ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С МНОЖЕСТВОМ ВХОДОВ И СПОСОБ СОГЛАСОВАНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕННИКА Российский патент 2017 года по МПК F28D7/02 F28F27/02 

Изобретение относится к теплообменнику, в частности, для сжижения природного газа или, например, для применения в установках для промывки синтетического газа или нефтехимических установках, а также к способу согласования нагревательной поверхности теплообменника в различных случаях эксплуатации.

Такой теплообменник может на стороне труб направлять один или несколько потоков. Эти потоки на стороне труб вводятся в теплообменник через входы теплообменника и распределяются в одну или несколько труб. Таким образом, входы однозначно согласованы с одним потоком.

Если теплообменник должен использоваться для сильно различных нагрузок на стороне процесса, то это означает, что теплообменник должен быть выполнен для двух или более случаев эксплуатации. В большинстве случаев эксплуатации подходящие нагревательные поверхности для потоков для следующего случая слишком малы или слишком велики. Таким образом, необходимо согласовывать отдельные нагревательные поверхности потока для одного случая и для других потоков для других случаев. Это приводит к значительному увеличению теплообменной поверхности и тем самым также к значительно более высокой стоимости теплообменника.

Исходя из этого, в основу данного изобретения положена задача улучшения теплообменника указанного в начале вида так, что возможно сравнительно экономичное согласование в различных случаях эксплуатации. Кроме того, в основу изобретения положена задача создания соответствующего способа.

Эта задача решена, с одной стороны, с помощью змеевикового теплообменника с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно пункту 1 формулы изобретения змеевиковый теплообменник имеет множество входов, которые соединены каждый по меньшей мере с одной согласованной трубой теплообменника, так что по меньшей мере один поток первой среды, а также один поток другой среды можно направлять по меньшей мере через один согласованный вход в соответствующую согласованную по меньшей мере одну трубу, при этом теплообменник имеет кожух, который окружает пространство кожуха, в котором расположены указанные трубы, так что, в частности, проходящий в пространстве кожуха поток среды вступает в косвенный теплообмен с проходящим в соответствующей трубе потоком среды, и при этом указанные трубы навиты вокруг центральной трубы теплообменника.

В соответствии с изобретением предусмотрено, что теплообменник для согласования нагревательной поверхности в различных случаях эксплуатации имеет по меньшей мере одно переключательное средство, которое предназначено для переключения по меньшей мере одного из входов между первым рабочим состоянием и вторым рабочим состоянием, так что в первом рабочем состоянии поток, соответственно, частичный поток первой среды, и во втором рабочем состоянии поток, соответственно, частичный поток второй среды, можно направлять по меньшей мере через один вход по меньшей мере в одну согласованную трубу теплообменника, с обеспечением в первом рабочем состоянии для потока первой среды больше нагревательной поверхности (а именно, нагревательную поверхность по меньшей мере одной согласованной трубы) и для потока второй среды, соответственно, меньше нагревательной поверхности, и с обеспечением во втором рабочем состоянии потоку второй среды большей нагревательной поверхности, а потоку первой среды, соответственно, меньшей нагревательной поверхности.

Таким образом, изобретение предпочтительно обеспечивает возможность переключения входов (соответственно, соответствующих патрубков) и тем самым согласованных труб и нагревательных поверхностей для различных потоков на стороне труб. Так, например, можно с помощью переключения обеспечить теплообменную поверхность (называемую также нагревательной поверхностью) или часть теплообменной поверхности одной среды для другой среды. Таким образом, за счет переключения изменяется теплообменная поверхность, соответственно, нагревательная поверхность, за счет того, что отдельным средам выделяется различное количество труб.

Так, например, в одном варианте выполнения предусмотрено, что для потока первой среды в первом случае эксплуатации имеется в распоряжении три входа, а для другого потока второй среды - лишь один вход. Однако для второго случая эксплуатации нагревательная поверхность для потока второй среды должна быть больше, а для потока первой среды может быть меньше. В соответствии с этим, затем, например, один из трех входов для потока первой среды переключается для потока второй среды, и соединенная с ним нагревательная поверхность обеспечивается другому потоку второй среды. Таким образом, можно с помощью значительно меньшей нагревательной поверхности соответствовать различным нагрузкам потоков для различных случаев.

Изобретение можно применять, естественно, для любого количества входов, соответственно, потоков. В частности, может быть предусмотрена возможность переключения также нескольких входов указанным выше образом, соответственно, может быть предусмотрено несколько переключательных средств. Кроме того, можно также переключать туда и обратно один или несколько входов с помощью соответствующего числа переключательных средств между более чем двумя рабочими состояниями, соответственно, потоками. Так, например, по меньшей мере одно переключательное средство может быть предназначено для переключения туда и обратно по меньшей мере одного из входов между по меньшей мере одним первым рабочим состоянием и одним вторым рабочим состоянием, так что в первом рабочем состоянии обеспечивается возможность направления потока, соответственно, частичного потока первой среды, и во втором рабочем состоянии потока, соответственно, частичного потока второй среды, по меньшей мере через один вход по меньшей мере в одну согласованную трубу, так что во втором рабочем состоянии одна труба, несколько труб или все трубы потока первой среды могут быть согласованы с потоком второй среды, так что для него обеспечивается, соответственно, больше нагревательной поверхности, а для потока второй среды, соответственно, меньше нагревательной поверхности.

В другом варианте выполнения изобретения предусмотрено, что переключательное средство для переключения по меньшей мере одного входа имеет первый клапан для запирания соединенного с этим входом первого трубопровода, а также второй клапан для запирания соединенного с этим входом второго трубопровода, при этом теплообменник предназначен для подачи потока первой среды через первый трубопровод и потока второй среды через второй трубопровод в этот вход. Если, например, второй клапан закрыт, а первый клапан открыт, то лишь поток первой среды через указанный вход подается в согласованные трубы теплообменника. В случае когда первый клапан закрыт, а второй клапан открыт, лишь поток второй среды подается через указанный вход в согласованные трубы теплообменника.

Согласованный с соответствующим переключаемым входом выход, который соединен с входом через одну или несколько труб теплообменника, имеет также другое переключательное средство, так что выход можно переключать в соответствии с согласованным входом. Для этого другое переключательное средство может также иметь два клапана, так что отводимый с выхода поток можно подавать в согласованный выходной трубопровод.

Возможны также другие устройства, с помощью которых один из нескольких потоков можно подавать на вход, соответственно, согласованный с входом выход.

Предпочтительно, указанные входы и/или соответствующие согласованные выходы выполнены в виде патрубков. Такие патрубки предпочтительно выступают из находящегося под давлением кожуха теплообменника, однако могут быть выполнены также с расположением внутри, соответственно, в пространстве кожуха. Кроме того, кожух окружает пространство кожуха теплообменника, в котором расположены указанные трубы теплообменника, так что, в частности, направляемая в пространство кожуха среда может вступать в косвенный теплообмен с проходящей в соответствующей трубе средой.

Предпочтительно, соответствующий вход теплообменника соединен с несколькими согласованными трубами, при этом эти трубы закреплены в согласованном с соответствующим входом, соответственно патрубком, трубном дне.

Особенно предпочтительно, теплообменник согласно изобретению, как указывалось выше, выполнен в идее змеевикового теплообменника, в котором указанные трубы навиты каждая, в частности, по спирали вокруг центральной трубы теплообменника, которая расположена в пространстве кожуха и проходит, в частности, вдоль продольной оси кожуха, соответственно, теплообменника, которая, при расположении теплообменника в соответствии с предназначением, совпадает с вертикалью. Однако теоретически теплообменник может быть также установлен в лежачем положении. Возможно также применение изобретения для других теплообменников, таких как теплообменники с прямыми трубами, пластинчатые теплообменники или другие теплообменники.

Теплообменник согласно изобретению предпочтительно применяется для сжижения природного газа, при этом, в частности, переключательное средство предназначено для переключения входов, соответственно, патрубков, с потока природного газа на поток охлаждающего средства, или наоборот. Теплообменник согласно изобретению, естественно, не ограничивается применением для сжижения природного газа, а может использоваться, например, также в установках для промывки синтетического газа или нефтехимических установках.

Кроме того, положенная в основу изобретения задача решена с помощью способа с признаками пункта 10 формулы изобретения.

В соответствии с этим предусмотрено, что теплообменник имеет множество входов, которые соединены каждый по меньшей мере с одной согласованной трубой теплообменника, при этом каждая из согласованных с соответствующим входом труб задает нагревательную поверхность, при этом по меньшей мере один из входов переключают из первого рабочего состояния во второе рабочее состояние, так что в первом рабочем состоянии поток, соответственно, частичный поток первой среды, и во втором рабочем состоянии поток, соответственно, частичный поток второй среды, вводится по меньшей мере через один вход по меньшей мере в одну согласованную трубу, с обеспечением во втором рабочем состоянии потоку второй среды большей нагревательной поверхности, а потоку первой среды, соответственно, меньшей нагревательной поверхности.

Предпочтительно, в способе согласно изобретению применяется теплообменник согласно изобретению.

Кроме того, предпочтительно предусмотрено, что во втором рабочем состоянии одна труба, несколько труб или все трубы потока первой среды согласованы с потоком второй среды, так что ему обеспечивается, соответственно, больше нагревательной поверхности, а потоку первой среды, соответственно, меньше нагревательной поверхности (см. также выше).

Другие подробности и преимущества изобретения поясняются ниже на основании примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

фиг. 1 - разрез теплообменника согласно изобретению вдоль проходящей поперек вертикали, соответственно, продольной оси теплообменника плоскости разреза; и

фиг. 2 - частичный разрез переключаемого входа и согласованного переключаемого выхода, а также соединяющей вход с выходом, имеющей форму спирали трубы теплообменника, согласно фиг. 1.

На фиг. 1 и на фиг. 2 показан теплообменник 1 согласно изобретению в виде змеевикового теплообменника 1. Теплообменник 1 имеет прочный на давление кожух 10, продольная ось Z которого проходит вдоль вертикали Z. В качестве альтернативного решения, продольная ось Z при лежачем расположении теплообменника 1 может проходить также вдоль горизонтали. Кожух 10 задает пространство 11 кожуха, в котором расположена центральная труба 12, которая проходит вдоль продольной оси Z, при этом несколько труб 20 в несколько слоев навиты по спирали вокруг центральной трубы 12. На фиг. 2 для простоты изображена лишь одна такая труба 20. Несколько соответствующих труб 20 закреплены в согласованном трубном дне 40 и могут через согласованный вход 30-36 в виде патрубка снабжаться на стороне труб потоком S, S', S''. На фиг. 2 для ясности изображен лишь один такой патрубок 30. Трубы 20 проходят, исходя из соответствующего предусмотренного на нижнем конце кожуха 10 теплообменника 1 входа, соответственно патрубка 30-36, указанным выше образом к согласованному выходу 50 в виде патрубка, из которых на фиг. 2 в качестве примера изображен один выход. Здесь предпочтительно также отдельные трубы 20 объединены в одном трубном дне 60. Указанные входы 30-36 могут быть также расположены в верхней зоне теплообменника 1, а согласованные выходы 50 - на нижнем конце; в этом случае поток на стороне труб проходит сверху вниз, а поток на стороне кожуха снизу вверх.

Кроме того, в пространстве 11 кожуха на стороне кожуха проходит поток S''', который через вход 71 подается в пространство 11 кожуха и выпускается из пространства 72 кожуха через выход 72. При этом отдельные потоки S, S', S'' на стороне труб вступают друг с другом, а также с потоком S''' на стороне кожуха в косвенный теплообмен.

Как показано на фиг. 1, теплообменник 1 имеет три патрубка 30, 32, 36, которые соединены с трубопроводами 81, 82, 83 и 84, при этом через трубопроводы 81, 83, 84 подводится поток S первой среды в каждую из множества соединенных с патрубками 30, 32, 36 труб 20 теплообменника 1. Кроме того, теплообменник 1 имеет два патрубка 35, 33, которые соединены с трубопроводами 87, 88, через которые подается поток S' второй среды в каждую из соединенных с патрубками 33, 35 труб 20, а также дополнительно два патрубка 31, 34, которые соединены с трубопроводами 85, 86, через которые поток S'' третьей среды подается в каждую из множества соединенных с патрубками 31, 34 труб 20 теплообменника 1.

Для обеспечения возможности согласования отдельных, задаваемых трубами 20 нагревательных поверхностей теплообменника 1 с различными случаями эксплуатации, по меньшей мере один из входов, соответственно патрубков 30, выполнен согласно изобретению переключаемым, т.е. в данном случае через указанный патрубок 30 в первом рабочем состоянии можно подавать либо поток S первой среды, либо во втором рабочем состоянии поток S' второй среды в патрубок 30. Таким образом, находящаяся в распоряжении нагревательная поверхность может быть разделена для имеющихся на стороне труб потоков S, S'. Таким образом, при сжижении природного газа можно в зависимости от случая эксплуатации, например, для подлежащего сжижению потока S природного газа или тяжелому смешанному потоку S' охлаждающего средства обеспечивать больше нагревательной поверхности (и соответствующему другому потоку, соответственно, меньше нагревательной поверхности).

Переключение патрубка 30 может быть реализовано, например, тем, что пропускающий поток S первой среды и соединенный с патрубком 30 первый трубопровод 81 имеет первый клапан 101, и тем, что пропускающий поток S' второй среды и соединенный с патрубком 30 второй трубопровод 82 имеет второй клапан 102. В соответствии с положением клапанов 101, 102 можно подавать в патрубок 30 один или другой поток S, S'.

Для согласованного с патрубком 30 выхода 50 предусмотрено другое переключательное средство 200 (см. фиг. 2), так что соответствующий выходящий из согласованного выхода 50 поток S, S' может подаваться в согласованный выходной трубопровод 91, 92. Другое переключательное средство 200 может иметь для правильного распределения потоков S, S' в выходные трубопроводы 91, 92 первый клапан 201 в первом выходном трубопроводе 91 и второй клапан 202 во втором выходном трубопроводе 92.

Поясненный выше принцип данного изобретения можно применять, естественно, для всех имеющихся на стороне труб потоков, соответственно, входов и соответствующих согласованных выходов.

Таким образом, с помощью изобретения можно обслуживать самые различные случаи нагрузки для различных фракций труб без увеличения нагревательной поверхности. За счет этого уменьшается стоимость теплообменника и значительно повышается гибкость его применения.

Перечень позиций

1 Змеевиковый теплообменник

10 Кожух

11 Пространство кожуха

12 Центральная труба

20 Труба

30-36 Входы, соответственно патрубки

40,60 Трубное дно

50 Выход, соответственно патрубок

71 Вход пространства кожуха

72 Выход пространства кожуха

80-88 Трубопроводы

100 Переключательное средство

101,102, 201, 202 Клапаны

200 Другое переключательное средство

S Поток первой среды

S' Поток второй среды

S'' Поток третьей среды

S''' Поток на стороне кожуха

Z Продольная ось, вертикаль

Изобретение относится к теплообменнику (1), содержащему множество входов (30-36), которые соединены каждый по меньшей мере с одной согласованной трубой (20) теплообменника (1), так что по меньшей мере один поток (S) первой среды, а также один поток (S') второй среды можно направлять по меньшей мере через один согласованный вход (30, 32, 36, 33, 35) в соответствующую согласованную по меньшей мере одну трубу (20), при этом теплообменник (1) имеет кожух (10), который окружает пространство (11) кожуха, в котором расположены указанные трубы (20), так что, в частности, проходящий в пространстве (11) кожуха поток (S''') среды вступает в косвенный теплообмен с проходящим в соответствующей трубе (20) потоком (S, S') среды, и при этом указанные трубы (20) навиты вокруг центральной трубы (12) теплообменника (1). В соответствии с изобретением предусмотрено, что каждая из согласованных с соответствующим входом (30-36) труб (20) задает нагревательную поверхность, при этом теплообменник (1) имеет по меньшей мере одно переключательное средство (100), которое предназначено для переключения туда и обратно по меньшей мере одного из входов (30) по меньшей мере между одним первым рабочим состоянием и одним вторым рабочим состоянием, так что обеспечивается возможность направления в первом рабочем состоянии потока (S) первой среды и во втором рабочем состоянии потока (S') второй среды по меньшей мере через один вход (30) по меньшей мере в одну согласованную трубу (20), с обеспечением в первом рабочем состоянии для потока (S) первой среды большей нагревательной поверхности, а для потока второй среды, соответственно, меньшей нагревательной поверхности, и с обеспечением во втором рабочем состоянии потоку (S') второй среды большей нагревательной поверхности, а потоку (S) первой среды, соответственно, меньшей нагревательной поверхности. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Змеевиковый теплообменник, содержащий:

множество входов (30-36), каждый из которых соединен по меньшей мере с одной согласованной трубой (20) теплообменника (1), так что по меньшей мере один поток (S) первой среды, а также один поток (S') второй среды можно направлять по меньшей мере через один согласованный вход (30, 32, 36, 33, 35) в соответствующую согласованную по меньшей мере одну трубу (20), при этом теплообменник (1) имеет кожух (10), окружающий пространство (11) кожуха, в котором расположены указанные трубы (20), так что, в частности, проходящий в пространстве (11) кожуха поток (S''') среды вступает в косвенный теплообмен с проходящим в соответствующей трубе (20) потоком (S, S') среды, и при этом указанные трубы (20) навиты вокруг центральной трубы (12) теплообменника (1), отличающийся тем, что каждая из согласованных с соответствующим входом (30-36) труб (20) задает нагревательную поверхность, при этом теплообменник (1) имеет по меньшей мере одно переключательное средство (100), которое предназначено для переключения туда и обратно по меньшей мере одного из входов (30) по меньшей мере между одним первым рабочим состоянием и одним вторым рабочим состоянием, так что обеспечивается возможность направления в первом рабочем состоянии потока (S) первой среды и во втором рабочем состоянии потока (S') второй среды по меньшей мере через один вход (30) по меньшей мере в одну согласованную трубу (20), с обеспечением в первом рабочем состоянии для потока (S) первой среды большей нагревательной поверхности, а для потока (S') второй среды, соответственно, меньшей нагревательной поверхности, и с обеспечением во втором рабочем состоянии потоку (S') второй среды большей нагревательной поверхности, а потоку (S) первой среды, соответственно, меньшей нагревательной поверхности.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что переключательное средство (100) для переключения по меньшей мере одного входа (30) имеет первый клапан (101) для запирания соединенного с этим входом (30) первого трубопровода (81), а

также второй клапан (102) для запирания соединенного с этим входом (30) второго трубопровода (82), при этом теплообменник (1) выполнен таким образом, чтобы поток (S) первой среды подавать через первый трубопровод (81), а поток (S') второй среды - через второй трубопровод (82) в этот вход (30).

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере с одним входом (30) согласован выход (50), через который обеспечивается возможность отвода потока (S) первой рабочей среды или потока (S') второй рабочей среды по меньшей мере из одной согласованной с входом (30) трубы (20), при этом предусмотрено другое переключательное средство (200), которое предназначено для переключения туда и обратно выхода (50) между по меньшей мере одним первым рабочим состоянием и одним вторым рабочим состоянием, так что обеспечивается возможность подачи в первом рабочем состоянии потока (S) первой среды в соединенный с выходом (50) первый выходной трубопровод (91), а во втором рабочем состоянии обеспечивается возможность подачи потока (S') второй рабочей среды в соединенный с выходом (50) второй выходной трубопровод (92), при этом, в частности, другое переключательное средство (200) имеет предусмотренный в первом выходном трубопроводе (91) первый клапан (201) для запирания первого выходного трубопровода (91) и предусмотренный во втором выходном трубопроводе (92) второй клапан (202) для запирания второго выходного трубопровода (92).

4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что входы (30-36) теплообменника (1) выполнены в виде патрубков теплообменника (1), при этом в частности входы (30-36) расположены на верхнем или на нижнем конце теплообменника (1).

5. Теплообменник по п. 3, отличающийся тем, что выход (50) теплообменника (1) выполнен в виде патрубка теплообменника (1), при этом, в частности, этот выход (50) расположен на противоположном согласованному входу (30) конце теплообменника (1).

6. Теплообменник по п. 4 или 5, отличающийся тем, что патрубки (30-36, 50) выполнены выступающими из кожуха (10) или находящимися внутри него.

7. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что с входами (30-36) или по меньшей мере с одним входом (30) соединено несколько труб (20), причем эти трубы (20) закреплены, в частности, в согласованном с соответствующим входом (30-36) трубном дне (40).

8. Теплообменник по п. 3 или 7, отличающийся тем, что согласованный по меньшей мере с одним входом (30) выход (50) соединен с несколькими трубами (20), причем эти трубы закреплены, в частности, в согласованном с выходом (50) трубном дне (60).

9. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что во втором рабочем состоянии одна труба, несколько труб или все трубы потока (S) первой среды согласованы с потоком (S') второй среды, так что для него обеспечивается, соответственно, больше нагревательной поверхности, а для потока (S) первой среды, соответственно, меньше нагревательной поверхности.

10. Способ согласования нагревательной поверхности змеевикового теплообменника (1) в различных случаях эксплуатации, в частности с применением теплообменника (1) по любому из пп. 1-9, при этом теплообменник (1) имеет множество входов (30-36), каждый из которых соединен по меньшей мере с одной согласованной трубой (20) теплообменника (1), при этом каждая из согласованных с соответствующим входом (30-36) труб (20) задает нагревательную поверхность, при этом по меньшей мере один из входов (30) переключают из первого рабочего состояния во второе рабочее состояние, так что в первом рабочем состоянии поток (S) первой среды и во втором рабочем состоянии поток (S') второй среды вводится по меньшей мере через один вход (30) по меньшей мере в одну согласованную трубу (20), с обеспечением во втором рабочем состоянии потоку (S') второй среды большей нагревательной поверхности, а потоку (S) первой среды, соответственно, меньшей нагревательной поверхности.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что во втором рабочем состоянии одна труба, несколько труб или все трубы потока (S) первой среды согласованы с потоком (S') второй среды, так что для него обеспечивается, соответственно, больше нагревательной поверхности, и для потока (S) первой среды, соответственно, меньше нагревательной поверхности.