Теплообменник, содержащий ультразвуковой датчик для определения толщины стенок теплообменной трубки теплообменника, и способ эксплуатации такого теплообменника Российский патент 2024 года по МПК G01N29/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к теплообменникам, в частности к теплообменнику высокого давления для синтеза мочевины, включающему группу теплопередающих трубок для транспортировки первой текучей среды с целью передачи тепла между первой текучей средой и второй текучей средой через теплопередающие трубки.

Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации теплообменника.

Уровень техники

Из уровня техники известно использование теплообменника для обмена тепловой энергией между первым потоком текучей среды и вторым потоком текучей среды. Теплообменник нередко содержит группу теплопередающих трубок для транспортировки первого потока текучей среды, чтобы передать тепло второму потоку текучей среды, протекающему вокруг теплопередающих трубок, или поглотить тепло от указанного второго потока текучей среды через теплопередающие трубки. В процессе синтеза мочевины обычно используются теплообменники, в которых первый или второй потоки текучей среды характеризуются высоким давлением, обычно более 30 бар, и высокой температурой, обычно более 80°C. Таким образом, транспортировка первого потока текучей среды через теплообменные трубки часто сопровождается, в частности, коррозионным и/или эрозионным разрушением материала стенок теплообменных трубок или образованием отложений внутри теплообменных трубок, так что толщина стенок теплообменных трубок изменяется, в частности, уменьшается, во время работы теплообменника. Ухудшение целостности стенок теплообменных трубок может быть неблагоприятным фактором в части снижения безопасности работы оборудования.

Для этого в нерабочем состоянии теплообменника в соответствующую теплопередающую трубку обычно вставляют измерительный зонд, чтобы определить внутренний радиус или толщину стенки теплопередающей трубки. Известны также измерительные зонды, содержащие ультразвуковой датчик, оптический датчик или токовихревой датчик для определения толщины стенки трубки.

В частности, в случае теплообменников, работающих при давлении более 30 бар и высокой температуре первого и/или второго потока текучей среды более 80 °C, такой вид прерывания работы оборудования для определения толщины стенок теплообменных труб обычно является трудоемким процессом и связан высокими затратами.

Раскрытие изобретения

Таким образом, настоящее изобретение направлено на данный аспект эксплуатации оборудования. Задача данного изобретения заключается в создании теплообменника указанного типа, который характеризуется возможностью проведения оптимизации в части удобства работы с данным устройством, в частности, в части создания оптимизированных условий эксплуатации теплообменника.

Ещё одной задачей настоящего изобретения является создание способа эксплуатации теплообменника, который обеспечивал бы возможность оптимального применения или эксплуатации указанного теплообменника.

В соответствии с настоящим изобретением, выполнение указанной задачи данного изобретения достигается при наличии теплообменника вышеуказанного типа, в котором ультразвуковой датчик соответственно установлен на по меньшей мере одной из указанных теплопередающих трубок для определения толщины стенок указанных теплопередающих трубок по месту их эксплуатации, при этом соответствующий ультразвуковой датчик выполнен с возможностью функционирования при рабочем давлении более 30 бар и/или при рабочей температуре более 80°C, причём соответствующий ультразвуковой датчик выполнен соединенным с электронным блоком сбора данных для передачи данных с целью передачи данных измерений на электронный блок сбора данных во время работы теплообменника.

В основу изобретения положена идея повышения простоты и удобства использования теплообменников, выполненных с возможностью функционирования при высоком рабочем давлении и/или высокой рабочей температуре первой и/или второй текучих сред, где толщина стенки трубок теплообменника определяется по месту их эксплуатации, то есть локально по теплообменнику или теплообменным трубкам, и, как правило, в процессе работы, то есть при эксплуатации указанного теплообменника. Таким образом, эксплуатация, в частности, управление процессом и/или техническое обслуживание теплообменника может осуществляться в зависимости от определенной толщины стенок теплопередающих трубок. В частности, нет необходимости прерывать работу теплообменника для определения толщины стенки теплопередающей трубки.

Работа теплообменника означает состояние, в котором первая текучая проходит по теплопередающим трубам, чтобы обмениваться теплом со второй текучей средой через теплопередающие трубки. Высокое рабочее давление и высокая рабочая температура означают, что рабочее давление первой текучей среды и/или второй текучей среды составляет более 30 бар, а их рабочая температура составляет более 80°C, соответственно. В частности, рабочее давление составляет от 30 бар до 200 бар, предпочтительно около 180 бар, и/или рабочая температура составляет от 80°C до 300°C, предпочтительно около 230°C. Обычно первая и/или вторая текучая среды имеют во время работы теплообменника рабочее давление такого типа и рабочую температуру такого типа, или же теплообменник выполнен с возможностью данного типа эксплуатации. Соответственно, предпочтительно, если соответствующий ультразвуковой датчик рассчитан на рабочее давление и рабочую температуру, соответствующие рабочему давлению и рабочей температуре в теплообменнике, соответственно. При этом, указанный теплообменник предпочтительно представляет собой теплообменник высокого давления.

Особенно предпочтительно, если теплообменник представляет собой стриппер для проведения стриппинг-процесса. При этом предпочтительно, если указанный стриппер используется для синтеза мочевины. Стриппер может быть использован для синтеза мочевины путем проведения стриппинг-процесса, обычно внутри теплопередающих трубок.

Обычно, соответствующий ультразвуковой датчик установлен на соответствующей теплопередающей трубке таким образом, что данный ультразвуковой датчик находится в одной из текучих сред, предпочтительно во второй текучей среде, во время работы теплообменника. Оказалось эффективным, если соответствующий ультразвуковой датчик установлен на внешней стороне теплообменной трубки, обычно во второй текучей средство время работы теплообменника. Обычно, во время работы теплообменника, вторая текучая среда имеет вышеупомянутое рабочее давление и/или вышеупомянутую рабочую температуру, или теплообменник выполнен с возможностью выполнения работы такого типа. При этом, ультразвуковой датчик обычно располагается на стенке соответствующей теплообменной трубки, чтобы определять толщину стенки указанной трубки путем излучения ультразвукового сигнала в стенку этой трубки. Как правило, ультразвуковой сигнал может излучаться и отраженный ультразвуковой сигнал может быть обнаружен с помощью ультразвукового датчика. Теплообменник обычно включает в себя один, предпочтительно несколько ультразвуковых датчиков такого типа. Как правило, теплообменник или ультразвуковой датчик предназначен для определения по месту эксплуатации трубки и в процессе работы оборудования толщины стенки соответствующей теплопередающей трубки, или же толщина стенки соответствующей теплопередающей трубки определяется по месту эксплуатации и в процессе работы с помощью ультразвукового датчика.

Предпочтительно, чтобы соответствующий ультразвуковой датчик был соединен с электронным блоком сбора данных для передачи данных. Таким образом, данные измерений могут передаваться от ультразвукового датчика к блоку сбора данных во время работы теплообменника. Для передачи данных ультразвуковой датчик и блок сбора данных обычно подключаются к сигнальной линии, в частности, электрической. Предпочтительно, чтобы сигнальная линия была выполнена с возможностью симметричной передачи сигнала. Линия передачи сигналов обычно выполнена в виде кабеля. Предпочтительно, когда линия передачи сигналов представляет собой коаксиальный кабель. В соответствии с изобретением может быть предусмотрено несколько электронных блоков сбора данных, при этом различные ультразвуковые датчики могут быть подключены к различным электронным блокам сбора данных для передачи данных. Группа ультразвуковых датчиков может быть подключена к одному и тому же электронному блоку сбора данных для передачи данных. При этом, может быть также предусмотрено, что управление соответствующим ультразвуковым датчиком осуществляется с помощью электронного блока сбора данных, к которому ультразвуковой датчик подключен для передачи данных.

Теплопередающие трубки обычно предназначены для транспортировки первой текучей среды с целью передачи тепла между первой текучей средой и второй текучей средой через стенки теплопередающих трубок. Предпочтительно, чтобы во время работы теплообменника вторая текучая среда находилась, в частности, в непосредственном контакте с теплопередающими трубками или стенками данных трубок. Первая текучая среда, как правило, представляет собой первый поток текучей среды, проходящий через теплообменные трубки во время работы теплообменника. Во время работы теплообменника, вторая текучая среда может быть вторым потоком текучей среды, который обычно течет вокруг теплообменных трубок. Вторая текучая среда обычно имеет давление более 30 бар, в частности, от 30 бар до 200 бар, предпочтительно около 180 бар, и/или температуру более 80 °C, в частности, от 80 °C до 300 °C, предпочтительно около 230 °C. Первая текучая среда может иметь более высокое давление и/или более высокую температуру, чем вторая текучая среда.

Теплообменник обычно имеет камеру текучей среды для размещения второй текучей среды, в которой теплопередающие трубки проходят внутри камеры текучей среды. Камера текучей среды обычно образует полость камеры текучей среды между стенками камеры текучей среды и теплопередающими трубками, чтобы вместить вторую текучую среду в полость камеры текучей среды для передачи тепла между первой текучей средой и второй текучей средой. Теплопередающие трубки обычно проходят через полость камеры текучей сред. Обычно предусматривается, что во время работы теплообменника вторая текучая среда проходит через полость камеры текучей среды, в частности, так, что вторая текучая среда течет вокруг теплопередающих трубок. Представляется целесообразным, если полость камеры текучей среды может быть выполнена в виде одного или нескольких каналов, чтобы проводить вторую текучую среду по каналам во время работы теплообменника. Камера текучей среды обычно включает в себя по меньшей мере одно входное отверстие камеры текучей среды и по меньшей мере одно выходное отверстие камеры текучей среды для ввода второй текучей среды в камеру текучей среды, в частности в полость камеры текучей среды, через входное отверстие камеры текучей среды и удаления второй текучей среды, обычно после теплообмена между первой текучей средой и второй текучей средой, из камеры текучей среды, в частности из полости камеры текучей среды, через выходное отверстие камеры текучей среды. Камера текучей среды обычно выполняется таким образом, что она состоит, в частности, из металла, предпочтительно из железного сплава железа, особенно предпочтительно из высоколегированной стали, например из аустенитной стали.

Обычно теплопередающие трубки расположены на расстоянии друг от друга, по крайней мере, на участках, так что во время работы теплообменника вторая текучая среда может протекать между теплопередающими трубками для передачи тепла к теплопередающим трубкам. В частности, это касается внутренней части камеры текучей среды или ее полости.

Как правило, первая текучая среда и вторая текучая среда могут быть жидкими и/или газообразными. Например, первая текучая среда и вторая текучая среда могут быть образованы так, что они состоят, в частности, из жидкой и газообразной воды. Может быть предусмотрено, что первая текучая среда и вторая текучая среда образованы так, что они состоят, в частности, из жидкой среды и газообразной среды, где во время работы теплообменника жидкая среда и газообразная среда соответствующей текучей среды протекают через теплообменник в противоположных направлениях, как правило, так, что они контактируют друг с другом. Например, первая текучая среда может быть образована так, что она включает жидкую среду и газообразную среду, при этом в соответствующей теплопередающей трубке среды протекают через теплопередающую трубку в противоположных направлениях, в частности так, что они контактируют друг с другом, во время работы теплообменника.

Теплопередающие трубки обычно проходят между первой трубчатой пластиной и второй трубчатой пластиной, где трубчатые пластины ограничивают полость камеры текучей среды для размещения второй текучей среды, где теплопередающие трубки заканчиваются в проходных отверстиях соответствующей трубчатой пластины или проходят через проходные отверстия. Как правило, текучая среда, подаваемая через проходные отверстия одной из пластин, проходит через теплопередающие трубки к проходным отверстиям другой пластины. Теплопередающие трубки обычно соединены с трубчатыми пластинами герметичным образом. Как правило, соответствующая трубчатая пластина имеет форму пластины с группой проточных каналов, ориентированных поперечно, в частности, ортогонально, продольному продолжению трубчатой пластины, которые образуют соответствующие проходные отверстия. Трубчатые пластины могут быть выполнены в виде частей стенок камеры текучей среды. Теплообменник обычно включает в себя по меньшей мере одну первую и по меньшей мере одну вторую трубчатые пластины такого типа. Трубчатые пластины обычно образованы так, что они состоят, в частности, из металла, предпочтительно из железного сплава, особенно предпочтительно из высоколегированной стали, например из аустенитной стали.

В камере текучей среды присутствовать одна или более направляющих поверхностей для определения траектории потока второй текучей среды с помощью направляющих поверхностей. Соответствующая направляющая поверхность, как правило, выполнена таким образом, чтобы препятствовать, на отдельных участках, потоку второй текучей среды между теплообменными трубками. Поверхности, направляющие текучую среду, могут определять траекторию потока с группой отклоняющихся кривых, по которой вторая текучая среда направляется от входного отверстия камеры текучей среды к выходному отверстию камеры текучей среды. Например, траектория потока может иметь извилистую форму. Как правило, группа теплопередающих трубок проходят через соответствующую направляющую поверхность. Обычно в конструкции предусмотрено несколько направляющих поверхностей, пересекающих теплообменные трубки и расположенных на расстоянии друг от друга. Соответствующая направляющая поверхность для текучей среды обычно ориентирована поперечно, в частности, ортогонально, продольному прохождению теплообменных трубок. Обычно конструкцией предусмотрено несколько поверхностей для направления текучей среды, которые расположены на расстоянии друг от друга в продольном направлении теплопередающих трубок. Как правило, промежуточное пространство между группой теплообменных трубок по существу закрыто соответствующей поверхностью для направления текучей среды, чтобы препятствовать потоку второй текучей среде, идущему через промежуточное пространство. Соответствующая поверхность, направляющая текучую среду, может быть выполнена таким образом, чтобы закрывать большую часть промежуточных пространств между трубками для термической обработки от потока второй текучей среды в поперечном сечении через камеру для текучей среды. Поверхности для направления текучей среды могут быть образованы с помощью направляющих стенок, расположенных в камере текучей среды. Направляющие поверхности для текучей среды обычно имеют форму пластин. Камера текучей среды обычно включает в себя одну или несколько направляющих поверхностей такого типа.

Как правило, группа теплопередающих трубок соединены друг с другом стабилизирующими элементами для стабилизации теплопередающих трубок во время работы теплообменника. Соответствующий стабилизирующий элемент может быть выполнен в форме пластины, при этом продольное расширение стабилизирующего элемента обычно ориентировано поперечно, в частности, ортогонально, продольному расширению теплопередающих трубок, соединенных стабилизирующим элементом. Как правило, теплопередающие трубки проходят через стабилизирующий элемент. Стабилизирующие элементы обычно называются перегородками. Обычно, вдоль направления прохождения теплопередающих трубок предусмотрено несколько стабилизирующих элементов, расположенных на расстоянии друг от друга и соединяющих теплопередающие трубки друг с другом. В частности, поверхности для направления текучей среды могут быть образованы стабилизирующими элементами. Стабилизирующие элементы могут служить как для стабилизации теплопередающих трубок, так и для формирования траектории потока второй текучей среды.

Предпочтительно, если соответствующий ультразвуковой датчик установлен в зоне установки на соответствующей теплопередающей трубке, где область установки, в частности, в направлении потока первой текучей среды через теплопередающую трубку, определяется первой третью продольной протяженности теплопередающей трубки внутри камеры текучей среды или полости камеры текучей среды. Зона установки соответствующей теплопередающей трубки проходит, в частности, в направлении потока первой текучей среды, обычно начиная от входа теплопередающей трубки в камеру текучей среды, вдоль продольной протяженности теплопередающей трубки с длиной 30%, в частности 20%, предпочтительно 10% от продольной протяженности теплопередающей трубки внутри камеры текучей среды или полости камеры текучей среды. Было показано, что удаление материала или износ теплопередающей трубки обычно особенно велики в этой зоне установки соответствующей теплопередающей трубки, поэтому ультразвуковые датчики предпочтительно устанавливать в этой зоне.

Предпочтительно, если электронный блок сбора данных расположен вне камеры текучей среды, в частности, в полости камеры текучей среды. Таким образом, электронный блок сбора данных защищен от нагрузок, в частности, нагрузок давления и/или температурных нагрузок, в частности, первой и второй текучих сред. Блок сбора данных обычно включает в себя микроконтроллер или может быть выполнен в виде ЭВМ. Электронный блок сбора данных обычно предназначен для приема данных измерений, в большинстве случаев через один или несколько аппаратных интерфейсов, от одного или нескольких ультразвуковых датчиков. Электронный блок сбора данных может быть предназначен для обработки, сбора и/или передачи данных измерений. Например, данные измерений могут передаваться из электронного блока сбора данных в электронный центральный блок данных, который может быть предназначен для вывода, в частности, в обработанном виде, данных и/или отображения этих данных для пользователя. Как правило, теплообменник включает в себя один или несколько электронных блоков сбора данных.

Оказалось эффективным решением, если соответствующий ультразвуковой датчик соединен с блоком сбора данных для передачи данных по линии передачи сигналов, при этом указанная линия передачи сигналов проходит, в частности, в камере текучей среды, по крайней мере частично внутри защитной трубки, предпочтительно выполненной из металла, чтобы защитить линию передачи сигналов, в частности, от нагрузки, создаваемой первой или второй текучими средами. Предпочтительно, если защитная трубка образует объем, отделенный от первой текучей среды и второй текучей среды, внутри которого, в частности, через него, проходит линия передачи сигналов. Защитная трубка может быть соответствующим образом соединена с ультразвуковым датчиком. Указанный объем, как правило, отделен от полости камеры для жидкости. Как правило, сигнальная линия проходит внутри защитной трубки в камере для жидкости. Защитная трубка обычно простирается от соответствующего ультразвукового датчика до стенки камеры для жидкости, в частности, полости камеры для жидкости. Предпочтительно, если защитная трубка соединена с корпусом датчика соответствующего ультразвукового датчика таким образом, что защитная трубка, предпочтительно вместе с корпусом датчика, определяет объем, отделенный от первой жидкости и второй жидкости, или объем, отделенный от полости камеры жидкости, во время работы теплообменника, в котором проходит сигнальная линия. Защитная трубка обычно герметично соединена с соответствующим ультразвуковым датчиком, в частности, с его корпусом. Защитная трубка может быть герметично соединена со стенкой камеры текучей среды, в частности с полостью камеры текучей среды, или проходить через стенку камеры текучей среды. Камера текучей среды может содержать проходной канал, с помощью которого линия передачи сигналов проходит через стенку камеры текучей среды, в частности, выходит из камеры текучей среды. При этом, защитная трубка может быть герметично соединена со стенкой камеры текучей среды через проходной канал линии передачи сигналов. Как правило, по существу, вся длина линии передачи сигналов проходит внутри защитной трубки между ультразвуковым датчиком и стенкой камеры текучей среды или проходным каналом линии передачи сигналов.

Защитная трубка может быть соединена, как правило, герметичным образом, с ультразвуковым датчиком, в частности с корпусом датчика, с использованием посадки с натягом, посадки с геометрическим замыканием формы и/или посредством физического соединения. Защитная трубка может быть соединена, как правило, герметично, с проходом линии передачи сигналов или стенкой камеры текучей чреды использованием посадки с натягом, посадки с геометрическим замыканием формы и/или посредством физического соединения. Предпочтительно, чтобы с одной стороны защитная трубка была физически соединена, в частности сваркой, с соответствующим ультразвуковым датчиком, в частности с корпусом датчика, и/или с другой стороны защитная трубка была бы соединена, предпочтительно с использованием посадки с натягом и/или и/или посредством физического соединения, посредством клинового соединения, с проходным каналом для прохождения линии передачи сигналов, с помощью которого указанная линия передачи сигналов проходит через камеру текучей среды. Сварное соединение обеспечивает нагружаемое и компактное соединение на ультразвуковом датчике. На стенке камеры текучей среды или на проходном канале сигнальной линии, как правило, не требуется много места для присоединения защитной трубки, поэтому представляется целесообразным применение соединения коническим призонным болтом. В альтернативном варианте, защитная трубка может быть также соединена с помощью физического соединения, в частности посредством сварки, со стенкой камеры текучей среды или проходным каналом линии передачи сигналов. Теплообменник предпочтительно включает в себя одну или несколько защитных трубок такого типа. В частности, несколько защитных трубок, соединенных с различными ультразвуковыми датчиками, могут быть соединены друг с другом таким образом, что они образуют общий объем, чтобы провести соответствующие сигнальные линии через этот общий объем.

Защитная трубка обычно выполнена таким образом, что она состоит, в частности, из металла. Предпочтительно, если защитная трубка выполнена таким образом, что она состоит, в частности, из железного сплава, предпочтительно из высоколегированного сплава, предпочтительно из аустенитной стали. Таким образом, внутри защитной трубки или внутри ультразвукового датчика предпочтительно может быть создана другая атмосфера, в частности, по составу элементов данной атмосферы, чем в камере текучей среды. Указанная атмосфера, в частности состав элементов данной атмосферы, внутри защитной трубки или внутри ультразвукового датчика может по существу соответствовать окружающей атмосфере теплообменника.

Соответствующий ультразвуковой датчик обычно предназначен для излучения ультразвукового сигнала и приема ультразвукового сигнала, который отражается, как правило, от одного или нескольких интерфейсов. Ультразвуковой сигнал обычно представляет собой ультразвуковую волну. На основе временного интервала, в частности сравнения, между излучаемым и принимаемым ультразвуковым сигналом можно определить расстояние между интерфейсами. Преимущественно, ультразвуковой сигнал может излучаться в соответствующую теплопередающую трубку, в частности в ее стенку, с помощью ультразвукового датчика, а ультразвуковые сигналы, отраженные от поверхностей, в частности от внешней и внутренней стенок теплопередающей трубки, могут быть приняты с помощью ультразвукового датчика, чтобы определить толщину стенки теплопередающей трубки. Соответствующий ультразвуковой датчик обычно включает в себя пьезоэлектрический кристалл для излучения ультразвукового сигнала и приема отраженного ультразвукового сигнала. Пьезоэлектрический кристалл, как правило, является частью пьезоэлектрического элемента. Приведение в действие пьезоэлектрического кристалла или пьезоэлектрического элемента обычно происходит через сигнальную линию. Предпочтительно, если пьезоэлектрический кристалл выполнен таким образом, что он состоит, в частности, из керамики на основе цирконато-титаната свинца (керамика PZT). Пьезоэлектрический кристалл может быть выполнен в форме пластины и в направлении излучения ультразвукового сигнала иметь толщину менее 3 мм, в частности менее 1 мм, предпочтительно менее 0,5 мм, особенно предпочтительно от 0,1 мм до 0,15 мм. Обычно толщина составляет более 0,05 мм. Ультразвуковой датчик обычно располагается на теплопередающей трубке таким образом, что направление излучения ультразвукового сигнала является поперечным, в частности, по существу ортогональным, к продольной протяженности теплопередающей трубки.

Обычно соответствующий ультразвуковой датчик встроен и, в частности, установлен на соответствующей теплопередающей трубке, в частности, на ее стенке, таким образом, что ультразвуковой сигнал может излучаться в соответствующую теплопередающую трубку, в частности, на ее стенку, с помощью ультразвукового датчика, а ультразвуковые сигналы, отраженные от внешней и внутренней стенок теплопередающей трубки, в частности, ее стенки, могут быть приняты с помощью ультразвукового датчика, чтобы определить толщину стенки теплопередающей трубки. По временному интервалу, в частности, по сравнению между излучаемыми и принимаемыми ультразвуковыми сигналами, можно определить расстояние между внутренней и внешней стенками теплопередающей трубки, в частности, ее стенки, чтобы определить толщину стенки теплопередающей трубки. Ультразвуковой датчик обычно расположен на теплопередающей трубке таким образом, что ультразвуковой сигнал излучается в теплопередающую трубку, а именно в ее стенку, в направлении, поперечном, в частности, по существу ортогональном продольной оси теплопередающей трубки с помощью ультразвукового датчика. Таким образом, ультразвуковой сигнал может ударяться о внешнюю и внутреннюю стенки в направлении, поперечном, в частности, по существу ортогональном, к внешней и/или внутренней стенке теплопередающей трубки, в частности, ее стенки, и, в частности, по меньшей мере частично отражаться от этих стенок.

Обычно внутренняя стенка представляет собой внутреннюю поверхность, а внешняя стенка - внешнюю поверхность стенки теплопередающей трубки. Обычно внутренняя поверхность представляет собой поверхность стенки трубки, обращенную внутрь теплопередающей трубки, а внешняя поверхность представляет собой поверхность стенки теплопередающей трубки, обращенную в сторону от внутренней поверхности теплопередающей трубки. Это относится, в частности, к поперечному сечению теплопередающей трубки в направлении, ортогональном продольной оси теплопередающей трубки.

Для достижения высокой точности оказалось эффективным, если в соответствующем ультразвуковом датчике излучение и прием ультразвуковых сигналов осуществляются с помощью одного и того же пьезоэлектрического кристалла. Обычно управление ультразвуковым датчиком или пьезоэлектрическим кристаллом переключается между режимом излучения, в котором ультразвуковой сигнал излучается с помощью ультразвукового датчика, и режимом приема, в котором отраженный ультразвуковой сигнал может быть обнаружен с помощью ультразвукового датчика. Между режимом излучения и режимом приема, как правило, существует мертвое время, в течение которого отраженный ультразвуковой сигнал не может быть обнаружен. В качестве альтернативы можно предусмотреть, что ультразвуковой датчик включает в себя несколько пьезоэлектрических кристаллов, где один из пьезоэлектрических кристаллов предназначен для излучения, а другой - для приема ультразвуковых сигналов. Однако предпочтительно, чтобы излучение и прием ультразвуковых сигналов происходили с помощью одного и того же пьезоэлектрического кристалла.

Как правило, соответствующий ультразвуковой датчик включает в себя демпфирующий элемент, пьезоэлектрический кристалл и корпус стойки. Демпфирующий элемент обычно соединен с пьезоэлектрическим кристаллом и предназначен для гашения механических колебаний пьезоэлектрического кристалла. Пьезоэлектрический кристалл часто прилегает к демпфирующему элементу. Изолирующий элемент обычно расположен ниже по потоку от пьезоэлектрического кристалла в направлении излучения ультразвукового сигнала к теплопередающей трубке для недопущения отражения ультразвукового сигнала, излучаемого пьезоэлектрическим кристаллом, от стенки теплопередающей трубки во время мертвого времени. Изолирующий элемент обычно выполняется из материала, обладающего хорошей ультразвуковой проводимостью.

Предпочтительно, если в соответствующем ультразвуковом датчике демпфирующий элемент, пьезоэлектрический кристалл и корпус стойки прижимаются друг к другу с помощью пружинного элемента. Таким образом, возможно обеспечить прочное и, в частности, долговечное соединение даже при высоком рабочем давлении и/или высокой рабочей температуре. Предпочтительно, таким образом, можно отказаться от скрепления демпфирующего элемента, пьезоэлектрического кристалла и стойки друг с другом, которое подвержено нагрузкам. Таким образом, прижатие друг к другу обычно связано с упругой деформацией пружинного элемента под действием силы упругости последнего. Предпочтительно, если пружинный элемент образован пружиной или группой пружин, которые предпочтительно соединены друг с другом в последовательном соединении. Предпочтительно, пружина представляет собой тарельчатую пружину. Пружинный элемент, предпочтительно, расположен выше по потоку от демпфирующего элемента в направлении выброса.

Направление излучения обычно обозначает направление, в котором расположен соответствующий ультразвуковой датчик для излучения ультразвукового сигнала, в частности, в сторону теплопередающей трубки.

Предпочтительно, если демпфирующий элемент выполнен таким образом, что он состоит, в частности, из пористого титанового элемента, выполненного, в частности, из спеченного титана. Как правило, титановый элемент имеет средний размер пор менее 100 мкм, в частности менее 50 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 10 мкм, особенно предпочтительно приблизительно 5 мкм. Таким образом, можно получить надежный ультразвуковой сигнал. Демпфирующий элемент обычно имеет толщину в направлении излучения от 1 мм до 5 мм, предпочтительно около 3 мм.

Изолирующий элемент может быть выполнен таким образом, что он состоит, в частности, из акрилового стекла или металла, в частности, железа, предпочтительно стали. Для получения надежного ультразвукового сигнала особенно предпочтительно, чтобы корпус изолирующего элемента был выполнен таким образом, чтобы он состоял, в частности, из аустенитной стали. Предпочтительно, чтобы поверхность изолирующего элемента была полированной, в частности, если изолирующий элемент выполнен таким образом, что он состоит или изготовлен из стали. Как правило, толщина изолирующего элемента составляет менее 30 мм, в частности от 2 мм до 10 мм, предпочтительно около 5 мм, в направлении излучения.

Предпочтительно, если в соответствующем ультразвуковом датчике демпфирующий элемент расположен между электрическим исполнительным электродом и пьезоэлектрическим кристаллом, причем демпфирующий элемент выполнен электропроводящим, так что электрическое воздействие на пьезоэлектрический кристалл через исполнительный электрод может осуществляться через демпфирующий элемент. Электрод для приведения в действие может быть прижат к демпфирующему элементу с помощью вышеупомянутого пружинного элемента. Следует понимать, что для электрического приведения в действие пьезоэлектрического кристалла для излучения и приема ультразвукового сигнала обычно присутствуют два электрода, в частности, для подачи электрического напряжения на указанный кристалл или для снижения электрического напряжения через электроды. Электроды обычно электрически соединены с пьезоэлектрическим кристаллом на противоположных сторонах пьезоэлектрического кристалла.

Один из электродов может быть исполнительным электродом и может быть электрически соединен с пьезоэлектрическим кристаллом через демпфирующий элемент, в частности, вышеупомянутым способом. Другой электрод может быть непосредственно электрически соединен с пьезоэлектрическим кристаллом, обычно на стороне пьезоэлектрического кристалла, расположенной ниже по потоку от пьезоэлектрического кристалла в направлении излучения. Альтернативно или в совокупности, предпочтительно, если для формирования пьезоэлектрического элемента на поверхности пьезоэлектрического кристалла нанесены два пьезоэлектрода, обычно так, что они лежат друг напротив друга на пьезоэлектрическом кристалле, через которые пьезоэлектроды могут приводить в действие пьезоэлектрический кристалл для возбуждения вибрации. Пьезоэлектроды обычно изготавливаются из металла, предпочтительно серебра. Преимущественно, в конструкции могут быть дополнительно предусмотрены вышеупомянутые исполнительные электроды.

Соответствующий ультразвуковой датчик обычно включает в себя корпус датчика, который образует внешнюю оболочку ультразвукового датчика. Обычно внутри корпуса датчика располагаются демпфирующий элемент, пьезоэлектрический кристалл, обычно, по существу, изолирующий элемент, и/или обычно электроды, в частности, при необходимости, исполнительный электрод. Корпус датчика обычно имеет выходное отверстие, через которое ультразвуковой сигнал, создаваемый пьезоэлектрическим кристаллом, может выходить для измерения с помощью ультразвукового датчика. Выходное отверстие, как правило, закрыто герметично, часто с помощью изолирующего элемента.

Оказалось эффективным, если соответствующий ультразвуковой датчик включает один или несколько электроизоляционных элементов для электрической изоляции между корпусом ультразвукового датчика и, соответственно, пьезоэлектрическим кристаллом ультразвукового датчика и/или демпфирующим элементом ультразвукового датчика и/или одним, в частности несколькими, электродами ультразвукового датчика. Электроизоляционные элементы предпочтительно сформированы таким образом, что они состоят, в частности, из диоксида циркония. Электроизоляционные элементы могут полностью окружать эти компоненты. Таким образом, риск электрического короткого замыкания может быть сведен к минимуму даже при высокой нагрузке, в частности, при нагрузке давлением и/или при температурной нагрузке.

Предпочтительно, если между соответствующим ультразвуковым датчиком и теплопередающей трубкой установлено соединительное средство, состоящее из серебра, в частности серебряная пленка, или если соединительное средство не установлено. Это особенно актуально во время работы теплообменника. Как правило, цель соединительных средств заключается в том, чтобы обеспечить связь ультразвукового сигнала с уменьшенным отражением в теплопередающей трубке. Было показано, что при вышеупомянутом высоком давлении и/или вышеупомянутой высокой температуре может быть получено устойчивое высококачественное соединение, если в качестве указанного соединительного средства соединения используется серебро, или же если соединительное средство не установлено. Предпочтительно, чтобы указанное соединительное средство было бы многослойным. Толщина указанного соединительного средства часто составляет от 0,01 мм до 1 мм, в частности, приблизительно 0,05 мм. Толщина этого соединительного средства обычно измеряется в направлении излучения.

Соответствующий ультразвуковой датчик может быть соединен с соответствующей теплопередающей трубкой посредством использования посадки с натягом, посадки с геометрическим замыканием формы, либо с помощью физического соединения. Для этой цели может быть предусмотрено удерживающее устройство. Предпочтительно, чтобы соответствующий ультразвуковой датчик был соединен с соответствующей теплопередающей трубкой с натягом, предпочтительно с помощью зажимного соединения. Таким образом, обеспечивается прочное соединение между ультразвуковым датчиком и теплопередающей трубкой, чтобы обеспечить малошумную передачу ультразвукового сигнала в теплопередающую трубку без существенного ухудшения качества объекта измерения, когда речь идёт об измерении толщины стенки трубки. Предпочтительно, если удерживающее устройство включает в себя пружинный элемент, при этом ультразвуковой датчик прижимается к стенке трубки теплообменника с помощью пружинного элемента. В результате может быть обеспечен прочный прижимной контакт даже при переменных нагрузках, в частности, при давлении и/или температуре. Пружинный элемент может быть выполнен таким образом, что он состоит из одной или нескольких тарельчатых пружин. Предпочтительно, чтобы группа ультразвуковых датчиков были соответственно соединены с соответствующей теплопередающей трубкой с помощью отдельного удерживающего устройства, в частности, как это описано выше. Однако, возможно также предусмотреть, чтобы группа ультразвуковых датчиков были бы соединены с соответствующей теплопередающей трубкой с помощью общего удерживающего устройства. Хотя это и менее предпочтительно, но соответствующий ультразвуковой датчик может быть, в альтернативном варианте, соединен с теплопередающей трубкой с помощью физического соединения или, как в простых случаях, с помощью посадки с геометрическим замыканием формы.

Предпочтительно, если несколько ультразвуковых датчиков подключены к одному электронному блоку сбора данных для передачи данных, чтобы передавать данные измерений на электронный блок сбора данных во время работы теплообменника. Таким образом, может быть реализована компактная конструкция с предпочтительно короткими линиями для передачи сигналов. Как правило, электронный блок сбора данных включает в себя несколько аппаратных интерфейсов, к которым подключены линии для передачи сигналов, соединенные с ультразвуковыми датчиками для передачи данных. Каждый из аппаратных интерфейсов может быть соответственно назначен на одну из указанных линий для передачи сигналов. Соответствующий ультразвуковой датчик может быть соединен одной линией для передачи сигналов с электронным блоком сбора данных для передачи данных. В альтернативном варианте, группа линий для передачи сигналов, подключенных к ультразвуковым датчикам, могут образовывать общую шину данных, по которой данные измерений могут передаваться в электронный блок сбора данных. Это является предпочтительным, если имеется несколько электронных блоков сбора данных, где ультразвуковые датчики из разных групп электронных ультразвуковых датчиков подключены к разным электронным блокам сбора данных для передачи данных. Это особенно предпочтительно для сокращения длины указанных линий для передачи сигналов.

Предпочтительно, если для передачи данных несколько электронных блоков сбора данных подключены к электронному центральному блоку данных, где электронный центральный блок данных предназначен для сбора данных измерений электронных блоков сбора данных, и/или для обработки этих данных, и/или для предоставления этих данных пользователю для считывания. Таким образом, данные измерений могут быть предварительно обработаны электронными блоками сбора данных, а затем могут быть дополнительно обработаны, например, электронным центральным блоком данных. В частности, электронные блоки сбора данных и/или электронный центральный блок данных могут быть реализованы для определения на основе данных измерений толщины стенки теплопередающей трубки, в частности, ее стенки, измеренной с помощью соответствующего ультразвукового датчика. Для передачи данных электронные устройства сбора данных могут быть соединены с электронным центральным блоком данных через линии для передачи данных, в частности, в виде шины данных. Таким образом, может быть реализована компактная конструкция с малым количеством помех для данных измерений, в частности, при действии высокого давления и/или высокой температуры в теплообменнике. Электронный центральный блок данных обычно состоит из микроконтроллера или может быть выполнен в виде ЭВМ. Предпочтительно, если теплообменник включает в себя один или несколько электронных центральных блоков данных.

Теплообменник обычно рассчитан на рабочее давление более 30 бар, в частности от 30 бар до 200 бар, предпочтительно около 180 бар, и/или рабочую температуру более 80 °C, в частности от 80 °C до 300 °C, предпочтительно около 230 °C, или работает соответствующим образом. Соответственно, предпочтительно, если соответствующий ультразвуковой датчик предназначен для использования при рабочем давлении такого типа и/или рабочей температуре такого типа, или имеет рабочее давление такого типа и/или рабочую температуру такого типа. Рабочее давление и рабочая температура обычно относятся к первой текучей среде и/или второй текучей среде. Предпочтительно, если вторая текучая среда имеет рабочее давление такого типа и/или рабочую температуру такого типа во время работы теплообменника. Как правило, во время работы теплообменника, соответствующий ультразвуковой датчик находится внутри второй текучей среды. Соответственно, является предпочтительным, если соответствующий ультразвуковой датчик рассчитан на рабочее давление, соответствующее рабочему давлению, и рабочую температуру, соответствующую рабочему давлению второй текучей среды.

Соответствующий ультразвуковой датчик обычно расположен на стенке соответствующей теплообменной трубки, в частности, так, что он соприкасается со стенкой трубки. Как правило, один ультразвуковой датчик соответственно расположен на группе теплопередающих трубок теплообменника. Несколько ультразвуковых датчиков также могут быть расположены на указанной группе теплообменных трубок. Теплопередающие трубки обычно выполнены таким образом, что они состоят, в частности, из металла, в частности, из железного сплава, предпочтительно из высоколегированной стали.

Как правило, электронный блок сбора данных располагается вне первой жидкости и второй жидкости или вне теплообменного пространства теплообменника, в котором теплообменное пространство передает тепло между первой жидкостью и второй жидкостью через теплообменные трубки во время работы теплообменника. Теплопередающее пространство может быть камерой для жидкости или окружать камеру для жидкости.

Предпочтительно, если таким образом толщина стенки теплообменной трубы может быть определена с точностью менее 0,1 мм, в частности, от 0,003 мм до 0,1 мм, обычно 0,05 мм, во время работы теплообменника. Этого можно достичь, используя теплообменник в соответствии с настоящим документом.

Другая задача настоящего изобретения выполняется посредством вышеуказанного способа эксплуатации теплообменника, если, на одной или нескольких теплопередающих трубках теплообменника, по которым перемещается первая текучая среда для передачи тепла между первой текучей средой и второй текучей средой через теплопередающие трубки, ультразвуковой датчик соответственно расположен при рабочем давлении более 30 бар и/или рабочей температуре более 80 °C, при этом толщина стенки соответствующей теплообменной трубки определяется по месту её эксплуатации с помощью соответствующего ультразвукового датчика, при этом данные измерений с соответствующего ультразвукового датчика передаются на электронный блок сбора данных во время работы теплообменника. Указанный способ может быть реализован с использованием вышеуказанного теплообменника. Как правило, толщина стенки теплообменной трубки обозначает в поперечном сечении теплообменной трубки, в частности, радиальное расстояние между внутренней поверхностью и внешней поверхностью стенки теплообменной трубки. Как правило, вторая текучая среда находится снаружи теплопередающих трубок, так что тепло передается между первой текучей средой и второй текучей средой через стенки указанных теплопередающих трубок.

При этом следует понимать, что способ эксплуатации теплообменника может быть реализован в соответствии с признаками и техническими результатами, которые описаны, в частности, выше, в настоящем документе, в соответствии с объемом притязаний Заявителя, касающихся теплообменника. То же самое относится и к теплообменнику в отношении способа.

Особенно предпочтительно, если способ эксплуатации теплообменника используется для синтеза мочевины. Теплообменник, в частности, для синтеза мочевины может быть выполнен в виде стриппера для очистки, где обычно предусматривается, что жидкая фаза и газовая фаза с противоположными направлениями потока приводятся в контакт друг с другом, обычно внутри теплообменных трубок. Предпочтительно, если первая среда протекает через соответствующую теплопередающую трубку в направлении потока, а вторая среда протекает через теплопередающую трубку в направлении, противоположном направлению потока, для реакции друг с другом, при этом одна из сред обычно является жидкой, а другая - газообразной. Как правило, реакция происходит внутри камеры текучей среды или полости камеры текучей среды. Первая текучая среда может быть выполнена таким образом, что она включает в себя или состоит из первой среды и второй среды. Предпочтительно, если теплообменные трубки и направление потока первой текучей среды через теплообменные трубки ориентированы по существу вертикально, особенно если теплообменник представляет собой стриппер. Теплообменник или стриппер обычно включает в себя группу, в частности, более 10, предпочтительно более 50, особенно предпочтительно более 100, чрезвычайно предпочтительно более 1000, теплообменных трубок.

Как правило, теплообменник, особенно если этот теплообменник является стриппером, включает первое входное отверстие, через который первая среда может подаваться в теплопередающие трубки, и второе входное отверстие, через которое вторая среда может подаваться в теплопередающие трубки, так что внутри камеры текучей среды или полости камеры текучей среды указанные первая и вторая среды протекают через теплопередающие трубки с противоположными направлениями потока, чтобы реагировать друг с другом. Что касается полости камеры текучей среды, то первое входное отверстие и второе входное отверстие обычно расположены на разных концах теплопередающих трубок таким образом, что они соединены с теплопередающими трубками так, что по ним проходит текучая среда. Указанный теплообменник обычно включает в себя по меньшей мере одно выходное отверстие для удаления из теплообменных трубок продукта, образовавшегося в результате реакции между первой средой и второй средой. Практически, теплообменник может включать первое выходное отверстие, через который первый продукт может быть удален из теплопередающих трубок, и второе выходное отверстие, через который второй продукт может быть удален из теплопередающих трубок, причем по отношению к полости камеры текучей среды указанные выходные отверстия соединены с теплопередающими трубками по текучей среде на разных концах теплопередающих трубок. Первый продукт и второй продукт обычно образуются посредством или в результате реакции между первой средой и второй средой. Это особенно актуально, если теплообменник выполнен в виде стриппера.

Для синтеза мочевины первая среда обычно формируется таким образом, что она включает в себя, в частности, мочевину, карбамат аммония и аммиак, а вторая среда формируется таким образом, что она включает в себя, в частности, газообразный диоксид углерода (CO₂). Таким образом, мочевина, в частности, высокой чистоты, может быть выделена в качестве продукта, в частности, первого продукта, который выводится из теплопередающей трубки, обычно на одном из концов теплопередающей трубки или через первый выход. Полученный технологический газ, обычно газообразный аммиак (NH₃) и/или газообразный диоксид углерода (CO₂), может быть выведен из теплопередающей трубки, обычно на другом конце теплопередающей трубки или через второй выход. Вторая жидкость может быть сформирована таким образом, что она включает в себя, в частности, жидкую и/или газообразную воду. Стриппер может быть выполнен и работать, как описано в настоящем документе, в частности, в отношении теплообменника.

Предпочтительно, если соответствующий ультразвуковой датчик работает на частоте, в частности центральной частоте, более 10 МГц, в частности от 10 МГц до 30 МГц, в частности, если ультразвуковые сигналы соответствующей частоты исходят от соответствующего ультразвукового датчика для определения толщины стенки трубки. Предпочтительно, если частота, в частности центральная частота, составляет около 15 МГц.

Преимуществом является то, что для температурной компенсации скорости ультразвукового сигнала в качестве контрольной длины используется толщина корпуса стойки по меньшей мере одного из ультразвуковых датчиков и/или температура определяется с помощью по меньшей мере одной термопары. Поскольку изолирующий элемент имеет известную толщину, изменение звуковой скорости ультразвукового сигнала может быть учтено, в частности, определено, путем нахождения толщины корпуса стойки с помощью ультразвуковых измерений, в частности, с помощью измерительных сигналов, соответствующего ультразвукового датчика. Толщина обычно измеряется в направлении излучения. При этом во время каждого измерения с помощью соответствующего ультразвукового датчика может осуществляться температурная компенсация. Таким образом, достигается высокая точность измерения. Температурная компенсация может быть учтена при определении, в частности, расчете, толщины стенки трубы на основе данных измерений, полученных с помощью ультразвуковых датчиков.

Теплообменник может включать одну или несколько, в частности, вышеупомянутых термопар, где термопары предназначены для измерения температуры в области ультразвуковых датчиков. Например, соответствующая термопара может быть расположена в камере для жидкости, на, в частности, одной из теплопередающих трубок или на ультразвуковом датчике. Желательно, чтобы соответствующая термопара была соединена с устройством сбора данных для передачи данных. Это может быть реализовано с помощью кабелей передачи данных. Блок сбора данных может содержать один или несколько аппаратных интерфейсов для соответствующего подключения кабеля данных. Соответствующий кабель данных может проходить внутри защитной трубки, в частности, как показано выше. Таким образом, защитная трубка может быть направлена к соответствующей термопаре. Кабель данных и линия передачи сигналов могут проходить в общей защитной трубке.

Высокая практичность применения может быть достигнута, если ультразвуковой сигнал излучается в соответствующую теплопередающую трубку, в частности, в ее стенку, с помощью ультразвукового датчика, и ультразвуковые сигналы, отраженные от внешней и внутренней стенок теплопередающей трубки, принимаются с помощью ультразвукового датчика, чтобы определить толщину стенки теплопередающей трубки. Ультразвуковой сигнал обычно излучается ультразвуковым датчиком таким образом, что ультразвуковой сигнал сталкивается с внешней и внутренней стенками в направлении, поперечном, в частности, по существу ортогональном, к внешней и/или внутренней стенке, и, в частности, отражается от них.

Определение толщины стенки трубки с помощью соответствующего ультразвукового датчика обычно происходит с помощью метода пролета времени. Ультразвуковой сигнал обычно излучается с помощью соответствующего ультразвукового датчика, а отраженные ультразвуковые сигналы затем обнаруживаются с помощью ультразвукового датчика. Отраженные ультразвуковые сигналы обычно образуются в результате отражения излучаемого ультразвукового сигнала от поверхностей. Границами раздела могут быть, например, внешняя поверхность и/или внутренняя поверхность стенки трубки теплообменника. Определив временные интервалы между излученным ультразвуковым сигналом и отраженными ультразвуковыми сигналами и/или между отраженными ультразвуковыми сигналами друг от друга, можно определить толщину стенки трубки, в которую был подан ультразвуковой сигнал. Ультразвуковой сигнал обычно представляет собой импульс ультразвуковой волны. Как правило, обнаруживается ультразвуковой сигнал, отраженный от конца изолирующего элемента или от внешней поверхности стенки трубки, ультразвуковой сигнал, отраженный от внутренней поверхности стенки трубки, и обычно последовательность отраженных ультразвуковых импульсов, которые соответствуют нескольким отражениям между внутренней и внешней поверхностями стенки трубки. Временной интервал между обнаруженными отраженными ультразвуковыми импульсами нескольких отражений обычно соответствует удвоенной толщине стенки трубки. Время излучения ультразвукового сигнала, ультразвуковой сигнал, отраженный от внешней поверхности стенки трубки, и/или один или несколько ультразвуковых сигналов, отраженных от внутренней поверхности стенки трубки, могут быть использованы в качестве временных маркеров для определения соответствующей толщины стенки трубки с помощью хронологического сравнения временных маркеров. Учитывая скорость звука или скорость распространения ультразвукового сигнала, можно определить толщину стенки трубки.

Краткое описание чертежей

Дополнительные признаки, преимущества и технические результаты изобретения станут очевидны из нижеследующего описания примера осуществления настоящего изобретения. Они следуют также из фигур сопровождающих чертежей, снабженных ссылочными номерами для обозначения элементов конструкции:

На Фиг.1 показано схематическое изображение теплообменника;

На Фиг.2 показано схематическое изображение ультразвукового датчика в поперечном сечении;

На Фиг.3 показана схема иного теплообменника, выполненного в виде стриппера;

На Фиг.4 показано схематическое изображение иного ультразвукового датчика в поперечном сечении.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 схематично показан теплообменник 1, где собственно теплообменник 1 содержит группу теплопередающих трубок 3 и камеру 4 текучей среды, где теплопередающие трубки 3 проходят через камеру 4 текучей среды для транспортировки первой текучей среды F1 через теплопередающие трубки 3 во время работы теплообменника 1 и транспортировки второй текучей среды F2 через камеру 4 текучей среды в возможностью окружения указанными текучими средами друг друга, так что тепло передается между первой текучей средой F1 и второй текучей средой F2 через стенки теплопередающих трубок 3. Указанная камера 4 текучей среды образует полость 5 между стенками камеры текучей среды и теплопередающими трубками 3 для размещения там второй текучей среды F2, и через эту полость проходит вторая текучая среда F2. Указанная камера 4 текучей среды включает в себя входное отверстие 6 для подачи второй текучей среды F2 в камеру 4 текучей среды, в частности, в полость 5 камеры текучей среды, и выходное отверстие 7 для удаления текучей среды из камеры 4 текучей среды, в частности, из полости 5 камеры текучей среды. Вторая текучая среда F2 обычно характеризуется давлением более 30 бар, в частности от 30 бар до 200 бар, и/или температурой более 80 °C, в частности от 80°C до 300°C. Как правило, теплопередающие трубки 3 проходят через камеру 4 текучей среды таким образом, что они находятся на расстоянии друг от друга, так что вторая текучая среда F2 может протекать между теплопередающими трубками 3. Первая текучая среда F1 и/или вторая текучая среда F2 могут быть, например, жидкой и/или газообразной водой. Теплообменник 1 может быть выполнен в виде стриппера. Теплообменник 1, в частности стриппер, часто ориентирован таким образом, что продольная протяженность теплопередающих трубок 3 ориентирована по существу вертикально.

Ультразвуковые датчики 2 установлены на группе теплообменных трубок 3 для определения толщины стенки соответствующей теплообменной трубки 3 по месту её эксплуатации и в процессе работы оборудования, то есть во время работы теплообменника 1, при использовании соответствующего теплообменника 1. Соответствующий ультразвуковой датчик 2 расположен внутри камеры 4 для жидкости на внешней стороне соответствующей теплопередающей трубки 3 на указанной теплопередающей трубке 3. Для того чтобы выдерживать высокие температуры и/или высокое давление в теплообменнике 1, ультразвуковые датчики 2 рассчитаны на рабочее давление более 30 бар и/или рабочую температуру более 80 °C. В частности, ультразвуковые датчики 2 рассчитаны на вышеупомянутое давление и/или вышеупомянутую температуру второй жидкости F2 и имеют соответствующее рабочее давление и соответствующую рабочую температуру. Соответствующий ультразвуковой датчик 2 соединен с электронным блоком сбора данных 9 через сигнальную линию 8, чтобы передавать данные измерений на блок сбора данных 9 во время работы теплообменника 1. Блок 9 сбора данных расположен вне камеры 4 текучей среды, чтобы не подвергаться негативному влиянию высокой температуры текучей среды и высокой температуры в теплообменнике 1. Соответствующая линия 8 передачи сигналов обычно выполнена в виде коаксиального кабеля, чтобы обеспечить передачу данных измерений без помех. Камера 4 текучей среды включает в себя проходной канал 10, через который линии 8 передачи сигналов выводятся из камеры 4 текучей среды. Указанный проходной канал 10 обычно выполнен герметичным по отношению к полости 5 камеры текучей среды.

Для защиты соответствующей линии 8 передачи сигналов от воздействия давления и температуры в камере 4 текучей среды, в частности второй текучей среды F2, соответствующая линия 8 передачи сигналов проходит внутри защитной трубки 11 в указанной камере 4 текучей среды, как показано на Фиг.2. Данная защитная трубка 11 проходит от соответствующего ультразвукового датчика 2 к проходному каналу 10 линии передачи сигналов. Как правило, защитная трубка 11 герметично соединена, в частности, сваркой, с соответствующим ультразвуковым датчиком 2 с одной стороны и герметично соединена, предпочтительно с помощью конического призонного болта, с проходным каналом 10 линии передачи сигналов с другой стороны. Таким образом, с помощью защитной трубки 11, в которой проходит линия 8 передачи сигналов, может быть образован объем, отделенный от полости 5 камеры текучей среды, предпочтительно с другой атмосферой. Защитная трубка 11 предпочтительно изготовлена из стали, в частности из аустенитной стали.

Для того чтобы протяженность линий 8 передачи сигналов была небольшой, целесообразно использовать несколько электронных блоков 9 сбора данных, при этом различные ультразвуковые датчики 2 подключаются к разным электронным блокам сбора данных 9 для передачи этих данных. Это показано на Фиг.1 где задействуется дополнительный электронный блока 9 сбора данных, изображенный пунктирной линией. Аналогично описанному, дополнительный электронный блок 9 сбора данных может быть подключен к другим ультразвуковым датчикам 2, установленным на теплопередающих трубках 3 для передачи данных.

Как правило, в конструкции предусмотрен электронный центральный блок 12 данных, к которому подключается электронный блок 9 сбора данных или электронные блоки 9 сбора данных 9 для передачи данных. Указанный электронный центральный блок 12 данных предназначен для сбора данных измерений от электронных блоков 9 сбора данных и, предпочтительно, для предоставления этих данных пользователю для считывания. Электронные блоки 9 сбора данных обычно соединены с указанным электронным центральным блоком 12 данных посредством электрического кабельного соединения 13, в частности, посредством шины данных, для передачи данных.

Обычно теплопередающие трубки 3 соответственно проходят между первой трубчатой пластиной 14 и второй трубчатой пластиной 15, причем трубчатые пластины являются частью стенок камеры 4 текучей среды или ограничивают полость 5 камеры текучей среды. Соответствующая теплопередающая трубка 3 проходит через первую трубчатую пластину 14 и вторую трубчатую пластину 15. Камера 4 текучей среды включает в себя группу стабилизирующих элементов 16, обычно обозначаемых как перегородки, которые соединяют множество теплопередающих трубок 3 друг с другом, чтобы стабилизировать теплопередающие трубки 3 с помощью стабилизирующих элементов 16 во время работы теплообменника 1. Представляется целесообразным решением иметь группу стабилизирующих элементов 16, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль продольного прохождения теплопередающих трубок 3, причем стабилизирующие элементы 16 ориентированы поперечно, в частности ортогонально, продольному прохождению теплопередающих трубок 3. Также представляется целесообразным решением, если соответствующий стабилизирующий элемент 16 или образованная им поверхность для направления текучей среды закрывает промежуточное пространство между группой теплопередающих трубок 3, чтобы затруднить перемещение потока второй текучей среды F2 через промежуточное пространство. Часто большая часть указанного промежуточного пространства между теплообменными трубками 3 закрыта от потока второй текучей среды F2 в поперечном сечении через камеру 4 текучей среды соответствующим стабилизирующим элементом 16 или направляющей поверхностью для текучей среды.

Предпочтительно, если соответствующий ультразвуковой датчик 2 установлен в зоне расположения на соответствующей теплопередающей трубке 3, которая расположена в первой трети продольной протяженности теплопередающей трубки 3 внутри камеры 4 текучей среды или полости 5 камеры текучей среды в направлении перемещения потока первой текучей среды F1 через теплопередающую трубку 3. Предпочтительно, когда указанный ультразвуковой датчик 2 указанным образом расположен между первой трубчатой пластиной 14 и первым из стабилизирующих элементов 16 в направлении перемещения потока первой текучей среды F1 через теплопередающую трубку 3.

На Фиг.2 показано схематическое изображение ультразвукового датчика 2. В частности, ультразвуковые датчики 2 выполнены в соответствии с Фиг.1. Ультразвуковой датчик 2 включает в себя демпфирующий элемент 17, пьезоэлектрический кристалл 18 и изолирующий элемент 19. Пьезоэлектрический кристалл 18 расположен между демпфирующим элементом 17 и изолирующим элементом 19 в направлении излучения, в котором ультразвуковой сигнал может излучаться с помощью ультразвукового датчика 2. Демпфирующий элемент 17 предназначен для гашения механических колебаний пьезоэлектрического кристалла 18. Изолирующий элемент 19 предназначен для передачи в направлении излучения ультразвукового сигнала, созданного с помощью пьезоэлектрического кристалла 18, так что ультразвуковой сигнал оказывается внутри изолирующего элемента 19 в течение всего времени переключения между режимом излучения и режимом приема ультразвукового датчика 2. В режиме излучения ультразвуковой сигнал может излучаться с помощью ультразвукового датчика 2, в частности пьезоэлектрического кристалла 18. В режиме приема ультразвуковой сигнал может быть обнаружен с помощью ультразвукового датчика 2, в частности пьезоэлектрического кристалла 18.

При этом, указанный демпфирующий элемент 17 выполнен электропроводящим и электрически соединенным с исполнительным электродом 20, расположенным выше по потоку от демпфирующего элемента 17 в направлении излучения S, так что пьезоэлектрический элемент может быть электрически приведен в действие через демпфирующий элемент 17 посредством исполнительного электрода 20. Электрический катод обычно представляет собой исполнительный электрод 20. Исполнительный электрод 20 электрически соединен с линией 8 передачи сигналов для приведения в действие ультразвукового датчика 2 или для передачи данных. Линия 8 передачи сигналов, как уже говорилось выше, подключена к электронному блоку 9 сбора данных для выполнения передачи данных. Указанная линия 8 передачи сигналов обычно представляет собой коаксиальный кабель.

Ультразвуковой датчик 2 включает в себя пружинный элемент 21, с помощью которого исполнительный электрод 20, демпфирующий элемент 17, пьезоэлектрический кристалл 18 и корпус 19 прижимаются друг к другу под действием силы упругости пружинного элемента 21. Таким образом, может быть реализовано прочное соединение, в частности, без использования какого-либо связующего вещества. Пружинный элемент 21 может быть предпочтительно реализован с помощью нескольких тарельчатых пружин, расположенных таким образом, что они соединены последовательно. Ультразвуковой датчик 2 включает в себя корпус датчика 22, который образует внешнюю оболочку ультразвукового датчика 2. Корпус датчика 22 содержит выходное отверстие 23 для ультразвукового сигнала, при этом выходное отверстие 23 закрыто, в частности, непроницаемым для текучей среды изолирующим элементом 19. Указанный изолирующий элемент 19 обычно соединен с корпусом датчика 22 с использованием посадки с натягом, например, с помощью винтового соединения.

Между корпусом датчика 22 и, соответственно, демпфирующим элементом 17 и управляющим электродом 20 расположен электроизоляционный элемент 24, предпочтительно из диоксида циркония, который обычно полностью окружает демпфирующий элемент 17 и управляющий электрод, чтобы предотвратить электрический контакт с корпусом датчика 22.

Для защиты прохождения сигнала от ультразвукового датчика 2 к электронному блоку 9 сбора данных от второй текучей среды F2, в частности, от воздействия её давления и/или температуры, линия 8 передачи сигналов проходит, в частности, как указано выше, внутри защитной трубки 11. Защитная трубка 11 герметично соединяется с корпусом датчика 22, предпочтительно с помощью сварного соединения, так что защитная трубка 11 и корпус датчика 22 образуют объем, который отделен от камеры 4 текуче среды или полости 5 камеры текучей среды. Таким образом, ультразвуковой датчик 2 и передача данных между ультразвуковым датчиком 2 и электронным блоком 9 сбора данных могут быть защищены от попадания туда второй текучей среды F2.

Указанный пьезоэлектрический кристалл 18 может быть выполнен из керамики на основе цирконато-титаната свинца (керамика PZT). Демпфирующий элемент 17 может быть изготовлен из титанового агломерата, предпочтительно со средним размером пор от 1 мкм до 10 мкм. Изолирующий элемент 19 может быть изготовлен из стали, в частности аустенитной стали, с толщиной от 2 мм до 10 мм в направлении излучения S. Исполнительный электрод 20 может быть выполнен таким образом, что он состоит, в частности, из меди. Теплопередающие трубки 3 обычно изготавливаются из стали, в частности из аустенитной стали. Ультразвуковой датчик 2 предпочтительно выполнен таким образом, чтобы излучать ультразвуковой сигнал, в частности ультразвуковую волну, с центральной частотой приблизительно 15 МГц.

На Фиг.3 показана схема иного теплообменника, выполненного в виде стриппера для выполнения стриппинг-процесса. Как правило, теплообменник 1 такого типа используется для синтеза мочевины. Теплообменник 1 может быть выполнен в соответствии с пояснениями в отношении теплообменника 1, изображенного на Фиг.1, и, в частности, может включать ультразвуковые датчики 2, как поясняется в связи с Фиг.2 и/или Фиг.4. Теплообменник 1, как правило, ориентирован таким образом, что продольная протяженность теплопередающих трубок 3 ориентирована по существу вертикально. Для синтеза мочевины предусматривается, что первая текучая среда F1 образуется так, что она включает или состоит из первой среды M1 и второй среды M2, при этом внутри камеры 4 текучей среды или полости 5 камеры текучей среды первая среда M1 и вторая среда M2 протекают через соответствующую теплопередающую трубку 3 в противоположных направлениях потока. Как правило, первая среда M1 образуется так, что она состоит, в частности, из мочевины, карбамата аммония и аммиака, а вторая среда M1 образуется так, что она состоит, в частности, из газообразного диоксида углерода (CO₂). Первая среда, как правило, жидкая. Теплообменник 1 или стриппер обычно включает в себя группу, в частности, более 10, предпочтительно более 50, особенно предпочтительно более 100, чрезвычайно предпочтительно более 1000, теплообменных трубок 3. Теплообменник 1 обычно ориентирован таким образом, что первая трубчатая пластина 14 расположена вертикально над второй трубчатой пластиной 15. Предпочтительно, соответствующий ультразвуковой датчик 2 установлен между первой трубчатой пластиной 14 и первым из стабилизирующих элементов 16.

Теплообменник 1 содержит первое входное отверстие 25, через который первая среда M1 может подаваться в теплопередающие трубки 3, и второе входное отверстие 27, через который вторая среда M2 может подаваться в теплопередающие трубки, так что внутри камеры 4 текучей среды или полости 5 камеры текучей среды указанные среды M1 и M2 протекают через теплопередающие трубки 3 с противоположными направлениями потока (в противотоке), чтобы реагировать друг с другом. Что касается 5 камеры текучей среды, то первое впускное отверстие 25 и второе впускное отверстие 27 соединены с теплопередающими трубками 3 на разных концах теплопередающих трубок 3 по потоку текучей среды. Для этого первое входное отверстие 25 и второе входное отверстие 27 могут быть, соответственно, соединены по текучей среде с камерой распределения текучей среды, при этом концы теплопередающих трубок 3 соответственно соединены по потоку текучей среды с камерой распределения текучей среды, так что первая среда M1 и вторая среда M2, подаваемые в соответствующую камеру распределения текучей среды через первое входное отверстие 25 и второе входное отверстие 27 соответственно, направляются в теплопередающие трубки 3 таким образом, что они распределяются по теплопередающим трубкам 3. Теплообменник 1 включает первое выходное отверстие 26, через который первый продукт Z1 может быть удален из теплопередающих трубок 3, и второе выходное отверстие 28, через который второй продукт Z2 может быть удален из теплопередающих трубок 3, при этом относительно полости 5 камеры текучей среды указанное первое выходное отверстие 26 и второе выходное отверстие 28 соединены по потоку текучей среды с теплопередающими трубками 3 на разных концах указанных теплопередающих трубок 3, при этом первое выпускное отверстие 26 и второе выпускное отверстие 28 соответственно предпочтительно соединены по потоку текучей среды с одной из камер распределения текучей среды, так что первый продукт Z1 и второй продукт Z2, выходящие из теплопередающих трубок 3, могут быть удалены через соответствующие выпускные отверстия 26, 28. Первый продукт Z1 обычно представляет собой мочевину, в частности, мочевину с высокой степенью чистоты. Второй продукт Z2 обычно представляет собой газообразный аммиак (NH₃) и/или газообразный диоксид углерода (CO₂). Вторая текучая среда F2 обычно образуется так, что она включает в себя, в частности, жидкую и/или газообразную воду.

На Фиг.4 показано схематическое изображение иного ультразвукового датчика в поперечном сечении. Ультразвуковой датчик 2 может иметь те же признаки и эффекты, что и ультразвуковой датчик 2, изображенный на Фиг.2. Ультразвуковой датчик 2 может быть использован в теплообменнике 1, изображенном на Фиг.1 и Фиг.3. Конструкция ультразвукового датчика 2, изображенного на Фиг.4, по существу соответствует ультразвуковому датчику 2, изображенному на Фиг.2. В частности, ультразвуковой датчик 2 включает в себя пружинный элемент 21, с помощью которого исполнительный электрод 20, демпфирующий элемент 17, пьезоэлектрический кристалл 18 и изолирующий элемент 19 прижимаются друг к другу под действием упругой силы пружинного элемента 21. Пружинный элемент 21 расположен между исполнительным электродом и контрподшипником 31, который может быть образован кольцевой гайкой. Для создания электрического соединения между линией 8 передачи сигналов и исполнительным электродом 20 эти линия и электрод соединяются друг с другом с усилием с помощью зажимного элемента 30. В отличие от ультразвукового датчика 2, изображенного на Фиг. 2, ультразвуковой датчик 2 включает в себя, в частности, трубчатый соединительный элемент 29 для плотного прилегания защитной трубки 11, при этом защитная трубка 11 вставляется в соединительный элемент 29 герметичным образом. Таким образом, можно реализовать особенно прочное соединение линии 8 передачи сигналов с ультразвуковым датчиком 2, например, для использования при особенно высоком давлении в полости 5 камеры текучей среды или второй текучей среды F2. Соединительный элемент 29 может быть выполнен таким образом, что он состоит или изготовлен из стали, в частности аустенитной стали. Ультразвуковой датчик, изображенный на Фиг.2 также может включать в себя соединительный элемент 29 такого типа.

Если на одной или нескольких теплопередающих трубках 3 теплообменника 1 установлен один ультразвуковой датчик 2, рассчитанный на рабочее давление более 30 бар, в частности от 30 бар до 200 бар, и/или рабочую температуру более 80 °C, в частности от 80 °C до 300 °C, и если ультразвуковой датчик 2 предназначен для передачи данных измерений на электронный блок 9 сбора данных во время работы теплообменника 1, толщина соответствующих теплообменных трубок 3 может быть практически определена по месту эксплуатации и, предпочтительно, в процессе работы теплообменника. Это позволяет оптимизировать использование теплообменника 1. В частности, если линия 8 передачи измерительных сигналов от соответствующего ультразвукового датчика 2 к электронному блоку 9 сбора данных проходит в защитной трубке 11 внутри второй текучей среды F2 и/или если демпфирующий элемент 17, пьезоэлектрический кристалл 18 и изолирующий элемент 19 прижимаются друг к другу в ультразвуковом датчике 2 посредством упругой силы пружинного элемента 21, то при таком решении возможно достичь особенно высокой надежности определения толщины стенок теплопередающей трубки по месту её эксплуатации и, как правило, в процессе работы теплообменника.

Использование: для контроля технического состояния теплообменника. Сущность изобретения заключается в том, что по меньшей мере на одну из теплопередающих трубок устанавливают ультразвуковой датчик, выполненный с возможностью функционирования при рабочем давлении более 30 бар и/или рабочей температуре более 80°C, при этом толщину стенки соответствующей теплопередающей трубки определяют с помощью соответствующего ультразвукового датчика по месту её эксплуатации, причём данные измерений с соответствующего ультразвукового датчика передаются на электронный блок сбора данных во время работы теплообменника. Технический результат: обеспечение возможности определения толщины стенок трубок теплообменника во время его работы. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Теплообменник (1), в частности теплообменник высокого давления для синтеза мочевины, содержащий группу теплопередающих трубок (3) для транспортировки первой текучей среды (F1) с целью передачи тепла между первой текучей средой (F1) и второй текучей средой (F2) через теплопередающие трубки (3), отличающийся тем, что ультразвуковой датчик (2) соответственно установлен на по меньшей мере одной из указанных теплопередающих трубок (3) для определения толщины стенок указанных теплопередающих трубок (3) по месту их эксплуатации, при этом соответствующий ультразвуковой датчик (2) выполнен с возможностью функционирования при рабочем давлении более 30 бар и/или при рабочей температуре более 80°C, причём соответствующий ультразвуковой датчик (2) выполнен соединенным с электронным блоком (9) сбора данных для передачи данных с целью передачи данных измерений на электронный блок (9) сбора данных во время работы теплообменника (1).

2. Теплообменник (1) по п.1, отличающийся тем, что он содержит камеру (4) текучей среды для размещения второй текучей среды (F2), где теплопередающие трубки (3) проходят внутри камеры (4) текучей среды, причём блок (9) сбора данных расположен снаружи камеры текучей среды (4).

3. Теплообменник (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что соответствующий ультразвуковой датчик (2) соединен с блоком (9) сбора данных посредством линии (8) передачи сигналов для передачи данных, при этом указанная линия (8) передачи сигналов проходит, по крайней мере, на отдельных участках, внутри защитной трубки (11), предпочтительно выполненной из металла, для защиты линии передачи сигналов.

4. Теплообменник (1) по пп.2 и 3, отличающийся тем, что с одной стороны защитная трубка (11) приваривается к корпусу датчика (22) соответствующего ультразвукового датчика (2) и/или с другой стороны защитная трубка (11) соединяется с проходным каналом (10), предпочтительно с помощью соединения коническим призонным болтом, с помощью которого проходной канал (10) для линии (8) передачи сигналов направляется через стенку камеры для жидкости (4).

5. Теплообменник (1) по п.3 или 4, отличающийся тем, что защитная трубка (11) образует объем, отделенный от первой текучей среды (F1) и второй текучей среды (F2) во время работы, внутри которого проходит линия передачи сигналов.

6. Теплообменник (1) по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что соответствующий ультразвуковой датчик (2) содержит демпфирующий элемент (17), пьезоэлектрический кристалл (18) и изолирующий элемент (19), которые прижимаются друг к другу с помощью пружинного элемента (21).

7. Теплообменник (1) по п.6, отличающийся тем, что пружинный элемент (21) образован с помощью нескольких пружин, предпочтительно соединенных последовательно.

8. Теплообменник (1) по п.6 или 7, отличающийся тем, что в соответствующем ультразвуковом датчике (2) демпфирующий элемент (17) расположен между электрическим исполнительным электродом и пьезоэлектрическим кристаллом (18), при этом демпфирующий элемент (17) выполнен электропроводящим, так что электрическое приведение в действие пьезоэлектрического кристалла (18) через исполнительный электрод может осуществляться через демпфирующий элемент (17).

9. Теплообменник (1) по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что соответствующий ультразвуковой датчик (2) содержит один или несколько электроизоляционных элементов для электрической изоляции, предпочтительно сформированных таким образом, что они содержат диоксид циркония, между корпусом (22) ультразвукового датчика (2) и, соответственно, пьезоэлектрическим кристаллом (18), и/или демпфирующим элементом (17), и/или электродом ультразвукового датчика.

10. Теплообменник (1) по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что между соответствующим ультразвуковым датчиком (2) и теплопередающей трубкой (3) расположено соединительное средство, сформированное таким образом, что оно содержит серебро, в частности серебряную пленку, или же соединительное средство не установлено.

11. Теплообменник (1) по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что соответствующий ультразвуковой датчик (2) соединен с соответствующей теплопередающей трубкой (3) посредством посадки с натягом, предпочтительно с помощью зажимного соединения.

12. Теплообменник (1) по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что группа ультразвуковых датчиков (2) подключена к одному и тому же электронному блоку (9) сбора данных для передачи данных с возможностью передачи данных измерений на электронный блок (9) сбора данных во время работы теплообменника (1).

13. Способ эксплуатации теплообменника (1), в частности теплообменника (1) по пп.1-12, отличающийся тем, что на по меньшей мере одной из теплопередающих трубок (3), по которой транспортируется первая текучая среда (F1) с целью передачи тепла между первой текучей средой (F1) и второй текучей средой (F2) через теплопередающие трубки (3), соответственно устанавливают ультразвуковой датчик (2), выполненный с возможностью функционирования при рабочем давлении более 30 бар и/или рабочей температуре более 80°C, при этом толщину стенки соответствующей теплопередающей трубки (3) определяют с помощью соответствующего ультразвукового датчика (2) по месту её эксплуатации, причём данные измерений с соответствующего ультразвукового датчика (2) передаются на электронный блок (9) сбора данных (9) во время работы теплообменника (1).

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что соответствующий ультразвуковой датчик (2) эксплуатируют на частоте, в частности центральной частоте, более 10 МГц, в частности в частотном диапазоне от 10 до 30 МГц.

15. Способ по п.13 или 14, отличающийся тем, что для температурной компенсации скорости ультразвукового сигнала в качестве контрольной длины используют толщину изолирующего элемента (19) по меньшей мере одного из ультразвуковых датчиков (2) и/или температура определяется с помощью по меньшей мере одной термопары.

16. Способ по пп.13-15, отличающийся тем, что ультразвуковой сигнал излучается в соответствующую теплопередающую трубку (3), в частности в ее стенку, с помощью ультразвукового датчика (2), и ультразвуковые сигналы, отраженные от внешней и внутренней стенок теплопередающей трубки (3), принимаются с помощью ультразвукового датчика (2) для определения толщины стенки теплопередающей трубки (3).