ТЕПЛООБМЕННИК С УЛУЧШЕННОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ПРОХОДОВ, СВЯЗАННЫЕ С НИМ СПОСОБЫ ОБМЕНА ТЕПЛОМ Российский патент 2021 года по МПК F28D9/00 

Настоящее изобретение относится к теплообменнику, содержащему ряд проходов, позволяющих потоку по меньшей мере одного хладагента обмениваться теплом с теплотворной текучей средой, причем обменник содержит по меньшей мере один проход, выполненный с возможностью обеспечения потока указанного хладагента и по меньшей мере одного другого хладагента.

Применяемая в настоящее время технология в отношении обменника относится к технологии для алюминиевых паяных пластинчато-ребристых обменников, которая позволяет получить очень компактные устройства, обладающие большой поверхностью теплообмена.

Эти обменники содержат набор пластин, которые проходят в двух измерениях, а именно в длину и ширину, таким образом формируя пучки из проходов для испарения и из проходов для конденсации, предназначенных, например, соответственно, для испарения хладагента и для конденсации теплотворного газа. Следует отметить, что обмены тепла между текучими средами могут происходить с изменением или без изменения фазы.

Для впуска в обменник текучих сред и их выпуска из него, проходы обеспечены впускными и выпускными отверстиями для текучих сред. Впуски и выпуски, расположенные один над другим в направлении укладки проходов обменника соединены, соответственно, на впускных и выпускных коллекторах, имеющих в целом полутрубчатую форму, через которые текучие среды распределяются и выпускаются.

Несколько теплотворных и охлаждающих текучих сред с разными свойствами и/или с разными признаками могут циркулировать в обменнике. Эти текучие среды образуют разные струи или потоки, которые впускаются и выпускаются из обменника через множество впусков и выпусков, предназначенных для одного типа текучей среды.

Традиционно, в случае, если в обменнике циркулирует несколько хладагентов, впуски и выпуски для различных хладагентов расположены последовательно по длине обменника в порядке возрастания температуры, начиная с холодного конца обменника, т. е. от точки входа в обменник, где текучая среда вводится при самой низкой температуре из всех температур обменника.

Таким образом, когда температура на выпуске хладагента выше, чем температура на впуске другого хладагента, другой хладагент должен входить в обменник по длине обменника в месте, которое ближе к холодному концу, чем выпуск хладагента.

Известным образом способ пинч-анализа применяют для планирования того, как циркулируют текучие среды, обменивающиеся теплом в обменнике, и как максимально увеличить энергоэффективность установки.

Термин «пинч» относится к минимальной разности между температурой хладагентов, т. е. текучих сред, которые нагреваются в обменнике, и температурой теплотворных текучих сред, т. е. текучих сред, которые охлаждаются в обменнике, причем это происходит в заданной точке обменника. Чтобы увидеть эту точку Пинча, анализируют разность между двумя результирующими кривыми на температурной диаграмме переданного тепла, как показано на фигуре 3B (a), причем одна связана с потоком, подлежащим нагреву, другая - с потоком, подлежащим охлаждению. Пока эта минимальная разница является положительной, теоретически есть способ снизить потребление энергии.

Традиционно, чтобы оптимизировать точку Пинча между кривыми диаграммы обмена, возникающую в результате способа пинч-анализа, обеспечены по меньшей мере два типа проходов для разных хладагентов, причем один тип прохода предназначен для циркуляции одного хладагента и по меньшей мере другой тип прохода предназначен для циркуляции другого хладагента. Эти разные типы проходов не образованы между одной и той же парой смежных пластин обменника.

Это увеличивает сложность обменника и значительно увеличивает размер обменника. Кроме того, каждый тип прохода поэтому имеет значительный участок, в котором не циркулирует текучая среда, т. е. неактивную зону с точки зрения обмена с теплотворной текучей средой.

Целью настоящего изобретения является преодоление всех или некоторых из вышеупомянутых проблем, в частности, путем предложения теплообменника, который является более компактным и имеет улучшенную теплоэффективность и механическую прочность.

Следовательно решением согласно настоящему изобретению является теплообменник, содержащий множество пластин, параллельных продольному направлению и вместе образующих первый ряд проходов для потока по меньшей мере одного хладагента, предназначенного для обмена теплом с по меньшей мере одной теплотворной текучей средой, причем по меньшей мере один проход первого ряда, образованный между двумя смежными пластинами, содержит:

- впуск для хладагента, выполненный с возможностью впуска хладагента в участок указанного прохода, и выпуск для хладагента, выполненный с возможностью выпуска хладагента из участка,

характеризующийся тем, что указанный по меньшей мере один проход первого ряда дополнительно содержит:

- по меньшей мере один другой впуск для хладагента, выполненный с возможностью впуска другого хладагента в другой участок указанного прохода, и по меньшей мере один другой выпуск для хладагента, выполненный с возможностью выпуска другого хладагента из другого участка,

причем указанные другие впуски и выпуски расположены так, что указанный по меньшей мере один проход первого ряда разделен, в продольном направлении, на по меньшей мере указанный участок для потока данного хладагента и указанный другой участок для потока другого хладагента.

В зависимости от ситуации, настоящее изобретение может иметь одну или более из следующих технических характеристик:

- каждый из множества проходов первого ряда имеет по меньшей мере один впуск, один выпуск, один другой впуск и один другой выпуск для хладагента, причем указанные впуски соединены по текучей среде с одним и тем же впускным коллектором, причем указанные другие впуски соединены по текучей среде с другим идентичным впускным коллектором, причем указанные выпуски соединены по текучей среде с идентичным выпускным коллектором и указанные другие выпуски соединены по текучей среде с другим идентичным выпускным коллектором;

- обменник имеет первый конец, вблизи которого во время работы температура обменника является самой низкой, и второй конец, вблизи которого во время работы температура обменника является самой высокой, причем указанный второй конец расположен дальше по ходу потока относительно первого конца в продольном направлении, причем участок для потока данного хладагента расположен рядом с первым концом, а другой участок для потока другого хладагента расположен между участком и вторым концом;

- пластины вместе образуют второй ряд проходов для потока по меньшей мере одной теплотворной текучей среды, причем по меньшей мере один проход второго ряда смежный с указанным по меньшей мере одним проходом первого ряда и имеет такую конфигурацию, что когда струя теплотворной текучей среды циркулирует в указанном проходе, указанная струя теплотворной текучей среды обменивается теплом с данным хладагентом вблизи по меньшей мере части участка и с другим хладагентом вблизи по меньшей мере части другого участка;

- по меньшей мере один проход второго ряда вблизи второго конца обменника имеет впуск для теплотворной текучей среды, выполненный с возможностью распределения теплотворной текучей среды в указанном по меньшей мере одном проходе, и, вблизи первого конца обменника - выпуск, выполненный с возможностью выпуска теплотворной текучей среды из указанного по меньшей мере одного прохода;

- указанный по меньшей мере один проход первого ряда имеет по меньшей мере два других впуска, выполненных с возможностью, соответственно, впуска по меньшей мере двух других хладагентов в по меньшей мере два других соответствующих участка указанного прохода, и по меньшей мере два других выпуска, выполненных с возможностью, соответственно, выпуска по меньшей мере двух других хладагентов из по меньшей мере двух других участков, причем указанные по меньшей мере два других впуска и по меньшей мере два других выпуска расположены так, что указанный по меньшей мере один проход первого ряда разделен, в продольном направлении, на по меньшей мере три последовательно расположенных участка.

Настоящее изобретение также относится к способу обмена теплом с использованием теплообменника согласно настоящему изобретению, причем указанный способ включает следующие этапы:

i) впуск струи теплотворной текучей среды в по меньшей мере один проход второго ряда проходов, образованного между пластинами обменника;

ii) впуск хладагента через впуск по меньшей мере одного прохода первого ряда;

iii) выпуск хладагента, впущенного на этапе ii), через выпуск указанного прохода;

iv) впуск по меньшей мере одного другого хладагента через указанный другой впуск указанного прохода;

v) выпуск другого хладагента, впущенного на этапе iv), через другой выпуск указанного прохода,

причем указанная струя теплотворной текучей среды обменивается теплом по меньшей мере с данным хладагентом и с другим хладагентом.

Предпочтительно хладагент, который выпускают на этапе iii), имеет первую температуру, а другой хладагент, который впускают на этапе iv), имеет вторую температуру, причем вторая температура ниже, чем первая температура.

Преимущественно вторая температура по меньшей мере на 1°C ниже первой температуры.

Настоящее изобретение может применяться к теплообменнику, который испаряет по меньшей мере две частичные струи текучей среды с двумя фазами жидкого газа в качестве хладагентов, в частности, по меньшей мере две частичные струи смеси со множеством составляющих, например, смеси углеводородов, путем обмена теплом с по меньшей мере одной теплотворной текучей средой, например, природным газом.

В частности, настоящее изобретение может применяться к способу охлаждения, даже сжижения, смеси углеводородов, например, природного газа. В частности, способ сжижения используется в способе получения сжиженного природного газа (liquefied natural gas, LNG).

Выражение «природный газ» относится к любой композиции, содержащей углеводороды, по меньшей мере включающей метан. Оно предусматривает «необработанное» соединение (до любой обработки или промывки) и также любое соединение, которое было частично, по существу или полностью обработано для уменьшения содержания и/или извлечения одного или нескольких соединений, включая без ограничения серу, диоксид углерода, воду, ртуть и некоторые тяжелые и ароматические углеводороды.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу охлаждения струи углеводородов, например, природного газа, в виде струи теплотворной текучей среды, причем указанный способ использует теплообменник согласно настоящему изобретению, или способу обмена теплом согласно настоящему изобретению и включает следующие этапы:

a) впуск струи углеводородов в теплообменник;

b) впуск первой охлаждающей струи в теплообменник;

c) извлечение из теплообменника частично охлаждающей струи и по меньшей мере одной другой частично охлаждающей струи, возникающей из первой охлаждающей струи;

d) освобождение частично охлаждающей струи и другой частично охлаждающей струи на разных уровнях давления, чтобы, соответственно, получить данный хладагент и другой хладагент;

e) повторный впуск хладагента, полученного на этапе d), через впуск по меньшей мере одного прохода первого ряда;

f) повторный впуск другого хладагента, полученного на этапе d), через другой впуск указанного прохода;

g) охлаждение струи углеводородов путем обмена теплом с по меньшей мере данным хладагентом и другим хладагентом.

Следует отметить, что струя углеводородов, возникающая на этапе g), может быть по меньшей мере частично сжижена.

Необязательно струю углеводородов, охлажденную и/или по меньшей мере частично сжиженную на этапе g), впускают в другой обменник, в который впускают вторую охлаждающую струю. Предпочтительно вторая охлаждающая струя, выходя из другого обменника освобождается, затем повторно впускается в указанный другой обменник с целью испарения в нем, в то же время охлаждая струю углеводородов и вторую охлаждающую струю, так что струя углеводородов выходит из другого обменника сжиженной и переохлажденной.

Первая охлаждающая струя может представлять собой смесь углеводородов, например, смесь, содержащую этан и пропан.

Предпочтительно хладагент, который получают на этапе d), имеет первое давление, а другой хладагент, который получают на этапе d), имеет второе давление, причем второе давление выше, чем первое давление.

Настоящее изобретение далее будет более понятным благодаря следующему описанию, которое предлагается исключительно в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:

- на фигуре 1 приведен схематический вид в разрезе, в плоскости, параллельной пластинам обменника, прохода для хладагента теплообменника согласно известному уровню техники;

- на фигуре 2 приведен схематический вид в разрезе, в плоскости, ортогональной пластинам и параллельной продольному направлению обменника, ряда проходов теплообменника по фиг. 1;

- на фигуре 3A приведен другой схематический вид в разрезе, в плоскости, параллельной пластинам обменника, прохода теплообменника согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

- на фигуре 3B показаны, с одной стороны, кривые диаграммы обмена традиционного обменника, как показано на фиг. 1 и, с другой стороны, кривые диаграммы обмена обменника согласно настоящему изобретению, как показано на фиг. 3A;

- на фигуре 4 схематически представлен вариант осуществления способа обмена теплом, использующего обменник согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

- на фигуре 5 приведен схематический вид в разрезе, в плоскости, параллельной пластинам обменника, прохода теплообменника согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фигуре 1 показаны проходы 10a, 10b теплообменника согласно известному уровню техники, содержащие множество пластин 2, которые проходят в двух измерениях, а именно, в длину и ширину, соответственно, в продольном направлении z и поперечном направлении y, ортогональном z и параллельном пластинам 2.

Пластины размещены параллельно одна над другой с пространством в направлении x укладки, таким образом формируя множество проходов для текучих сред, которые опосредованно обмениваются теплом через пластины. Предпочтительно каждый проход обменника имеет плоскую и подобную параллелепипеду форму. Зазор между двумя последовательно расположенными пластинами невелико по сравнению с длиной и шириной каждой последовательно расположенной пластины.

На фиг. 1 схематично представлены проходы обменника, выполненные с возможностью испарения хладагента F1 и другого хладагента F2 путем обмена теплом с теплотворной текучей средой C.

Следует отметить, что другой хладагент F2 может представлять собой текучую среду с составом, отличным от состава хладагента F1 или даже хладагент с таким же составом, что и у хладагента F1, но по меньшей мере с одним физическим признаком, в частности, давлением, температурой, которые отличаются от давления, температуры хладагента F1.

Теплотворная текучая среда C циркулирует во втором ряду проходов 11 (представлены на фигуре 2), расположенных полностью или частично, поочередно или смежно со всеми или несколькими из проходов 10a, 10b первого ряда. Поток текучих сред в проходах возникает в целом параллельно продольному направлению z, которое предпочтительно, как в показанном случае, является вертикальным во время работы обменника.

Уплотнение проходов 10a, 10b по краям пластин главным образом осуществляется за счет поперечных и продольных уплотнительных полос 4, прикрепленных к пластинам. Поперечные уплотнительные полосы 4 не полностью уплотняют проходы 10a, 10b, но оставляют впускные отверстия 31, 32 и выпускные отверстия 41, 42 для текучей среды.

Хорошо известным образом обменник содержит компоненты 51, 61, 52, 62 распределения, которые проходят от впусков и выпусков проходов и к ним. Эти компоненты, например, распределительные гофрированные элементы или каналы, выполнены с возможностью направления и обеспечения равномерного распределения и извлечения текучих сред по всей ширине проходов.

Кроме того, проходы 10a, 10b преимущественно содержат теплообменные конструкции, размещенные между пластинами. Эти конструкции предназначены для увеличения площади поверхности теплообмена обменника. Фактически теплообменные конструкции находятся в контакте с текучими средами, циркулирующими в проходах, и передают тепловые потоки за счет теплопроводности смежным пластинам.

Теплообменные конструкции также служат разделителями между пластинами 2, в частности, при сборке обменника, выполненной твердым припоем, и во избежание любой деформации пластин при использовании текучих сред под давлением. Они также обеспечивают направление потоков текучей среды в проходах теплообменника.

Предпочтительно эти конструкции содержат теплообменные гофрированные элементы, которые преимущественно проходят по ширине и длине проходов 10a, 10b, параллельно пластинам 2, по протяженности распределительных компонентов 51, 61, 52, 62 по длине проходов 10a, 10b. Таким образом проходы обменника имеют главную часть своей длины, которая сама по себе образует зону теплообмена, ограниченную распределительными зонами, обеспеченными компонентами 51, 61, 52, 62.

Такое расположение проходов согласно фигуре 1, в частности, встречается в обменнике, используемом в способе сжижения природного газа. Один из известных способов получения сжиженного природного газа основан на применении двух циклов для охлаждения природного газа, соответственно, с использованием первой и второй смеси охлаждающих углеводородов. Первый охлаждающий цикл обеспечивает возможность охлаждения природного газа до его точки росы с использованием по меньшей мере двух разных уровней разгрузки для повышения эффективности цикла. Второй цикл обеспечивает возможность сжижения и переохлаждения природного газа и имеет только один уровень разгрузки.

В первом цикле разгрузки первая охлаждающая смесь, возникающая из компрессора, переохлаждается в первом обменнике. По меньшей мере две частичные струи, возникающие из первой охлаждающей смеси, извлекаются из обменника в двух разных точках выхода, затем освобождаются на разных уровнях давления, таким образом формируя по меньшей мере два разных хладагента F1 и F2, повторно впущенных в обменники через разные впуски 31, 32, выборочно заполняя проходы 10a, 10b с целью испарения в нем, затем выпускаются через разные выпуски 41, 42.

Согласно известному способу хладагент F1, освобожденный на заданном уровне давления, поступает через впуск 31, расположенный на холодном конце обменника, и выходит через выпуск 41 при температуре выше, чем температура на впуске через впуск 32 другого хладагента, освобожденного на другом уровне давления.

Чтобы отслеживать расположение впусков и выпусков в порядке возрастания температуры текучих сред, впуск другого хладагента традиционно расположен, в продольном направлении z, в положении ближе к холодному концу обменника, чем выпуск хладагента низкого давления.

Как можно видеть на фигуре 1, обменник имеет два типа проходов для хладагентов, один 10a для хладагента F1 и другой 10b для другого хладагента F2. Следовательно теплотворная текучая среда C, протекая в проходы 11, смежные с проходами одного типа 10a и/или другого типа 10b, обменивается теплом вблизи активной зоны A1 теплообмена с текучей средой F1 и вблизи активной зоны A2 теплообмена для другой текучей среды F2. Зоны I1 и I2 не заполняются текучей средой и, следовательно, формируют неактивные зоны на тепловом уровне.

Целью настоящего изобретения является уменьшение протяженности в продольном направлении этих неактивных зон и даже полное их исключение путем предложения деления в продольном направлении по меньшей мере одного прохода, сформированного между двумя пластинами 2 обменника, и инициирование в нем циркуляции разных хладагентов.

На фиг. 3 приведен схематический вид в разрезе, в плоскости, параллельной плоскости по фигуре 1, прохода обменника согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. В показанном примере количество разных типов хладагентов ограничено 2 ради упрощения, при этом подразумевается, что большее количество типов текучей среды может циркулировать в таком проходе по тому же принципу.

Как можно видеть на фигуре 3, по меньшей мере один проход 10 первого ряда проходов для хладагентов имеет по меньшей мере один другой впуск 32 и по меньшей мере один другой выпуск 42 для другого хладагента F2.

Указанные другие впуски и выпуски 32, 42 расположены так, что указанный проход 10 первого ряда разделен, в продольном направлении z, на по меньшей мере один участок 100 для потока хладагента F1 и другой участок 200 для потока другого хладагента F2.

Таким образом, когда работает обменник, несколько разных типов хладагентов F1, F2 циркулируют внутри одного и того же прохода, т. е. между одними и теми же двумя пластинами обменника, на предназначенных участках для потока, которые следуют друг за другом в продольном направлении z.

Таким образом размеры неактивных зон в обменнике значительно уменьшаются, даже исключаются, причем один и тот же проход имеет по меньшей мере две активные зоны A1, A2 теплообмена, вблизи которых хладагент F1 и указанный по меньшей мере один другой хладагент F2 последовательно обмениваются теплом с теплотворной текучей средой C.

Таким образом, почти весь, даже весь, проход 11 для теплотворной текучей среды второго ряда находится в контакте с проходом 10 для хладагента первого ряда, что усиливает теплообмен и существенно уменьшает тепловые и механические напряжения, оказывающие влияние на пластины и впускные/выпускные коллекторы обменника. Размер обменника может быть уменьшен, таким образом снижается стоимость обменника и холодного отсека, в который он встроен. Уменьшение неактивных зон внутри обменника также увеличивает его механическую прочность.

Фактически авторы настоящего изобретения продемонстрировали, что, учитывая температурные перекрытия на этапе разработки способа, можно осуществлять циркуляцию хладагентов в одном и том же проходе, даже если температура на выпуске первой текучей среды выше, чем температура на впуске второй текучей среды. С этой целью необходимо смоделировать обменник не в виде одной секции с двумя хладагентами, поступающими при разных температурах, как в случае с известным способом пинч-анализа, а в виде разных последовательных секций (двух в упомянутом примере), причем каждая из этих секций содержит один хладагент, поступающий при его температуре на впуске, чтобы наилучшим образом приблизиться к реальным геометрическим размерам и, следовательно, к фактическим точкам Пинча, которые будет иметь обменник.

Это показано на фигуре 3B, на которой представлено сравнение между температурными диаграммами обмена переданного тепла (ΔH – T), или энтальпийными кривыми, полученными, с одной стороны, с помощью обменника, смоделированного согласно традиционному способу пинч-анализа (на (a)) и, с другой стороны, с помощью обменника, в котором текучие среды циркулируют согласно настоящему изобретению (на (b)). Кривые C, F, F1, F2 показывают изменение количества тепла, обмен которым происходит в зависимости от температуры, соответственно, для теплотворной текучей среды, результирующего хладагента, выполненные с использованием традиционного способа пинч-анализа, хладагента F1 согласно настоящему изобретению и другого хладагента F2 согласно настоящему изобретению.

Предпочтительно каждый из большинства, более предпочтительно по меньшей мере из 80% общего количества проходов 10 первого ряда, даже из всех проходов 10 первого ряда, имеет впуск и выпуск 31, 41 для хладагента F1 и по меньшей мере один другой впуск и один другой выпуск 32, 42 для другого хладагента F2.

Преимущественно обменник согласно настоящему изобретению имеет один тип прохода 10 для хладагента, который значительно упрощает конструктивное исполнение. Проходы одного и того же типа следует понимать как проходы, которые имеют идентичную конфигурацию или конструкцию, в частности, с точки зрения размеров проходов, расположений впусков и выпусков текучей среды.

Предпочтительно большинство, предпочтительно по меньшей мере 80%, даже все, из общего количества проходов 10 первого ряда имеют идентичную конфигурацию. В частности, впуски и выпуски 31, 41, 32, 42 расположены в по существу идентичных положениях в продольном направлении z.

Таким образом, впуски и выпуски 31, 41, 32, 42 проходов 10 первого ряда, соответственно, размещены один над другим в направлении x укладки проходов. Таким образом, впуски 31, 32 и выпуски 41, 42, расположенные один над другим, соответственно, соединены в коллекторах 71, 72, 81, 82 полутрубчатой формы, через которые распределяются и выпускаются текучие среды.

Предпочтительно продольное направление является вертикальным во время работы обменника. Хладагенты F1, F2, в целом, текут вертикально и вверх. Теплотворная текучая среда С предпочтительно циркулирует против потока. Разумеется, в пределах объема настоящего изобретения могут быть предусмотрены другие направления и ориентации потока текучих сред F1, F2.

Предпочтительно проход 10 обменника имеет распределительные зоны 51, 61, 52, 62, предпочтительно обеспеченные распределительными компонентами, которые проходят от впусков 31, 32 и выпусков 41, 42 прохода 10 и к ним. Эти распределительные зоны выполнены с возможностью равномерного направления и извлечения текучих сред F1 и F2 по всей ширине зон A1 и A2 теплообмена, соответственно.

Преимущественно участок 100 прохода 10 имеет распределительные зоны 51, 61 и зону A1 теплообмена, а другой участок 200 имеет распределительные зоны 52, 62 и зону A2 теплообмена.

Преимущественно теплообменные конструкции расположены в зонах A1 и A2 теплообмена. Могут применяться различные типы гофрированных элементов, которые обычно используются в паяных обменниках пластинчато-ребристого типа для формирования теплообменных конструкций зон A1, A2 теплообмена. Гофрированные элементы могут выбирать из типов гофрированных элементов, известных как гофрированные элементы с прямыми гофрами, гофрированные элементы с пилообразными гофрами, гофрированные элементы с гофрами в виде «елочки», которые могут быть или не быть перфорированными.

Преимущественно распределительные компоненты и теплообменные конструкции формируют множество каналов внутри прохода 10, соединяющих вместе по текучей среде впуски 31 и выпуски 41 и соединяющих вместе другие впуски 32 и выпуски 42.

Преимущественно обменник имеет первый конец 1a, вблизи которого во время работы температура обменника является самой низкой, и второй конец 1b, вблизи которого во время работы температура обменника является самой высокой,

Предпочтительно второй конец 1b расположен дальше по ходу потока относительно первого конца 1a в продольном направлении z, так что направление потока текучих сред F1, F2 в проходе 10 является в целом восходящим.

Предпочтительно участок 100 для потока хладагента F1 расположен рядом с первым концом 1a, а другой участок 200 для потока другого хладагента F2 расположен между участком 100 и вторым концом 1b.

Таким образом, на изображении, предложенном на фигуре 3, другой участок 200 проходит, в продольном направлении z, дальше по ходу потока относительно участка 100.

Предпочтительно участки 100, 200 расположены рядом в продольном направлении z, как показано на фигуре 3, что обеспечивает возможность наилучшей оптимизации пространства внутри прохода 10 путем максимального увеличения протяженности активных зон.

Согласно альтернативному варианту осуществления, показанному на фигуре 5, два других хладагента F2, F3 протекают в одном и том же проходе 10 согласно настоящему изобретению.

В этом случае по меньшей мере один проход 10 для хладагента первого ряда содержит два других впуска 32, 33, выполненных с возможностью, соответственно, впуска двух других хладагентов F2, F3 в два других участка 200, 300 прохода 10, и два других выпуска 42, 43, выполненных с возможностью, соответственно, выпуска других двух хладагентов F2, F3 из других двух участков 200, 300. Проход 10 разделен, в продольном направлении z, на три последовательно расположенных участка 100, 200, 300.

Преимущественно, когда работает обменник, хладагент F1 поступает через впуск 31 по меньшей мере одного прохода 10 при температуре, называемой начальной температура T0, и выпускается через выпуск 41 при первой температуре T1, выше, чем T0. Предпочтительно температура T0 находится в диапазоне от -55 до -75°C и температура T1 находится в диапазоне от -10 до -30°C.

Предпочтительно другой хладагент F2 поступает в проход 10 через другой впуск 32 при второй температуре T2 и выходит через другой выпуск 42 при третьей температуре T3, причем T3 выше чем T2. Предпочтительно температура T2 находится в диапазоне от -15 до -35°C и температура T3 находится в диапазоне от 35 до 0°C.

Предпочтительно вторая температура T2 ниже первой температуры T1. Это обеспечивает возможность предоставления перегретой текучей среды F1 при выходе из участка 100 обменника (T1 высокая), в то же время обеспечивая эффективное охлаждение теплотворной текучей среды в другом участке 200 обменника благодаря достаточно низкой первичной температуре испарения (ниже чем T1), T2, текучей среды F2.

Более предпочтительно вторая температура T2 по меньшей мере на 1°C ниже первой температуры T1. Предпочтительно вторая температура T2 максимум на 15°C, более предпочтительно максимум на 10°C и предпочтительно максимум на 5°C ниже первой температуры T1. Это для того, чтобы избежать чрезмерных механических напряжений в обменнике.

Далее ссылка будет сделана на альтернативный вариант осуществления, где два других хладагента F2, F3 текут в одном и том же проходе 10.

Преимущественно, когда работает обменник, хладагент F1 поступает через впуск 31 по меньшей мере одного прохода 10 при начальной температуре T0, которая находится в диапазоне от -55 до -75°C, и выпускается через выпуск 41 при первой температуре T1, выше чем T0, причем T1 находится в диапазоне от -25 до -45°C.

Предпочтительно первый другой хладагент F2 поступает в проход 10 через первый другой впуск 32 при второй температуре T2 и выходит через другой выпуск 42 при температуре T3, причем T3 выше чем T2. Предпочтительно температура T2 находится в диапазоне от -30 до -50 °C и температура T3 находится в диапазоне от 0 до -20°C.

Предпочтительно второй другой хладагент F3 поступает в проход 10 через другой второй впуск 33 при четвертой температуре T4 и выходит через другой второй выпуск 43 при пятой температуре T5, причем T5 выше чем T4. Предпочтительно температура T4 находится в диапазоне от -5 до -25 °C и температура T5 находится в диапазоне от 30 до 0 °C.

Преимущественно четвертая температура T4 ниже третьей температуры T3. Это обеспечивает возможность предоставления перегретой текучей среды F2 при выходе из участка 200 обменника (T3 высокая), в то же время обеспечивая эффективное охлаждение теплотворной текучей среды в другом участке 300 обменника благодаря достаточно низкой первичной температуре испарения (ниже чем T3), T4, текучей среды F3.

Предпочтительно четвертая температура T4 по меньшей мере на 1°C ниже третьей температуры T3.

Предпочтительно вторая температура T2 максимум на 15°C, более предпочтительно максимум на 10°C и предпочтительно максимум на 5°C ниже первой температуры T1.

Преимущественно четвертая температура T4 по меньшей мере на 1°C ниже третьей температура T3, предпочтительно четвертая температура T4 максимум на 15°C ниже третьей температуры T3, более предпочтительно, чтобы избежать чрезмерных механических напряжений в обменнике, максимум на 10°C и предпочтительно максимум на 5°C ниже третьей температуры T4.

Согласно конкретному варианту осуществления хладагент F1 и по меньшей мере один другой хладагент F2 представляют собой текучие среды с разными давлениями. В частности, хладагент F1 течет в обменнике под первым давлением P1, а другой хладагент F2 течет в обменнике под вторым давлением P2, которое предпочтительно выше первого давления P1. Текучие среды F1, F2 могут иметь одинаковый состав.

Обменник согласно настоящему изобретению может применяться в любом способе, в котором используются несколько разных типов хладагентов, в частности, с точки зрения состава и/или признаков, таких как давление, температура, физическое состояние и т. д.

Применение обменника согласно настоящему изобретению, в частности, является преимущественным в способе сжижения струи углеводородов, например, природного газа. Пример такого способа частично схематически представлен на фигуре 4.

Согласно способу сжижения природного газа, схематически представленному на фигуре 4, природный газ поступает через трубу 110, например, при давлении, находящемся в диапазоне от 4 МПа до 7 МПа, и при температуре, находящейся в диапазоне от 30°C до 60°C. Причем природный газ, циркулирующий в трубе 110, первая охлаждающая струя, циркулирующая в трубе 30, и вторая охлаждающая струя, циркулирующая в трубе 20, поступают в обменник E1 согласно настоящему изобретению для циркуляции в нем в параллельных и прямоточных направлениях.

Природный газ выходит из обменника E1 через трубу 102, охлажденный, например, до температуры, находящейся в диапазоне от - 35°C до - 70°C. Вторая охлаждающая струя выходит из обменника E1 через трубу 202, полностью конденсированной, например, при температуре, находящейся в диапазоне от - 35°C до - 70°C.

В обменнике E1 последовательно извлекают три фракции, также называемые потоками или частичными струями, 301, 302, 303 первой охлаждающей струи жидкой фазы. Фракции освобождаются через разгрузочные клапаны V11, V12 и V13 при трех разных уровнях давления, образуя хладагент F1 и два других хладагента F2, F3. Эти три разных типа хладагентов F1, F2, F3 повторно впускаются в обменник E1 с помощью проходов для хладагентов, обеспеченных тремя разными впусками 31, 32, 33 согласно настоящему изобретению, затем испаряются путем обмена теплом с природным газом, второй охлаждающей струей и некоторым количеством первой охлаждающей струи.

Три испаренных хладагента F1, F2, F3 отправляют на разные стадии компрессора K1, сжимают, затем конденсируют в конденсаторе C1 путем обмена теплом с внешней охлаждающей текучей средой, например, водой или воздухом. Первая охлаждающая струя, возникающая из конденсатора C1, отправляется в обменник E1 через трубу 30. Давление первой охлаждающей струи на выпуске из компрессора K1 может находиться в диапазоне от 2 МПа до 6 МПа. Температура первой охлаждающей струи на выпуске из конденсатора C1 может находиться в диапазоне от 10°C до 45°C.

Первая охлаждающая струя может быть образована смесью углеводородов, например, смесью этана и пропана, но может также содержать метан, бутан и/или пентан. Пропорциями в мольных долях (%) компонентов первой охлаждающей смеси могут быть:

этан: от 30% до 70%;

пропан: от 30% до 70%;

бутан: от 0% до 20%;

Природный газ, циркулирующий в трубе 102 может быть разделен, т. е. некоторое количество углеводородов C₂₊, содержащих по меньшей мере два атома углерода отделяется от природного газа с использованием устройства, известного специалисту в данной области техники. Разделенный природный газ отправляется через трубу 102 в другой обменник E2. Собранные углеводороды C2+ отправляют в колонны фракционирования, содержащие деэтанизатор. Легкая фракция, собранная в верхней части деэтанизатора, может быть смешана с природным газом, циркулирующим в трубе 102. Жидкую фракцию, собранную на дне деэтанизатора, отправляют в депропанизатор.

Газ, циркулирующий в трубе 102, и вторая охлаждающая струя, циркулирующая в трубе 202, поступают в другой обменник E2 для циркуляции в нем в параллельных и прямоточных направлениях.

Вторая охлаждающая струя, выходящая из обменника E2 через трубу 201, освобождается разгрузочным компонентом T3. Разгрузочный компонент T3 может представлять собой турбину, клапан или сочетание турбины и клапана. Вторая освобожденная охлаждающая струя, возникающая из турбины T3 отправляется трубой 203 в обменник E2 для испарения, в то время как противоток охлаждает природный газ и вторую охлаждающую струю.

На выпуске из обменника E2 вторая испаренная охлаждающая струя сжимается компрессором K2, а затем охлаждается в непрямом теплообменнике C2 путем обмена теплом с внешней охлаждающей текучей средой, например, водой или воздухом. Вторая охлаждающая струя, возникающая из обменника C2, отправляется в обменник E1 через трубу 20. Давление второй охлаждающей струи при выходе из компрессора K2 может находиться в диапазоне от 2 МПа до 8 МПа. Температура второй охлаждающей струи на выпуске из обменника C2 может находиться в диапазоне от 10°C до 45°C.

В способе, описанном со ссылкой на фигуру 4, вторая охлаждающая струя не разделяется на отдельные фракции, но для оптимизации подхода в обменнике E2, вторая охлаждающая струя также может быть разделена на две или три фракции, причем каждая фракция освобождается при разном уровне давления, затем отправляется на разные стадии компрессора K2.

Образуется вторая охлаждающая струя, например, путем смешивания углеводородов и азота, например, смешивания метана, этана и азота, но также может содержать пропан и/или бутан. Пропорциями в мольных долях (%) компонентов второй охлаждающей смеси может быть:

азот: от 0% до 10%;

метан: от 30% до 70%;

этан: от 30% до 70%;

пропан: от 0% до 10 %;

Природный газ выходит из теплообменника E2 через трубу 101 в сжиженном состоянии при температуре, которая предпочтительно на по меньшей мере 10 C выше, чем температура образования пузырьков сжиженного природного газа, полученного при атмосферном давлении (температура образования пузырьков обозначает температуру, при которой первые пузырьки пара образуются в сжиженном природном газе при заданном давлении) и при давлении, идентичном давлению на впуске природного газа, с точностью до потерь давления. Например, природный газ выходит из обменника E2 при температуре, находящейся в диапазоне от - 105°C до - 145°C и при давлении, находящемся в диапазоне от 4 МПа до 7 МПа. При таких температурных условиях и условиях давления природный газ не остается полностью жидким после расширения до атмосферного давления.

Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается конкретными примерами, описанными и показанными в настоящей заявке. В пределах объема настоящего изобретения также могут быть рассмотрены другие альтернативные формы или варианты осуществления, входящие в компетенцию специалиста в данной области техники. Например, другие конфигурации для ввода текучих сред в обменник и извлечения их из него, другие направления потока текучих сред, другие типы текучих сред и т. д. очевидно могут быть предусмотрены в зависимости от ограничений, налагаемых способом, подлежащим реализации.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в пластинчатых теплообменниках. В теплообменнике (E1), содержащем множество пластин (2), параллельных продольному направлению (z) и вместе образующих первый ряд проходов (10) для потока по меньшей мере одного хладагента (F1), предназначенного для обмена теплом с по меньшей мере одной теплотворной текучей средой (C), причем по меньшей мере один проход (10) первого ряда, образованный между двумя смежными пластинами (2), имеет впуск (31) для хладагента, выполненный с возможностью впуска хладагента (F1) в участок (100) указанного прохода (10), и выпуск (41) для хладагента, выполненный с возможностью выпуска хладагента (F1) из участка (100), указанный по меньшей мере один проход (10) первого ряда дополнительно содержит по меньшей мере один другой впуск (32) для хладагента, выполненный с возможностью впуска другого хладагента (F2) в другой участок (200) указанного прохода (10), и по меньшей мере один другой выпуск (42) для хладагента, выполненный с возможностью выпуска другого хладагента (F2) из другого участка (200), причем указанные другие впуски и выпуски (32, 42) расположены так, что указанный по меньшей мере один проход (10) разделен, в продольном направлении (z), на по меньшей мере указанный участок (100) и указанный другой участок (200). Технический результат - уменьшение протяженности в продольном направлении неактивных зон теплообмена путем деления в продольном направлении по меньшей мере одного прохода теплообменника и организация в нем циркуляции разных хладагентов. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Теплообменник (E1), содержащий множество пластин (2), параллельных продольному направлению (z) и вместе образующих первый ряд проходов (10) для потока по меньшей мере одного хладагента (F1), предназначенного для обмена теплом с по меньшей мере одной теплотворной текучей средой (С), причем по меньшей мере один проход (10) первого ряда, образованный между двумя смежными пластинами (2), содержит:

- впуск (31) для хладагента, выполненный с возможностью впуска хладагента (F1) в участок (100) указанного прохода (10), и выпуск (41) для хладагента, выполненный с возможностью выпуска хладагента (F1) из участка (100),

отличающийся тем, что по меньшей мере один проход (10) первого ряда дополнительно содержит:

- по меньшей мере один другой впуск (32) для хладагента, выполненный с возможностью впуска другого хладагента (F2) в другой участок (200) указанного прохода (10), и по меньшей мере один другой выпуск (42) для хладагента, выполненный с возможностью выпуска другого хладагента (F2) из другого участка (200),

причем указанные другие впуски и выпуски (32, 42) расположены так, что указанный по меньшей мере один проход (10) первого ряда разделен, в продольном направлении (z), на по меньшей мере указанный участок (100) для потока данного хладагента (F1) и указанный другой участок (200) для потока другого хладагента (F2).

2. Обменник по п. 1, отличающийся тем, что каждый из множества проходов (10) первого ряда имеет по меньшей мере один впуск (31), один выпуск (41), один другой впуск (32) и один другой выпуск (42) для хладагента, причем указанные впуски (31) соединены по текучей среде с одним и тем же впускным коллектором (71), причем указанные другие впуски (32) соединены по текучей среде с другим идентичным впускным коллектором (72), причем указанные выпуски (41) соединены по текучей среде с идентичным выпускным коллектором (81) и указанные другие выпуски (42) соединены по текучей среде с другим идентичным выпускным коллектором (82).

3. Обменник по п. 1 или 2, отличающийся тем, что он имеет первый конец (1a), вблизи которого во время работы температура обменника является самой низкой, и второй конец (1b), вблизи которого во время работы температура обменника является самой высокой, причем указанный второй конец (1b) расположен дальше по ходу потока относительно первого конца (1a) в продольном направлении (z), причем участок (100) для потока данного хладагента (F1) расположен рядом с первым концом (1a), а другой участок (200) для потока другого хладагента (F2) расположен между участком (100) и вторым концом (1b).

4. Обменник по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что пластины (2) вместе образуют второй ряд проходов (11) для потока по меньшей мере одной теплотворной текучей среды (С), причем по меньшей мере один проход (11) второго ряда расположен смежно с указанным по меньшей мере одним проходом (10) первого ряда и имеет такую конфигурацию, что когда струя теплотворной текучей среды (С) циркулирует в указанном проходе (20), указанная струя теплотворной текучей среды (С) обменивается теплом с данным хладагентом (F1) вблизи по меньшей мере части участка (100) и с другим хладагентом (F2) вблизи по меньшей мере части другого участка (200).

5. Обменник по п. 4, отличающийся тем, что по меньшей мере один проход (11) второго ряда вблизи второго конца (1b) обменника имеет впуск для теплотворной текучей среды, выполненный с возможностью распределения теплотворной текучей среды (С) в указанном по меньшей мере одном проходе (11), и, вблизи первого конца (1a) обменника - выпуск, выполненный с возможностью выпуска теплотворной текучей среды (С) из указанного по меньшей мере одного прохода (11).

6. Обменник по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один проход (10) первого ряда имеет по меньшей мере два других впуска (32, 33), выполненных с возможностью, соответственно, впуска по меньшей мере двух других хладагентов (F2, F3) в по меньшей мере два других соответствующих участка (200, 300) указанного прохода (10), и два других выпуска (42, 43), выполненных с возможностью, соответственно, выпуска по меньшей мере двух других хладагентов (F2, F3) из по меньшей мере двух других участков (200, 300), причем указанные два другие впуска (32, 33) и два другие выпуска (42, 43) расположены так, что указанный по меньшей мере один проход (10) первого ряда разделен, в продольном направлении (z), на по меньшей мере указанный участок (100) и на указанные два других участка (200, 300).

7. Способ обмена теплом с использованием теплообменника (E1) по одному из предыдущих пунктов, причем указанный способ включает следующие этапы:

i) впуск струи теплотворной текучей среды (С) в по меньшей мере один проход (11) второго ряда проходов, образованного между пластинами (2) обменника (E1);

ii) впуск хладагента (F1) через впуск (31) по меньшей мере одного прохода (10) первого ряда;

iii) выпуск хладагента (F1), впущенного на этапе ii), через выпуск (41) указанного прохода (10);

iv) впуск по меньшей мере одного другого хладагента (F2) через другой впуск (32) указанного прохода (10);

v) выпуск другого хладагента (F2), впущенного на этапе iv), через другой выпуск (41) указанного прохода (10),

причем указанная струя теплотворной текучей среды (С) обменивается теплом по меньшей мере с данным хладагентом (F1) и с другим хладагентом (F2).

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что хладагент (F1), выпущенный на этапе iii), выходит из обменника (E1) при первой температуре (T1), и другой хладагент (F2), впущенный на этапе iv), поступает в обменник (E1) при второй температуре (T2), причем вторая температура (T2) ниже, чем первая температура (T1).

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что вторая температура (T2) по меньшей мере на 1°C ниже, чем первая температура (T1).

10. Способ охлаждения струи углеводородов, например природного газа, в виде струи теплотворной текучей среды (С), причем указанный способ использует теплообменник (E1) по одному из пп. 1-5 или способ обмена теплом по одному из пп. 6-8, и включающий следующие этапы:

a) впуск струи углеводородов (С) в теплообменник (E1);

b) впуск первой охлаждающей струи (30) в теплообменник (E1);

c) извлечение из теплообменника (E1) частично охлаждающей струи (301) и по меньшей мере одной другой частично охлаждающей струи (302), возникающей из первой охлаждающей струи (30);

d) освобождение частично охлаждающей струи (301) и другой частично охлаждающей струи (302) на разных уровнях давления, чтобы, соответственно, получить данный хладагент (F1) и другой хладагент (F2);

e) повторный впуск хладагента (F1) в теплообменник (E1) через впуск (31) по меньшей мере одного прохода (10) первого ряда;

f) повторный впуск другого хладагента (F2) в теплообменник (E1) через другой впуск (32) указанного прохода (10);

g) охлаждение струи углеводородов (С) путем обмена теплом с по меньшей мере данным хладагентом (F1) и другим хладагентом (F2).

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что первая охлаждающая струя (30) может представлять собой смесь углеводородов, например смесь, содержащую этан и пропан.

12. Способ по п. 10 или 11, отличающийся тем, что хладагент (F1), который получают на этапе d), имеет первое давление (P1), а другой хладагент (F2), который получают на этапе d), имеет второе давление (P2), причем второе давление (P2) выше, чем первое давление (P1).