СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ДВИЖЕНИЯ В ТЕПЛООБМЕННИКЕ ТИПА "СЕРДЦЕВИНА-ОБОЛОЧКА"
METHOD AND DEVICE FOR REDUCING MOVEMENT EFFECT IN “CORE-SHELL” TYPE HEAT EXCHANGER

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка испрашивает преимущество приоритета, исходя из статьи 119(е) раздела 35 свода законов США, на основании предварительного описания патента США номер 61/578,144, поданного 20 декабря 2011 года, которое полностью включено здесь путем ссылки, и относится к  патенту «Внутренняя перегородка для гашения колебаний жидкости в теплообменнике типа «сердцевина-оболочка», поданному 18 декабря 2012 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу и устройству для уменьшения влияния движения в теплообменнике типа «сердцевина-оболочка».
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для обеспечения возможности экономичной транспортировки природный газ в его естественной форме должен быть подвергнут концентрации. Использование природного газа значительно увеличилось в последнее время, так как он сгорает полностью и является экологически безопасным. При сгорании природного газа образуется меньше диоксида углерода, чем в случае любого другого ископаемого топлива, что очень важно, так как выбросы диоксида углерода были признаны существенным фактором для возникновения парникового эффекта. Сжиженный природный газ (СПГ) вероятно будет использоваться все больше и больше в густонаселенных городских местностях, требующих повышенного внимания к экологическим вопросам.
Богатые месторождения природного газа располагаются по всему миру. Многие из этих месторождений газа располагаются в море, в местах, которые недоступны с суши, и считаются труднодоступными месторождениями газа при использовании существующих технологий. Существующие месторождения с извлекаемыми запасами газа истощаются быстрее, чем месторождения нефти, что делает использование СПГ еще более важным для обеспечения будущих потребностей в энергоресурсах. В жидкой форме СПГ занимает в 600 раз меньше пространства, чем природный газ в газообразной фазе. Так как во многие области мира не могут быть проложены трубопроводы из-за технических, экономических или политических ограничений, размещение завода по производству СПГ в море и использование морских судов для транспортировки СПГ напрямую по морю с завода к транспортному резервуару может уменьшить начальные капитальные расходы и позволяет использовать неэкономичные в ином случае морские месторождения газа.
Плавучие заводы по сжижению газа предлагают морскую альтернативу размещаемым на берегу заводам по сжижению газа и альтернативу дорогостоящим подводным трубопроводам для труднодоступных морских месторождений. Плавучий завод по сжижению газа может быть пришвартован у берега или рядом с месторождением газа и на месторождении газа. Он также представляет собой подвижный производственный объект, который может быть передислоцирован на новое рабочее место, когда приближается конец продуктивного срока службы месторождения газа или когда это требуется по экономическим, экологическим или политическим причинам.
Одной из проблем, которая встречается на плавучих заводах по сжижению газа, является колебание испаряющейся текучей среды внутри теплообменников. Колебание жидкости в теплообменнике может привести к образованию сил, которые могут повлиять на устойчивость и управляемость теплообменника. Если испаряющаяся текучая среда имеет возможность свободно колебаться внутри оболочки теплообменника, движущаяся жидкость может оказывать негативное влияние на тепловую функцию сердцевины теплообменника. Кроме того, циклическая природа движения может привести к цикличности эффективности теплопередачи и в результате повлиять на условия технологического процесса на заводе для производства СПГ. Эта нестабильность работы в результате может привести к ухудшению общей производительности завода и может привести к уменьшению рабочих диапазонов и ограничить доступную производственную мощность.
Поэтому существует потребность в способе и устройстве для уменьшения влияния движения в теплообменнике типа «сердцевина-оболочка».
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте воплощения способ уменьшения влияния движения в теплообменнике включает в себя: (а) заполнение теплообменника испаряющейся текучей средой, причем теплообменник включает в себя внутренний объем, образованный внутри оболочки, и множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей, расположенных во внутреннем объеме оболочки; (b) введение горячего технологического подаваемого потока в верхний резервуар, причем верхний резервуар располагается над теплообменником, верхний резервуар соединен с теплообменником посредством множества направляющих труб, причем направляющие трубы включают в себя внешние трубы для соединения верхнего резервуара и множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей, и направляющие трубы дополнительно включают в себя внутренний восходящий паропровод меньшего диаметра, причем внутренний восходящий паропровод прикреплен к верху множества сердцевинных частей и плавает внутри направляющей трубы, чтобы обеспечить возможность теплового расширения и сжатия множества сердцевинных частей; (с) подачу горячего подаваемого потока к сердцевинной части во внутреннем объеме оболочки посредством направляющих труб, причем между горячим технологическим подаваемым потоком и испаряющейся текучей средой происходит косвенный теплообмен, в результате чего образуется теплый поток жидкости и неиспарившийся поток, причем неиспарившийся поток включает в себя смесь пара и жидкости, и (d) подачу неиспарившегося потока в верхний резервуар посредством направляющих труб для осуществления разделения.
В другом варианте воплощения способ уменьшения влияния движения в теплообменнике включает в себя: (а) заполнение теплообменника испаряющейся текучей средой, причем теплообменник включает в себя внутренний объем, образованный внутри оболочки, и множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей, расположенных во внутреннем объеме оболочки; (b) введение горячего технологического подаваемого потока в разделительный резервуар, причем разделительный резервуар располагается над теплообменником, разделительный резервуар соединен с теплообменником посредством множества внешних труб; (с) подачу горячего технологического подаваемого потока к сердцевинной части во внутреннем объеме оболочки посредством внешних труб, причем между горячим технологическим подаваемым потоком и испаряющейся текучей средой происходит косвенный теплообмен, в результате чего образуется теплый поток жидкости и неиспарившийся поток, причем неиспарившийся поток представляет собой смесь пара и жидкости, и (d) подачу неиспарившегося потока в разделительный резервуар для осуществления разделения.
В еще одном варианте воплощения способ уменьшения влияния движения в теплообменнике включает в себя: (а) заполнение теплообменника испаряющейся текучей средой, причем теплообменник включает в себя внутренний объем, образованный внутри оболочки, и множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей, расположенных во внутреннем объеме оболочки; (b) введение горячего технологического подаваемого потока в разделительный резервуар, причем разделительный резервуар располагается выше, чем теплообменник, разделительный резервуар включает в себя выпуск для жидкости и впуск для пара; (с) подачу горячего технологического подаваемого потока к сердцевинной части во внутреннем объеме оболочки на верху или вблизи верха сердцевинной части посредством выпуска для жидкости, причем между горячим технологическим подаваемым потоком и испаряющейся текучей средой происходит косвенный теплообмен, в результате чего образуется теплый поток жидкости и неиспарившийся поток, причем неиспарившийся поток представляет собой смесь пара и жидкости, и (d) подачу неиспарившегося потока в разделительный резервуар для осуществления разделения.
В дополнительном варианте воплощения устройство включает в себя: (а) теплообменник, который включает в себя внутренний объем, образованный внутри оболочки, и множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей, расположенных во внутреннем объеме оболочки, причем внутренний объем заполнен испаряющейся текучей средой; (b) разделительный резервуар, который соединен с теплообменником, причем разделительный резервуар располагается выше, чем теплообменник, и разделительный резервуар соединен с теплообменником таким образом, чтобы подавать горячий подаваемый поток в теплообменник и принимать неиспарившийся поток из теплообменника.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение и его преимущества будут лучше поняты с помощью последующего описания вместе с прилагаемыми чертежами:
Фиг. 1 - схематический вид теплообменника типа «сердцевина-оболочка» согласно одному варианту воплощения изобретения, использующего внешнее горизонтальное разделительное устройство.
Фиг. 2 - схематический вид теплообменника типа «сердцевина-оболочка» согласно одному варианту воплощения изобретения, использующего вертикальное разделительное устройство.
Фиг. 3 - схематический вид согласно одному варианту воплощения изобретения, использующего внешнее вертикальное разделительное устройство.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее будут подробно описаны варианты воплощения настоящего изобретения, несколько примеров которых иллюстрируются на прилагаемых чертежах. Каждый пример приводится только в качестве пояснения и не ограничивает изобретение. Специалистам в этой области техники очевидно, что возможно сделать множество модификаций и изменений настоящего изобретения, не выходя за пределы его сущности и объема. Например, признаки, которые иллюстрируются или описываются как часть одного варианта воплощения, могут использоваться в другом варианте воплощения, чтобы получить еще один дополнительный вариант воплощения. Таким образом, настоящее изобретение охватывает те модификации и варианты, которые находятся в пределах объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.
Обращаясь к Фиг. 1-3, теплообменник 10 в общем включает в себя оболочку 12 и множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей, т.е. первую сердцевинную часть 16, вторую сердцевинную часть 18 и третью сердцевинную часть 20, внутри оболочки 12. Множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей внутри теплообменника 10 включает в себя по меньшей мере одну сердцевинную часть. В иллюстративных целях здесь теплообменник располагается горизонтально, однако теплообменник может располагаться любым коммерчески целесообразным образом, например, вертикально. Множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей внутри оболочки 12 полностью погружены, т.е. теплообменник заполнен, в испаряющуюся текучую среду, т.е. жидкий хладагент.
Принцип конструкции теплообменника типа «сердечник-оболочка» обеспечивает встречный теплообмен между горячим технологическим подаваемым потоком и более холодной испаряющейся текучей средой. Испаряющаяся текучая среда располагается в резервуаре высокого давления, в котором установлены паяные алюминиевые компактные сердцевинные части теплообменника, которые погружены в испаряющуюся текучую среду, которая находится при температуре кипения или вблизи нее. Жидкость втягивается на нижней стороне теплообменника, где она контактирует с более горячими поверхностями внутри сердцевинной части. Испаряющаяся текучая среда затем передает тепло через каналы сердцевинной части теплообменника. Большая часть передаваемого тепла образуется из теплоты фазового перехода испарения испаряющейся текучей среды. Горячий технологический подаваемый поток охлаждается или конденсируется, когда он проходит через противоположную сторону каналов в сердцевинных частях теплообменника.
Тепловая производительность и пропускная способность теплообменника типа «сердцевина-сердечник» зависят от уровня жидкости в теплообменнике. Движущей силой для циркуляции испаряющейся текучей среды в сердцевинных частях теплообменника является термосифонный эффект. Термосифонный эффект представляет собой явление пассивного переноса жидкости за счет действия естественной конвекции. Когда происходит испарение жидкости, испаряющаяся текучая среда нагревается и плотность испаряющейся текучей среды уменьшается. Когда она естественным образом течет вверх в каналах, происходит втягивание свежей жидкости. В результате этого возникает естественная циркуляция испаряющейся текучей среды в каналах сердцевинной части, создаваемая градиентом температуры внутри сердцевинной части. Не вся испаряющаяся текучая среда в канале испаряется и смесь жидкости и пара типично транспортируется вверх через каналы сердцевинной части теплообменника, и выходит через верх сердцевинной части. Над сердцевинной частью должно быть обеспечено достаточное пространство для пара и жидкости, чтобы разделить их таким образом, что только пар выходит из верхней секции над стороной оболочки сердцевинной части. Жидкость, которая отделяется в верхней секции теплообменника, затем возвращается для повторного использования на дно резервуара и потом подвергается испарению в сердцевинной части. Движущей силой для разделения жидкости и пара в верхней секции теплообменника типа «сердцевина-оболочка» является сила тяжести.
Эффект термосифонной циркуляции в сердцевинной части усиливается или ослабляется с помощью внешнего гидравлического давления (разницы уровней) между эффективными уровнями жидкости внутри сердцевинной части и уровнем жидкости снаружи от сердцевинной части. Когда уровень жидкости в оболочке падает, движущая сила для переноса жидкости в сердцевинную часть теплообменника уменьшается и эффективная теплопередача уменьшается. Когда уровень жидкости падает ниже сердцевинной части, циркуляция испаряющейся текучей среды останавливается из-за исчезновения термосифонного эффекта, что приводит к отсутствию теплопередачи. Если теплообменник работает с уровнем жидкости выше сердцевинной части, т.е. заполнен, передача тепла дополнительно ослабляется, так как пар, создаваемый в сердцевинной части, должен преодолевать дополнительное пространство, чтобы покинуть сердцевинную часть.
Чтобы преодолеть этот эффект заполненного теплообменника и обеспечить разделение неиспарившегося потока, смеси пара и жидкости, используется верхний резервуар 30, такой как, например, показанный на Фиг. 1. Верхний резервуар 30 располагается над теплообменником 10 и включает в себя множество направляющих труб 32 для отделения пара, соединяющих верхний резервуар 30 с оболочкой 12 теплообменника 10. Направляющие (обсадные) трубы 32 образованы внешней трубой, соединяющей два резервуара. Внутри направляющих (обсадных) труб размещается внутренний восходящий паропровод меньшего диаметра. Восходящий паропровод (не показан на Фиг. 1) прикреплен к верху сердцевинной части 16, 18, 20 и плавает внутри направляющей трубы 32 таким образом, чтобы обеспечить возможность теплового расширения и сжатия сердцевинных частей 16, 18, 20. Восходящий паропровод оканчивается внутри верхнего резервуара 30 над нормальным уровнем жидкости верхнего резервуара 30. Восходящий паропровод прикреплен к верху сердцевинных частей 16, 18, 20 таким образом, чтобы собирать неиспарившийся поток, выходящий из внутренних сердцевинных частей 16, 18 или 20. Неиспарившийся поток вводится в верхний резервуар 30. Неиспарившийся поток затем разделяется в верхнем резервуаре 30 таким образом, что жидкость течет вниз по межтрубному пространству (между наружной стороной восходящего паропровода и внутренней стороной направляющей трубы) направляющей трубы 32 в оболочку 12 теплообменника 10 через множество направляющих труб 32.
После ввода в оболочку 12 теплообменника посредством множества направляющих труб горячие технологические подаваемые потоки подаются к множеству разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей посредством внешних соединительных труб, чтобы по отдельности подвергнуться косвенному теплообмену с испаряющейся текучей средой. Множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей каждая принимают отдельный горячий технологический подаваемый поток, обеспечивая возможность одновременного косвенного теплообмена между испаряющейся текучей средой и отдельными горячими технологическими подаваемыми потоками. Испаряющаяся текучая среда и горячий технологический подаваемый поток текут навстречу друг другу в каналах, образованных чередующимися пластинами и ребрами, внутри каждой сердцевинной части.
Как было описано выше, только часть испаряющейся текучей среды испаряется в сердцевинной части, в результате чего образуется смесь пара и жидкости, т.е. неиспарившийся поток, выходящий через верх сердцевинной части, который должен быть разделен в верхнем резервуаре 30. Восходящие паропроводы выполнены таким образом, что неиспарившийся поток, выходящий из сердцевинной части, остается смешанным многофазным потоком и перемещается внутри внутренней трубы, присоединенной посредством коллектора от верха множества сердцевинных частей 16, 18, 20 теплообменника 10, и оканчиваются внутри верхнего резервуара 30 над нормальным уровнем жидкости в верхнем резервуаре 30. Пар из неиспарившегося потока отделяется в верхнем резервуаре 30 и смешивается с паром из неиспарившегося потока, входящего в верхний резервуар 30. Жидкость отделяется от горячего технологического подаваемого потока, смешивается с рециркулируемой жидкостью из восходящих паропроводов и течет через межтрубное пространство направляющих труб 32 к дну теплообменника. В этом варианте воплощения верхний резервуар включает в себя перегородки для гашения колебаний жидкости, чтобы минимизировать движение поверхности жидкости.
Альтернативно, может использоваться разделительный резервуар 40 для преодоления эффектов заполненного теплообменника, чтобы обеспечить разделение неиспарившегося потока, как иллюстрируется на Фиг. 2. Разделительный резервуар 40 располагается вертикально над теплообменником 10 и включает в себя множество направляющих труб 42, соединенных с теплообменником 10. Неиспарившийся поток вводится в разделительный резервуар 40. Пар и жидкость в неиспарившемся потоке разделяются в разделительном резервуаре 40, и жидкость течет через внешний разделительный резервуар в теплообменник 10 посредством множество направляющих труб 42 через дно разделительного резервуара 40. Восходящие паропроводы внутри направляющих труб выполнены таким образом, что смесь неиспарившейся жидкости и пара, выходящая из сердцевинной части, остается смешанным двухфазным потоком и перемещается внутри внутренней трубы, присоединенной посредством коллектора, от верха множества сердцевинных частей 16, 18, 20, и оканчиваются внутри разделительного резервуара 40 над нормальным уровнем жидкости в горизонтальном возвратном коллекторе 43, который соединен с паровым пространством разделительного резервуара 40. Пар из множества сердцевинных частей 16, 18, 20 отделяется в разделительном резервуаре 40 и смешивается с паром из неиспарившегося потока, входящего в разделительный резервуар 40, и выходит через верх разделительного резервуара 40. Рециркулируемая жидкость возвращается к дну оболочки 12 через межтрубное пространство направляющих труб или через дно разделительного резервуара 40.
После ввода в оболочку 12 теплообменника посредством множества направляющих труб горячие технологические подаваемые потоки подаются к множеству разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей посредством внешних соединительных труб, чтобы по отдельности подвергнуться косвенному теплообмену с испаряющейся текучей средой. Множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей каждая принимают отдельный горячий технологический подаваемый поток, обеспечивая возможность одновременного косвенного теплообмена между испаряющейся текучей средой и отдельными горячими технологическими подаваемыми потоками. Испаряющаяся текучая среда и горячий технологический подаваемый поток текут навстречу друг другу в каналах, образованных чередующимися пластинами и ребрами, внутри каждой сердцевинной части.
Получаемый в результате неиспарившийся поток разделяется во множестве внешних труб 42. Поток жидкости возвращается обратно в теплообменник 10 посредством внешней стороны кольцевой трубы внутри направляющей трубы 42. Поток пара течет через внешние трубы 42 в разделительный резервуар 40. Уровень жидкости поддерживается в разделительном резервуаре посредством внешнего клапана управления уровнем жидкости. Так как разделительный резервуар 40 является вертикальным, гасить движение может не потребоваться. Однако в варианте воплощения изобретения в разделительном резервуаре используются перегородки для гашения колебаний жидкости.
Обращаясь к Фиг. 3, может использоваться разделительный резервуар 50, который располагается выше или на той же высоте, что и теплообменник 10, чтобы преодолеть эффекты движения, и используется альтернативный способ полного заполнения теплообменника 10. На Фиг. 3 разделительный резервуар 50 располагается сбоку относительно теплообменника 10 и включает в себя питающую выпускную трубу 52 для жидкости и множество направляющих впускных труб 54 для отделения пара. Горячий технологический подаваемый поток, т.е. смешанный многофазный подаваемый поток, вводится в разделительный резервуар 50. Испаряющаяся текучая среда подается в теплообменники 10 из разделительного резервуара 50 через один или более свободных сливов посредством питающей выпускной трубы 52. После ввода в оболочку 12 теплообменника посредством множества соединительных труб горячие технологические подаваемые потоки подаются к множеству разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей посредством внешних соединительных труб, чтобы по отдельности подвергнуться косвенному теплообмену с испаряющейся текучей средой. Множество разнесенных относительно друг друга сердцевинных частей каждая принимают отдельный горячий технологический подаваемый поток, обеспечивая возможность одновременного косвенного теплообмена между испаряющейся текучей средой и отдельными горячими технологическими подаваемыми потоками. Испаряющаяся текучая среда и горячий технологический подаваемый поток текут навстречу друг другу в каналах, образованных чередующимися пластинами и ребрами, внутри каждой сердцевинной части.
Получаемый в результате неиспарившийся поток разделяется во множестве впускных труб 54 для пара. Поток жидкости возвращается обратно в теплообменник 10. Поток пара течет через направляющие впускные трубы для отделения пара в разделительный резервуар 50. Уровень жидкости поддерживается в разделительном резервуаре 50 посредством внешнего клапана управления уровнем жидкости. Так как разделительный резервуар 50 является вертикальным, гасить движение может не потребоваться. Однако в варианте воплощения изобретения в разделительном резервуаре 50 используются перегородки для гашения колебаний жидкости.
Чтобы минимизировать размер пространства для отделения пара, требуемого во внешнем или встроенном разделительном устройстве, внутренние устройства, типа лопастных блоков, конденсатосборников или циклонных устройств, могут использоваться для уменьшения диаметра, требуемого в разделительном устройстве, и тем самым уменьшения общих размеров, требуемых для удаления капель жидкости из потока пара.
В заключение необходимо отметить, что упоминание каких-либо ссылочных материалов не означает, что они являются известным уровнем техники (прототипами) для настоящего изобретения, в особенности это относится к любым ссылочным материалам, которые могут иметь дату публикации после даты приоритета этой заявки. В то же время каждый и все пункты приведенной ниже формулы изобретения здесь включены в настоящее подробное описание как дополнительные варианты воплощения настоящего изобретения.
Хотя описываемые здесь системы и процессы были описаны подробно, понятно, что могут быть сделаны различные изменения и замены, не выходя за пределы сущности и объема изобретения, определенного в формуле изобретения. Специалисты в этой области техники могут изучить представленные предпочтительные варианты воплощения и обнаружить другие варианты воплощения изобретения, которые не совсем соответствуют описанным здесь. Варианты и эквиваленты настоящего изобретения охватываются объемом изобретения, определенным в формуле изобретения, при этом описание, реферат и чертежи не должны использоваться для ограничения объема изобретения. Более конкретно объем изобретения является настолько широким, насколько это определяется формулой изобретения и ее эквивалентами.