ТЕПЛООБМЕННИК СО СТРУЙНЫМ ИСТЕЧЕНИЕМ ЖИДКОСТИ И УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ Российский патент 1997 года по МПК F28G3/00 F28D9/00 

Изобретение касается теплообменника со струйным истечением жидкости, предназначенного для испарения жидкости путем теплообмена со второй текучей средой, содержащего корпус в форме параллелепипеда, образованного путем сборки параллельных вертикальных пластин, образующих между собой множество плоских каналов, распределенных в виде набора испарительных каналов и в виде набора нагревательных каналов, при этом каждый канал содержит в своей проточной части теплообмена гофры-распорки с вертикальными образующими, причем предусмотрены средства распределения жидкости на верхнем конце обменника для распределения жидкости по всей длине испарительных каналов, а также при этом предусмотрены средства для подачи второй текучей среды в нагревательные каналы. Оно применяется, в частности, к установкам для дистилляции воздуха.

В установках для дистилляции воздуха, относящихся к типу установок с двумя колоннами, жидкий кислород, который находится в резервуаре колонны низкого давления, испаряется путем теплообмена с газообразным азотом из верхней части колонны среднего давления. Для заданного рабочего давления колонны низкого давления расхождение температуры между кислородом и азотом, ставшее необходимым вследствие конструкции теплообменника, задает рабочее давление колонны среднего давления. Следовательно, желательно, чтобы это расхождение температуры было максимально малым с целью сведения к минимуму расходов, связанных со сжатием обрабатываемого воздуха, вводимого под давлением в колонну среднего давления.

Для достижения этой цели, используя при этом выгоды очень целесообразной технологии теплообменников с паяными пластинами, в европейском патенте А-О 130 122 заявителя по данной заявке предложен особо эффективный способ распределения жидкого кислорода.

Однако независимо от принятого способа распределения существующая технология имеет определенные пределы. Они вызваны тем, что, когда жидкий кислород находится под давлением, которое только слегка превышает атмосферное, газообразный кислород, получаемый вследствие испарения, должен удаляться из обменника самостоятельно. Потеря напора на пути газообразного кислорода, следовательно, должна быть очень невелика. Во всех известных решениях это ограничение лимитирует высоту обменника и в общем плане его параметры.

Целью изобретения является обеспечение возможности увеличения высоты такого теплообменника или при заданной высоте уменьшение напора при истечении испарившегося кислорода. С этой целью его предметом является теплообменник вышеназванного типа, характеризующийся тем, что указанные средства распределения расположены в закрытых на своем верхнем конце отсеках, каждый из которых расположен над нагревательным каналом, от которого он отделен горизонтальной заслонкой, тем, что горизонтальная прорезь, проходящая по всей длине обменника, как раз под заслонкой, сообщает нижнюю часть отсека свободно со смежным испарительным каналом, и тем, что испарительные каналы открыты на своих двух концах верхнем и нижнем, по всей их длине, и содержат, кроме того, гофр-распорку с вертикальными образующими в любой точке их высоты.

Согласно другим отличительным признакам:
испарительные каналы не содержат никакого гофра-распорки напротив прорезей,
верхняя поверхность заслонки наклонена сбоку к прорези,
средства распределения жидкости содержат, с одной стороны, горизонтальную заслонку, проходящую по всей длине каждого отсека, на промежуточном уровне последнего, причем эта заслонка имеет толщину, равную взаимному интервалу между пластинами, и имеет отверстия предварительного распределения жидкости, и, с другой стороны, под этой заслонкой облицовку для распределения жидкости тонким слоем по всей горизонтальной длине отсека,
указанные отверстия образуют горизонтальный ряд отверстий, равноудаленных друг от друга,
заслонка содержит на вертикальной поверхности одно или несколько задних углублений, закрытых снизу и открытых кверху, и по всей ее другой вертикальной поверхности одно или несколько передних углублений, открытых книзу и закрытых кверху, и тем, что указанные отверстия выполнены сквозь вертикальную стенку, общую для передних и задних углублений,
заслонка содержит несколько задних углублений, выполненных с интервалом между собой, и несколько передних углублений, выполненных с интервалом между собой,
передние углубления имеют форму, расширяющуюся книзу,
облицовка представляет собой гофр с горизонтальными образующими, боковые стороны которых снабжены сквозными отверстиями,
облицовка расположена с интервалом от верхней поверхности заслонки,
обменник содержит камеру для бокового впуска жидкости в указанные отсеки, при этом нижняя точка этой камеры находится под нижней точкой впускного окошка этих отсеков.

Предметом изобретения также является установка для разделения воздуха дистилляцией, содержащая первую дистилляционную колонну, работающую при относительно высоком давлении, вторую дистилляционную колонну, работающую при относительно низком давлении, и теплообменник, позволяющий ввести жидкий кислород из резервуара второй колонны в теплообменные отношения с газообразным азотом верхней части первой колонны, характеризующееся тем, что теплобменник выполнен таким, как определено выше, и тем, что установка содержит средства подачи для подведения жидкого кислорода к указанным средствам распределения жидкости и средства подачи жидкого азота в нагревательные каналы.

На фиг. 1 представлена частичная схема установки дистилляции воздуха, согласно изобретению, на фиг. 2 в вертикальном разрезе вид большего масштаба области 11 с фиг. 1, при этом разрез проходит по линии II II с фиг. 4, на фиг. 3 частичный вид в плане, взятый по стрелке III на фиг. 2, на фиг. 4 - вид, взятый в разрезе по линии IV IV с фиг. 2, на фиг. 5 аналогичный вид варианта.

На фиг. 1 изображена возможность размещения теплообменника кислород-азот в установке для дистилляции воздуха двухколонного типа. Эта установка включает колонну среднего давления 1, внизу которой вводится под давлением обрабатываемый воздух, под давлением порядка 6 абсолютных бар. Жидкость, обогащенная кислородом, который собирается в резервуаре колонны 1, направляется обратным потоком посредине высоты второй колонны (не показана), так называемой колонны низкого давления, которая работает при давлении несколько выше атмосферного. Газообразный азот, который находится в верхней части колонны 1, вводят в отношения косвенного теплообмена с жидким кислородом, собранным в резервуаре колонны низкого давления, конденсированный азот, полученный в результате, служит обратным холодильником в колонне 1 и в колонне низкого давления, в то время как полученный выпаренный кислород вновь отсылается в нижнюю часть колонны низкого давления.

Обе дистилляционные колонны могут, в частности, относиться к типу колонн с футеровкой, что способствует экономии энергии в результате понижения рабочего давления установки, которое является давлением колонны 1.

Теплообмен между кислородом и азотом осуществляется в обменнике 2, который установлен над колонной 1, в то время как колонна низкого давления располагается рядом с последней.

Обменник 2 выполнен из герметичного кожуха 3, общая высота которого содержит набор параллельных пластин 4 прямоугольной формы из алюминия, длиной порядка 1 1,5 и высотой порядка 3 7 м, между которыми гофры, также из алюминия, закреплены путем пайки.

Пространство под давлением, слегка превышающим давление колонны низкого давления (например, порядка 1,4 бар), находящееся на уровне верхнего конца пластин 4, напротив одного из их вертикальных участков, заключает в себе ванну из жидкого кислорода 5, которая запитывается сверху через трубопровод 6, выходящий из резервуара колонны низкого давления, снабженный насосом (не показан). Последний может управляться регулятором уровня ванны 5 или, в качестве варианта, регулятором расхода. В верхней части обменника 2 кожух 3 образует купол 7, который содержит ванну 5. Из этого купола выходит трубопровод 8 возврата в нижнюю часть колонны низкого давления выпаренного кислорода, поступающего из ванны 5, являющегося результатом подач тепла на уровне насоса и трубопроводов, и части кислорода, выпаренного в обменнике 2.

В набор из пластин 4, в его верхней части, подают газообразный азот при давлении 6 бар через горизонтальную подающую камеру 9, расположенную под ванной 5, которая сообщается через трубопровод 10 с верхней частью колонны среднего давления. Удаление конденсированного азота производится у основания пластин 4 через горизонтальную сборную камеру 11, которая сообщается через трубопровод 12 с желобом 13, расположенным в верхней части колонны 1. На камере 11 помещается труба 14 удаления неконденсируемых благородных газов.

Трубопровод 15 связывает резервуар колонны низкого давления с пространством, расположенным в кожухе 3, под пластинками 4. Этот трубопровод проникает вертикально в это пространство через нижнюю точку кожуха 3, и его верхний конец имеет сверху конический дефлектор 16. Со дна кожуха также выходит трубопровод 17, предназначенный для возврата в резервуар колонны низкого давления избыточного жидкого кислорода.

Ниже будет описана конструкция активной части обменника 2, то есть набора пластин 4, со ссылкой на фиг. 2 4.

В этой области обменник имеет форму параллелепипеда, а кожух 3 образован участками пластин 4 и гофрами-распорками, которые закрывают каналы, образуемые этими пластинами, за исключением мест входа и выхода текучих сред. Пластины 4 образуют множество каналов, предназначенных для поочередного протекания кислорода (каналы 18) и для протекания азота (каналы 19). На большей части своей высоты каналы 18 и 19 содержат, каждый, гофр-распорку 20, состоящую из волнистого перфорированного алюминиевого листа с вертикальными образующими.

Гофры 20 каналов для азота заканчиваются как вверху, так и внизу раньше гофров 20 кислородных каналов. В нижней части пластин 4 эти гофры каналов 19 продолжены к наклонным гофрам сбора азота (не показаны), которые упираются во вход собирающей камеры 11. На своем верхнем конце эти самые гофры 19 продолжены наклонными гофрами 21 распределения азота, которые выходят через боковое окошко 21А обменника, на выходе камеры питания 9. Над гофрами 21 каналы 19 для азота закрыты горизонтальными заслонками 22. Другие горизонтальные заслонки (не показаны) закрывают нижний конец каналов азота под зонами сбора азота. Над заслонками 22 каждый канал для азота продолжен отсеком 23 распределения кислорода в жидком виде, закрытым в верхнем конце обменника горизонтальной заслонкой 24. Отсек 23 содержит сверху вниз: наклонный гофр-распорку 25 (или, в виде варианта, перфорированный гофр с горизонтальными образующими) грубого распределения жидкого кислорода по всей длине отсека, причем этот гофр выходит сбоку, через боковое окошко 26 обменника, в ванну 5 (фиг. 2), перфорированную заслонку 27 для предварительного распределения жидкого кислорода и футеровку 28 для точного распределения жидкого кислорода. Свободное пространство 29 выполнено между этой футеровкой и верхней поверхностью заслонки 22.

Заслонка 27 изготовляется механической обработкой из заготовки в форме параллелепипеда, толщина которой равна интервалу между пластинами 4, или порядка от 5 до 15 мм, а длина ее равна длине этих пластин. На одной из ее больших поверхностей выполнен ряд задних углублений 30 (фиг. 2) U-образной формы, открытых кверху, а на ее другой поверхности выполнен ряд передних углублений 31, примерно полукругом, открытых книзу.

Каждое углубление 31 находится продольно напротив углубления 30 и перекрывает его по высоте, в результате чего примерно на середине толщины заслонки (фиг. 4) имеется тонкая вертикальная стенка 32, общая для обоих углублений. Эта стенка имеет круглое сквозное отверстие 33. Отверстия 33 распределены с равномерными интервалами вдоль заслонки 27.

Футеровка 28 образована гофром с горизонтальными образующими (расположено называемое "с твердым покрытием" по отношению к истечению жидкого кислорода) без перфорации, но рифленой. Это значит, что с одинаковыми интервалами каждая горизонтальная или псевдогоризонтальная грань гофра снабжена прорывом, смещенным кверху на четверть шага гофра. Ширина прорывов, замеренная вдоль образующей волны, относится к тому же порядку, что и расстояние, которое отделяет каждое из них от обоих смежных прорывов, расположенных на одной и той же грани.

Каналы 18 испарения кислорода открыты на их двух концах верхнем и нижнем. Они содержат гофр 20 от нижнего конца до уровня заслонок 22, не имеют никакого гофра напротив пространства 29, затем, от верхнего уровня этого пространства 29 до их верхнего конца, они содержат другой гофр-распорку 20А, аналогичный гофру 20, но с более значительным шагом. Область каждого канала 18, не имеющая гофра, свободно сообщается с пространством 29 смежного канала 19 через горизонтальную прорезь 34 такой же высоты, проходящей по всей длине обменника. Таким образом, одна пластина 4 из двух является непрерывной по всей протяженности обменника, в то время как одна пластина из двух фактически образована прямоугольной пластиной 4А, которая проходит кверху только до заслонки 22, и прямоугольной пластиной 48, которая ограничивает отсек 23 распределения жидкого кислорода. Верхняя поверхность 35 заслонки 22 наклонена вбок таким образом, чтобы опуститься со смежной пластины 4 до верхнего края пластины 4А, находящейся напротив. Благодаря отсоединению заслонки 22 эта поверхность вытянута слегка за пределы поверхности пластины 4А, которая ограничивает канал 18.

При работе ванна жидкого кислорода 5 сохраняется примерно на постоянном уровне, не превышая верхней поверхности вертикальной пластины 5А, припаянной под обменником над окошками 26. Таким образом, жидкий кислород проникает сбоку в отсеки 23, через один из своих концов через окошки 26. Одновременно газообразный азот под давлением 6 бар (абсолютных) проникает в верхнюю часть каналов 19 через один конец этих каналов, через камеру 9 и распределительные гофры 21.

Жидкий кислород образует, таким образом, колонну жидкости с практически равномерной высотой над всеми отверстиями 33. Он предварительно распределяется по всей длине каналов 18 в виде определенного числа струй 36 через эти отверстия 33, затем свободно падает на футеровку 28, которая с помощью своей конструкции и своего расположения обеспечивает точное распределение жидкого кислорода вдоль каналов 18. Следовательно, жидкий кислород падает равномерно на наклонную поверхность 35 заслонок 22, затем выливается через прорези 34 в каналах 18.

Таким образом, пленка жидкого кислорода стекает по всем металлическим поверхностям, имеющимся в каналах 18, то есть по пластинам 4 и 4А и по гофрам 20, и она частично выпаривается через косвенный теплообмен с азотом в ходе конденсации сверху вниз в чередующихся каналах 19.

Как указано выше, каналы 18 не только открыты кверху и книзу, но и не содержат, по всей их высоте, препятствий для истечения газообразного кислорода. В самом деле, в любой точке высоты эти каналы либо пусты (напротив прорези 34), либо снабжены простым гофром 20, 20А с вертикальными образующими и с относительно большим шагом. Гофр 20 улучшает теплообмен с азотом с помощью эффекта лопаток, в то время как гофр 20А служит только распоркой и даже, возможно, может быть частично устранен.

Из этого следует, что часть испарившегося кислорода может выйти из обменника через вверх и, следовательно, соединиться с испарениями в верхнем куполе 7, из ванны 5 (фиг. 1), при этом остальная часть испарившегося кислорода выходит из обменника через низ одновременно с избыточным жидким кислородом, затем удаляется через трубопровод 15. Обе траектории выхода испарившегося кислорода служат для протекания ограниченного расхода газа, и каждая траектория сообщает, кроме того, минимальную потерю напора истечению этого газа. И наконец, высота обменника может быть увеличена.

Необходимо отметить, что благодаря конструкции заслонок 27 отверстия 33 имеют горизонтальную ось и на задней поверхности заслонки под этими отверстиями существует тупиковая зона 37. Возможные твердые примеси, содержащиеся в жидком кислороде, могут, таким образом, оседать в этих тупиковых зонах, в результате чего отверстия 33 защищены от опасности закупоривания.

Таким же образом конфигурация кожуха 3 в области ванны жидкого кислорода 5 образует тупиковую зону 38, смежную со входными окошками 26 и расположенную под ними, что позволяет самым крупным твердым примесям отстаиваться в этих тупиковых зонах по выходе из подающего трубопровода 6, как указано в поз. 39 на фиг. 2.

Если в конкретном случае применения это отстаивание будет сочтено достаточным, чтобы избежать всякой опасности закупоривания отверстий 33, можно обратиться к варианту с фиг. 5. Он отличается от предыдущего только упрощенным строением заслонки 27, которая представляет собой простую штангу прямоугольного сечения, содержащую отверстия 33 с вертикальной осью, расположенные с равномерными интервалами. Эти отверстия могут иметь диаметр, увеличенный на большей части их высоты снизу, как пояснено в европейском патенте А-О 130 122, указанном выше.

Использование: в теплотехнике. Сущность изобретения: каналы 19 конденсации азота образованы с помощью заслонки 22, над которой размещен отсек 23 для распределения жидкого кислорода, закрытый в его верхнем конце. Этот отсек 23 содержит на середине высоты перфорированную горизонтальную заслонку 27 и под ней футеровку 28 с вырезами с горизонтальными образующими. Жидкий кислород вводят сбоку в эти отсеки, предварительно распределяя его через отверстия 33 заслонки 27 при помощи футеровки 28, и он проходит в смежные каналы 18 испарения кислорода, открытые сверху и снизу, через горизонтальную прорезь 34, расположенную как раз над заслонкой 22. Теплообменник применен в главных испарителях-конденсаторах установок дистилляции воздуха с двумя колоннами. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Теплообменник со струйным истечением жидкости для выпаривания жидкости путем теплообмена со второй текучей средой, содержащий корпус в форме параллелепипеда и выполненный в виде набора параллельных вертикальных пластин, образующих между собой множество плоских каналов, распределенных в виде сочетания испарительных и охлаждающих каналов, причем каждый канал содержит в своей проточной части теплообмена гофр-распорку с вертикальными образующими, при этом на верхнем конце теплообменника расположены устройства распределения жидкости по всей длине испарительных каналов и устройства подачи второй текучей среды в охлаждающие каналы, отличающийся тем, что устройства распределения жидкости расположены в закрытых сверху отсеках, каждый из которых размещен над охлаждающим каналом и отделен от него горизонтальной заслонкой, над которой выполнено по всей длине теплообменника горизонтальное окно, сообщающее нижнюю часть отсека со смежным испарительным каналом, выполненным открытым на верхнем и нижнем концах и содержащем не более одного дополнительного гофра-распорки с вертикальными образующими в любой точке его высоты. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что зона горизонтального окна выполнена свободной от дополнительного гофра-распорки
3. Теплообменник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что верхняя поверхность заслонки выполнена наклонной в направлении горизонтального окна. 4. Теплообменник по одному из пп. 1 3, отличающийся тем, что устройства распределения жидкости содержат горизонтальную заслонку, проходящую по всей длине каждого отсека на промежуточном уровне последнего, имеющую толщину, равную расстоянию между пластинами, и выполненную с отверстиями предварительного распределения жидкости, а также расположенную под заслонкой набивку для точного распределения жидкости по всей горизонтальной длине отсека. 5. Теплообменник по п. 4, отличающийся тем, что отверстия в заслонке расположены в горизонтальном ряду равноудаленно друг от друга. 6. Теплообменник по п. 4 или 5, отличающийся тем, что на одной вертикальной поверхности заслонки образован по меньшей мере один задний вырез, закрытый снизу и открытый сверху, а на другой вертикальной поверхности заслонки по меньшей мере один передний вырез, открытый снизу и закрытый сверху, причем сквозь вертикальную стенку, общую для передних и задних вырезов, выполнены отверстия. 7. Теплообменник по п. 6, отличающийся тем, что задние и передние вырезы на заслонке расположены с интервалом между собой. 8. Теплообменник по п. 7, отличающийся тем, что передние вырезы выполнены переменного сечения, увеличивающегося книзу. 9. Теплообменник по одному из пп. 4 8, отличающийся тем, что набивка выполнена в виде гофра с горизонтальными образующими, на боковых поверхностях которого выполнены прорези. 10. Теплообменник по одному из пп. 4 9, отличающийся тем, что набивка расположена с зазором по отношению к верхней поверхности заслонки. 11. Теплообменник по одному из пп. 1 10, отличающийся тем, что содержит камеру для боковой подачи жидкости в указанные отсеки, при этом нижняя точка этой камеры расположена ниже нижней точки входного отверстия этих отсеков. 12. Установка для разделения воздуха дистилляцией, содержащая первую дистилляционную колонну высокого давления, вторую дистилляционную колонну низкого давления, теплообменник для теплообмена жидкого кислорода из резервуара второй колонны с газообразным азотом из верхней части первой колонны, средства подачи жидкого кислорода к средствам разделения жидкости и средства подачи газообразного азота в охлаждающие каналы, отличающаяся тем, что теплообменник выполнен по любому из пп. 1 11.