ВИТОЙ ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2022 года по МПК F28D7/02 F28F27/02 F25J1/00 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[001] Витые теплообменники («CWHE») часто являются предпочтительным типом теплообменников, используемых в системах сжижения природного газа. В CWHE, охлаждаемая жидкость(-и) циркулирует через множество слоев труб, которые навиты вокруг центрального сердечника, разделены осевыми прокладками и расположены в пространстве внутри кожуха. Узел из труб, сердечника и прокладок образует трубный пучок или пучок. Охлаждение обеспечивается потоком расширенного хладагента (часто смешанного хладагента) через пространство внутри кожуха. Общей проблемой CWHE является неравномерное распределение температуры хладагента между концентрическими зонами в пространстве внутри кожуха, что означает наличие радиального температурного градиента между зонами на определенном участке между теплым и холодным концами пучка.

[002] Были предприняты попытки исправить такое неравномерное радиальное распределение температуры путем «зонирования» трубных решеток, т. е., прокладки труб, которые соединены с каждой из трубных решеток холодного конца и теплого конца через единую зону. Эта конфигурация описана в данном документе более подробно со ссылкой на Фиг. 3 и 3А. Клапаны предусмотрены выше по потоку от каждой из трубных решеток теплого конца с целью обеспечения возможности независимого управления потоком через каждую зону, таким образом обеспечивая средства для уменьшения температурных градиентов путем изменения доли потока во внутритрубном пространстве каждой зоны для более точного соответствия доле хладагента в межтрубном пространстве этой зоны.

[003] Такие конфигурации увеличивают стоимость строительства CWHE, поскольку количество трубных решеток, необходимых как на холодном, так и на теплом концах, является функцией количества зон, что часто приводит к большему количеству трубных решеток, чем требуется для размещения количества труб, имеющихся в данном пучке.

[004] Таким образом, существует потребность в конфигурации CWHE, которая позволяет регулировать поток для коррекции неравномерного радиального распределения температуры с меньшими дополнительными затратами и сложностью, по сравнению с решениями из предшествующего уровня техники для неравномерного радиального распределения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[005] Некоторые конкретные аспекты систем и способов раскрытого в данном документе объекта изобретения изложены ниже.

[006] Аспект 1: Витой теплообменник, содержащий:

кожух;

первый пучок, содержащий

первый конец пучка и второй конец пучка, расположенный дистально по отношению к первому концу пучка;

сердечник, расположенный по центру внутри первого пучка, причем пространство внутри кожуха первого пучка простирается от первого конца пучка до второго конца пучка и простирается от сердечника первого пучка до его кожуха;

множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем каждая из множества труб имеет первый конец трубы, расположенный на первом конце пучка, и второй конец трубы, расположенный на втором конце пучка, притом, что множество труб навито вокруг сердечника с образованием множества навитых слоев, и, при этом, множество навитых слоев разделено на множество зон, которые концентрически расположены в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем множество труб содержит множество наборов труб, притом, что каждый из множества наборов труб расположен в другой из множества зон;

первую группу трубных решеток, расположенную на первом конце пучка, причем каждая из первой группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с одним из множества наборов труб на первом конце трубы;

множество клапанов, причем каждый из множества клапанов сообщается по потоку текучей среды с каждой из первой группы трубных решеток и расположен на первом конце пучка; и

вторую группу трубных решеток, расположенную на втором конце пучка, и, при этом, по меньшей мере одна из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конце трубы.

[007] Аспект 2: Витой теплообменник в соответствии с Аспектом 1, отличающийся тем, что первый конец пучка является холодным концом первого пучка, а второй конец пучка является теплым концом первого пучка.

[008] Аспект 3: Витой теплообменник по любому из Аспектов 1-2, отличающийся тем, что каждая из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды на втором конце трубы по меньшей мере с одной из множества труб из каждого из множества наборов труб.

[009] Аспект 4: Витой теплообменник по любому из Аспектов 1-3, отличающийся тем, что конец второго пучка содержит множество секторов, расположенных по окружности вокруг сердечника, причем каждая из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с концами второй трубы, исходящими из одного из множества секторов.

[0010] Аспект 5: Витой теплообменник по любому из Аспектов 1-4, дополнительно содержащий датчик температуры, расположенный в каждой из множества зон.

[0011] Аспект 6: Витой теплообменник в соответствии с Аспектом 5, отличающийся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 50% высоты пучка.

[0012] Аспект 7: Витой теплообменник в соответствии с Аспектом 5, отличающийся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 20% высоты пучка.

[0013] Аспект 8: Витой теплообменник по любому из Аспектов 1-7, дополнительно содержащий первый впускной трубопровод, сообщающийся по потоку текучей среды с первой группой трубных решеток и второй группой трубных решеток, и второй впускной трубопровод, сообщающийся по потоку текучей среды с третьей группой трубных решеток и четвертой группой трубных решеток.

[0014] Аспект 9: Витой теплообменник в соответствии с Аспектом 8, отличающийся тем, что третья группа трубных решеток расположена на первом конце пучка, причем каждая из третьей группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множество наборов труб на первом конце трубы, а вторая группа трубных решеток расположена на втором конце пучка, притом, что каждая из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конец трубы.

[0015] Аспект 10: Витой теплообменник по любому из Аспектов 1-9, отличающийся тем, что множество зон включает в себя самую внутреннюю зону и крайнюю снаружи зону, причем по меньшей мере одна из самой внутренней зоны и крайней снаружи зоны каждая содержит от 10 до 20 процентов от множества труб.

[0016] Аспект 11: Витой теплообменник по любому из Аспектов 1-10, отличающийся тем, что множество зон включает в себя самую внутреннюю зону и крайнюю снаружи зону, причем по меньшей мере одна из самой внутренней зоны и крайней снаружи зоны каждая содержит менее чем 10 процентов от множества труб.

[0017] Аспект 12: Способ изготовления витого теплообменника, включающий в себя:

(а) формирование теплого пучка, имеющего теплый конец и холодный конец, путем навивания множества труб вокруг сердечника с образованием множества слоев труб, причем множество слоев труб разделено между множеством зон, притом, что множество зон концентрически расположено вдоль всего теплого пучка;

(b) создание кожуха, который определяет пространство внутри кожуха между кожухом и сердечником;

(c) соединение каждой из первой группы трубных решеток с первым подмножеством из множества труб, и, при этом, каждое первое подмножество включает в себя трубы, расположенные во множестве зон, причем первая группа трубных решеток расположена на одном, выбранном из группы, состоящей из теплого конца и холодного конца теплого пучка;

(d) соединение каждой из второй группы трубных решеток со вторым подмножеством из множества труб, притом, что каждое второе подмножество включает в себя трубы, расположенные в одной зоне из множества зон, и, при этом, вторая группа трубных решеток расположена на другом, выбранном из группы, состоящей из теплого конца и холодного конца теплого пучка, чем первая группа трубных решеток; и

(e) обеспечение клапана, ниже по потоку сообщающегося по потоку текучей среды с каждой из второй группы трубных решеток.

[0018] Аспект 13: Способ в соответствии с Аспектом 12, дополнительно включающий в себя:

(f) формирование холодного пучка в пространстве внутри кожуха, причем холодный пучок сообщается по потоку текучей среды по меньшей мере с некоторыми из множества труб.

[0019] Аспект 14: Способ по любому из Аспектов 12-13, дополнительно включающий в себя:

(g) размещение датчика температуры в каждой из множества зон.

[0020] Аспект 15: Способ по любому из Аспектов 12-14, дополнительно включающий в себя:

(h) размещение датчика температуры в каждой из множества зон в пределах средних 50% высоты теплого пучка, причем высота теплого пучка простирается от теплого конца теплого пучка до холодного конца теплого пучка.

[0021] Аспект 16: Способ по любому из Аспектов 12-15, дополнительно включающий в себя:

размещение датчика температуры в каждой из множества зон в пределах средних 20% высоты теплого пучка, причем высота теплого пучка простирается от холодного конца до теплого конца.

[0022] Аспект 17: Система для сжижения подаваемого газа, включающая в себя:

витой теплообменник, содержащий теплый пучок, кожух и пространство внутри кожуха, причем теплый пучок содержит:

теплый конец и холодный конец;

сердечник, расположенный по центру внутри теплого пучка,

пространство внутри кожуха теплого пучка, простирающееся от теплого конца до холодного конца и простирающееся от сердечника к кожуху;

множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем каждая из множества труб имеет первый конец трубы, расположенный на теплом конце теплого пучка, и второй конец трубы, расположенный на холодном конце теплого пучка, притом, что множество труб навито вокруг сердечника с образованием множества витых слоев, и, при этом, множество витых слоев разделено на множество зон, которые концентрически расположены в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем множество труб содержит множество наборов труб, притом, что каждый из множество наборов труб расположен в другой из множества зон;

подающий контур, содержащий трубопровод для подаваемого потока, множество подающих трубных решеток теплого конца, расположенных на теплом конце, множество подающих трубных решеток холодного конца, расположенных на холодном конце, и трубопровод для продукта, и, при этом, множество подающих трубных решеток теплого конца и множество подающих трубных решеток холодного конца сообщаются по потоку текучей среды с первой группой из множества труб, а трубопровод для подаваемого потока, множество подающих трубных решеток теплого конца, множество подающих трубных решеток холодного конца и трубопровод для продукта все сообщаются по потоку текучей среды между собой;

контур хладагента, содержащий замкнутый контур, причем по меньшей мере один контур хладагента включает в себя:

контур сжатия, содержащий по меньшей мере одну ступень сжатия и по меньшей мере один, выбранный из группы, состоящей из промежуточного охладителя и дополнительного охладителя;

трубопровод для потока хладагента;

множество трубных решеток теплого конца для хладагента, ниже по потоку сообщающихся по потоку текучей среды с трубопроводом для потока хладагента;

множество трубных решеток холодного конца для хладагента, расположенных на холодном конце и ниже по потоку сообщающихся по потоку текучей среды со множеством трубных решеток теплого конца для хладагента; и

трубопровод для охлажденного хладагента, ниже по потоку сообщающийся по потоку текучей среды со множеством трубных решеток холодного конца для хладагента;

расширительный клапан, ниже по потоку сообщающийся по потоку текучей среды с трубопроводом для охлажденного хладагента;

трубопровод для расширенного хладагента, ниже по потоку сообщающийся по потоку текучей среды с расширительным клапаном и выше по потоку сообщающийся по потоку текучей среды с пространством внутри кожуха на холодном конце; и

трубопровод для испаренного хладагента, расположенный на теплом конце, притом, что трубопровод для испаренного хладагента ниже по потоку сообщается по потоку текучей среды с пространством внутри кожуха, а выше по потоку сообщается по потоку текучей среды с контуром сжатия;

и, при этом, множество трубных решеток теплого конца для хладагента и множество трубных решеток холодного конца для хладагента сообщаются по потоку текучей среды со второй группой из множества труб;

причем трубопровод для потока хладагента, множество трубных решеток теплого конца для хладагента, множество трубных решеток холодного конца для хладагента и трубопровод для охлажденного хладагента все сообщаются по потоку текучей среды между собой;

притом, что каждая трубная решетка первого, выбранного из группы, состоящей из подающих трубных решеток теплого конца и подающих трубных решеток холодного конца, сообщается по потоку текучей среды только с одним из множества наборов труб, а каждая трубная решетка второго, выбранного из группы, состоящей из подающих трубных решеток теплого конца и подающих трубных решеток холодного конца, сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб.

[0023] Аспект 18: Витой теплообменник в соответствии с Аспектом 17, дополнительно содержащий датчик температуры, расположенный в каждой из множества зон.

[0024] Аспект 19: Витой теплообменник в соответствии с Аспектом 18, отличающийся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 50% высоты пучка.

[0025] Аспект 20: Витой теплообменник в соответствии с Аспектом 18, отличающийся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 20% высоты пучка.

[0026] Аспект 21: Способ эксплуатации витого теплообменника по любому из Аспектов 1-20, включающий в себя:

(а) измерение температуры зоны в каждой из множества зон; и

(b) уменьшение разницы между температурами зон для двух зон из множества зон путем регулирования положения по меньшей мере одного из множества клапанов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР(-Ы)

[0027] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение типичного варианта выполнения системы для сжижения природного газа;

[0028] Фиг. 2, 2A и 2B представляют собой схематическую вертикальную проекцию, вид сверху и снизу, соответственно, для первого типичного витого теплообменника из предшествующего уровня техники;

[0029] Фиг. 3 и 3А представляют собой схематический вид сверху и снизу, соответственно, для второго типичного витого теплообменника из предшествующего уровня техники;

[0030] Фиг. 4, 4A и 4B представляют собой схематическую вертикальную проекцию, вид сверху и снизу, соответственно, для первого типичного варианта выполнения витого теплообменника, в котором воплощен изобретательский замысел по настоящему изобретению; и

[0031] Фиг. 5, 5A и 5B представляют собой схематическую вертикальную проекцию, вид сверху и снизу, соответственно, для второго типичного варианта выполнения витого теплообменника, в котором воплощен изобретательский замысел по настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО(-ЫХ) ВАРИАНТА(-ОВ) РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0032] Последующее подробное описание содержит только предпочтительные типичные варианты реализации изобретения и не предназначено для ограничения объема, применимости или конфигурации изобретения. Скорее, последующее подробное описание предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения предоставит специалистам в данной области техники подробное описание для реализации предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения. Необходимо понимать, что различные изменения могут быть внесены в функцию и расположение элементов без отступления от существа и объема изобретения.

[0033] Для облегчения описания изобретения, в описании и формуле изобретения могут использоваться термины направления с целью описания частей настоящего изобретения (например, верхний, нижний, левый, правый, и т. д.). Указанные термины направления предназначены только для облегчения описания и формулировки пунктов формулы изобретения и никоим образом не предназначены для ограничения изобретения. Кроме того, ссылочные позиции, которые вводятся в описание вместе с чертежом, могут повторяться на одной или большем количестве последующих фигур без дополнительного объяснения в описании, чтобы обеспечить контекст для других признаков.

[0034] В формуле изобретения, буквы используются для обозначения заявленных стадий (например, (а), (b) и (с)). Указанные буквы используются для облегчения ссылки на стадии способа и не предназначены для указания порядка, в котором выполняются заявленные стадии, за исключением случаев и только в той степени, в которой такой порядок конкретно указан в формуле изобретения.

[0035] Термины направления могут использоваться в описании и формуле изобретения для описания частей настоящего изобретения (например, верхний, нижний, левый, правый, и т. д.). Указанные термины направления предназначены только для облегчения описания типичных вариантов реализации изобретения и не предназначены для ограничения объема заявленного изобретения. Как используется в данном документе, термин «выше по потоку (апстрим)» обозначает направление, противоположное направлению потока текучей среды в трубопроводе, начиная от точки отсчета. Подобным образом, термин «ниже по потоку (даунстрим)» обозначает направление, которое совпадает с направлением потока текучей среды в трубопроводе, начиная от точки отсчета.

[0036] Термин «сообщение по потоку текучей среды», используемый в описании и формуле изобретения, обозначает природу связи между двумя или большим количеством элементов, которая позволяет жидкостям, парам и/или двухфазным смесям перемещаться между элементами контролируемым образом (т. е., без утечки), прямо или косвенно. Соединение двух или большего количества элементов таким образом, чтобы они были сообщаются по потоку текучей среды друг с другом, может включать в себя любой подходящий способ, известный в данной области техники, например, при помощи сварных швов, фланцевых трубопроводов, прокладок и болтов. Кроме того, два или большее количество элементов могут быть соединены вместе через другие элементы системы, которые могут их разделять, например, клапаны, заслонки или другие устройства, которые могут выборочно ограничивать или направлять поток текучей среды.

[0037] Термин «трубопровод», используемый в описании и формуле изобретения, обозначает одну или большее количество структур, через которые текучие среды могут транспортироваться между двумя или большим количеством элементов системы. Например, трубопроводы могут включать в себя трубы, каналы, проходы и их комбинации, по которым транспортируются жидкости, пары и/или газы.

[0038] Термин «контур», используемый в описании и формуле изобретения, обозначает группу трубопроводов и другого оборудования, через которые протекает конкретная текучая среда. В открытом контуре вся текучая среда, которая входит в контур со стороны входного конца, также выходит из контура на выходном конце, допуская потери из-за утечки. В замкнутом контуре вся текучая среда в контуре (с учетом потерь из-за утечки, аналогично вышеуказанному) циркулирует по замкнутому контуру через группу трубопроводов и другое оборудование.

[0039] На Фиг. 1 проиллюстрирована типичная система для сжижения природного газа 100, в которой используется витой теплообменник («CWHE») 114, содержащий теплый пучок 112, холодный пучок 113 и кожух 115. Подаваемый поток 101, содержащий природный газ, и поток смешанного хладагента 102 предварительно охлаждаются в системе предварительного охлаждения 104 с образованием предварительно охлажденного подаваемого потока 106 и предварительно охлажденного потока смешанного хладагента 105. Далее, предварительно охлажденный поток смешанного хладагента 105 разделяют на поток пара («MRV») 108 и поток жидкости («MRL») 110 при помощи фазового сепаратора 107. Каждый из предварительно охлажденного подаваемого потока 106 и потока MRV 108 входит в теплый пучок 112 на теплом конце 174 и выходит с холодного конца 176, где каждый из них охлаждается до около -110°C и конденсируется за счет охлаждения, подаваемого в межтрубное пространство CWHE 114 в результате испарения потока расширенного MRL 118, с образованием охлажденного подаваемого потока 116 и охлажденного потока MRV 119. Дополнительно, поток MRL 110 входит в теплый пучок 112 на теплом конце 174 и выходит на холодном конце 176, где он охлаждается до около -110°C с образованием потока переохлажденного MRL 117.

[0040] Давление потока переохлажденного MRL 117 понижают, чтобы получить поток расширенного MRL 118, в то время как охлажденный подаваемый поток 116 и поток охлажденного MRV 119 дополнительно охлаждаются до около -150°C в холодном пучке 113 CWHE 114 с образованием потока продукта 120, содержащего сжиженный природный газ («LNG») и поток переохлажденного жидкого MRV 122, давление которого понижают и направляют в межтрубное пространство холодного пучка 113, где он испаряется, чтобы обеспечить охлаждение.

[0041] Поток испаренного смешанного хладагента 124 выходит из межтрубного пространства CWHE 114 на теплом конце 174, затем его сжимают до 40-70 бар и охлаждают с образованием потока смешанного хладагента 102, завершая, таким образом, цикл охлаждения.

[0042] Необходимо понимать, что система для сжижения природного газа 100, проиллюстрированная на Фиг. 1, рассматривается как типичная и обеспечивает контекст для изобретения. Изобретательский замысел, описанный в данном документе, может быть реализован в тех областях применения, в которых применяется витой теплообменник.

[0043] В каждом из последующих вариантов реализации изобретения, раскрытых в данном документе, элементы, общие с первым вариантом реализации изобретения (система 100), представлены ссылочными позициями, увеличенными на 100. Например, теплый пучок 112, представленный на Фиг. 1, соответствует теплому пучку 212 на Фиг. 2 и теплому пучку 312 на Фиг. 3. В интересах сбалансированности между ясностью и краткостью, некоторые признаки последующих вариантов реализации изобретения, которые являются общими с первым вариантом реализации изобретения, пронумерованы на фигурах, но не упоминаются отдельно в описании.

[0044] На Фиг. 2 проиллюстрирован пример обычной конфигурации контура в пучке CWHE. В этом примере показан подающий контур. Предварительно охлажденный подаваемый поток 206 охлаждается и выходит из теплого пучка 212 как охлажденный подаваемый поток 216 (соответствующий теплому пучку 112 и охлажденному подаваемому потоку 116, соответственно, на Фиг. 1).

[0045] На теплом конце 274 теплого пучка 212, предварительно охлажденный подаваемый поток 206 разделяют на несколько подпотоков 225, 227, которые подаются в трубные решетки теплого конца 226, 228, соответственно. Каждая трубная решетка 226, 228 осуществляет подачу в несколько технологических труб 229a-c, 231a-c, соответственно. Трубные решетки, по сути, представляют собой коллекторы, которые распределяют поток текучей среды из подпотока 225, 227 в технологические трубы 229a-c, 231a-c, которые навиты на сердечник 230 с образованием теплого пучка 212.

[0046] Хотя в этом примере представлены две трубные решетки 226, 228, можно использовать любое количество трубных решеток, в зависимости от количества технологических труб в контуре. Подобным образом, в целях упрощения чертежей, только три типичные технологические трубы 229a-c, 231a-c показаны как сообщающиеся по потоку текучей среды с каждой из трубных решеток 226, 228. Для типичной области применения, связанной с LNG, трубный пучок (обозначающий все технологические трубы в секции витого теплообменника) обычно содержит тысячи труб, навитых в 50-120 концентрических слоев труб вокруг сердечника 230, причем слои разделены осевыми прокладками (не показано). Диаметр типичного трубного пучка составляет от 2 до 5 м, а длина составляет от 5 до 20 м.

[0047] На холодном конце теплого пучка 212, технологические трубы 229a-c, 231a-c объединены в трубные решетки холодного конца 232 и 234, причем охлажденная текучая среда объединяется в охлажденный подаваемый поток 216. Для того, чтобы показать, где каждая типичная технологическая труба 229a-c, 231a-c входит и выходит из теплого пучка 212, каждая из них обозначена на теплом конце 274 и холодном конце 276 теплого пучка 212.

[0048] Фиг. 2A и 2B представляют собой схемы, на которых схематически представлена конфигурация технологических труб на холодном конце 276 и теплом конце 274 теплого пучка 212, соответственно. Теплый пучок 212 разделен на множество радиальных секторов 236-239, которые расположены по окружности вокруг сердечника 230 и каждый из которых проходит от сердечника 230 к кожуху 215. На теплом конце 274 технологические трубы 229a-c, 231a-c от каждой трубной решетки 226 и 228 входят в теплый пучок 212 в одном из радиальных секторов 236 и 238, соответственно. Это приводит к тому, что каждая трубная решетка 226, 228 содержит технологические трубы, которые проходят через несколько слоев теплого пучка 212. Подобным образом, на холодном конце 276 технологические трубы 229a-c, 231a-c, которые выходят из теплого пучка 212 и соединены на трубных решетках 232 и 234, соответственно, выходят из пучка в радиальных секторах 236, 238, соответственно.

[0049] Наличие всех технологических труб для каждой трубной решетки, входящей и выходящей из каждого пучка в одном радиальном секторе, который примыкает к трубным решеткам, позволяет частям технологических труб, которые соединяют пучок с трубной решеткой, быть относительно короткими и позволяет избежать пересечения технологических труб друг с другом. Соответственно, эта конфигурация предпочтительна во многих традиционных областях применения, поскольку она упрощает изготовление CWHE.

[0050] Части теплого пучка 212, не занятые технологическими трубами, через которые протекает предварительно охлажденный подаваемый поток 206, заняты трубами, через которые протекает поток MRV (не показано) или поток MRL (не показано). Такие трубы обычно имеют свои собственные трубные решетки. В целях упрощения чертежей, трубы и трубные решетки для потока MRV или потока MRL опущены.

[0051] На Фиг. 3 представлена конфигурация из предшествующего уровня техники, описанная в патентах США №№ 9562718 и 9982951. В этих источниках предварительно охлажденный подаваемый поток 306 разделяют на три подпотока 346, 348 и 344, каждый из которых осуществляет подачу в трубную решетку теплого конца 333, 328, 326, соответственно. Теплый пучок 312 разделен на концентрические зоны теплообмена - внутреннюю зону 350, среднюю зону 352 и внешнюю зону 354. Все технологические трубы, связанные с каждой из теплых трубных решеток 326, 328, 333, расположены в единой зоне. Например, все технологические трубы 329a-b трубной решетки теплого конца 326 направлены во внешнюю зону 354. Все технологические трубы, связанные с каждой из трубных решеток холодного конца 332, 334, 335, также направлены в одну зону. Например, все технологические трубы 329a-b, которые заканчиваются в трубной решетке холодного конца 334, выводятся из внешней зоны 354. Для упрощения фигур, только технологические трубы 329a-b, связанные с трубной решеткой теплого конца 326 и трубной решеткой холодного конца 334, обозначены на Фиг. 3 и 3А ссылочными позициями.

[0052] Указанная конфигурация приводит к тому, что текучая среда остается разделенной на протяжении всего способа. Например, вся текучая среда, входящая в теплый пучок 312 через подпоток 344, выходит из теплого пучка через подпоток 356. Другими словами, каждая из трубных решеток теплого конца 326, 328, 333 сообщается по потоку текучей среды только с одной из трубных решеток холодного конца 334, 332, 335.

[0053] Конфигурация на Фиг. 3 и 3A предназначена для уменьшения «неравномерного радиального распределения», что означает неравномерное охлаждение текучих сред в разных зонах теплого пучка. С этой целью, CWHE включает в себя клапаны 362, 366, 364 выше по потоку от каждой из трубных решеток теплого конца 326, 328, 333, соответственно, для выравнивания температуры подпотоков 356, 360 и 358, выходящих из трубных решеток холодного конца 334, 332, 335.

[0054] Указанное решение проблемы неравномерного радиального распределения имеет несколько недостатков. Во-первых, создание трубной решетки для каждой зоны может потребовать больше трубных решеток, чем потребовалось бы исключительно на основе количества труб в пучке. Кроме того, данное решение требует размещения дополнительных клапанов на теплом конце теплого пучка.

[0055] На Фиг. 4, 4A и 4B проиллюстрированы типичные варианты реализации изобретения. В этом варианте реализации изобретения, подаваемый поток 406 подают на теплый конец 474 теплого пучка 412 с использованием оптимального количества трубных решеток 426, 428 (в данном случае, двух) для этого теплого пучка 412. Как проиллюстрировано на Фиг. 4B, каждая из технологических труб 429a-c, 431a-c каждой трубной решетки 426, 428 направлена в один радиальный сектор 436, 438, соответственно. Например, все технологические трубы 429a-c трубной решетки 426 входят в пучок в секторе 436.

[0056] На холодном конце 476, технологические трубы 429a-c, 431a-c проходят от теплого пучка 412 к трубным решеткам холодного конца 432, 434, 435 таким образом, что каждая из трубных решеток холодного конца 432, 434, 435 сообщается по потоку текучей среды с технологическими трубами из одной зоны. Например, каждая из технологических труб 429a, 431a из внешней зоны 454 заканчивается трубной решеткой холодного конца 434. Регулирующий клапан 462, 464 и 466 расположен на каждом из подпотоков 460, 458, 456 на холодном конце 476 теплого пучка 412.

[0057] Датчик температуры 468, 470, 472 предусмотрен в каждой из зон 450, 452, 454 в пространстве внутри кожуха теплого пучка 412. Датчики температуры 468, 470, 472 предпочтительно расположены внутри теплого пучка 412 на промежуточном участке, предпочтительно в пределах средних 50% (более предпочтительно, в пределах средних 20%) высоты теплого пучка 412. В качестве альтернативы, датчики температуры 468, 470, 472 могли бы быть расположены на холодном конце 476. Промежуточное положение является предпочтительным, поскольку значения температуры холодного конца не всегда могут отражать неравномерное радиальное распределение.

[0058] В случае обнаружения разницы температур между датчиками температуры 468, 470, 472, поток в соответствующую зону 450, 452, 454 можно регулировать при помощи регулирующего клапана 462, 464 и 466 таким образом, чтобы уменьшить разность температур. Например, если датчик температуры 472 показывает значительно меньшее значение, чем датчик температуры 470, то разность температур может быть уменьшена либо путем постепенного открытия регулирующего клапана 466, либо путем постепенного закрытия регулирующих клапанов 462, 464. Мониторинг датчиков температуры 468, 470, 472 и работа регулирующих клапанов 462, 464 и 466 может регулироваться вручную или при помощи контроллера (не показано). Желательно, чтобы все регулирующие клапаны 462, 464 и 466 были как можно более открытыми, чтобы максимизировать пропускную способность системы. Соответственно, если неравномерное радиальное распределение не обнаружено, все регулирующие клапаны 462, 464 и 466 при обычных условиях будут полностью открыты. Если обнаруживается неравномерное радиальное распределение, то по меньшей мере один из регулирующих клапанов 462, 464 и 466 при обычных условиях будет полностью открыт.

[0059] Хотя показатели температуры выходящих подпотоков 456, 458 и 460 могли бы использоваться для управления клапанами, как в предшествующем уровне техники, использование внутренних значений температуры пучка (т. е., в пространстве внутри кожуха) является предпочтительным. В зависимости от текущей эксплуатации, значения температуры подпотоков на холодном конце могут быть в высокой степени подобными, несмотря на значительные радиальные градиенты температуры в пространстве внутри кожуха на промежуточном участке высоты теплого пучка. Например, если CWHE эксплуатируется с высоким расходом хладагента в межтрубном пространстве относительно расхода во внутритрубном пространстве, то теплообменник может «зажиматься» на холодном конце, и это означает, что разница температур между текучей средой в межтрубном пространстве и текучими средами во внутритрубном пространстве очень маленькая, и разница температур между выходящими подпотоками также очень небольшая.

[0060] Конфигурация, проиллюстрированная на Фиг. 4, позволяет упростить изготовление CWHE по сравнению с вариантом реализации изобретения на Фиг. 3. Количество трубных решеток на теплом конце 474 сокращается до необходимого минимума, в зависимости от количества технологических труб, и позволяет упростить расположение технологических труб на одном конце теплого пучка 412, сохраняя при этом возможность уменьшения неравномерности радиального распределения через зональный контроль потока. Другое преимущество типичного варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 4, состоит в том, что регулирующие клапаны 462, 464 и 466 расположены на холодном конце 476 теплого пучка, где подаваемый поток и потоки MRV по меньшей мере частично сжижены. Это значительно уменьшает размер требуемых клапанов по сравнению с размещением клапанов на теплом конце 474, где эти потоки находятся в газовой фазе.

[0061] В типичном варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 5, конфигурация трубных решеток и регулирующих клапанов обратная, причем зона-специфические трубные решетки 526, 533, 528 и регулирующие клапаны 562, 564, 566 расположены на теплом конце 574, а сектор-специфические трубные решетки 532, 534 расположены на холодном конце 576. Эта конфигурация обеспечивает множество преимуществ для варианта реализации изобретения, проиллюстрированного на Фиг. 4, но, как отмечалось выше, требуются регулирующие клапаны 562, 564, 566 большего размера.

[0062] Необходимо отметить, что количество зон и относительный размер каждой зоны, представленные на Фиг. 3-5, являются просто типичными. В зависимости от области применения, может быть желательным определить большее или меньшее количество зон. Кроме того, может быть желательным определить зоны, которые не равны по радиальной ширине. Например, внешняя зона 554 может быть тоньше (т. е., включать в себя меньшее количество слоев труб), чем внутренняя зона 550. Предпочтительное количество зон и радиальная ширина каждой зоны в конкретной области применения частично зависят от ожидаемого неравномерного радиального распределения. Например, зоны могут быть определены таким образом, чтобы включать в себя по существу одинаковое количество труб в каждой зоне. В альтернативном варианте реализации изобретения, каждая самая внутренняя зона и/или крайняя снаружи зона могли бы быть определены таким образом, чтобы включать в себя от 10% до 20% от общего количества труб в контуре. В еще одном альтернативном варианте реализации изобретения, каждая из самой внутренней и/или крайней снаружи определялась бы как включающая в себя менее чем 10% от общего количества труб в контуре.

[0063] Дополнительно, предпочтительное количество зон может зависеть от количества труб в контуре, который необходимо разделить. Количество труб может диктовать минимальное количество трубных решеток, например, если требуются три трубные решетки, может быть удобно разделить теплообменник на три зоны, даже если для уменьшения ожидаемого неравномерного распределения необходимы только две.

[0064] Кроме того, необходимо отметить, что на всех Фиг. 4-5B проиллюстрированы части теплого пучка 412, 512, связанные с контуром подаваемого газа. В каждом варианте реализации изобретения и как описано в связи с Фиг. 1, дополнительно может быть предусмотрен по меньшей мере один контур смешанного хладагента. Во многих вариантах реализации изобретения может быть предусмотрен контур смешанного парообразного хладагента и контур смешанного жидкого хладагента.

[0065] Радиальные градиенты температуры могут указывать на несоответствие между радиальным распределением хладагента в межтрубном пространстве и радиальным распределением тепловой нагрузки во внутритрубном пространстве. Изобретение позволяет регулировать радиальное распределение потока во внутритрубном пространстве и, следовательно, тепловую нагрузку, чтобы лучше соответствовать радиальному распределению хладагента в межтрубном пространстве, что приводит к уменьшению радиального градиента температуры.

[0066] Предпочтительно, чтобы по меньшей мере один из контуров имел конфигурацию трубной решетки холодного и теплого конца, как в одном из вариантов реализации изобретения на Фиг. 4-4B и Фиг. 5-5B. В некоторых областях применения может потребоваться отрегулировать радиальное распределение только для одного контура, чтобы обеспечить достаточное перераспределение тепловой нагрузки во внутритрубном пространстве для уменьшения радиального градиента температуры. Например, в таких вариантах реализации изобретения подающий контур может иметь конфигурацию трубной решетки в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения, проиллюстрированных на Фиг. 4-4B и Фиг. 5-5B, а каждый из контуров хладагента мог бы иметь конфигурацию трубной решетки, проиллюстрированную на Фиг. 2-2B. В других областях применения может потребоваться отрегулировать радиальное распределение для двух контуров, чтобы обеспечить достаточное перераспределение тепловой нагрузки во внутритрубном пространстве для уменьшения радиального температурного градиента. Например, в одном таком варианте реализации изобретения каждый из подающего контура и контура MRV может иметь конфигурацию трубной решетки в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения, проиллюстрированных на Фиг. 4-4B и Фиг. 5-5B, а контур MRL может иметь конфигурацию трубной решетки, проиллюстрированную на Фиг. 2-2B.

[0067] Таким образом, изобретение было раскрыто с точки зрения его предпочтительных вариантов реализации и альтернативных вариантов реализации. Конечно, различные изменения, модификации и альтернативные варианты принципов настоящего изобретения могут быть рассмотрены специалистами в данной области техники без отступления от существа и объема изобретения. Настоящее изобретение может быть ограничено только прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах сжижения природного газа. Витой теплообменник с охлаждением межтрубного пространства при помощи смешанного хладагента, который адаптирован для уменьшения неравномерного радиального распределения температуры за счет обеспечения трубных решеток на одном конце теплого пучка, каждая из которых соединена с трубными решетками в одной круговой зоне и сообщается по потоку текучей среды с регулирующим клапаном. Каждая из трубных решеток на другом конце теплого пучка соединена с трубными решетками в одной радиальной секции и во множестве круговых зон. Датчик температуры предусмотрен в каждой круговой зоне. Технический результат – коррекция неравномерного радиального распределения температуры для регулирования потока. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Витой теплообменник, содержащий:

кожух;

первый пучок, содержащий

первый конец пучка и второй конец пучка, расположенный дистально по отношению к первому концу пучка;

сердечник, расположенный по центру внутри первого пучка, причем пространство внутри кожуха первого пучка простирается от первого конца пучка до второго конца пучка и проходит от сердечника первого пучка до его кожуха;

множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем каждая из множества труб имеет первый конец трубы, расположенный на первом конце пучка, и второй конец трубы, расположенный на втором конце пучка, причем множество труб навито вокруг сердечника с образованием множества витых слоев, и, при этом, множество витых слоев разделено на множество зон, которые концентрически расположены в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем множество труб содержит множество наборов труб, притом, что каждый из множества наборов труб расположен в другой из множества зон;

первую группу трубных решеток, расположенную на первом конце пучка, причем каждая из первой группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с одним из множества наборов труб на первом конце трубы;

множество клапанов, причем каждый из множества клапанов сообщается по потоку текучей среды с каждой из первой группы трубных решеток и расположен на первом конце пучка; и

вторую группу трубных решеток, расположенную на втором конце пучка, и, при этом, по меньшей мере одна из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конце трубы.

2. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что первый конец пучка является холодным концом первого пучка, а второй конец пучка является теплым концом первого пучка.

3. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что каждая из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды на втором конце трубы с по меньшей мере одной из множества труб из каждого из множества наборов труб.

4. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что конец второго пучка содержит множество секторов, расположенных по окружности вокруг сердечника, причем каждая из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с концами второй трубы, исходящими из одного из множества секторов.

5. Витой теплообменник по п. 1, дополнительно содержащий датчик температуры, расположенный в каждой из множества зон.

6. Витой теплообменник по п. 5, отличающийся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 50% высоты пучка.

7. Витой теплообменник по п. 5, отличающийся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 20% высоты пучка.

8. Витой теплообменник по п. 1, дополнительно содержащий первый впускной трубопровод, сообщающийся по потоку текучей среды с первой группой трубных решеток и второй группой трубных решеток, и второй впускной трубопровод, сообщающийся по потоку текучей среды с третьей группой трубных решеток и четвертой группой трубных решеток.

9. Витой теплообменник по п. 8, отличающийся тем, что третья группа трубных решеток расположена на первом конце пучка, причем каждая из третьей группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на первом конце трубы, а вторая группа трубных решеток расположена на втором конце пучка, причем каждая из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конце трубы.

10. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что множество зон включает в себя самую внутреннюю зону и крайнюю снаружи зону, причем по меньшей мере одна из самой внутренней зоны и крайней снаружи зоны каждая содержит от 10 до 20 процентов от множества труб.

11. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что множество зон включает в себя самую внутреннюю зону и крайнюю снаружи зону, причем по меньшей мере одна из самой внутренней зоны и крайней снаружи зоны каждая содержит менее чем 10 процентов от множества труб.

12. Способ изготовления витого теплообменника, включающий в себя:

(а) формирование теплого пучка, имеющего теплый конец и холодный конец, путем навивания множества труб вокруг сердечника с образованием множества слоев труб, причем множество слоев труб разделено между множеством зон, причем множество зон концентрически расположено вдоль всего теплого пучка;

(b) создание кожуха, который определяет пространство внутри кожуха между кожухом и сердечником;

(c) соединение каждой из первой группы трубных решеток с первым подмножеством из множества труб, и, при этом, каждое первое подмножество включает в себя трубы, расположенные во множестве зон, причем первая группа трубных решеток расположена на одном, выбранном из группы, состоящей из теплого конца и холодного конца теплого пучка;

(d) соединение каждой из второй группы трубных решеток со вторым подмножеством из множества труб, причем каждое второе подмножество содержит трубы, расположенные в одной зоне из множества зон, и, при этом, вторая группа трубных решеток расположена на другом, выбранном из группы, состоящей из теплого конца и холодного конца теплого пучка, чем первая группа трубных решеток; и

(e) обеспечение клапана, ниже по потоку сообщающегося по потоку текучей среды с каждой из второй группы трубных решеток.

13. Способ по п. 12, дополнительно включающий в себя:

(f) формирование холодного пучка в пространстве внутри кожуха, причем холодный пучок сообщается по потоку текучей среды с по меньшей мере некоторыми из множества труб.

14. Способ по п. 12, дополнительно включающий в себя:

(g) размещение датчика температуры в каждой из множества зон.

15. Способ по п. 12, дополнительно включающий в себя:

(h) размещение датчика температуры в каждой из множества зон в пределах средних 50% высоты теплого пучка, причем высота теплого пучка простирается от теплого конца теплого пучка до холодного конца теплого пучка.

16. Способ по п. 12, дополнительно включающий в себя:

размещение датчика температуры в каждой из множества зон в пределах средних 20% высоты теплого пучка, причем высота теплого пучка простирается от холодного конца до теплого конца.

17. Система для сжижения подаваемого газа, включающая в себя:

витой теплообменник, содержащий теплый пучок, кожух и пространство внутри кожуха, причем теплый пучок содержит:

теплый конец и холодный конец;

сердечник, расположенный по центру внутри теплого пучка,

пространство внутри кожуха теплого пучка, простирающееся от теплого конца к холодному концу и простирающееся от сердечника к кожуху;

множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем каждая из множества труб имеет первый конец трубы, расположенный на теплом конце теплого пучка, и второй конец трубы, расположенный на холодном конце теплого пучка, причем множество труб навито вокруг сердечника с образованием множества витых слоев, и, при этом, множество витых слоев разделено на множество зон, которые концентрически расположены в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем множество труб содержит множество наборов труб, причем каждый из множества наборов труб расположен в другой из множества зон;

подающий контур, содержащий трубопровод для подаваемого потока, множество трубных решеток теплого конца, расположенных на теплом конце, множество подающих трубных решеток холодного конца, расположенных на холодном конце, и трубопровод для продукта, и, при этом, множество подающих трубных решеток теплого конца и множество подающих трубных решеток холодного конца сообщаются по потоку текучей среды с первой группой из множества труб, а трубопровод для подаваемого потока, множество подающих трубных решеток теплого конца, множество подающих трубных решеток холодного конца и трубопровод для продукта все сообщаются по потоку текучей среды между собой;

контур хладагента, содержащий замкнутый контур, причем по меньшей мере один контур хладагента содержит:

контур сжатия, содержащий по меньшей мере одну ступень сжатия и по меньшей мере один, выбранный из группы, состоящей из промежуточного охладителя и дополнительного охладителя;

трубопровод для потока хладагента;

множество трубных решеток теплого конца для хладагента, ниже по потоку сообщающихся по потоку текучей среды с трубопроводом для потока хладагента;

множество трубных решеток холодного конца для хладагента, расположенных на холодном конце и ниже по потоку сообщающихся по потоку текучей среды со множеством трубных решеток теплого конца для хладагента; и

трубопровод для охлажденного хладагента, ниже по потоку сообщающийся по потоку текучей среды со множеством трубных решеток холодного конца для хладагента;

расширительный клапан, ниже по потоку сообщающийся по потоку текучей среды с трубопроводом для охлажденного хладагента;

трубопровод для расширенного хладагента, ниже по потоку сообщающийся по потоку текучей среды с расширительным клапаном и выше по потоку сообщающийся по потоку текучей среды с пространством внутри кожуха на холодном конце; и

трубопровод для испаренного хладагента, расположенный на теплом конце, причем трубопровод для испаренного хладагента ниже по потоку сообщается по потоку текучей среды с пространством внутри кожуха, а выше по потоку сообщается по потоку текучей среды с контуром сжатия;

и, при этом, множество трубных решеток теплого конца для хладагента и множество трубных решеток холодного конца для хладагента сообщаются по потоку текучей среды со второй группой из множества труб;

причем трубопровод для потока хладагента, множество трубных решеток теплого конца для хладагента, множество трубных решеток холодного конца для хладагента и трубопровод для охлажденного хладагента все сообщаются по потоку текучей среды между собой;

причем каждая трубная решетка первого, выбранного из группы, состоящей из подающих трубных решеток теплого конца и подающих трубных решеток холодного конца, сообщается по потоку текучей среды только с одним из множества наборов труб, и каждая трубная решетка второго, выбранного из группы, состоящей из подающих трубных решеток теплого конца и подающих трубных решеток холодного конца, сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб.

18. Система для сжижения подаваемого газа по п. 17, дополнительно содержащая датчик температуры, расположенный в каждой из множества зон.

19. Система для сжижения подаваемого газа по п. 18, отличающаяся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 50% высоты пучка.

20. Система для сжижения подаваемого газа по п. 18, отличающаяся тем, что теплый пучок имеет высоту пучка, простирающуюся от холодного конца пучка до теплого конца пучка, и каждый из датчиков температуры расположен в пределах средних 20% высоты пучка.

21. Способ эксплуатации витого теплообменника по п. 1, включающий в себя:

(а) измерение температуры зоны в каждой из множества зон; и

(b) уменьшение разницы между температурами зон для двух зон из множества зон путем регулирования положения по меньшей мере одного из множества клапанов.