УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ТЕПЛООБМЕННИКЕ С ВНУТРИКОРПУСНЫМИ ТЕПЛООБМЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 2017 года по МПК F28F9/22 

Ссылка на родственные заявки

Данной заявкой утверждается преимущество приоритета согласно параграфу 119 (е) 35 U.S.C. предварительной заявки на патент США № 61/578133, зарегистрированной 20 декабря 2011 года, полное описание которой в данном документе приведено с включением признаков путем ссылки и относится к «Способу и устройству для снижения воздействия перемещаемой жидкости в теплообменнике с внутрикорпусными теплообменными элементами», зарегистрированного 18 декабря 2012 года.

Область изобретения

Изобретение относится к отражательной перегородке (далее к гасителю колебаний) для гашения колебаний в корпусном теплообменнике с сердцевиной из теплообменных элементов (далее в корпусном теплообменнике с внутрикорпусными теплообменными элементами).

Уровень изобретения

Природный газ в его естественной форме должен быть концентрирован до того, как его можно транспортировать экономично. Использование природного газа в последнее время значительно увеличилось благодаря свойствам безвредности для окружающей среды, малотоксичности при сгорании. При горении природного газа производится меньше углекислого газа, чем при любом другом ископаемом топливе, что является важным, так как выделения углекислого газа считают существенным фактором в создании парникового эффекта. Является вероятным возрастающее использование сжиженного природного газа (LNG) в густозаселенных городских районах при повышенной озабоченности проблемами охраны окружающей среды.

Богатые запасы природного газа расположены по всему миру. Многие из этих запасов газа расположены на некотором расстоянии от побережья в местах, которые являются недоступными для освоения с берега и которые считаются запасами газа с затрудненным освоением на основе применения современной технологии. Существующие технические запасы газа пополняются быстрее, чем запасы нефти, делая использование сжиженного природного газа (LNG) более важным в дальнейшем для удовлетворения потребностей энергопотребления. Природный газ (LNG) в сжиженном виде занимает в 600 раз меньше места, чем природный газ в его газообразной фазе. Так как многие регионы мира невозможно связать трубопроводами из-за технических, экономических или политических ограничений, то размещение предприятия по переработке сжиженного природного газа (LNG) на расстоянии от берега и использование морских судов для прямой транспортировки сжиженного природного газа (LNG) на берег с предприятия по переработке на транспортное судно могут уменьшать первоначальное капиталовложение и иначе снижать затраты на экономически невыгодное добывание запасов газа на шельфе.

Плавучие установки по сжижению газа создают морскую альтернативу береговым заводам по сжижению газа и альтернативу дорогостоящему подводному трубопроводу для шельфовых запасов с затрудненным освоением. Плавучая установка по сжижению может быть пришвартована недалеко от берега или вблизи или на месторождении газа. Также предоставляется возможность иметь подвижное средство, которое может быть перебазировано на новую рабочую площадку, когда месторождение газа приближается к концу своего продуктивного периода или когда это требуется по экономическим, экологическим или политическим условиям.

Одной проблемой, с которой сталкиваются на плавучих основаниях для сжижения газа, является перемещение (далее движение) испаряемой технической среды внутри теплообменников. Движение жидкости в теплообменнике может привести к генерированию сил, которые могут воздействовать на состояние устойчивого равновесия и управление теплообменника. Если испаряющейся жидкости позволить плескаться свободно внутри корпуса теплообменника, перемещающаяся жидкость может оказывать обратное воздействие на тепловую функцию сердцевины теплообменника. Кроме того, циклическая природа перемещения может привести к циклической динамике в эффективности теплопередачи и, следовательно, может воздействовать на технологический режим в установке для сжижения газа (LNG). Такая подверженность резким колебаниям может приводить к более слабым показателям всей установки и может вести к ограничению области эксплуатационных режимов и граничных значений имеющейся производственной мощности.

Следовательно, существует потребность в дефлекторе для гашения колебаний жидкости для уменьшения снижения ударного воздействия перемещений текучей среды внутри корпусного теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами.

Сущность изобретения

В варианте осуществления изобретения теплообменник содержит: (a) внутренний объем, ограниченный пределами корпуса теплообменника; (b) множество разнесенных теплообменных элементов, расположенных во внутреннем объеме корпуса теплообменника, и (c) гасители колебаний текучей среды, расположенные во внутреннем объеме для обособления множества разнесенных теплообменных элементов, где каждый теплообменный элемент является частично погруженным в жидкую текучую среду во внетрубной тепловой зоне теплообменника, в которой гасители колебаний текучей среды позволяют ограниченное распространение жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом, гасители колебаний текучей среды могут выдерживать криогенные температуры, где гасители колебаний текучей среды могут противостоять и отклонять поток жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом.

В другом варианте осуществления изобретения - способ для снижения воздействия перемещения жидкости в теплообменнике, в котором теплообменник содержит внутренний объем, ограниченный пределами корпуса теплообменника, в котором внутренний объем в пределах корпуса теплообменника содержит множество разнесенных теплообменных элементов, упомянутый способ включает в себя: (a) установку гасителей колебаний жидкости (далее текучей среды) в пределах внутреннего объема в корпусе теплообменника, при котором гасители колебаний текучей среды обособляют множество теплообменных элементов во внутреннем объеме; (b) частичное погружение каждого теплообменного элемента в жидкую текучую среду во внетрубной тепловой зоне теплообменника, при котором гасители колебаний текучей среды позволяют ограниченное распространение жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом; (c) подачу текучей среды для внутренней зоны теплообменного элемента в каждый теплообменный элемент; (d) охлаждение текучей среды для внутренней зоны теплообменного элемента, создавая, таким образом, охлажденный поток в каждом теплообменном элементе; и (c) отведение охлажденного потока из каждого теплообменного элемента.

Краткое описание чертежей

Изобретение, наряду с его другими преимуществами, лучше всего может быть уяснено со ссылкой на нижеследующее описание, рассматриваемое вместе с приложенными чертежами, на которых:

фиг. 1 - схематическое изображение корпусного теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами;

фиг. 2 - схематическое изображение корпусного теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами по одному из вариантов изобретения;

фиг. 3 - схематическое изображение теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами по одному из вариантов изобретения;

фиг. 4 - схематическое изображение теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами по одному из вариантов изобретения;

фиг. 5 - схематическое изображение теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами по одному из вариантов изобретения;

фиг. 6 - схематическое изображение теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами по одному из вариантов изобретения.

Подробное описание изобретения

Ниже приведено описание с подробной ссылкой на варианты осуществления настоящего изобретения, один или более из примеров которого отображены на приложенных чертежах. Каждый пример представлен с пояснением, а не в качестве ограничения. Это является очевидным для специалистов в данной области техники, различные модификации и изменения которых могут быть исполнены в настоящем изобретении без выхода за пределы объема или сущности изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные в качестве части одного варианта осуществления изобретения, могут быть использованы в другом варианте осуществления изобретения для использования еще в последующем варианте осуществления изобретения. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение распространяется на такие модификации и изменения, которые находятся в пределах объема изобретения и подпадают под признаки приложенной формулы изобретения и их эквивалентов.

Теплообменник 10, со ссылкой на фиг. 1, отображен, в целом, содержащим корпус 12 и множество разнесенных теплообменных элементов, то есть первый теплообменный элемент 16, второй теплообменный элемент 18 и третий теплообменный элемент 20. Множество разнесенных теплообменных элементов внутри теплообменника содержит, по меньшей мере, два теплообменных элемента. Корпус 12 является, по существу, цилиндрическим с внутренним объемом 14 и ограничен верхней боковой стенкой 22, нижней боковой стенкой 24 и парой торцевых крышек 26. В целях иллюстрации теплообменник расположен горизонтально; однако теплообменник может быть расположен в любом, с технической стороны, рабочем положении, так, например, вертикально.

Первый теплообменный элемент 16, второй теплообменный элемент 18 и третий теплообменный элемент 20 расположены в пределах внутреннего объема 14 корпуса теплообменника и являются частично погруженными в жидкую текучую среду во внетрубной тепловой зоне теплообменника. В варианте осуществления изобретения жидкая текучая среда во внетрубной тепловой зоне теплообменника является испаряющейся текучей средой, то есть охлаждающим средством. Жидкая текучая среда во внетрубной тепловой зоне корпуса теплообменника и текучая среда внутри теплообменного элемента текут с противоточным течением или поперечным течением в каждом теплообменном элементе.

Каждый из множества разнесенных элементов теплообменника получает по отдельности текучую среду для теплообменного элемента, позволяющую одновременную косвенную теплопередачу между жидкой текучей средой во внетрубной тепловой зоне корпуса теплообменника и отдельной текучей средой внутри теплообменного элемента.

Принцип конструкции, положенный в основу теплообменника с сердцевиной из теплообменных элементов в корпусе теплообменника, заключается в противоточном течении текучей среды внутри теплообменного элемента относительно жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне корпуса теплообменника. Жидкая текучая среда во внетрубной тепловой зоне корпуса теплообменника остается в корпусе высокого давления, где спаянные теплообменные элементы из алюминия установлены и погружены в жидкую текучую среду во внетрубной тепловой зоне теплообменника, которая разогрета до точки кипения или около точки кипения. Жидкость засасывается в нижнюю часть теплообменника, где она входит в контакт с более горячими поверхностями в пределах сердцевины теплообменника. Жидкая текучая среда во внетрубной тепловой зоне корпуса теплообменника затем передает тепло текучей среде внутри теплообменного элемента через каналы теплообменного элемента теплообменника. Основная часть теплопередачи осуществляется от скрытой теплоты при испарении жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне. Текучая среда внутри теплообменного элемента охлаждается или конденсируется при прохождении по противоположной стороне каналов в теплообменных элементах.

Термогидравлическая характеристика теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами зависит от уровня жидкости в теплообменнике. Движущая сила для циркуляции жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника в теплообменные элементы создается в результате термосифонного действия (как результат циркуляционной системы теплообмена). Термосифонное действие заключается в явлении пассивного теплообмена текучей среды в результате естественных сил теплоотдачи (конвективной теплопередачи). При нагревании текучей среды происходит испарение текучей среды, и плотность текучей среды снижается, и текучая среда становится легче. По мере того как она свободно течет вверх в каналах, новая жидкость поступает внутрь. Это приводит к естественной циркуляции жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника в каналы теплообменного элемента, вызванные градиентом температуры в теплообменном элементе. Не вся жидкость в канале испаряется, и смесь жидкости и паров перемещается через каналы теплообменного элемента и удаляется через верхнюю часть теплообменного элемента. Достаточное пространство над теплообменным элементом должно быть предусмотрено для пара и жидкости для их разделения с тем, чтобы только пар выходил из верхней секции внетрубной тепловой зоны теплообменника. Жидкость, которая отделяется в верхней секции теплообменника, затем рециркулируется в нижнюю часть корпуса, где затем она испаряется в теплообменном элементе. Движущей силой для разделения жидкости и газа в верхней секции корпусного теплообменника с внутрикорпусными элементами является сила тяжести.

Действие термосифонной циркуляции в теплообменном элементе усиливается или ослабляется внешним гидравлическим давлением между фактическим уровнем жидкости в теплообменном элементе относительно уровня жидкости снаружи теплообменного элемента. Как только уровень жидкости в корпусе теплообменника падает, движущая сила для передачи жидкости в теплообменном элементе теплообменника уменьшается и эффективная теплопередача снижается. Когда уровень жидкости падает ниже теплообменного элемента, тогда циркуляция жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника прекращается из-за потери термосифонного действия, что приводит к потере теплопередачи. Если управление теплообменником выполняется при уровне жидкости выше, чем заполненный теплообменный элемент, теплопередача далее ухудшается, так как пар, произведенный в теплообменном элементе, должен преодолеть дополнительный напор для выхода из теплообменного элемента. Более жесткие условия обеспечивают уровень жидкости ниже теплообменных элементов теплообменника, так как это уменьшает теплопередачу почти до ноля.

Как упомянуто выше, прекращение парообразования текучей среды внутри теплообменников может влиять на состояние устойчивого равновесия и управление теплообменника. Кроме того, циклический характер движения приводит к циклическому режиму в выполнении теплопередачи и, следовательно, технологического процесса в установке по сжижению природного газа (LNG). Такое нарушение непрерывности может приводить к более плохим показателям работы установки в целом и вести к ограничению диапазона рабочих режимов.

Гасители колебаний текучей среды по данному изобретению уменьшают воздействие перемещения текучей среды на работу теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами. Гасители колебаний текучей среды расположены в пределах внутреннего объема корпуса теплообменника для обособления множественных разнесенных теплообменных элементов. Каждый гаситель колебаний позволяет ограниченное распространение жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом. Гасители колебаний текучей среды могут выдерживать криогенные температуры. Гасители колебаний текучей среды могут противостоять и отклонять поток жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом.

Гаситель 28 колебаний текучей среды, со ссылкой на фиг. 2, является сплошной пластиной, обеспечивающей уменьшение колебаний жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне внутри теплообменника 10. Гаситель 28 колебаний в виде сплошной пластины содержит отверстие в нижней части гасителя, позволяющее ограниченное распространение жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между теплообменными элементами. Высота гасителя 28, в виде сплошной пластины, для подавления колебаний текучей среды зависит от предполагаемого уровня перемещения. В варианте осуществления изобретения высота гасителя колебаний текучей среды, в виде сплошной пластины, находится в верхней части или вблизи верхней части узла теплообменного элемента. Размещение и определение размеров является существенным вследствие дополнительного перемещения в нижней части теплообменного элемента и получаемого в результате потенциального воздействия по термосифонному типу. Важным, относительно размеров отверстия, является обеспечение термосифонного эффекта, который не должен нарушаться.

Гаситель 30 колебаний, со ссылкой на фиг. 3, является перфорированной пластиной, расположенной в средней части теплообменного элемента для демпфирования перемещения жидкости. В варианте осуществления изобретения гаситель колебаний в виде перфорированный пластины является одинарной пластиной. В другом варианте осуществления изобретения перфорированная пластина для гашения колебаний текучей среды является двойной пластиной с конгруэнтными отверстиями. При использовании двойных пластин испаряющаяся жидкость должна изменять направление, а затем замедлять движение для прохождения сквозь вторую пластину. Гаситель 28 колебаний жидкости в виде сплошной пластины также отображен между каждым теплообменным элементом. В данном варианте осуществления происходит более равномерное распределение жидкости и оказывается меньшее влияние на движение ниже теплообменного элемента и минимальное влияние на термосифонную систему.

Гасители 32, 34, 36, 38, 40 и 42 колебаний текучей среды расположены в крайней части каждого устройства теплообменного элемента. Гасители колебаний текучей среды могут быть сплошными пластинами, перфорированными пластинами или их комбинациями. В варианте осуществления изобретения зона между каждым узлом теплообменного элемента остается открытой. По другому варианту осуществления изобретения зона между каждым узлом теплообменного элемента заполнена насадочным материалом для демпфирования движения потока.

Гасители колебаний текучей среды, со ссылкой на фиг. 5, установлены между теплообменными элементами горизонтально для обеспечения уменьшения инерции движения вверх. Гасители колебаний текучей среды могут быть сплошной пластиной, перфорированными пластинами или их комбинациями.

Для уменьшения волнового движения, со ссылкой на фиг. 6, над верхней частью теплообменного элемента, в результате чего является возможным получение потенциально избыточного увлечения жидкости вследствие подъема жидкости вверх в пространство для отделения пара, установлены угловые или закругленные гасители колебаний текучей среды в верхней части или около верхней части узлов теплообменных элементов для изменения направления текучей среды от верхней части узлов теплообменных элементов.

Любой отдельный гаситель или комбинация из описанных гасителей колебаний текучей среды в виде отражательных пластин могут использоваться для эффективного и действенного уменьшения воздействия перемещения текучей среды на теплообменник.

В дополнение к установке гасителей колебаний текучей среды в виде отражательных пластин определенные типы насадочного материала, подходящего для использования в условиях низких температур, таких как нержавеющая сталь, структурированный или неструктурированный насадочный материал, также могут быть дополнительно использованы в свободных поровых объемах в корпусе для подавления перемещаемой текучей среды. Маловероятно, что только один структурированный или неструктурированный насадочный материал обеспечит достаточное падение давления для уменьшения кинетической энергии перемещающейся текучей среды, но может использоваться совместно с отражательными пластинами для обеспечения демпфирования перемещения текучей среды.

Совсем незначительные волновые движения могут оказать решающее влияние на показатели работы теплообменника с внутрикорпусными теплообменными элементами обычно из-за большой длины этих теплообменных элементов. Ограниченный диапазон рабочих режимов приводит к чувствительности к перемещению. При тщательном выборе мест установки перегородок для подавления перемещений текучей среды могут быть исполнены компактные конструкции корпусных теплообменников с внутрикорпусными теплообменными элементами для работы в условиях перемещений и можно избежать альтернативных кожухотрубчатых теплообменников, экономя, таким образом, значительные средства на эксплуатационных расходах.

В заключение следует отметить, что всестороннее рассмотрение любой ссылки не является признанием того, что она имеет отношение к известному уровню техники относительно настоящего изобретения, в частности любой ссылки, которая имеет дату публикации после даты приоритета данной заявки. Одновременно каждый и все из пунктов формулы изобретения включены в настоящем подробном или детальном описании как дополнительные варианты осуществления изобретения настоящего изобретения.

Хотя системы и способы описаны в данном документе подробно, следует понимать, что различные изменения, замены и изменения могут быть сделаны без отступления от сущности и выхода из объема изобретения, как определено нижеследующими пунктами формулы изобретения. Специалисты в данной области техники могут быть в состоянии рассмотреть предпочтительные варианты осуществления изобретения и идентифицировать другие способы осуществления изобретения, которые не являются точно такими, как описано в данном документе. Целью авторов изобретения является то, что варианты и эквиваленты по изобретению находятся в пределах объема формулы изобретения, в то время как описание, реферат и чертежи не должны использоваться для ограничения объема изобретения. Изобретение определенным образом предназначено для охватывания широкого круга возможных вариантов, как приложенная ниже формула изобретения, и их эквивалентов.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано на плавучих установках транспортировки сжиженного газа. Предложены устройства и способы для подавления колебаний текучей среды в корпусном теплообменнике с внутрикорпусными теплообменными элементами. Представляется один из вариантов осуществления изобретения теплообменника, содержащего: (a) внутренний объем, ограниченный пределами корпуса теплообменника; (b) множество разнесенных теплообменных элементов, расположенных в пределах внутреннего объема корпуса теплообменника, и (c) гасители колебаний текучей среды, расположенные в пределах внутреннего объема для обособления множества разнесенных теплообменных элементов, в котором каждый теплообменный элемент является частично погруженным в жидкую текучую среду во внетрубной тепловой зоне теплообменника, в котором гасители колебаний текучей среды позволяют ограниченное распространение жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом, в котором гасители колебаний текучей среды могут выдерживать криогенные температуры, в котором гасители колебаний текучей среды могут противостоять и отклонять поток жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменник, содержащий:

a) внутренний объем, ограниченный пределами корпуса;

b) множество разнесенных теплообменных элементов, расположенных в пределах внутреннего объема корпуса, и

гасители колебаний, расположенные в пределах внутреннего объема для отделения множества разнесенных теплообменных элементов, при этом каждый теплообменный элемент частично погружен в жидкую текучую среду во внетрубной тепловой зоне теплообменника, при этом гасители колебаний текучей среды позволяют ограниченное распространение жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом, при этом гасители колебаний текучей среды могут выдерживать криогенные температуры и гасители колебаний текучей среды могут противостоять и отклонять поток жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом.

2. Теплообменник по п. 1, в котором гасители колебаний текучей среды установлены между каждым теплообменным элементом.

3. Теплообменник по п. 1, в котором гасители колебаний текучей среды установлены в средней части теплообменного элемента.

4. Теплообменник по п. 1, в котором гасители колебаний текучей среды установлены между каждым теплообменным элементом в средней части теплообменного элемента.

5. Теплообменник по п. 1, в котором гаситель колебаний текучей среды, в котором сплошная пластина содержит проходное отверстие вблизи нижней части внутреннего объема в пределах корпуса теплообменника.

6. Теплообменник по п. 1, в котором гаситель колебаний текучей среды является перфорированной пластиной.

7. Теплообменник по п. 1, в котором гаситель колебаний текучей среды является двойной перфорированной пластиной.

8. Теплообменник по п. 1, в котором гасители колебаний текучей среды расположены на краю каждого теплообменного элемента.

9. Теплообменник по п. 8, в котором зона между гасителями подавления колебаний текучей среды заполнена насадочным материалом.

10. Теплообменник по п. 1, в котором зона между гасителями подавления колебаний текучей среды заполнена насадочным материалом.

11. Теплообменник по п. 1, в котором жидкая текучая среда во внетрубной тепловой зоне корпуса теплообменника является испаряющейся текучей средой.

12. Теплообменник по п. 11, в котором жидкая текучая среда во внетрубной тепловой зоне корпуса теплообменника является охлаждающим средством.

13. Способ уменьшения воздействия от перемещения текучей среды в теплообменнике по любому из пп. 1-12, в котором теплообменник содержит внутренний объем, ограниченный пределами корпуса, при этом внутренний объем в пределах корпуса содержит множество разнесенных теплообменных элементов, причем упомянутый способ содержит этапы:

а) установки гасителей колебаний текучей среды в пределах внутреннего объема в корпусе теплообменника, при этом гасители колебаний текучей среды отделяют множество теплообменных элементов во внутреннем объеме;

b) частичного погружения каждого теплообменного элемента в жидкую текучую среду во внетрубной тепловой зоне теплообменника, в которой гасители колебаний текучей среды позволяют ограниченное распространение жидкой текучей среды во внетрубной тепловой зоне теплообменника между каждым теплообменным элементом;

c) подачи текучей среды для внутренней зоны теплообменного элемента в каждый теплообменный элемент;

d) охлаждения текучей среды во внутренней зоне теплообменного элемента, производя, таким образом, охлажденный поток в каждом теплообменном элементе; и

e) отведения охлажденного потока из каждого теплообменного элемента.

14. Способ по п. 13, в котором гасители колебаний текучей среды могут выдерживать криогенные температуры.