Витой теплообменник Российский патент 2023 года по МПК F28D7/02 F25J1/00 F28F27/02 

Витой теплообменник предназначен для теплообмена между потоками в условиях большой площади теплообмена для уменьшения минимальной разности температур между горячим и холодным потоками для сокращения энергозатрат на сжижение и может быть использован при производстве сжиженного природного газа на предприятиях газовой промышленности.

Широкое применение в различных отраслях промышленности нашли жесткие кожухотрубчатые теплообменные аппараты различных модификаций, содержащие кожух с камерами ввода и вывода первого потока, проходящего через прямолинейный трубный пучок, и второго потока, проходящего через межтрубное пространство кожуха (Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Каталог. М.: ОАО «ВНИИНЕФТЕМАШ». - 2003. – 71 с.). Общим недостатком этих конструкций является большой объем межтрубного пространства кожуха, ввиду чего скорость второго потока невелика и, соответственно, низок коэффициент теплоотдачи от второго потока к стенкам труб, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи в теплообменном аппарате в целом. Весьма важно, что эти теплообменные аппараты имеют большую разницу температур между горячим и холодным потоком, обычно минимальная разница в аппарате составляет более 10°С, в криогенных технологиях для уменьшения энергозатрат эту разность температур стараются максимально снизить.

Известен теплообменник, содержащий кожух со змеевиковыми трубками, навитыми на сердечник, размещенными в нем коаксиальными рядами, между смежными из которых установлены проставки, которые расположены по винтовым линиям с чередованием в смежных рядах правой и левой навивок (авторское свидетельство СССР SU 561070, МПК F28D 1/02, заявл. 05.07.1971 г., опубл. 05.06.1977 г.). Недостатком данного изобретения является различное гидравлическое сопротивление локальных струй потока, проходящего по виткам змеевиковых трубок различного диаметра: чем больше диаметр витков и, соответственно, длина змеевика, тем меньше будет скорость локального потока в змеевике и меньше коэффициент теплоотдачи, то есть в каждом последующем витке змеевиковой трубы теплоотдача уменьшается.

Известен применяемый в криогенной технологии, в частности для производства сжиженного природного газа, основной теплообменник для сжижения потока со стороны трубы, использующий теплый конец и холодный конец, при этом основной теплообменник содержит: стенку, образующую сторону корпуса, внутри которой расположен намотанный на спираль пучок труб, расположенный вокруг центральной оправки; первое сопло для подачи первого массового расхода потока со стороны трубы в трубы первой зоны отдельных труб в упомянутом пучке труб на теплом конце упомянутой первой зоны отдельных труб; второе сопло для подачи второго массового расхода указанного потока со стороны трубы в трубы второй зоны отдельных труб в указанном пучке труб на теплом конце указанной второй зоны отдельных труб, причем вторая зона отдельных труб смещена от первой зоны отдельных труб по радиусу, проходящему от указанной центральной оправки до указанной стенки указанного основного теплообменника; распределитель для подачи потока хладагента на указанной стороне корпуса для охлаждения первого и второго массовых потоков с образованием потока испаренного хладагента; линия для удаления потока испаренного хладагента с теплого конца указанного основного теплообменника; первый датчик температуры, который генерирует первый сигнал, указывающий температуру первого массового расхода; второй датчик температуры, который генерирует второй сигнал, указывающий температуру второго массового расхода; и контроллер для выравнивания температуры первого массового расхода потока со стороны трубы в первом осевом местоположении с температурой второго массового расхода потока со стороны трубы в упомянутом первом осевом расположении путем сравнения первого сигнала, указывающего температуру первого массового расхода, со вторым сигналом, указывающим температуру второго массового расхода, и регулировки первого массового расхода потока со стороны трубы, подаваемого указанным первым соплом относительно второго массового расхода со стороны бокового потока трубки, подаваемого указанным вторым соплом для выравнивания первого сигнала со вторым сигналом (патент US 9982951 В2, F25J 1/00, F25J 1/02, F28F 9/00, F28D 7/00, F28D 7/02, F28F 27/02, заявл. 31.03.2011 г., опубл. 21.03.2013 г.). Недостатком данного изобретения является различная длина трех витых теплообменных змеевиков, размещаемых в едином корпусе теплообменного аппарата, при этом один из змеевиков служит для сжижения углеводородного газа, а два других обеспечивают функционирование системы циркуляции легкой (LMR) и тяжелой (HMR) фракций хладагента, что существенно усложняет регулирование работы теплообменного аппарата в целом при изменении производительности установки по вырабатываемому сжиженному природному газу, а также при изменении температуры воздуха, поступающего в холодильник воздушного охлаждения и в холодильник воздушного охлаждения между первым и вторым компрессорами сжатия хладагента.

Известен также наиболее близкий к заявляемому изобретению 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, 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 при том, 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 располагается на первом конце пучка; и вторую группу трубных решеток, расположенную на втором конце пучка, 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 (патент RU 2765593 C1, МПК F28D 7/02, F28F 27/02, F28J 1/00, заявл. 29.04.2021г., опубл. 01.02.2022г.). На фигурах 1 и 2 представлена конфигурация из предшествующего уровня техники, приведенная в прототипе RU 2765593 C1 для случая разделения охлаждаемого потока на три подпотока с использованием следующих обозначений:

306 - поток газа;

312 - теплый пучок;

344, 346, 348 - подпотоки охлаждаемого потока;

356, 358, 360 - подпотоки сжиженного потока газа;

326, 328, 333 - трубная решетка теплого конца;

329a-b - технологические трубы;

330 - сердечник;

332, 334, 335 - трубная решетка холодного конца;

350 - внутренняя зона;

352 - средняя зона;

354 - внешняя зона;

362, 364, 366 - клапаны;

316 - сжиженный поток газа;

374 - теплый конец теплого пучка 312;

376 - холодный конец теплого пучка 312.

Предварительно охлажденный подаваемый поток газа 306 разделяют на три подпотока 346, 348 и 344, каждый из которых осуществляет подачу в трубную решетку теплого конца 333, 328, 326 соответственно. Теплый конец 374 и холодный конец 376 теплого пучка 312 разделены 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. 1 и 2 ссылочными позициями. 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. Конфигурация на фиг. 1 и 2 предназначена для уменьшения неравномерного радиального распределения, означающее неравномерное охлаждение текучих сред в разных зонах теплого пучка. С этой целью теплообменник включает в себя клапаны 362, 366, 364 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 и соединяющихся в единый сжиженный поток газа 316.

Недостатком изобретения является неравномерность теплопередачи в различных рядах витых пучков труб как следствие различного гидравлического сопротивления локальных струй потока, проходящего по виткам змеевиковых трубок различного диаметра: чем больше диаметр витков и, соответственно, длина змеевика, тем меньше будет скорость локального потока в змеевике и меньше коэффициент теплоотдачи, то есть в каждом последующем витке змеевиковой трубы теплоотдача уменьшается. Это существенно усложняет регулирование работы теплообменного аппарата в целом при изменении параметров технологических потоков (производительность, температура, давление, состав) при переходе установки с применением витого теплообменника с одного режима на другой.

В ходе разработки заявляемого изобретения решалась задача конструктивного совершенствования витого теплообменника для выравнивания теплопередачи по слоям витков трубных пучков с обеспечением равной поверхности теплопередачи у всех витков.

Поставленная задача решается за счет того, что витой теплообменник, включающий: кожух; множество пучков, содержащих 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 от сердечника первого пучка до его кожуха; множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем у каждой из множества труб первый конец трубы располагают на первом конце пучка, а второй конец трубы - на втором конце пучка, причем множество труб навивают вокруг сердечника с образованием множества витых слоев, при этом множество витых слоев разделяют на множество зон, которые концентрически располагают в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем предусматривают множество труб, содержащее множество наборов труб при том, что каждый из множества наборов труб располагают в другой из множества зон; первую группу трубных решеток, расположенную на первом конце пучка, причем каждую из первой группы трубных решеток сообщают по потоку текучей среды с одним из множества наборов труб на первом конце трубы; множество клапанов, при этом каждый из множества клапанов сообщают по потоку текучей среды с каждой из первой группы трубных решеток и располагают на первом конце пучка; и вторую группу трубных решеток, расположенную на втором конце пучка, при этом по меньшей мере одну из второй группы трубных решеток сообщают по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конце трубы; распределители хладагента, расположенные внутри корпуса аппарата для равномерного распределения подачи хладагента по диаметру аппарата; опоры трубных пучков, закрепленные на сердечнике; разделители труб, закрепленные на опорах трубных пучков и расположенные между слоями навивки, при этом все витые трубы пучков труб множества зон теплообменника выполняют одинакового диаметра, потоки текучей среды и хладагента, входящие при разных температурах, выводят из множества труб пучка труб при одинаковой температуре.

В этом случае все витые трубы теплообменника имеют одинаковую поверхность теплообмена и обеспечивают равные условия теплопередачи для множества труб пучка любой из множества зон, а потоки текучей среды и хладагента, входящие в соответствующие пучки труб витого теплообменника в жидкой фазе при разных температурах, выходят из множества труб пучка труб при одинаковой температуре, поскольку при переходе потока охлаждаемого жидкого хладагента из трубного пучка в межтрубное пространство происходит его дросселирование с последующим испарением жидкого хладагента в межтрубном пространстве при постоянной температуре с поглощением теплоты испарения, отбираемой у охлаждаемых потоков текучей среды и хладагента в трубном пространстве.

Целесообразно витки первой трубы на стержне навивать плотно друг к другу, что позволит заранее рассчитать длину первой трубы множества труб пучка труб множества зон по уравнению:

где l_ТР - длина трубы,

L - длина стержня,

D - диаметр стержня,

d - наружный диаметр трубы,

тогда длина любой трубы множества труб пучка труб множества зон рассчитывается по уравнению:

где z - номер витка трубы,

k - расстояние между витками трубы.

При плотной навивке первой трубы на стержень k=0, z=1, и уравнение (2) превращается в тождество, что подтверждает справедливость полученных уравнений.

Заявляемое изобретение обеспечивает гибкость конструктивного решения: по приведенным уравнениям можно рассчитать как зазоры между витками по заданной длине труб, так и длину труб при заданной величине зазоров между витками.

На фигуре 3 представлена схема одного из возможных вариантов реализации заявленного витого теплообменника с использованием следующих обозначений:

31 - корпус;

32 - сердечник;

33-35 - трубы трубных пучков;

36 - трубные решетки верхних распределительных камер;

37 - трубные решетки нижних распределительных камер;

38 - контур захолаживания хладагентов.

Витой теплообменник представляет собой корпус 31 с сердечником 32, на котором спирально навиты трубы трубных пучков 33, 34 и 35, по которым подают исходный природный газ по потокам 1 и 2 в нижние концы труб трубных пучков 33, 34 и 35, закрепленных в трубных решетках нижних распределительных камер 37. Верхние концы труб трубных пучков 33, 34 и 35 закреплены в трубных решетках верхних распределительных камер 36, из которых подаются соответственно охлаждаемый природный газ по потокам 3 и 4, легкий и тяжелый хладагенты по потокам 5 и 6. Каждая витая труба каждого трубного пучка включает одинаковую поверхность, что позволяет легко формировать необходимую поверхность теплообмена для каждого из трех трубных пучков в зависимости от переносимого количества тепла и коэффициента теплопередачи каждого потока в отдельности. По потоку 7 хладагент поступает в контур захолаживания хладагента 38 и по потокам 8 и 9 поступает обратно в витой теплообменник.

На фигуре 4 представлен фрагмент теплообменника с навивкой первого ряда труб с использованием следующих обозначений:

41 - первый виток спирального трубного пучка;

42 - сердечник.

Первый виток спирального трубного пучка 41 для охлаждаемого природного газа плотно наматывается на сердечник 42.

На фиг. 5 представлен один из вариантов компоновки пучков в объеме витого теплообменника, в котором природный газ по потоку 51 подается в нижнюю часть теплообменника в трубы трубного пучка, навитого на сердечник, и поднимается вверх, проходя последовательно нижнюю и верхнюю зоны охлаждения, создаваемые тяжелым и легким хладагентами, и по потоку 52 выводится сжиженный природный газ. Тяжелый хладагент по потоку 56 подается в нижнюю часть теплообменника в трубы трубного пучка, проходит нижнюю зону охлаждения, выводится из средней части теплообменника по потоку 58, расположенной выше нижней зоны охлаждения, дросселируется и подается в межтрубное пространство нижней зоны охлаждения по потоку 57, охлаждая поток легкого хладагента, поток тяжелого хладагента и поток природного газа. Легкий хладагент по потоку 53 подается в нижнюю часть теплообменника в трубы трубного пучка, проходит верхнюю зону охлаждения, выводится из верхней части теплообменника по потоку 55, расположенной выше верхней зоны охлаждения, дросселируется и подается в межтрубное пространство верхней зоны охлаждения по потоку 54, при этом охлаждая встречные потоки легкого хладагента и природного газа, движущиеся по трубам трубных пучков. В межтрубном пространстве легкий хладагент движется сверху вниз и выводится через нижний штуцер в контур захолаживания хладагентов по потоку 59.

Таким образом, изобретение позволяет разработать витой теплообменник, обеспечивающий равную поверхность теплопередачи у всех витков.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при производстве сжиженного природного газа на предприятиях газовой промышленности. Витой теплообменник, включающий: кожух, первый пучок, сердечник, множество труб, первую и вторую группу трубных решеток, множество клапанов, распределители хладагента, опоры трубных пучков, разделители труб, а также витые трубы пучков труб множества зон теплообменника одинакового диаметра; при этом потоки текучей среды и хладагента, входящие при разных температурах, выводят из множества труб пучка труб при одинаковой температуре.

Изобретение позволяет разработать витой теплообменник, обеспечивающий равную поверхность теплопередачи у всех витков для выравнивания теплопередачи по слоям витков трубных пучков. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Витой теплообменник, включающий: кожух; множество пучков, содержащих 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 от сердечника первого пучка до его кожуха; множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем у каждой из множества труб первый конец трубы располагают на первом конце пучка, а второй конец трубы - на втором конце пучка, причем множество труб навивают вокруг сердечника с образованием множества витых слоев, при этом множество витых слоев разделяют на множество зон, которые концентрически располагают в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем предусматривают множество труб, содержащее множество наборов труб при том, что каждый из множества наборов труб располагают в другой из множества зон; первую группу трубных решеток, расположенную на первом конце пучка, причем каждую из первой группы трубных решеток сообщают по потоку текучей среды с одним из множества наборов труб на первом конце трубы; множество клапанов, при этом каждый из множества клапанов сообщают по потоку текучей среды с каждой из первой группы трубных решеток и располагают на первом конце пучка; и вторую группу трубных решеток, расположенную на втором конце пучка, при этом по меньшей мере одну из второй группы трубных решеток сообщают по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конце трубы; распределители хладагента, расположенные внутри корпуса аппарата для равномерного распределения подачи хладагента по диаметру аппарата; опоры трубных пучков, закрепленные на сердечнике; разделители труб, закрепленные на опорах трубных пучков и расположенные между слоями навивки, отличающийся тем, что все витые трубы пучков труб множества зон теплообменника выполняют одинакового диаметра, потоки текучей среды и хладагента, входящие при разных температурах, выводят из множества труб пучка труб при одинаковой температуре.

2. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что витки первой трубы на стержне навивают плотно друг к другу.

3. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что длину первой трубы множества труб пучка труб множества зон рассчитывают по уравнению:

,

где l_ТР – длина трубы,

L – длина стержня,

D – диаметр стержня,

d – наружный диаметр трубы.

4. Витой теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что длину любой трубы множества труб пучка труб множества зон рассчитывают по уравнению:

где z – номер витка трубы,

k – расстояние между витками трубы.