Теплообменник Российский патент 2020 года по МПК F28G3/08 F28G3/10 

Данное изобретение относится к теплообменнику, предназначенному, в частности, для природного газа, используемого в качестве рабочей среды, для его осушения и очистки.

Уровень Техники

Теплообменники для нагревания или охлаждения рабочей среды известны из уровня техники. Без ограничения применимости следует отметить, что природный газ, используемый в качестве рабочей среды, будет рассмотрен далее более подробно. Природный газ из подземных резервуаров часто содержит высокий процент нежелательных примесей и, главным образом, большое количество воды. Перед использованием такого газа для других целей необходимо удалить примеси и воду. Согласно одному варианту для этого природный газ охлаждают в один или несколько этапов до достижения соответствующих низких температур. В частности, в этом случае целесообразно выполнить сжижение природного газа.

По мере охлаждения природного газа указанные примеси в теплообменниках достаточно часто образуют отложения на теплопередающих поверхностях, причем нарастание таких отложений с течением времени зависит от условий работы и состава природного газа. Таким образом, теплопередающие поверхности необходимо очищать с определенной периодичностью. Однако по указанным причинам сложно указать определенные периоды времени, подходящие для выполнения очистки соответствующих теплообменников.

Например, известные газосушители содержат наполнители, состоящие из пористых материалов, таких как силикагель. В другом способе для осушения рабочего газа используют триэтиленгликоль, причем данный процесс зачастую предполагает выполнение множества этапов для получения требуемой чистоты. При обработке влажного газа образуются гидраты и возникает коррозия. По этой причине в газотранспортных сетях есть ограничения по содержанию воды в газе.

Компрессорные станции и расположенные ниже по потоку компоненты, такие как трубопроводы, клапаны и т.д., в основном предназначены для работы с сухим рабочим газом, поэтому вода также должна быть удалена из рабочей среды наряду с примесями. Например, процесс осушения газа может включать этапы механической обработки (механическое отделение несвязанной воды) и этапы термодинамической обработки (отделение воды путем понижения давления), и, наконец, этап абсорбирования, например, с помощью гигроскопических веществ, таких, как вышеупомянутый триэтиленгликоль. Триэтиленгликоль может быть распылен в потоке газа для абсорбирования оставшейся воды.

Конденсирующиеся и замерзающие примеси, например, вода, СО² и углеводородные смеси осаждаются на теплопередающих поверхностях с уменьшением тем самым теплопередачи. Даже при рабочих температурах выше точки замерзания воды на теплопередающих поверхностях происходит образование гидрата метана.

В целом пористые наполнители в сушильных установках согласно известному уровню техники занимают достаточно большое пространство. Кроме того, наполнители обеспечивают возможность абсорбирования только жидкой части рабочего газа, в основном воды. При регенерации наполнителя, например, путем пропускания через него сухого ненасыщенного инертного газа и/или путем его нагревания и/или засыпки наполнителя большая часть рабочего газа выпускается неиспользуемой. При замене наполнителя в известных сушильных установках согласно известному уровню техники необходимо открыть контейнер, чтобы обеспечить возможность полностью заменить наполнитель, что представляет собой трудоемкий и затратный процесс, приводящий к прерыванию производственного цикла.

Вышеупомянутые процессы осушения и очистки газов, служащих в качестве рабочей среды, являются дорогостоящими. Таким образом, есть потребность уменьшить число этапов указанного процесса и устранить вышеупомянутые недостатки.

Краткое описание изобретения

Согласно данному изобретению предложен теплообменник, содержащий первую цилиндрическую трубу и ходовой винт, проходящий в указанной трубе соосно с ней, причем на внутренней поверхности первой цилиндрической трубы имеются направляющие канавки, а к ходовому винту прикреплен очищающий элемент, так что при вращении ходового винта очищающий элемент перемещается в осевом направлении вдоль направляющих канавок. Этот очищающий элемент предназначен для очищения отложений на теплопередающих поверхностях между внутренней поверхностью первой цилиндрической трубы и ходовым винтом. Этот очищающий элемент закреплен непосредственно на ходовом винте в виде выступа или прикреплен к такому выступу, который в свою очередь прикреплен непосредственно к ходовому винту. Как указано выше, рабочая среда, протекающая в зазоре между первой цилиндрической трубой и ходовым винтом для обеспечения теплопередачи, оставляет отложения на теплопередающих поверхностях, в частности, при охлаждении. Если природный газ является рабочей средой, эти отложения в частности состоят из примесей и воды. Указанные отложения могут быть удалены с очищающего элемента и/или перемещены или захвачены. Таким образом, для выполнения очищения приводят в действие ходовой винт, который обеспечивает перемещение очищающего элемента в осевом направлении внутри первой цилиндрической трубы для удаления с его помощью отложений с теплопередающих поверхностей. В частности, такие отложения возникают на ходовом винте, а также на проходящих в осевом направлении направляющих канавках теплообменника. Благодаря очищающему элементу обеспечивается очищение этих поверхностей. Очищающий элемент предпочтительно может быть выполнен из стали, в частности из улучшенной закалкой и отпуском стали и сплавов из цветных металлов, криогенных никелевых сплавов (таких как Инконель), а также из литейных материалов.

Во время нормальной работы теплообменника очищающий элемент находится в нерабочем положении, в котором его влияние на теплообмен между рабочей средой и хладагентом будет минимальным или вообще будет отсутствовать. Естественно, если предполагается нагревание рабочей среды, вместо хладагента также может использоваться теплоноситель. Например, очищение происходит в определенный опытным путем период или после достижения измеренного снаружи максимально допустимого перепада давления, которое позволяет сделать предположение об уменьшении свободного проходного сечения для рабочей среды в результате образования отложений.

Предложенный теплообменник с очищающим элементом обеспечивает возможность эффективного очищения теплопередающих поверхностей без необходимости открывания теплообменника вручную. Описываемый процесс очищения является легко осуществляемым. Для этого необходимо только привести во вращение ходовой винт для обеспечения перемещения очищающего элемента в осевом направлении, при этом не требуется выполнять дополнительные этапы. В особенности предпочтительно, если очищающий элемент выполнен с возможностью захвата или перемещения имеющихся отложений. Таким образом, обеспечивается возможность предотвращения повреждения очищающего элемента и, следовательно, его износа или старения.

Преимущества и конфигурации настоящего изобретения

Без ограничения применимости следует отметить, что хладагент, используемый для обеспечения теплообмена, протекает вокруг наружной поверхности первой цилиндрической трубы. Для обеспечения этой возможности теплообменник предпочтительно содержит вторую цилиндрическую трубу, распложенную соосно с первой цилиндрической трубой. В данном случае также целесообразно выполнение впускного и выпускного отверстий для хладагента для обеспечения возможности впуска хладагента в зазор между второй и первой цилиндрическими трубами или выпуска хладагента из указанного зазора. При этом целесообразным будет выполнение впускного и выпускного отверстий для рабочей среды для обеспечения возможности впуска рабочей среды в зазор между первой цилиндрической трубой и ходовым винтом или выпуска рабочей среды из указанного зазора.

Предпочтительно очищающий элемент выполнен в виде по существу полого цилиндрического очищающего элемента, причем на его внутренней поверхности имеется внутренняя резьба, соответствующая резьбе ходового винта, а на наружной поверхности очищающего элемента имеются наружные канавки, соответствующие направляющим канавкам на внутренней поверхности первой цилиндрической трубы. Таким образом, обеспечивается возможность легко прикрепить очищающий элемент (не имеющий отдельных выступов) к ходовому винту с обеспечением возможности удаления имеющихся отложений на внутренних поверхностях для передачи тепла в зазоре между внутренней поверхностью первой цилиндрической трубы и ходовым винтом.

Целесообразным будет наличие на в основном по существу цилиндрической периферии очищающего элемента выемок, проходящих параллельно осевому направлению. В частности, эти выемки выполнены на очищающем элементе на равном расстоянии друг от друга в окружном направлении. Выемки или отфрезерованные канавки образуют на очищающем элементе «зубцы» или «захваты», которые в частности помогают предотвратить забивание или блокирование очищающих элементов в процессе очистки. Отложения, отделенные от ходового винта, попадают в указанные выемки или отфрезерованные канавки и затем падают вниз (в направлении перемещения очищающего элемента) во время работы теплообменника, находящегося в вертикальном положении, по меньшей мере на этапе очищения. Такое решение обеспечивает возможность эффективно предотвращать забивание очищающих элементов накапливающимися отложениями.

Кроме того, предпочтительно внутренняя резьба очищающего элемента имеет диаметр, увеличивающийся в осевом направлении. Благодаря такой конфигурации резьбовые канавки очищаются не так резко, как в том случае, когда очищающий элемент опирается на резьбовые канавки по всей его протяженности в осевом направлении. Такое решение позволяет предотвратить заклинивание очищающего элемента. В вышеуказанном варианте выполнения, в котором на очищающем элементе имеются осевые выемки, образованные на нем отдельные «захваты» или «зубцы» являются более упругими и могут быть сильнее прижаты к наружной стенке или к резьбовым канавкам. Другое преимущество заключается в том, что полученное свободное пространство сопоставимо со стружкоотводящим каналом, используемым при механической обработке.

Предпочтительно на наружной поверхности первой цилиндрической трубы имеется спиралевидный элемент, проходящий по спирали в осевом направлении. Этот спиралевидный элемент является частью наружной поверхности первой цилиндрической трубы, при этом он наложен на указанную наружную поверхность или выполнен путем фрезерования. Таким образом, обеспечивается возможность протекания хладагента по спирали в осевом направлении в зазоре между витками. Указанная первая цилиндрическая труба со спиралевидным элементом также может быть названа охлаждающим змеевиком.

Предпочтительно накопитель для отложений/загрязняющих веществ, счищенных с помощью очищающего элемента, сообщается с зазором, образованным между ходовым винтом и внутренней поверхностью первой цилиндрической трубы/охлаждающим змеевиком, в частности без возможности теплового взаимодействия. В этом предпочтительном варианте выполнения очищающий элемент обеспечивает перемещение загрязняющих веществ в накопитель отложений, который расположен без возможности теплового взаимодействия в частности с указанными теплопередающими поверхностями, т.е. в зазор между ходовым винтом и внутренней поверхностью первой цилиндрической трубы. Благодаря такому термическому разделению обеспечивает возможность тепловой обработки примесей, которые скапливаются в накопителе отложений, или других отложений без влияния на дальнейшую работу теплообменника. Для этого предпочтительно в теплообменнике или на нем расположен нагревательный элемент, выполненный с возможностью нагревания примесей/ загрязняющих веществ, находящихся в накопителе отложений. При охлаждении рабочей среды происходит конденсация загрязняющих веществ, содержащихся в рабочей среде, таких как примеси и вода. С помощью очищающего элемента обеспечивается перемещение конденсированных загрязняющих веществ в накопитель отложений, который в этом случае также может быть назван резервуаром для конденсата. Накопленный конденсат затем может быть нагрет посредством указанного нагревательного элемента. Нагретый до растопленного состояния конденсат может быть выпущен через слив для конденсата путем открывания нижнего по потоку клапана. Таким образом, накопитель отложений в свою очередь в определенное время может быть освобожден от содержащихся в нем загрязняющих веществ.

Во время процесса очищения целесообразно иметь данные о положении очищающего элемента. В таком случае предпочтительно выполнение средства определения положения, расположенного с возможностью определения положения очищающего элемента в осевом направлении. При таком определении положения обеспечивается возможность вращения ходового винта в обратном направлении в определенном заданном положении или облегчает его так, что обеспечивается перемещение очищающего элемента в обратном направлении. Средство определения положения также может быть использовано для более легкого определения момента достижения определенного нерабочего положения.

Для приведения в действие ходового винта предпочтительно использовать приводной двигатель, причем между указанным приводным двигателем и зазором между ходовым винтом и внутренней поверхностью первой цилиндрической трубы, т.е. между приводным двигателем и теплопроводящими поверхностями теплообменника выполнен барьер для частиц. Такой барьер для частиц препятствует проникновению инородных веществ в пространство, в котором рабочая среда протекает к теплообменнику, и с другой стороны, служит для защиты приводного двигателя или его подшипника от частиц.

В общем, следует отметить, что в следующем предпочтительном конструктивном выполнении предложенного теплообменника отдельные признаки не обязательно должны быть использованы в описанной комбинации. Внутренний ходовой винт окружен первой цилиндрической трубой или охлаждающим змеевиком, который в свою очередь окружен второй цилиндрической трубой или наружной цилиндрической трубой. В зазоре между ходовым винтом и охлаждающим змеевиком образовано рабочее пространство для протекания рабочей среды, подаваемой в указанное пространство через впускное отверстие, и удаляемой после осуществления теплообмена из указанного пространства через выпускное отверстие. Целесообразным может быть изменение направления потока на обратное, для чего указанное впускное отверстие используют в качестве выпускного отверстия, а указанное выпускное отверстие используется в качестве впускного отверстия. Однако в таком случае предпочтительно обеспечить другое выпускное отверстие на стороне указанного впускного отверстия, а также другое впускное отверстие на стороне указанного выпускного отверстия для рабочей среды в теплообменнике. В этом случае будут доступны два отверстия для рабочей среды, расположенные напротив друг друга, соответственно, для обеспечения впуска и выпуска и обозначенные далее как «двустороннее» впускное отверстие или как «двустороннее» выпускное отверстие. В зазор между охлаждающим змеевиком и наружной цилиндрической трубой через впускное отверстие для хладагента подают хладагент, который протекает через указанный зазор к выпускному отверстию для хладагента для выхода из указанного зазора. Все, указанное выше для впускного и выпускного отверстий для рабочей среды, также справедливо для впускного и выпускного отверстий для хладагента, таким образом, предпочтительно обеспечить двусторонние впускное и выпускное отверстия для хладагента. Целесообразно обеспечить протекание хладагента в направлении, обратном направлению потоку рабочей среды. Также может быть целесообразным обеспечение протекания хладагента параллельно потоку рабочей среды.

На одной стороне теплообменника расположен приводной двигатель, выполненный с возможностью приведения во вращение ходового винта. Ходовой винт установлен на подшипнике. На указанном подшипнике расположено средство определения положения, которое выполнено с возможностью получения данных о положении очищающего элемента, выполненного с возможностью перемещения посредством ходового винта, на основании числа оборотов приводного двигателя при известном шаге резьбы ходового винта. В нерабочем положении очищающий элемент, который также может назван скребком, предпочтительно расположен на той же стороне, что и приводной двигатель, и отделен от него с помощью барьера для частиц. Например, такой барьер для частиц может быть изготовлен из политетрафторэтилена (ПТФЕ), который является настолько мягким материалом, что даже при низких температурах в нем могут накапливаться частицы. Радиальное расстояние до вала является по возможности небольшим, в лучшем случае оно составляет несколько десятых миллиметра, предпочтительно менее 0,4 мм, более предпочтительно менее 0,3 мм и еще более предпочтительно приблизительно 0,2 мм.

На другой стороне теплообменника у границы рабочего пространства, через которое протекает рабочая среда, расположен накопитель отложений или резервуар для конденсата, который в частности расположен без возможности теплового взаимодействия с указанным рабочим пространством. За ним расположен нагревательный элемент, находящийся в тепловом взаимодействии с указанным резервуаром для конденсата для обеспечения его нагревания. Резервуар для конденсата сообщается с окружающей средой теплообменника через слив для конденсата, предназначенный для обеспечения возможности слива содержимого указанного резервуара. Кроме того, у указанного конца теплообменника расположен вкладыш подшипника скольжения для ходового винта.

Далее более подробно описана работа теплообменника согласно предпочтительному варианту выполнения данного изобретения. В зависимости от направления потока влажная загрязненная рабочая среда проходит через соответствующее впускное отверстие в пространство между ходовым винтом и охлаждающим змеевиком и протекает в направлении расположенного напротив выпускного отверстия. Рабочая среда протекает в направляющих канавках на внутренней поверхности охлаждающего змеевика вдоль оси вращения ходового винта. С помощью хладагента обеспечивается отведение тепла от охлаждающего змеевика, причем указанный хладагент предпочтительно протекает в направлении, противоположном направлению потока рабочей среды в пространстве, образованном между охлаждающим змеевиком и наружной цилиндрической трубой. В результате такого охлаждения происходит снижение температуры рабочей среды, при этом примеси или загрязняющие вещества падают на теплопередающие поверхности при соответствующей температуре конденсации или застывания. Эти загрязняющие вещества снижают теплопроводность между рабочей средой и охлаждающим змеевиком.

Для очистки теплопередающих поверхностей посредством указанного приводного двигателя приводят во вращение ходовой винт. Корпус приводного двигателя в данном случае предпочтительно сообщается с зазором для протекания рабочей среды и, таким образом, подвержен воздействию, оказываемому рабочим давлением. Резьба ходового винта в данном случае предпочтительно является правосторонней резьбой с трапецеидальным профилем, при этом по существу также возможны и предпочтительны левосторонние резьбы и другие формы профилей, на что далее приведена ссылка. Очищающий элемент или скребок выполнен с возможностью взаимодействия, с одной стороны, с резьбой ходового винта, а, с другой стороны, с направляющими или профильными канавками охлаждающего змеевика, с обеспечением поступательного перемещения очищающего элемента.

При заданном шаге резьбы ходового винта число оборотов приводного двигателя, измеренное средством определения положения, может быть использовано для определения положения очищающего элемента. Очищающий элемент при этом выполнен с возможностью скольжения до резервуара для конденсата или накопителя отложений на границе рабочего пространства, которые расположены без возможности теплового взаимодействия. Таким образом, с помощью очищающего элемента обеспечивается проталкивание захваченных отложений в резервуар для конденсата. При достижении соответствующего положения направление вращения приводного двигателя меняется на противоположное и обеспечивается перемещение очищающего элемента в обратном направлении в его нерабочее положение рядом с барьером для частиц. Накопленный конденсат может быть нагрет с помощью нагревательного элемента и, в зависимости от его агрегатного состояния, растоплен или выпарен, а затем выведен путем открывания нижнего по потоку клапана, предпочтительно через двусторонний слив для конденсата.

В частности предпочтительно объединить несколько последовательно соединенных теплообменников в одну систему. Этот тип блочной конструкции обеспечивает возможность «замораживания» загрязняющих веществ, при этом каждый отдельный этап работы выполняют при еще более низкой температуре.

В качестве альтернативы указанному ходовому винту с трапецеидальным профилем может быть преимущественно использован ходовой винт с перекрестной резьбой. Такие ходовые винты, называемые также ходовыми винтами с перекрестной резьбой, известны в данной области техники. Ходовые винты с трапецеидальными профилями как правило выполнены с обеспечением возможности частичного направления перемещения под действием собственного вращения, которое, следовательно, также меняется на противоположное. Для обеспечения изменения направления вращения на противоположное необходимо наличие переключателя в средстве подачи электроэнергии для приводного двигателя или в коробке передач. Чтобы предотвратить выход элементов, выполненных с возможностью скольжения по ходовым винтам, таких как очищающий элемент, за пределы установленных конечных положений, их обычно снабжают упорами. Как вариант, положение скользящего элемента определяют с помощью средства определения положения.

Использование ходовых винтов с перекрестной резьбой позволяет устранить указанные недостатки. Перекрестная резьба выполнена так, что один ходовой винт имеет как левостороннюю, так и правостороннюю резьбу, предпочтительно с одинаковым шагом, при этом в их конечных положениях имеется точка поворота, в которой для по меньшей мере одного скользящего элемента, выполненного с возможностью скольжения в резьбовой канавке, обеспечивается изменение первого направления перемещения на второе направление перемещения. Таким образом, направление вращения вала ходового винта всегда остается неизменным. В результате использование ходового винта с перекрестной резьбой исключает необходимость использования указанного выше средства определения положения очищающего элемента. Верхнее конечное положение, т.е. нерабочее положение очищающего элемента должно быть определено каким-либо другим образом. Например, для этого можно измерить момент вращения с регистрацией определенных изменений момента в двух конечных положениях очищающего элемента. Кроме того или в качестве альтернативы, конечные положения или по меньшей мере верхняя граница нерабочего положения могут быть определены с помощью пусковых элементов, т.е. переключателей в конечных положениях.

Таким образом, в упрощенном варианте выполнения предложенный теплообменник содержит ходовой винт с перекрестной резьбой, содержащий по меньшей мере один скользящий элемент, выполненный с возможностью скольжения в указанных резьбах, и скребок или очищающий элемент, соединенный со скользящим элементом, например, с помощью болта.

Преимущества использования ходового винта с перекрестной резьбой заключаются в обеспечении возможности автоматического изменения направления перемещения на обратное без изменения направления вращения вала, при этом исчезает необходимость выключения и повторного запуска электрических компонентов, что в свою очередь позволяет экономить энергию. Кроме того, как было указано выше, для изменения направления вращения на обратное не требуется использование какого-либо электрического устройства или соответствующей программной части контроллера. В целом процесс очищения теплообменника сокращается благодаря отсутствию необходимости изменения направления на обратное указанным образом. Конечные положения очищающего элемента автоматически ограничены соответствующим краем перекрестной резьбы, благодаря чему предотвращена возможность выхода из нее. Описанное выше средство определения положения может быть полностью исключено из конструкции.

Данное изобретение также относится к использованию предложенного теплообменника для сжижения газа. В таком случае вторая цилиндрическая труба расположена соосно с первой цилиндрической трубой теплообменника, при этом обеспечена возможность протекания хладагента между первой и второй цилиндрическими трубами. Помимо этого, рабочая среда, содержащая газ, подлежащий сжижению, протекает между первой цилиндрической трубой и ходовым винтом. В приведенном выше примере природным газом, подлежащим сжижению, может быть, к примеру, азот. Охлаждающая среда протекает при более низкой температуре, чем рабочая среда, при этом регулирование давления и температуры охлаждающей среды наряду с давлением рабочей среды выполняют так, что сжижение подлежащего сжижению газа происходит в рабочей среде, протекающей через теплообменник, с помощью охлаждающей среды. В приведенном выше примере с природным газом, например, в качестве охлаждающей среды может быть использован сжиженный азот при давлении 10⁵ Па (1 бар) и температуре -196°С. В частности после соответствующего предварительного охлаждения посредством верхних по потоку теплообменников рабочая среда (природный газ) поступает, например, под давлением 1 МПа (10 бар). Азот, содержащийся в природном газе, может быть охлажден до температуры -170°С и ниже с помощью теплообменника с охлаждающей средой, так что его сжижение происходит при давлении 1 МПа (10 бар).

Указанный способ может быть также осуществлен для сжижения гелия, кислорода и/или водорода, т.е. одного или нескольких компонентов рабочей среды. Далее приведены конкретные примеры сжижения гелия, водорода и кислорода.

Сжижение различных газов, например, для выделения их из газовых смесей

Сжижение O₂:

Охлаждающей средой предпочтительно является жидкий азот при давлении 10⁵ Па - 1,5 МПа (1-15 бар).

Температурный диапазон охлаждающей среды составляет от -163°С при давлении 1,5 МПа (15 бар) до -196°С при давлении 10⁵ Па (1 бар).

Давление подлежащего сжижению О₂ составляет от 10⁵ Па до 5 МПа (от 1 бар до 50 бар).

Первая температура сжижения при давлении 10⁵ Па (1 бар) равна -183°С.

Вторая температура сжижения при давлении 5МПа (50 бар) равна -119°С.

Давление охлаждающей среды выбрано таким образом, чтобы температура охлаждающей среды всегда была ниже температуры рабочей среды.

Сжижение Н₂:

Охлаждающей средой предпочтительно является жидкий гелий при давлении 10⁵ Па - 2,2*10⁵ Па (1 - 2,2 бар).

Температурный диапазон охлаждающей среды составляет от -267°С при давлении 2,2*10⁵ Па (2,2 бар) до -268°С при давлении 10⁵ Па (1 бар).

Давление охлаждающей среды, соответственно, выбрано таким образом, чтобы температура охлаждающей среды всегда была ниже температуры рабочей среды.

Другой охлаждающей средой является жидкий водород при давлении 10⁵ Па -1,3 МПа (1-13 бар).

Температурный диапазон охлаждающей среды составляет от -240°С при давлении 1,3 МПа (13 бар) до -253°С при давлении 10⁵ МПа (1 бар). В том случае, когда та же самая среда, которая подлежит сжижению, используется в качестве охлаждающей среды, давление охлаждающей среды должно быть ниже давления рабочей среды, чтобы температура хладагента была более низкой вследствие более низкой точки равновесия.

Давление сжиженного Н₂ составляет 10⁵ Па -1,3 МПа (1 - 13 бар).

Первая температура сжижения при давлении 10⁵ Па (1 бар) равна -253°С.

Вторая температура сжижения при давлении 1,3 МПа (13 бар) равна -240°С.

Сжижение Не:

Охлаждающей средой предпочтительно является жидкий гелий при давлении 10⁵ Па-2,2*105 Па (1 -2,2 бар).

Температурный диапазон охлаждающей среды составляет от -267°С при давлении 2,2* 105 Па (2,2 бар) до -268°С при давлении 10⁵ Па (1 бар).

В том случае, когда та же самая среда, которая подлежит сжижению, используется в качестве охлаждающей среды, давление в охлаждающей среде должно быть ниже давления рабочей среды, чтобы температура хладагента была более низкой вследствие более низкой точки равновесия.

Давление сжиженного Не составляет 10⁵ Па - 2,2*10⁵ Па (1 - 2,2 бар).

Первая температура сжижения при давлении 105 Па (1 бар) равна -268°С.

Вторая температура сжижения при давлении 2,2*10⁵ Па (2,2 бар) равна -267°С.

Очевидно, что указанные выше и описанные далее признаки могут быть использованы не только в указанных, но и в других сочетаниях или по отдельности в пределах объема данного изобретения.

Данное изобретение схематично проиллюстрировано на чертежах в соответствии с примерным вариантом выполнения, описанным далее со ссылкой на чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 схематично изображает продольный разрез теплообменника согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения;

Фиг. 2 изображает охлаждающий змеевик, выполненный в виде первой цилиндрической трубы теплообменника, изображенного на Фиг. 1;

Фиг. 3 изображает очищающий элемент, используемый в теплообменнике, показанном на Фиг. 1, и

Фиг. 4 схематично изображает профиль ходового винта с перекрестной резьбой.

Подробное описание изобретения

Фиг. 1 схематично изображает продольный разрез теплообменника 13 согласно одному варианту выполнения, который может быть использован в частности для охлаждения природного газа. В этой простой конструкции теплообменник 13 содержит цилиндрическую трубу 1, окружающую охлаждающий змеевик 2. Этот охлаждающий змеевик 2 в свою очередь выполнен в виде цилиндрической трубы и имеет по меньшей мере один предпочтительно спиральный канал 23, расположенный на его наружной поверхности и предназначенный для обеспечения направления хладагента. Как показано на Фиг. 2, канал 23 образован соответствующим спиралевидным элементом 21 на наружной поверхности охлаждающего змеевика 2. На внутренней поверхности полого цилиндрического охлаждающего змеевика имеются направляющие или профильные канавки 22. С помощью указанной по меньшей мере одной направляющей канавки 22 обеспечивается направление очищающего элемента или скребка 12.

Внутри охлаждающего змеевика 2 соосно с ним расположен ходовой винт 3. Ходовой винт 3 выполнен с возможностью приведения в действие посредством приводного двигателя 4 и установлен на подшипнике, предпочтительно выполненном в виде радиально-осевого подшипника 5 смешанного типа. Другой конец ходового винта 3 установлен в точке опоры, предпочтительно выполненной в виде вкладыша 8 подшипника скольжения. Кроме того, на данном конце теплообменника 13 находится резервуар 7 для конденсата, расположенный без возможности теплового взаимодействия, и нагревательный элемент 9, предназначенный для нагревания конденсата в резервуаре 7.

На другом конце теплообменника 13 находится барьер 11 для частиц, отделяющий приводной двигатель 4 от рабочего пространства рабочей среды. Барьер 11 для частиц также служит для защиты приводного двигателя 4 и подшипника 5 от воздействия грубых частиц, однако он не действует в качестве газонепроницаемого уплотнения.

В проиллюстрированном на Фиг. 1 варианте выполнения несколько наружных цилиндрических трубок 1 соединены с помощью зажимного средства 10. Зажимное средство 10 выполнено так, что две соединительные гайки с внутренней резьбой навинчены на наружную цилиндрическую трубу 1, которая в свою очередь снабжена наружной резьбой. Соединительные гайки затянуты вместе с помощью винтов, при этом отдельные части прижаты друг к другу и уплотнены прокладкой. Несколько таких наружных цилиндрических труб также могут быть названы «наружной цилиндрической трубой».

Очищающий элемент или скребок 12 в его нерабочем положении находится рядом с барьером 11 для частиц. При запуске приводного двигателя 4 ходовой винт 3 приводится во вращение и обеспечивает перемещение скребка 12 по ходовому винту вдоль направляющих или профильных канавок 22 охлаждающего змеевика 2 в осевом направлении. В показанном примере используется ходовой винт 3 с трапецеидальным профилем. Изменение направления перемещения скребка 12 на обратное предполагает изменение направления вращения ходового винта 3 на обратное. Другой вариант конструктивного выполнения ходового винта 3 рассмотрен далее со ссылкой на Фиг. 4.

Например, влажная загрязненная рабочая среда направляется через впускное отверстие 1 для рабочей среды в зазор между ходовым винтом 3 и охлаждающим змеевиком 2 во время работы теплообменника 13 и затем протекает в осевом направлении к выпускному отверстию 15 для рабочей среды, расположенному на конце теплообменника 13. Здесь рабочая среда протекает в профильных канавках 22, расположенных на внутренней поверхности полого цилиндрического охлаждающего змеевика 2 (см. Фиг. 2) вдоль оси вращения ходового винта 3. Хладагент подается в пространство между охлаждающим змеевиком 2 и наружной цилиндрической трубой 1 через впускное отверстие 16 для хладагента, затем протекает к другому концу теплообменника 13 и выходит из него через выпускное отверстие 17 для хладагента. Здесь хладагент протекает по спирали в осевом направлении в канале 23, образованном между наружной цилиндрической трубой 1 и охлаждающим змеевиком 2. С помощью хладагент тепло отводится от охлаждающего змеевика 2, обеспечивая отведение тепла от рабочей среды.

В конкретном варианте применения природный газ, поступающий из подземной каверны при давлении от 4*10⁵ Па (4 бар) до максимального значения 22 МПа (220 бар), нагревают до температуры приблизительно 20°С. В первом теплообменнике рабочую среду охлаждают до предпочтительно 1°С. Во втором теплообменнике, последовательно соединенном с первым теплообменником, рабочую среду предпочтительно охлаждают до -40°С--60°С. На третьем этапе рабочую среду предпочтительно охлаждают до -80°С--150°С, и на заключительном этапе рабочую среду сжижают с помощью также последовательно присоединенного теплообменника. Здесь природный газ охлаждают до температуры -196°С, при которой природный газ становится переохлажденным. В данном случае на первом этапе осаждается основная часть воды, на следующем этапе преимущественно осаждаются высшие углеводороды, CO₂ и другие примеси. Скребки 12, расположенные в соответствующих секциях теплообменников 13, обеспечивают возможность убирать сконденсированные компоненты с соответствующих теплопередающих поверхностей.

В данном примере конструкции охлаждение первых двух секций обеспечивается с помощью холодильников, а других двух секций - с помощью жидкого азота, криогенного сжиженного природного газа (СПГ) или криогенного газообразного азота. При этом максимальное рабочее давление теплообменника составляет 30 МПа (300 бар), а значения допустимых рабочих температур составляют от 100°С до -200°С.

Вследствие различных соотношений давления между охлаждающей средой, например, азотом при максимальном давлении 1 МПа (10 бар), и рабочей средой, а именно СПГ с примесями, в частности с азотом при давлении 4 - 220 бар, азот при высоком давлении (например, при давлении 1 МПа (10 бар)) может быть сжижен и осажден с помощью жидкого азота при низком давлении (например, при давлении 10⁵ Па (1 бар)), вследствие различных фазовых переходов, зависящих от давления. Предложенный в данном документе теплообменник 13 также может быть использован для сжижения азота.

Для очищения теплопередающих поверхностей, например, для удаления воды или льда в первой секции или высших углеводородов, CO₂ и других примесей во второй и дополнительной секциях ходовой винт 3 одной секции приводят во вращение посредством приводного двигателя 4. В результате обеспечивается поступательное перемещение скребка 12, и он входит во взаимодействие с резьбой ходового винта 3, с одной стороны, и с профильными канавками 22 охлаждающего змеевика 2, с другой стороны. На своем пути по направлению к резервуару 7 для конденсата скребок 12 захватывает указанные сконденсированные примеси. При достижении указанными веществами резервуара 7 для конденсата обеспечивается их проталкивание в указанный резервуар. Благодаря заданному шагу резьбы ходового винта 3 с помощью средства 6 определения положения обеспечивается возможность определить положение скребка 12 по числу измеренных оборотов приводного двигателя 4. При достижении положения резервуара 7 для конденсата направление вращения приводного двигателя изменяется на обратное, при этом обеспечивается перемещение скребка 12 обратно к своему нерабочему положению. При вертикальном расположении теплообменника целесообразно, если нерабочее положение представляет собой верхнее конечное положение, а положение резервуара 7 для конденсата представляет собой нижнее конечное положение скребка 12.

С помощью нагревательного элемента 9 накопленный конденсат нагревают до растопленного состояния. При этом обеспечивается возможность выпуска примесей через слив 18 для конденсата путем открывания нижнего по потоку клапана.

К примеру, очищение теплообменных поверхностей теплообменника 13 выполняют после определения опытным путем длительности периода очищения или после достижения измеренного снаружи максимально допустимого перепада давления, которое позволяет сделать предположение об уменьшении свободного проходного сечения в рабочем пространстве в результате образования отложений из примесей. Благодаря такой очистке обеспечивается наиболее высокое и постоянное значение теплопередачи. По сравнению с системами предшествующего уровня техники данный теплообменник 13 имеет меньшую по размеру конструкцию.

Благодаря разделенной на части конструкции теплообменника 13 обеспечивается возможность создания модульной конструкции, следовательно, обеспечивается возможность регулирования теплопроводности теплообменника путем увеличения или уменьшения количества теплопередающих поверхностей.

При использовании указанного средства 6 определения положения обеспечивается возможность постоянного отслеживания фактического положения скребка 12. Любое его заедание может быть своевременно выявлено путем отслеживания его скольжения.

Следует отметить, что описанный в данном документе теплообменник 13 может быть предназначен и использован не только для сжижения природного газа, но также может иметь множество промышленных применений с использованием соответствующей рабочей среды. Скребок 12, который легко может быть заменен, может быть выполнен с учетом требований в соответствующих областях применения и быстро заменен в случае повреждения.

Фиг. 3 иллюстрирует скребок 12 или очищающей элемент 12, который может быть использован в теплообменнике 13. На чертеже показаны наружные канавки 122 скребка 12, которые соответствуют направляющим канавкам 22 охлаждающего змеевика 2. Внутренняя резьба 121 скребка 12 соответствует резьбе ходового винта 3. Скребок 12 имеет выемки или отфрезерованные канавки 123, в результате выполнения которых на скребке 12 образованы «зубцы» или «захваты», предотвращающими накапливание отложений в резьбе и блокирование скребка 12. Более конкретно, отложения могут проходить в зазор через выемки или отфрезерованные канавки 123 и затем при вертикальном положении теплообменника падать вниз в направлении резервуара 7 для конденсата. Кроме того, внутренний диаметр скребка 12, увеличивающийся в направлении перемещения для очищения, способствует более легкому введению скребка 12 во взаимодействие с загрязненным ходовым винтом в начале процесса очищения.

Наконец, Фиг. 4 изображает другую конфигурацию ходового винта 3', который имеет перекрестную резьбу. Вал с перекрестной резьбой обозначен номером 31. Расположенный в нем скользящий элемент обозначен номером 32. Согласно данной конфигурации скребок 12 соединен со скользящим элементом 32 и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении при вращении ходового винта 3'.

Как указано выше, преимущество в этом случае заключается в том, что скользящий элемент 32, выполненный с возможностью скольжения в резьбовую канавку, также выполнен с возможностью изменения направления перемещения с первого направления перемещения на второе, противоположное направление перемещение, при этом ходовой винт 3' приводится во вращение в единственном направлении вращения без изменения направления вращения вала 31.

Благодаря пересечению левосторонней и правосторонней резьб обеспечивается в целом дельтовидная форма вала 32.

Кроме того, как изложено выше, благодаря ходовому винту 3' указанный процесс становится энергоэкономичным, поскольку отсутствует необходимость замедления и повторного запуска двигателя. Также отсутствует необходимость определения положения скребка 12, что позволяет отказаться от использования средства 6 определения положения. Процесс очищения теплообменника 13 также сокращается благодаря исключению необходимости изменения направления вращения ходового винта на обратное.

Перечень ссылочных позиций

1 Наружная цилиндрическая труба, вторая цилиндрическая труба

2 Охлаждающий змеевик, первая цилиндрическая труба

3, 3' Ходовой винт

4 Приводной двигатель

5 Радиально-осевой подшипник

6 Средство определения положения

7 Резервуар для конденсата, накопитель отложений

8 Вкладыш подшипника скольжения

9 Нагревательный элемент

10 Зажимное средство

11 Барьер для частиц

12 Скребок, очищающий элемент

13 Теплообменник

14 Впускное отверстие для рабочей среды

15 Выпускное отверстие для рабочей среды

16 Впускное отверстие для хладагента

17 Выпускное отверстие для хладагента

18 Слив конденсата

21 Спиралевидный элемент

22 Направляющая канавка, профильная канавка

23 Канал

121 Внутренняя резьба очищающего элемента

122 Наружная канавка

123 Выемка, отфрезерованная канавка

31 Вал ходового винта 3'

32 Скользящий элемент

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для очистки теплообменных труб. В теплообменнике, содержащем первую цилиндрическую трубу (2) и ходовой винт (3), проходящий внутри указанной трубы (2) соосно с ней, на внутренней поверхности первой цилиндрической трубы (2) имеются направляющие канавки (22), а к ходовому винту (3) прикреплен очищающий элемент (12), так что при вращении ходового винта (3) обеспечивается перемещение очищающего элемента (12) в осевом направлении вдоль направляющих канавок (22). 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплообменник, содержащий

первую цилиндрическую трубу (2) и ходовой винт (3), проходящий в указанной трубе (2) соосно с ней,

причем на внутренней поверхности первой цилиндрической трубы (2) имеются направляющие канавки (22), а к ходовому винту (3) прикреплен очищающий элемент (12), так что при вращении ходового винта (3) обеспечивается перемещение очищающего элемента (12) в осевом направлении вдоль направляющих канавок (22).

2. Теплообменник по п. 1, в котором соосно с первой цилиндрической трубой (2) расположена вторая цилиндрическая труба (1).

3. Теплообменник по п. 1 или 2, в котором на наружной поверхности первой цилиндрической трубы (2) имеется спиралевидный элемент (21), проходящий по спирали в осевом направлении.

4. Теплообменник по одному из пп. 1-3, в котором очищающий элемент (12) выполнен в виде по существу полого цилиндрического очищающего элемента (12), причем на внутренней поверхности очищающего элемента (12) имеется внутренняя резьба (121), соответствующая резьбе ходового винта (3), а на наружной поверхности очищающего элемента (12) имеются наружные канавки (122), соответствующие направляющим канавкам (22) внутренней поверхности первой цилиндрической трубы (2).

5. Теплообменник по п. 4, в котором на в основном по существу цилиндрической периферии очищающего элемента (12) имеются выемки (123), которые проходят параллельно указанному осевому направлению.

6. Теплообменник по п. 5, в котором выемки (123) выполнены на очищающем элементе (12) на равном расстоянии друг от друга в окружном направлении.

7. Теплообменник по одному из пп. 4-6, в котором диаметр внутренней резьбы (121) очищающего элемента (12) увеличивается в осевом направлении.

8. Теплообменник по одному из пп. 1-7, который имеет впускное и выпускное отверстия (16, 17) для хладагента, предназначенные для впуска хладагента в зазор между второй цилиндрической трубой (1) и первой цилиндрической трубой (2) и выпуска хладагента из указанного зазора.

9. Теплообменник по одному из пп. 1-8, который имеет впускное и выпускное отверстия (14, 15) для рабочей среды, предназначенные для впуска рабочей среды в зазор между первой цилиндрической трубой (2) и ходовым винтом (3) и выпуска рабочей среды из указанного зазора.

10. Теплообменник по одному из пп. 1-9, в котором с зазором между ходовым винтом (3) и внутренней поверхностью первой цилиндрической трубы (2) соединен накопитель (7) для отложений и загрязняющих веществ, счищенных с помощью очищающего элемента (12), в частности с предотвращением теплового взаимодействия.

11. Теплообменник по п. 10, который содержит нагревательный элемент (9), расположенный с возможностью нагревания загрязняющих веществ в накопителе (7) для отложений.

12. Теплообменник по одному из пп. 1-11, содержащий средство (6) определения положения, расположенное с возможностью определения положения очищающего элемента (12) в осевом направлении.

13. Теплообменник по одному из пп. 1-12, содержащий приводной двигатель (4), предназначенный для приведения в движение ходового винта (3), причем между приводным двигателем (4) и зазором между ходовым винтом (3) и внутренней поверхностью первой цилиндрической трубы (2) имеется барьер (11) для частиц.

14. Теплообменник по одному из пп. 1-13, в котором ходовой винт (3) имеет резьбу с трапецеидальным профилем.

15. Теплообменник по одному из пп. 1-13, в котором ходовой винт (3') имеет перекрестную резьбу.

16. Теплообменник по п. 15, в котором с очищающим элементом (12) соединен скользящий элемент (32), установленный с возможностью скольжения в резьбовой канавке перекрестной резьбы ходового винта (3').

17. Система теплообменников, содержащая несколько последовательно соединенных теплообменников по одному из пп. 1-16.

18. Применение теплообменника по одному из пп. 1-16 для сжижения газа, в котором вторая цилиндрическая труба (1) расположена соосно с первой цилиндрической трубой (2), причем обеспечена возможность протекания хладагента между первой и второй цилиндрическими трубами,

при этом обеспечена возможность протекания рабочей среды, содержащей газ, подлежащий сжижению, между первой цилиндрической трубой (2) и ходовым винтом (3),

причем указанная охлаждающая среда протекает при более низкой температуре, чем указанная рабочая среда, и давление и температуру указанной охлаждающей среды наряду с давлением указанной рабочей среды регулируют так, что сжижение подлежащего сжижению газа происходит в рабочей среде путем теплообмена с охлаждающей средой.

19. Применение по п. 18, в котором та же самая среда, а именно газ, подлежащий сжижению, используется в качестве охлаждающей среды, причем давление, установленное для охлаждающей среды, ниже давления рабочей среды.

20. Применение по п. 18 или 19 для сжижения азота, гелия, кислорода и/или водорода, которые представляют собой один или более компонентов рабочей среды.