5B dvojice

Podle vynálezu jsou v proudovém prostoru 2. vestavěny opěrné plechy 12, jejichž počet v příkladu provedení činí 10, tedy 5 pro jeden dílčí prostor. Opěrné plechy 12 jsou neseny patrem 15» Dále jsou z obr. 2 seznatelné dva protihlukové plechy 11, které leží po celé délce proudového prostoru 2, od dělicí stěny 3A až k dělicí stěně 3C (viz obr. 1). Opěrné plechy 12, protihlukové plechy 11 a dělicí stěny 3A, 3B. 3C jsou navzájem svařeny a tvoří tuhou voštinovou konstrukci, u níž není možná žádné boční výměna plynu mezi voštinami a žádná výměna v prostoru mezi protihlukovými plechy 11 a pláštěm 1.

Je proto podle vynálezu použit odrážecí plech 10, který je upraven pod vstupními hrdly 4A, 5A ve vodorovné rovině po celé délce proudového prostoru 2. Šířka b odrážecího plechu

10. nakresleného v obr. 3, je přibližně rovná vnitřnímu průměru 2r vstupních hrdel 4A, 5A. Šířka b však může být také nepatrně větší nebo menší než 2r (viz následující výpočet).

V příčném směru je odrážecí plech 10 ohraničen oběma protihlukovými plechy 11 a je s nimi propojen látkovým stykem.

Tímto uspořádáním vyvolává děrovaný odrážecí plech 10 ztížený průchod media, vstupujícího vstupními hrdly 4A. 5A do střědní části proudového prostoru a tím lepší rozdělení pomocí meziprostorů 14 (viz obr. 2) ve směru okrajového prostoru mezi protihlukovými plechy 11 a pláštěm 1.

Analogicky s dílčími prostory proudového prostoru 2 je odrážecí plech 10 rozdělen dělicí stěnou 3B na dva dílčí kusy. Jeden z dílčích kusů odrážecího plechu 10 sestává z úseku P^ až Pg, případně P^'až Pg^Z, jak je naznačeno na obr. 3. Počet n úseků jednoho dZlčího~kusu činí v příkladu provedeni 6. Odrážecí plech 10 má ve zvláštní verzi tři různé druhy děrování, které se vyznačují navzájem různými průřezovými plochami otvorů. Relativními průřezovými plochami otvorů je míněn poměr mezi plochou otvorů děr a celou plochou plechu. Různé druhy otvo rů mohou být realizovány rozdílnými hustotami a/nebo velikostmi otvorů.

S výhodou jsou u příkladu provedení použity tři různé hodnoty L^, L_2> poměrný průřezových ploch otvorů a to

L-^ pro Ρ-ρ Pg, P₁ ^z, Pg^Z hg pro P₂, P^, '» ^*5 ' ^a pro P^, P^, P^', P^'.

Děrování jsou zvolena tak, že přímo pod vstupními hrdly

4A. 5A jsou poměrné průřezové plochy otvorů (L^) nejmenší a v úsecích, nejdále vzdálených od vstupních hrdel 4A, j>A, je poměrná průřezová plocha otvorů (L^) největší, aby se dosáhlo

podél osy válce pokud možno rovnoměrného	rozdělení media
v proudovém prostoru.
U výměníku tepla, zkonstruovaného pro zkušební účely,
ly zvoleny následující hodnoty:
průměr proudového prostoru	ds = 1676 mm
poloměr otvoru vstupních hrdel	r = 348 mm
délka rozdělení	lv = 999 mm
délka každého úseku	a = 333 mm
šířka úseků	b = 666 mm
poměrné průřezy otvorů	1^ = 40 % L2 = 30 % L. = 23 %
poměr max. k min.
poměrných průřezů otvorů	=1,74
průměr otvorů	d^ = 8 mm d2 = 8 mm d7 = 10 mm
rozteč otvorů	t^ = 12 mm t2 = 14 mm t^ = 20 mm.

Z výrobního hlediska je vhodné zvolit délku a úseků P^ až Pg, případně P^^z až Pg^z, rovnou vzdálenosti mezi dvěma opěrnými plechy 12. Z hlediska rozdělení je samozřejmě přízni vější vyšší počet úseků s rozdílnými relativními plochami prů řezů otvorů; z hlediska praktického kompromisu mezi kvalitou rozdělení a přístrojovými náklady se hydrodynamickými výpočty ukázalo, že je účelné použít rozsah hodnot pro počet n úseků jednoho dílčího kusu od 2 do 18, výhodně od 4 do 8.

Trubky, které procházejí proudovým prostorem 2, nejsou na výkresech explicitně znázorněny. V podélném řezu v obr. 1 leží jejich přímé dílčí části mezi odrážecím plechem 10 a nos ným plechem 15« Na koncích tepelného výměníku jsou trubky pro pojeny s hrdly 6A, 6B nebo navzájem, jak je to dále blíže vysvětleno podle obr. 2.

- 9 V nakresleném řezu jsou naznačeny 4 svazky ₂ ^a% ^A7,8» které jsou vždy rozděleny na dvě podskupiny A^, až A?, Αθ. Podskupiny sestávají z 50 až 300 trubek, výhodně z 120 až 250 trubek a vyplňují prostor, označený dvěma křižujícími se čarami z obou stran protihlukového plechu 11«

Trubky jsou navzájem spojeny tak, že medium, které přichází hrdlem 6A, protéká nejdříve rovnoběžně trubkami podskupiny A^ a poté za sebou trubkami zbývajících podskupin a svaz ků za~šebou v řadě A₂, A^, A^, A_g, Αγ, Αθ a poté je vedeno k výstupnímu hrdlu 6B.

U způsobu podle vynálezu je výměník tepla provozován tak že první medium, například štěpný plyn v ethylenovém zařízení vtéká ve dvou rovnoběžných proudech vstupními hrdly 4A a 5A do proudového prostoru 2 a je vyváděno výstupními hrdly 4B,

5B opět ven, jak je naznačeno šipkami v obr. 1 a 2. Křížným proudem se přivádí druhé medium, například chladicí voda hrdlem 6A, je vedeno neznázorněnými trubkami a hrdlem 6B je opět odváděno (šipky 7 v obr. 1).

Claims (17)

1. •P-Ř-E D M -£ Έ--VYNÁLEZU-

   9 tQTfcUroí/ε

   1. Výměník tepla s v podstatě válcovým proudovým prostorem (2) ohraničeným pláštěm (1), opatřený trubkami, které procházejí proudovým prostorem (2) v podstatě rovnoběžně s osou (8) válce a opatřený alespoň jednou dvojicí (4, 5) hrdel, která jsou umístěna na válcové ploše pláště (1) proti sobě a vedou do proudového prostoru (2), vyznačený tím, že je opatřen opěrnými plechy (12), které jsou vestavěny do proudového prostoru (2) v podstatě kolmo na osu (8) válce.

   lAjxVO !
2. 2. Výměník tepla podle -beder 1 vyznačený tím, že je opatřen alespoň jedním protihlukovým plechem (11), který je umístěn v proudovém prostoru (2) v podstatě rovnoběžně s osou (8) válce
3. 3. Výměník tepla -se—snaky -bodů 1 a 2 vyznačený tím, že protihlukový (é) plech (y) (11) a opěrný (é) plech (y) (12) jsou navzájem spojeny látkovým stykem.
4. 4. Výměník tepla podle jednoho z bodů 1 až 3 vyznačený tím, že je opatřen odrážecím plechem (10), který je upraven v podstatě kolmo na spojovací čáru mezi dvěma protilehlými hrdly (4A, 4B; 5A, 5B) a leží v celé délce proudového prostoru (2) rovnoběžně s osou (8) válce.
5. 5. Výměník tepla podle hod-a- 4 vyznačený tím, že mezi podélnými stěnami (13) odrážecího plechu (10) a pláštěm (1) je vytvořen meziprostor (14).
6. 6. Výměník tepla podle jednoho z bodů 4 nebo 5 vyznačený tím, že odrážecí plech (10) je ve směru osy (8) válce rozdělen na úseky (P^ až P^; P^'až P^'), které jsou opatřeny rozdílnými poměrnými průřezovými plochami otvorů (L^ až Lgj L^'

   4^ to o
7. 7. Výměník tepla podle bodu 6 vyznačený tím, že odrážecí plech (10) je rozdělen na dílčí kusy (20, 20^z), které mají celý počet n úseků (P^ až P_g; P^ až Pg ) a na každé straně je ohraničen buď koncem (3A, 30) proudového prostoru (2) nebo rovinou (3B), ležící přesně mezi dvěma dvojice mi (4, 5) hrdel (4A, 4B; 5A, 5B) a kolmo k ose (8) válce.
8. 8. Výměník tepla podle bodu 7 vyznačený tím, že vždy jeden dílčí kus (20, 20'} odrážecího plechu (12) je opatřen sudým počtem n za sebou následujících úseků P^, i = 1, ..., přičemž úseky ^Pi ^{a P}n-i+l’ i = 1, n/2 jsou s ohledem na své rozměry a^, M a relativní průřezové plochy otvorů L. vytvořeny identické.
9. 9. Výměník tepla podle bodu 8 vyznačený tím, že počet n úseků P. ^(P1 ^až ^P6’ ^Pl* ^až ^P6*^ uvnitř dílčího kusu (20, 20 ^z) či ní 2 až 18 a že pro relativní průřezové plochy otvorů úseků P^ platí:

   ^Li > ^Li+1» ¹ “ ¹’ ··*» ^n/2_1*
10. 10. Výměník tepla podle bodu 9 vyznačený tím, že pro maximální relativní průřezovou plochu otvorů platí s f: faktor 0,8 = f = 1,3 lv: roztečné délka (= vzdálenost mezi spojovací osou dvojice (4, 5) od hrdel a ohraničením odpovídají čího dílčího dílu r: poloměr otvoru plnicího hrdla (4A, 5A).
11. 11. Výměník tepla podle jednoho z -bedů* 1 až 10 vyznačený tím, že trubky jsou spojeny do více svazků (A^ _{2 g}), upra vených podél spojovací osy dvojice (4, 5) hrdel (4A, 4B;

    5A, 5B), přičemž trubky jsou spojeny tak, že svazky (A^ ₂ až Αγ g) jsou protékány mediem, proudícím v trubkách, za sebou.

    tudkvbo
12. 12. Způsob provozování výměníku tepla podle bědu 11, při němž každá dvojice (4, 5) hrdel sestává ze vstupního hrdla (4A, 5A) a výstupního hrdla (4B, 5B) a první medium se zavádí do proudového prostoru (2) vstupním (i) hrdlem (ly) (4A, 5A) a opět vyvádí výstupním (i) hrdlem (ly) (4B, 5B) a druhé medium se vede vnitřkem trubek, vyznačující se tím, že druhé medium se nejdříve zavádí do svazku (A-^,₂), umístěného nejblíže k výstupnímu hrdlu (4B, 5B) a poté protéká za sebou trubky svazků Ay,g)> lpících za sebou ve směrní vstupního hrdla (4A, 5A).
13. 13. Způsob podle -bodu 12 vyznačující se tím, že první medium se zavádí v plynné formě do proudového prostoru a při výměně tepla s druhým mediem částečně kondenzuje.
14. 14. Způsob podle -bodu 12 nebo 13 vyznačující se tím, že se jako druhé medium použije voda.
15. 15. Použití výměníku tepla podle jednoho z bodů 1 až 10 jako stupňového chladiče štěpného plynu v ethylenovém zařízení.
16. 16. Použití způsobu podle jednoho z bodů 12 až 14 při způsobu získávání ethylenu pro chlazení štěpného plynu.
17. 17. Použití podle bodu 16 vyznačené tím, že první medium je tvořeno štěpným plynem.