СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕПРЯМОГО ТЕПЛООБМЕННИКА И УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА, СОДЕРЖАЩЕЙ ТАКОЙ ТЕПЛООБМЕННИК
METHOD FOR USING INDIRECT HEAT EXCHANGER AND INSTALLATION FOR RECYCLING LIQUEFIED NATURAL GAS CONTAINING SUCH A HEAT EXCHANGER

Область техники
Данное изобретение относится к способу проектирования непрямого теплообменника. Изобретение также относится к установке для переработки сжиженного природного газа, причем установка содержит теплообменник, спроектированный в соответствии с указанным способом.
Уровень техники
Непрямые теплообменники представляют собой теплообменники, в которых два потока текучей среды могут обмениваться теплом без прямого контакта друг с другом, так как текучие среды разделены одной или более поверхностями теплообмена. Потоки текучей среды могут быть потоками жидкости, пара, газа или многофазными потоками. Непрямые теплообменники могут использоваться для разных целей. Например, непрямые теплообменники могут использоваться в циклах охлаждения, чтобы обеспечить теплообмен хладагента с окружающей средой (например, конденсатором, охлаждающим хладагент) и чтобы обеспечить теплообмен хладагента с технологическим потоком (охлаждение технологического потока) в другом непрямом теплообменнике. Такие холодильные циклы используются, например, в установках со сжиженным природным газом для охлаждения и сжижения технологического потока природного газа, а также в регазификационных установках, в которых жидкий природный газ нагревается для регазификации/испарения.
Хорошо известными типами непрямых теплообменников, которые в настоящее время используются в нефтегазовой промышленности, являются пластинчатые теплообменники и кожухотрубные теплообменники. Эти теплообменники, как правило, относительно большие. Наиболее компактными теплообменниками, используемыми в настоящее время в нефтегазовой промышленности, являются пластинчатые теплообменники с вытравленными каналами (PCHE, printed circuit heat exchangers).
С постоянно развивающимися технологиями производства, такими как аддитивное производство, также называемое трехмерной печатью, менее значимыми становятся ограничения, налагаемые на конструктивное исполнение с точки зрения производства.
Например, в WO2008079593 описан способ использования минимальной поверхности или минимального каркаса для выполнения компонента теплообменника и описаны относительно сложные конструкции. В US20150007969 описан теплообменник, содержащий ребра и прорези, которые, например, могут быть изготовлены с помощью аддитивного производства с использованием ультразвука (UAM, ultrasonic additive manufacturing). Аддитивное производство, например, упоминается в US20160108814, GB2521913A, US20160114439, WO2013163398A1 и CN204830955.
В предшествующем уровне техники делается акцент на максимальном увеличении площади поверхности теплообменника, чтобы максимально увеличить проводящий термический контакт между текучей средами, обменивающимися теплом, одновременно избегая чрезмерного сопротивления потока, с тем чтобы содействовать конвекционному удалению избыточного тепла.
Бейжан (Bejan) (Dendritic constructal heat exchanger with small-scale crossflows and larger-scale counterflows, International Journal of Heat and Mass Transfer, November 2002) описал конструкцию двухпоточного непрямого теплообменника с максимальной скоростью теплопередачи на единицу объема. Бейжан, среди прочего, предусматривает небольшие каналы с параллельными шкальными пластинами, длина которых соответствует длине термического входного участка небольшого потока, который протекает через этот канал, тем самым устраняя продольное повышение температуры, которое происходит в полностью развитом ламинарном потоке, и это удваивает коэффициент теплопередачи, связанный с полностью развитым ламинарным потоком. Теплые и холодные потоки в каналах протекают в перекрестном направлении. При масштабах длин, превышающих элементарные, потоки горячей и холодной текучей среды протекают в противоположном направлении. Каждый поток омывает объем теплообменника, когда две древовидных структуры соединяются между собой кронами. Одна древовидная структура распространяет поток по всему объему (как дельта реки), а другая древовидная структура собирает тот же поток (как бассейн реки).
Следует отметить, что для конструкции, описанной Бейжаном, требуются относительно сложные схемы распределения и сбора для распределения и сбора потоков, без объяснения их конструкции. Эти схемы распределения/сбора с большой вероятностью могут приводить к значительным потерям давления. Кроме того, сложные механизмы распределения и сбора с большой вероятностью могут требовать большого количества материала и, следовательно, не приведут к рентабельной, легковесной конструкции. Кроме того, ограничена свобода проектирования общей формы и размеров теплообменника в соответствии с потребностями.
В US-3986549 раскрыт теплообменник для теплообмена между первым и вторым газами, например для предварительного подогрева воздуха на впуске, поступающего в устройство нагрева газа, из отработанного воздуха. Теплообменник содержит комплект преимущественно плоских змееобразных ребер, каждое из которых определяет расположенные рядом друг с другом проходные каналы для газового потока между смежными боковыми частями ребер, и средство для установки комплекта ребер, причем некоторые из этих проходных каналов проходят в одном направлении для первого газа, а другие проходные каналы проходят преимущественно в поперечном направлении к первым газовым проходным каналам для потока второго газа в теплообменном соотношении с первым газом. Четыре блока сердечника теплообменника удерживаются в разнесенном положении внутри опорной рамы и соответствующим образом уплотнены по краям с помощью прокладок.
В US-2013/125545-A1 раскрыта система для использования отработанного тепла двигателя внутреннего сгорания посредством процесса цикла Клаузиуса-Ранкина. В варианте реализации изобретения теплообменник содержит в общей сложности три блока. Три блока имеют отдельные корпуса и, таким образом, соединены последовательно гидравлическим путем относительно рабочей среды. Из-за смешивания рабочей среды в смесительном канале, соединяющем последующие блоки после перемещения из множества частей проточного канала перед вводом в другое множество частей проточного канала последующего блока испарительного теплообменника, рабочая среда может испаряться, по существу, полностью и равномерно.
Хотя описанные выше теплообменники могут быть выгодно применены в соответствующей области техники, конкретная конструкция этих последних теплообменников несовместима с промышленными масштабами и размерами, необходимыми в случае теплообменников для нефтяной и газовой промышленности. Иными словами, при масштабировании до промышленных размеров, необходимых, например, для сжижения природного газа, вышеупомянутые теплообменники не могут конкурировать с обычными теплообменниками, используемыми для охлаждения в промышленных масштабах. Таким образом, теплообменники, раскрытые в US-2013/125545-A1 и US-3986549, не подходят для масштабирования в промышленных масштабах и применения в установке для переработки сжиженного природного газа.
Сущность изобретения
Целью является предоставление теплообменника, в котором устранены по меньшей мере один или более из вышеуказанных недостатков, например обеспечение теплообменника с улучшенной конфигурацией, с улучшенным балансом между максимальным увеличением теплопередачи на единицу объема и сведением к минимуму перепада давления.
В одном аспекте данное изобретение относится к способу использования непрямого теплообменника (1), причем непрямой теплообменник содержит:
первое впускное отверстие для приема первого потока текучей среды,
первое выпускное отверстие для выпуска первого потока текучей среды,
второе впускное отверстие для приема второго потока текучей среды,
второе выпускное отверстие для выпуска второго потока текучей среды,
множество теплообменных модулей (10), расположенных в прямоугольной решетке, причем решетка имеет первое направление, второе направление и третье направление, причем каждый из теплообменных модулей содержит первую переднюю поверхность модуля и вторую переднюю поверхность модуля, противоположные друг другу в первом направлении, причем каждый из теплообменных модулей содержит третью переднюю поверхность модуля и четвертую переднюю поверхность модуля, противоположные друг другу во втором направлении,
при этом каждый из теплообменных модулей (10) содержит множество первых каналов (11) для потока текучей среды, проходящих между первой передней поверхностью модуля и второй передней поверхностью модуля, для размещения первого потока текучей среды, и множество вторых каналов (21) для потока текучей среды, проходящих между третьей передней поверхностью модуля и четвертой передней поверхностью модуля для размещения второго потока текучей среды,
первые коллекторы (12), сообщающие по текучей среде множество первых каналов (11) для потока текучей среды одного из теплообменных модулей с множеством первых каналов (11) для потока текучей среды смежного теплообменного модуля (10), образуя тем самым один или более первых путей потока текучей среды, соединяющих первое впускное отверстие с первым выпускным отверстием и проходящих через два или более теплообменных модулей (10), и
вторые коллекторы (22), сообщающие по текучей среде множество вторых каналов (21) для потока текучей среды одного из теплообменных модулей с множеством вторых каналов (21) для потока текучей среды смежного теплообменного модуля (10), образуя тем самым один или более вторых путей потока текучей среды, соединяющих второе впускное отверстие со вторым выпускным отверстием и проходящих через два или более теплообменных модулей (10).
При использовании первые коллекторы собирают первую текучую среду из теплообменного модуля, то есть из всех первых каналов для потока текучей среды этого теплообменного модуля, транспортируют по меньшей мере часть первой текучей среды в другой смежный теплообменный модуль и подают первую текучую среду в первые каналы для потока текучей среды этого смежного теплообменного модуля.
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
x
y
y
z
z
x
y
z
Первое, второе и третье направления перпендикулярны друг другу. Теплообменные модули расположены в прямоугольной решетке. Прямоугольная решетка предпочтительно содержит N теплообменных модулей (10) в первом направлении, N теплообменных модулей (10) во втором направлении и N теплообменных модулей (10) в третьем направлении. Следовательно, непрямой теплообменник содержит N теплообменных модулей, N = N * N * N. Таким образом, каждый теплообменный модуль может быть идентифицирован по координате n, n, n, где n  = 1, … , N, n = 1, …, N и n = 1, …, N (причем n и N являются целыми числами). В соответствии с вариантом реализации изобретения, N > 1. В соответствии с другим вариантом реализации изобретения, N> 1, и N > 1, и N > 1, и N > 8.
Чтобы ограничить общий размер непрямого теплообменника, прямоугольная решетка, в которой размещено множество теплообменных модулей (10), предпочтительно выполнена в виде ящика (по существу, с равной длиной во всех трех направлениях), поскольку это ограничит размер распределительных и собирающих коллекторов и тем самым общий размер и вес непрямого теплообменника и, следовательно, его стоимость.
Теплообменные модули предпочтительно имеют форму параллелепипеда, например, имея прямоугольную или коробчатую форму, в которой первый и второй потоки текучей среды протекают в поперечном направлении. Это позволяет компактно укладывать теплообменные модули в сеточную конфигурацию и облегчает аналитические расчеты и моделирование с помощью проверенных корреляций для теплопередачи и перепада давления. Это, в свою очередь, позволяет создать параметризованную модель, которая описывает все показатели эффективности как комбинации геометрических и технологических параметров. Путем реализации параметризованной модели в соответствующем программном обеспечении конструкция может быть оптимизирована для любого набора показателей, таких как масса и объем.
За счет обеспечения того, что все первые каналы (11) для потока текучей среды, по существу, проходят в первом направлении, т. е. проходят между первой и второй передними поверхностями модуля, и все вторые каналы (21) для потока текучей среды, по существу, проходят во втором направлении, т. е. проходят между третьей и четвертой передними поверхностями модуля в каждом теплообменном модуле (10), становятся возможными относительно простая компоновка первого и второго коллекторов и относительно простые распределительные и собирающие коллекторы. Компоновка такова, что совмещены первые потоки текучей среды различных теплообменных модулей и совмещены вторые потоки текучей среды различных теплообменных модулей. Распределительные коллекторы могут также упоминаться как распределительные или подающие коллекторы/устройства. Собирающие коллекторы могут также упоминаться как собирающие коллекторы/устройства.
В соответствии с вариантом реализации изобретения первые каналы потока текучей среды являются прямыми и направлены в первом направлении, и/или вторые каналы потока текучей среды являются прямыми и направлены во втором направлении.
В предложенной в данном документе схеме первая передняя поверхность (ее часть) прямоугольной решетки может быть предназначена для приема первой текучей среды, вторая передняя поверхность (ее часть) прямоугольной решетки может быть предназначена для выпуска первой текучей среды, третья передняя поверхность (ее часть) прямоугольной решетки может быть предназначена для приема второй текучей среды, и четвертая передняя поверхность (ее часть) прямоугольной решетки может быть предназначена для выпуска второй текучей среды. Поскольку передние поверхности решетки предназначены только для одной текучей среды и либо для притока, либо для оттока, нет необходимости в сложных распределительных и собирающих коллекторах.
Первый распределительный коллектор может быть предусмотрен для распределения первого потока текучей среды по (части) первой передней поверхности прямоугольной решетки. Устройство первого коллектора может быть предназначено для сбора первого потока текучей среды от (части) второй передней поверхности прямоугольной решетки.
Второй распределительный коллектор может быть предусмотрен для распределения второго потока текучей среды по (части) третьей передней поверхности прямоугольной решетки. Второй собирающий коллектор может быть предусмотрен для сбора второго потока текучей среды от (части) четвертой передней поверхности прямоугольной решетки.
В схеме, предложенной Бейжаном, первые каналы для потока текучей среды и вторые каналы для потока текучей среды не ориентированы последовательно в одном направлении с целью обеспечения теплообмена между первой и второй текучими средами в первом и втором коллекторах. Следовательно, в схеме, предложенной Бейжаном, передние поверхности решетки предназначены для более чем одной текучей среды, требуя сложных конфигураций распределения и сбора для распределения и сбора различных потоков.
Кроме того, следует отметить, что, согласно Бейжану, количество теплообмена (тепловой нагрузки), которое может иметь место между первой и второй текучими средами в первом и втором коллекторах, очень ограничено. В зависимости от коэффициента перекрещивания температур, оно может составлять порядка вплоть до 50% от требуемой общей тепловой нагрузки непрямого теплообменника. Тепловая нагрузка первого и второго коллекторов пропорциональна площади, коэффициенту теплопередачи и разности температур. Коэффициент теплопередачи зависит от свойств материала и скорости потока текучих сред, обменивающихся теплом.
В соответствии с представленными в данном документе вариантами реализации изобретения размеры поперечного сечения первого и второго коллекторов предпочтительно выбираются относительно большими, чтобы обеспечить равномерное распределение текучей среды по всем каналам для потока текучей среды теплообменного модуля, по которым должна быть распределена текучая среда. Кроме того, соотношение сторон коллектора предпочтительно является относительно низким, чтобы свести к минимуму потери на трение.
В предлагаемом в настоящее время непрямом теплообменнике в коллекторах не предполагается теплообмен, так как теплообмен будет происходить в основном между первым и вторым каналами для потока текучей среды. Это обеспечивает большую гибкость при проектировании теплообменника, поскольку позволяет размещать блоки последовательно и/или параллельно, тем самым обеспечивая более оптимальную конструкцию непрямого теплообменника в отношении перепада давления, площади участка под оборудование и общего объема.
Кроме того, предлагаемый в настоящее время непрямой теплообменник обеспечивает большую свободу при проектировании общей формы непрямого теплообменника, например, позволяет уменьшить площадь участка под оборудование, поскольку обеспечивает большую свободу в том, как соединить по текучей среде теплообменные модули. Предлагаемый в настоящее время непрямой теплообменник обеспечивает последовательное соединение теплообменных модулей, как описано более подробно ниже со ссылкой на фиг. 2а, 2с и 2d.
Кроме того, Бейжаном предложен теплообмен первой и второй текучих сред в распределительных и собирающих устройствах (коллекторе). Однако это происходило за счет значительной потери давления в относительно сложных распределительных и собирающих устройствах. В предлагаемом в настоящее время непрямом теплообменнике это не предусмотрено, поскольку теплообмен между первой и второй текучими средами происходит в теплообменных модулях (т. е. между первым и вторым каналами для потока текучей среды) и распределительные и собирающие устройства служат только для распределения и сбора потоков.
Конфигурация предлагаемого в настоящее время непрямого теплообменника образована из ряда оптимизированных теплообменных модулей, которые спроектированы и соединены в пространственном отношении эффективным образом. Преимущество использования относительно небольших и относительно многих теплообменных модулей состоит в том, что эффективность выше, поскольку большая часть потока не развита (отношение теплопередачи к перепаду давления выше перед тем, как будет достигнута длина термического входного участка). Кроме того, данная конфигурация позволяет подключать теплообменные модули параллельно или последовательно для соответствия требуемым характеристикам тепловой нагрузки и ограничениям относительно перепада давления.
Первый поток текучей среды может быть горячей средой (например, охлаждающей жидкостью/хладагентом) или холодной средой, например, окружающей водой или воздушным потоком. Второй поток текучей среды может быть холодной средой или горячей средой (отличной от первой текучей среды), например, технологическим потоком, который должен охлаждаться или нагреваться первым потоком текучей среды, или наоборот. Термины «горячая среда» и «холодная среда» используются по отношению друг к другу, а это означает, что горячая среда является более теплой, чем холодная среда при поступлении первой и второй текучей среды в непрямой теплообменник. Таким образом, общий теплообмен между первым и вторым потоками текучей среды представляет собой тепловой поток от теплой к холодной среде.
Способ, описанный выше, может включать этап использования непрямого теплообменника для переработки сжиженного природного газа.
Способ, описанный выше, может включать этап использования непрямого теплообменника для сжижения природного газа.
В соответствии с дополнительным аспектом предложен способ проектирования непрямого теплообменника, как описано выше, при этом способ проектирования включает:
определение проектных рабочих параметров непрямого теплообменника, причем проектные рабочие параметры включают одно или более из: расхода первого потока текучей среды, температуры при впуске первого потока текучей среды, температуры при выпуске первого потока текучей среды, давления при впуске первого потока текучей среды, давления при выпуске первого потока текучей среды, физических свойств, таких как массовая плотность, вязкость, удельная теплоемкость и теплопроводность первой текучей среды, расхода второго потока текучей среды, температуры при впуске второго потока текучей среды, температуры при выпуске второго потока текучей среды, давления при впуске второго потока текучей среды, давления при выпуске второго потока текучей среды, тепловой нагрузки непрямого теплообменника, физических свойств, таких как массовая плотность, вязкость, удельная теплоемкость и теплопроводность второй текучей среды,
при этом способ дополнительно включает, на основании проектных рабочих параметров,
- определение количества теплообменных модулей, которые должны содержаться в первом и втором путях потока текучей среды,
- определение количества первого и второго каналов (11, 21) для потока текучей среды для каждого теплообменного модуля, а также размеров поперечного сечения первого и второго каналов (11, 21) для потока текучей среды,
- определение длины первого и второго каналов (11, 21) для потока текучей среды,
- определение размеров первого и второго коллекторов,
- определение схемы прямоугольной решетки,
- определение размеров первого распределительного коллектора (101), первого собирающего коллектора (102), второго распределительного коллектора (103) и второго собирающего коллектора (104).
мин
Для действия (i) определено минимальное количество теплообменных модулей, включаемых последовательно в один или более параллельных первого и второго путей движения текучей среды, для предотвращения или сведения к минимуму перекрещивания температур. Минимальное количество N может быть вычислено
следующим образом:
мин
вп,1
вп,2
вп,1
вып,2
вып,1
вп,2
N = |T – T|/(0,5*((|T-T|)+(|T-T|))),
вп
вып
где 1 относится к горячей текучей среде, 2 относится к холодной текучей среде, T означает температуру во впускном отверстии, а T означает температуру в выпускном отверстии.
мин
Количество теплообменных модулей, которые должны содержаться в первом и втором путях движения текучей среды, определяется путем уравновешивания общей разности температур допустимым перепадом давления с ограничением того, что это количество не должно быть меньше, чем N.
Для действия (ii) может быть определено количество первых и вторых каналов (11, 21) для потока текучей среды на теплообменный модуль, а также длина и размеры поперечного сечения первых и вторых каналов (11, 21) для потока текучей среды, для обеспечения того, чтобы первый и/или второй потоки текучей среды в соответствующих каналах для потока текучей среды оставались ламинарными, поскольку ламинарные потоки обеспечивают относительно хорошее отношение теплопередачи к перепаду давления. В качестве альтернативного варианта, количество первых и вторых каналов (11, 21) для потока текучей среды на теплообменный модуль, а также длина и размеры поперечного сечения первых и вторых каналов (11, 21) для потока текучей среды могут быть определены для получения относительно компактной конструкции, обеспечивающей более высокий перепад давления. Следует отметить, что для первых каналов для потока текучей среды другие факторы могут быть приняты во внимание или могут быть рассмотрены по иному, чем для вторых каналов для потока текучей среды.
Для действия (iii), для условий ламинарного потока, могут быть выбраны соответствующие длины первого и второго каналов (11, 21) для потока текучей среды, чтобы быть равными или меньше длины термического входного участка первой и второй текучих сред соответственно. Соответствующие длины первого и второго каналов (11, 21) для потока текучей среды могут быть выбраны таким образом, чтобы первый и второй потоки текучей среды в соответствующих первом и втором каналах для потока текучей среды были неразвитыми по всей длине канала для потока текучей среды или по меньшей мере на большей части длины канала для потока текучей среды, предпочтительно, по меньшей мере более чем на 90%, 75% или 50% длины канала для потока текучей среды.
Для действия (iv) размеры первого и второго коллекторов предпочтительно определяют таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение текучей среды до того, как поток текучей среды поступит в последующий теплообменный модуль. Как правило, длина первого и второго коллекторов выбирается так, чтобы составлять не более 75% или 50% протяженности соответствующей длины термического входного участка или соответствующего канала для потока текучей среды.
Это обеспечивает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что упрощается моделирование непрямого теплообменника, поскольку все теплообменные модули получают аналогичное однородное распределение текучей среды, имея, по существу, плоский температурный профиль в направлении, перпендикулярном направлению потока.
x
y
z
В действии (v) определяют схему прямоугольной решетки, что включает в себя определение количества теплообменных модулей в каждом направлении, т. е. определение значений N, N и N.
Для действия (v) решетку, в которой расположено множество теплообменных модулей (10), предпочтительно изготавливают в виде ячеек, так как это будет ограничивать размер коллекторов и таким образом общий размер и вес непрямого теплообменника и, следовательно, его стоимость.
Для действия (vi) размеры и форма первого распределительного коллектора (101) и первого собирающего коллектора (102) могут быть спроектированы таким образом, чтобы первый распределительный коллектор (101) и первый собирающий коллектор (102) вызывали перепад давления, не превышающий предварительно определенную часть общего перепада давления по всему непрямому теплообменнику первой текучей среды. Кроме того, размеры и форма второго распределительного коллектора (103) и второго собирающего коллектора (104) спроектированы таким образом, чтобы второй распределительный коллектор (103) и второй собирающий коллектор (104) вызывали перепад давления, не превышающий 1/3 перепада давления второй текучей среды.
В соответствии с дополнительным аспектом предложен способ работы непрямого теплообменника, как описано выше, при этом расход первого потока текучей среды, температура при впуске первого потока текучей среды, давление при впуске первого потока текучей среды, расход второго потока текучей среды, температура при впуске второго потока текучей среды, давление при впуске второго потока текучей среды регулируются таким образом, что первый и второй потоки текучей среды являются ламинарными в первом и втором каналах (11, 21) для потока текучей среды.
Поток может считаться ламинарным, если число Рейнольдса этого потока ниже предварительно определенного числа Рейнольдса. Предварительно определенное число Рейнольдса может, например, составлять 2300, 2000, 1200 или 900, в зависимости от конструкции каналов для потока текучей среды, размеров каналов для потока текучей среды, используемого материала и его шероховатости. В случае созданных методом трехмерной печати каналов для потока текучей среды, особенно каналов для потока текучей среды диаметром менее 1 мм, поток будет ламинарным при числе Рейнольдса, обычно равном 900.
В соответствии с одним аспектом предложен способ изготовления непрямого теплообменника, как описано выше, при этом способ включает в себя изготовление множества теплообменных модулей (10) с использованием методов трехмерной печати или методов химического травления. Способ может дополнительно включать в себя сборку теплообменных модулей (10) в прямоугольной решетке, как определено выше. Соседние теплообменные модули (10) могут располагаться на промежуточных расстояниях (dx, dy) друг от друга, создавая тем самым первые коллекторы (12) и вторые коллекторы, как определено выше.
В соответствии с еще одним аспектом данное изобретение обеспечивает установку для переработки сжиженного природного газа, причем установка содержит по меньшей мере один непрямой теплообменник, как описано выше.
В соответствии с одним аспектом данное изобретение обеспечивает установку для переработки сжиженного природного газа, причем установка содержит по меньшей мере один непрямой теплообменник, причем непрямой теплообменник содержит:
первое впускное отверстие для приема первого потока текучей среды,
первое выпускное отверстие для выпуска первого потока текучей среды,
второе впускное отверстие для приема второго потока текучей среды,
второе выпускное отверстие для выпуска второго потока текучей среды,
множество теплообменных модулей (10), расположенных в прямоугольной решетке, причем решетка имеет первое направление, второе направление и третье направление, причем каждый из теплообменных модулей содержит первую переднюю поверхность модуля и вторую переднюю поверхность модуля, противоположные друг другу в первом направлении, причем каждый из теплообменных модулей содержит третью переднюю поверхность модуля и четвертую переднюю поверхность модуля, противоположные друг другу во втором направлении, и каждый из теплообменных модулей (10) содержит множество первых каналов (11) для потока текучей среды, проходящих между первой передней поверхностью модуля и второй передней поверхностью модуля, для размещения первого потока текучей среды и множество вторых каналов (21) для потока текучей среды, проходящих между третьей передней поверхностью модуля и четвертой передней поверхностью модуля для размещения второго потока текучей среды,
первые коллекторы (12), сообщающие по текучей среде множество первых каналов (11) для потока текучей среды одного из теплообменных модулей с множеством первых каналов (11) для потока текучей среды смежного теплообменного модуля (10), образуя тем самым один или более первых путей потока текучей среды, соединяющих первое впускное отверстие с первым выпускным отверстием и проходящих через два или более теплообменных модулей (10), и
вторые коллекторы (22), сообщающие по текучей среде множество вторых каналов (21) для потока текучей среды одного из теплообменных модулей с множеством вторых каналов (21) для потока текучей среды смежного теплообменного модуля (10), образуя тем самым один или более вторых путей потока текучей среды, соединяющих второе впускное отверстие со вторым выпускным отверстием и проходящих через два или более теплообменных модулей (10).
Краткое описание графических материалов
На фигурах проиллюстрированы один или более вариантов реализации в соответствии с идеями данного изобретения только в качестве примера, а не в качестве ограничения. На фигурах одинаковые ссылочные позиции относятся к тем же или аналогичным элементам.
На фиг. 1а-1d предоставлено схематичное изображение непрямого теплообменника и его деталей в соответствии с вариантами реализации изобретения,
на фиг. 2a-2d представлено схематичное изображение различных вариантов реализации сообщения по текучей среде теплообменных модулей,
на фиг. 3 проиллюстрирован приведенный в качестве примера график температуры в зависимости от длины канала теплообменника предшествующего уровня техники, а также
на фиг. 4 проиллюстрирован приведенный в качестве примера график температуры в зависимости от длины канала последующих каналов по варианту реализации теплообменного модуля в соответствии с данным изобретением.
Подробное описание сущности изобретения
Используемый в данном документе термин «установка для переработки сжиженного природного газа» может относиться по меньшей мере к установке для сжижения природного газа и/или установке для регазификации сжиженного природного газа.
Используемый в данном тексте термин «непрямой теплообменник» относится к теплообменнику, в котором теплообмен может происходить между потоками, при этом потоки не находятся в прямом контакте друг с другом, то есть потоки остаются разделенными одной или более теплообменными поверхностями. Это противоположно прямому теплообменнику, который включает теплообмен между двумя текучими средами/фазами в отсутствие разделительной стенки. В данном тексте вместо термина «непрямой теплообменник» также может использоваться термин «теплообменник».
Предусмотрен непрямой теплообменник с конфигурацией, которая обеспечивает улучшенный баланс между максимальным увеличением теплопередачи на единицу объема, сведением к минимуму перепада давления, а также относительно проста и рентабельна в производстве. В конфигурации используются оптимизированные теплообменные модули, которые соединены в пространственном отношении эффективным образом. Преимущество использования относительно небольших теплообменных модулей состоит в том, что в зависимости от конструкции эффективность выше, поскольку большая часть потока не развита (теплопередача выше до достижения длины термического входного участка). Кроме того, благодаря использованию относительно небольших каналов для потока текучей среды, то есть имеющих небольшой гидравлический диаметр, получают увеличенную плотность площади теплопередачи и повышенный коэффициент теплопередачи.
Данная конфигурация позволяет использовать относительно короткие каналы. Теплообменные модули содержат первый и второй каналы для потока текучей среды для первого и второго потоков текучей среды, при этом первые каналы для потока текучей среды, по существу, проходят в первом направлении, а вторые каналы для потока текучей среды, по существу, проходят во втором направлении, тем самым обеспечивая относительно простые распределительные и собирающие коллекторы, с ограниченным перепадом давления. Кроме того, данная конфигурация позволяет подключать теплообменные модули параллельно или последовательно, чтобы соответствовать требуемым ограничениям тепловой нагрузки и перепада давления, и позволяет проектировать внешние размеры непрямого теплообменника для соответствия конкретным требованиям (таким как ограниченная площадь участка под оборудование).
Следует отметить, что теплообменные модули, включая первый и второй каналы для потока текучей среды, могут быть изготовлены с использованием методов трехмерной печати или методов химического травления.
На фиг. 1а схематично показан блок 100 непрямого теплообменника в соответствии с вариантом реализации изобретения. Блок 100 теплообменника может иметь первое впускное отверстие, содержащее первый распределительный коллектор 101, причем первое впускное отверстие содержит первый собирающий коллектор 102. Блок 100 теплообменника имеет второе впускное отверстие, содержащее, например, второй распределительный коллектор 103, и второе выпускное отверстие, содержащее второй собирающий коллектор 104.
На фиг. 1a схематично показано множество теплообменных модулей 10. Модули 10, например, расположены в прямоугольной решетке и в центре блока 100 непрямого теплообменника. Модули 10 теплообмена, проиллюстрированные на фиг. 1а, показаны только схематически.
Как показано, блок 100 теплообмена может содержать множество теплообменных модулей 10. Вариант реализации изобретения, показанный на фиг. 1а, содержит, например, порядка от двух до пяти, например, три теплообменных модуля, расположенные рядом (в направлении х). Блок 100 теплообмена может содержать несколько слоев, например два или более слоев 110, 112, теплообменных модулей друг над другом (в направлении z). Блок 100 теплообмена может содержать несколько теплообменных модулей 10, расположенных рядом в направлении длины (в направлении у), например, в диапазоне от четырех до десяти, например, около восьми модулей 10.
На фиг. 1а дополнительно схематически показано необязательное фланцевое соединение 105 первого выпускного отверстия, соединенное со вторым собирающим коллектором 104, и фланцевое соединение 106 впускного отверстия, соединенное со вторым распределительным коллектором 103. Хотя это и не показано на фиг. 1а, первый распределительный коллектор 101 и первый собирающий коллектор 102 также могут быть снабжены соответствующими фланцевыми соединениями. Фланцевые соединения 105, 106 содействуют простому соединению технологических потоков с блоком 100 непрямого теплообменника.
На фиг. 1b схематично и более детально показано возможное расположение нескольких (например, восьми) теплообменных модулей 10. Теплообменные модули 10 могут быть расположены в прямоугольной решетке, причем решетка имеет первое направление (x), второе направление (y) и третье направление (z).
На фиг. 1b схематично показаны первые коллекторы 12, сообщающие по текучей среде первые каналы 11 для потока текучей среды одного теплообменного модуля 10 с первыми каналами 11 для потока текучей среды смежного теплообменного модуля 10, тем самым образуя один или более первых путей потока текучей среды, соединяющих первое впускное отверстие с первым выпускным отверстием и проходящих через два или более теплообменных модулей 10.
На фиг. 1b схематично показаны вторые коллекторы 22, сообщающие по текучей среде вторые каналы 21 для потока текучей среды одного теплообменного модуля 10 со вторыми каналами 21 для потока текучей среды смежного теплообменного модуля 10, тем самым образуя один или более вторых путей потока текучей среды, соединяющих второе впускное отверстие со вторым выпускным отверстием и проходящих через два или более теплообменных модулей 10.
На фиг. 1b дополнительно показаны разделительные перегородки, расположенные в коллекторах. Разделительные перегородки 31 предусмотрены для разделения путей потока, по которым проходит одна и та же текучая среда (первая или вторая). Разделительные перегородки могут быть выровнены с решеткой. Диагональные разделительные перегородки 32 предусмотрены для разделения путей потока, по которым проходят разные текучие среды. Диагональные разделительные перегородки 32 могут быть расположены по диагонали по отношению к решетке. Разделительные перегородки 31 предотвращают протекание текучей среды из одного теплообменного модуля 10 в другой смежный по диагонали теплообменный модуль. Однако подчеркивается, что такие разделительные перегородки 31 являются необязательными и могут быть опущены, хотя диагональные разделительные перегородки 32 (видимые в третьем направлении) все же необходимы для разделения первого и второго потоков текучей среды. Такой вариант реализации изобретения изображен на фиг. 1d.
На фиг. 1d дополнительно изображены направляющие пластины 33 (показаны заштрихованными), проходящие в первом и втором направлениях, предназначенные для направления первого и второго потоков по требуемым (извилистым) путям потока текучей среды через последующие теплообменные модули 10. Эти направляющие пластины 33 не изображены на фиг. 1b только с целью обеспечения ясности.
Как видно на фиг. 1b, первый и второй коллекторы 12, 22 проходят в третьем направлении. Как будет объяснено более подробно ниже, также предоставляются альтернативные варианты реализации изобретения.
На фиг. 1b дополнительно показано, что каждый теплообменный модуль 10 содержит множество первых каналов 11 для потока текучей среды, проходящих в первом направлении, для размещения первого потока текучей среды, и множество вторых каналов 21 для потока текучей среды, проходящих во втором направлении, для размещения второго потока текучей среды. Первый и второй каналы для потока текучей среды изображены в виде прямых каналов, но следует понимать, что также охватываются непрямые каналы для потока, такие как каналы, выполненные в виде переплетенной структуры. Таким образом, в более общем смысле, теплообменные модули 10 содержат множество первых каналов 11 для потока текучей среды, проходящих между первой передней поверхностью модуля и второй передней поверхностью модуля для размещения первого потока текучей среды, причем первая и вторая передние поверхности модуля противоположны друг другу в первом направлении, и содержат множество вторых каналов 21 для потока текучей среды, проходящих между третьей передней поверхностью модуля и четвертой передней поверхностью модуля для размещения второго потока текучей среды, причем третья и четвертая передние поверхности модуля противоположны друг другу во втором направлении. Первая и вторая передние поверхности модуля могут быть параллельными, а также одинакового размера и формы. Третья и четвертая передние поверхности модуля могут быть параллельными, а также одинакового размера и формы.
Теплообменный модуль 10 содержит несколько попеременно расположенных друг над другом, в третьем направлении, первых и вторых каналов для текучей среды.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, схематически изображенным на фиг. 1с, можно видеть, что теплообменный модуль 10 может содержать несколько слоев, расположенных друг над другом в третьем направлении, причем каждый слой содержит множество первых и вторых каналов 11, 21 для текучей среды.
В соответствии с вариантом реализации изобретения в теплообменном модуле 10 множество первых каналов 11 для потока текучей среды и множество вторых каналов 21 для потока текучей среды расположены друг над другом в третьем направлении.
Множество первых каналов 11 для потока текучей среды и множество вторых каналов 21 для потока текучей среды могут быть попеременно расположены друг над другом в третьем направлении, причем один или более каналов для потока текучей среды расположены на одном уровне в третьем направлении.
Один или более первых каналов 11 для потока текучей среды могут быть расположены рядом друг с другом (во втором направлении) на одном уровне в третьем направлении. Один или более вторых каналов 21 для потока текучей среды могут быть расположены рядом (в первом направлении) друг с другом на одном уровне в третьем направлении.
Например, теплообменный модуль 10 может содержать множество слоев, расположенных друг над другом в третьем направлении, причем слои попеременно содержат один или более первых каналов 11 для потока текучей среды и один или более вторых каналов 21 для потока текучей среды.
Теплообменный модуль 10 может содержать несколько слоев, причем каждый слой содержит один или более первых каналов для потока текучей среды или один или более вторых каналов для потока текучей среды. Каждый слой может содержать только первые каналы для потока текучей среды или вторые каналы для потока текучей среды.
В случае, когда слой содержит два или более (первых или вторых) каналов для потока текучей среды, каналы для потока текучей среды могут быть образованы в виде каналов, имеющих любую подходящую форму поперечного сечения, такую как круглое, полукруглое или эллиптическое поперечное сечение. Все первые каналы для потока текучей среды могут быть параллельны друг другу. Все вторые каналы для потока текучей среды могут быть параллельны друг другу. Эти каналы могут быть образованы с использованием трехмерной печати или химического травления, что позволяет оптимизировать размер, форму и количество теплообменных модулей и каналов. При использовании таких методов изготовления существует несколько ограничений в отношении геометрических параметров. Каналы для потока текучей среды могут иметь диаметр менее 1 мм, менее 0,5 мм или даже менее 0,2 мм (200 микрометров (мкм)).
Первый и второй каналы для потока текучей среды могут иметь более сложную морфологию, такую как минимальные морфологии поверхностного типа, переплетенные структуры, например, структуру простого переплетения. В соответствии с таким вариантом реализации изобретения, первый и второй каналы для потока текучей среды могут проходить в первом и втором направлениях соответственно, но, кроме того, включают изменение в третьем направлении для получения структуры переплетения. В более общем смысле каждый теплообменный модуль содержит первую переднюю поверхность модуля и вторую переднюю поверхность модуля, противоположные друг другу в первом направлении, при этом каждый из теплообменных модулей 10 содержит множество первых каналов 11 для потока текучей среды, проходящих между первой передней поверхностью модуля и второй передней поверхностью модуля для размещения первого потока текучей среды. Между первой и второй передней поверхностью модуля первые каналы для потока текучей среды могут следовать по прямому пути, а также по любому другому подходящему пути. Первые каналы для потока текучей среды также могут разделяться и/или объединяться с другими первыми каналами для потока текучей среды.
Аналогичным образом, каждый из теплообменных модулей содержит третью переднюю поверхность модуля и четвертую переднюю поверхность модуля, противоположные друг к другу во втором направлении, при этом каждый из теплообменных модулей 10 содержит множество вторых каналов 21 для потока текучей среды, проходящих между третьей передней поверхностью модуля и четвертой передней поверхностью модуля для размещения второго потока текучей среды. Между третьей и четвертой передними поверхностями модуля вторые каналы для потока текучей среды могут следовать по прямому пути, а также по любому другому подходящему пути. Вторые каналы для потока текучей среды также могут разделяться и/или объединяться с другими вторыми каналами для потока текучей среды.
1
1
TL, 1
В соответствии с вариантом реализации изобретения, первые каналы 11 для потока текучей среды имеют первую длину L канала в первом направлении, причем первая длина L канала меньше или равна длине L термического входного участка первой текучей среды в первых каналах для потока текучей среды для предварительно определенных проектных рабочих параметров непрямого теплообменника 1.
2
2
TL, 2
В соответствии с вариантом реализации изобретения, вторые каналы 21 для потока текучей среды имеют вторую длину L канала во втором направлении, причем вторая длина L канала меньше или равна длине L термического входного участка второй текучей среды во вторых каналах для потока текучей среды для предварительно определенных проектных рабочих параметров непрямого теплообменника 1.
Настоящая конструкция непрямого теплообменника позволяет проектировать непрямой теплообменник, в котором теплообмен между текучими средами происходит между первыми и вторыми каналами для потока текучей среды, размеры которых рассчитаны таким образом, что потоки текучей среды в соответствующих каналах для потока текучей среды не развиты по всей длине канала для потока текучей среды или по меньшей мере по большей части длины канала для потока текучей среды, предпочтительно, по меньшей мере более чем на 90%, 75% или 50% длины канала для потока текучей среды.
t
t
t
Длина термического входного участка - это приблизительная длина от входного участка канала для потока текучей среды, где присутствуют тепловые пограничные слои. Длина L термического входного участка - это приблизительное продольное положение вдоль канала для потока текучей среды, в котором только что слились тепловые пограничные слои. Ниже по потоку от L распределение температуры по каналу имеет полностью развитый профиль. Иными словами, поток должен пройти определенное расстояние (L), прежде чем в него полностью проникнет рассеивание тепла от перегородки или к перегородке.
Специалист в данной области техники поймет, как рассчитать длину термического входного участка. Например, в режиме ламинарного потока длина термического входного участка зависит от чисел Рейнольдса (Re) и Прандтля (Pr), а также характеризующей ширины канала для потока текучей среды (D, например, диаметра в случае канала для потока текучей среды, имеющего круглое поперечное сечение). Длина термического входного участка составляет 0,05Re·Pr·D.
1
2
В соответствии с вариантом реализации изобретения первая длина L канала длиннее или короче второй длины L канала.
1
2
1
2
1
2
1
2
Термин «длиннее» используется для обозначения того, что первая длина L канала по меньшей мере на 10% длиннее второй длины Lканала: L > 1,1 * L. Термин «короче» используется для обозначения того, что первая длина L канала по меньшей мере на 10% короче второй длины L канала: L < 0,9 * L.
Первые и вторые каналы для потока текучей среды предпочтительно являются прямыми каналами (хотя в качестве альтернативного варианта могут быть выполнены в виде переплетения). Первые каналы для потока текучей среды могут иметь длину, отличную от длины вторых каналов для потока текучей среды.
Этот признак позволяет обеспечивать разные длины каналов для первых и вторых каналов для потока текучей среды, с учетом разных характеристик текучей среды и рабочих условий (например, скорости потока) первой и второй текучих сред. Признано, что оптимизация может быть достигнута путем обеспечения прямоугольных теплообменных модулей, а не квадратных теплообменных модулей (если смотреть в третьем направлении), с учетом того, что первые и вторые потоки текучей среды могут иметь разные длины термического входного участка.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Первые и вторые каналы для потока текучей среды предпочтительно имеют круглое поперечное сечение. Первые каналы для потока текучей среды могут иметь первый диаметр D, который больше или меньше второго диаметра D вторых каналов для потока текучей среды. Термин «длиннее» используется для обозначения того, что первый диаметр D по меньшей мере на 10% длиннее второго диаметра D: D > 1,1 * D. Термин «короче» используется для обозначения того, что первый диаметр D по меньшей мере на 10% короче второго диаметра D: D < 0,9 * D.
На фиг. 1b также проиллюстрировано, что между теплообменными модулями 10, смежными в первом и втором направлениях, в которых расположены коллекторы, предусмотрены зазоры. Эти зазоры создают первый и второй коллекторы.
В соответствии с вариантом реализации изобретения предусмотрен непрямой теплообменник, при этом теплообменные модули 10, смежные в первом направлении, расположены на промежуточном расстоянии (dx) друг от друга, тем самым создавая первые коллекторы 12, и при этом теплообменные модули 10, смежные во втором направлении, расположены на промежуточном расстоянии (dy) друг от друга, тем самым создавая вторые коллекторы 22.
Возможны различные схемы расположения множества первых каналов 11 для потока текучей среды, проходящих в первом направлении, и множества вторых каналов 21 для потока текучей среды и, следовательно, для первого и второго коллекторов, как будет описано более подробно ниже.
Как указано выше, предлагаемая в настоящее время конфигурация обеспечивает свободу в проектировании общей схемы и формы непрямого теплообменника. Первые коллекторы, а также вторые коллекторы могут быть использованы для сообщения по текучей среде первых и вторых каналов для потока текучей среды теплообменных модулей 10, смежных в первом, втором или третьем направлении.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, схематически изображенным на фиг. 2а, первые коллекторы 12 сообщают по текучей среде два теплообменных модуля 10, смежных в первом направлении, а вторые коллекторы 22 сообщают по текучей среде два теплообменных модуля 10, смежных в первом направлении.
В соответствии с этим вариантом реализации изобретения, первая текучая среда протекает через несколько теплообменных модулей 10, расположенных последовательно без каких-либо изгибов, а вторая текучая среда извилисто проходит через несколько теплообменных модулей, изгибающихся при перемещении из вторых каналов 21 для потока текучей среды во вторые коллекторы 22 и обратно. Преимущество данного варианта реализации изобретения заключается в том, что первый поток текучей среды не делает резких изгибов при переходе от одного к следующему теплообменному модулю.
Теплообменные модули 10, смежные в первом направлении, могут быть расположены на промежуточном расстоянии dx друг от друга для создания коллектора, то есть «открытой области» между смежными теплообменными модулями, позволяющей первому потоку текучей среды создавать равномерную скорость и, по существу, плоский температурный профиль. Это обеспечивает то, что, когда первый поток текучей среды поступает в следующий теплообменный модуль 10, снова используется преимущество наличия неразвитого потока по всей длине или по меньшей мере по значительной части канала для потока текучей среды. Кроме того, это содействует моделированию непрямого теплообменника, поскольку все теплообменные модули имеют одинаковые условия притока.
С одной стороны, значение dx предпочтительно должно быть как можно меньше, чтобы ограничить размер непрямого теплообменника, а с другой стороны, значение dx предпочтительно достаточно велико, чтобы обеспечить вышеупомянутые преимущества. Следовательно, в соответствии с вариантом реализации изобретения, расстояние dx составляет не более 70% длины первого канала для потока текучей среды, предпочтительно, по меньшей мере 50% длины первого канала для потока текучей среды. В соответствии с вариантом реализации изобретения, dx > 0.
Пример такого варианта реализации изобретения схематически изображен на фиг. 2а и будет описан более подробно ниже.
Первые коллекторы имеют длину в первом направлении, равную расстоянию dx, и дополнительно измеряются во втором и третьем направлениях, чтобы соответствовать размерам теплообменного модуля во втором и третьем направлениях соответственно.
Вторые коллекторы проходят в первом направлении вдоль смежных теплообменных модулей, которые он соединяет по текучей среде, и на расстояние dx, и дополнительно измеряются в первом и третьем направлениях, чтобы соответствовать размерам смежных теплообменных модулей в первом и третьем направлениях соответственно.
Последующие вторые коллекторы расположены на чередующихся сторонах теплообменных модулей во втором направлении и смещены относительно друг друга в первом направлении на расстояние, по существу, равное размеру теплообменного модуля в первом направлении, плюс dx, тем самым создавая извилистые вторые пути потока текучей среды.
Первый и второй потоки текучей среды протекают перекрестно в теплообменном модуле 10 и противотоком на уровне всего непрямого теплообменника.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, схематично изображенным на фиг. 2b, первые коллекторы соединяют по текучей среде два теплообменных модуля, смежных в третьем направлении, а вторые коллекторы соединяют по текучей среде два теплообменных модуля, смежных в третьем направлении.
Пример такого варианта реализации изобретения схематически изображен на фиг. 2b и будет описан более подробно ниже. Такой вариант реализации изобретения может, в частности, быть выгодным в ситуациях с ограниченной доступной площадью участка, например, на морских установках (включая стационарные платформы, полупогружные платформы, платформы на гравитационном основании, платформы с натяжными опорами и плавучие нефтедобывающие суда). Примерами морских установок являются плавучая установка для производства сжиженного природного газа (судно FLNG, floating liquid natural gas facility), плавучая установка для добычи, хранения и разгрузки (FPSO, floating production, storage and offloading) и плавучая установка для хранения и регазификации (FSRU, floating storage and regasification unit).
В соответствии с этим вариантом реализации изобретения, первая текучая среда извилисто проходит через несколько теплообменных модулей 10, а также вторая текучая среда извилисто проходит через несколько теплообменных модулей, причем первый и второй потоки имеют изгибы при перемещении из каналов для потока текучей среды в коллекторы и обратно.
Первые коллекторы проходят в первом направлении на расстояние dx/2, проходят во втором направлении, чтобы соответствовать размеру смежных теплообменных модулей во втором направлении, и проходит в третьем направлении вдоль двух смежных теплообменных модулей.
Вторые коллекторы проходят в первом направлении, чтобы соответствовать размеру смежных теплообменных модулей в первом направлении, проходят во втором направлении на расстояние dy/2 и проходят в третьем направлении вдоль двух смежных теплообменных модулей.
В случае, когда теплообменные модули расположены на промежуточном расстоянии dz в третьем направлении, что необязательно может иметь место, первый и второй коллекторы также перекрывают это промежуточное расстояние dz в третьем направлении.
Описанный вариант реализации изобретения позволяет размещать теплообменные модули последовательно, не увеличивая требуемую площадь участка. Это, в частности, может быть выгодным в ситуациях, когда доступна меньшая площадь участка, например на судах или баржах, например, на судне FLNG (плавучей установке для жидкого природного газа) или судне для регазификации СПГ (СПГ: сжиженный природный газ).
Первый и второй потоки текучей среды могут быть в противотоке или в параллельном потоке.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, непрямой теплообменник 1 содержит множество первых коллекторов, соединяющих по текучей среде теплообменные модули, смежные в первом направлении, и множество первых коллекторов, соединяющих по текучей среде два теплообменных модуля, смежных во втором или третьем направлении.
Пример такого варианта реализации изобретения схематически изображен на фиг. 2с. В соответствии с таким вариантом реализации изобретения, один или более первых путей потока текучей среды, соединяющих первое впускное отверстие с первым выпускным отверстием, могут проходить через первую группу теплообменных модулей 10, расположенных последовательно в первом направлении, за которыми следует вторая группа теплообменных модулей 10, расположенных последовательно в первом направлении, за которым следует третья группа теплообменных модулей 10, расположенных последовательно в первом направлении, при этом первая и вторая группы расположены смежно друг с другом во втором или третьем направлении и сообщаются по текучей среде посредством первого коллектора, соединяющего два теплообменных модуля, смежных во втором или третьем направлении, причем вторая и третья группы являются смежными друг с другом во втором или третьем направлении и сообщаются по текучей среде посредством первого коллектора, соединяющего два теплообменных модуля, смежных во втором или третьем направлении.
Следует понимать, что любое подходящее количество дополнительных групп теплообменных модулей 10 может быть добавлено к соответствующим одному или более первым путям потока текучей среды.
В соответствии с таким вариантом реализации изобретения, достигается большая свобода при проектировании общей формы непрямого теплообменника, при этом можно регулировать длину непрямого теплообменника в первом направлении, а также высоту непрямого теплообменника в третьем направлении. Перепад давления, испытываемый первым потоком, может поддерживаться на относительно низком уровне, поскольку количество изгибов (коллекторов, проходящих в третьем направлении) ограничено по отношению к количеству теплообменных модулей.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, схематично изображенным на фиг. 2d, непрямой теплообменник 1 содержит множество вторых коллекторов, соединяющих по текучей среде два теплообменных модуля, смежных во втором направлении, и множество вторых коллекторов, соединяющих по текучей среде два теплообменных модуля, смежных в первом или третьем направлении.
Пример такого варианта реализации изобретения схематично изображен на фиг. 2d.
В соответствии с таким вариантом реализации изобретения, один или более вторых путей потока текучей среды, соединяющих второе впускное отверстие со вторым выпускным отверстием, могут проходить через первую группу теплообменных модулей 10, расположенных последовательно во втором направлении, за которыми следует вторая группа теплообменных модулей 10, расположенных последовательно во втором направлении, за которыми следует третья группа теплообменных модулей 10, расположенных последовательно во втором направлении, при этом первая и вторая группы расположены смежно друг с другом в первом или третьем направлении и сообщаются по текучей среде посредством второго коллектора, соединяющего два теплообменных модуля, смежных в первом или третьем направлении, причем вторая и третья группы являются смежными друг с другом в первом или третьем направлении и сообщаются по текучей среде посредством второго коллектора, соединяющего два теплообменных модуля, смежных в первом или третьем направлении.
Следует понимать, что любое подходящее количество дополнительных групп теплообменных модулей 10 может быть добавлено к соответствующим одному или более вторым путям потока текучей среды.
В соответствии с таким вариантом реализации изобретения, достигается большая свобода при проектировании общей формы непрямого теплообменника, при этом можно регулировать длину непрямого теплообменника во втором направлении, а также высоту непрямого теплообменника в третьем направлении. Перепад давления, испытываемый вторым потоком, может поддерживаться на относительно низком уровне, поскольку количество изгибов (коллекторов, проходящих в третьем направлении) ограничено по отношению к количеству теплообменных модулей.
В соответствии с вариантом реализации изобретения, первое впускное отверстие содержит первый распределительный коллектор 101, первое выпускное отверстие содержит первый собирающий коллектор 102, второе впускное отверстие содержит второй распределительный коллектор 103, и второе выпускное отверстие содержит второй собирающий коллектор 104. Это схематически изображено на фиг. 1а, уже обсужденной выше.
Коллекторы могут иметь любую подходящую форму и, например, могут быть выполнены в виде крышки, покрывающей по меньшей мере часть передней поверхности прямоугольной решетки. Коллекторы могут содержать внутренние компоненты или могут иметь специальную форму для оптимизации распределения текучей среды.
Как указано выше, каждый из соответствующих распределительных и собирающих коллекторов может быть связан с одной передней поверхностью прямоугольной решетки. Возможны разные варианты конструкции.
Распределительные и собирающие коллекторы могут быть связаны с передними поверхностями прямоугольной решетки, что позволяет потоку текучей среды напрямую поступать в теплообменные модули. Это может иметь место в вариантах реализации изобретения, в которых первый распределительный коллектор связан с первой передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной в первом направлении, причем первый собирающий коллектор связан со второй передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной в противоположном направлении от первой передней поверхности, второй распределительный коллектор связан с третьей передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной во втором направлении, и второй собирающий коллектор связан с четвертой передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной в противоположном направлении от третьей передней поверхности.
Тем не менее, возможными являются альтернативные варианты реализации изобретения, в которых соответствующее распределительные и собирающие коллекторы связаны с соответствующими передними поверхностями прямоугольной решетки, обращенными в другом направлении, чем направление соответствующего потока текучей среды, проходящего через теплообменные модули. Например, первый распределительный коллектор может быть связан с (частью) первой передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной во втором направлении, первый собирающий коллектор может быть связан с (частью) второй передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной в противоположном направлении от первой передней поверхности, второй распределительный коллектор может быть связан с (частью) третьей передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной в третьем направлении, и второй собирающий коллектор может быть связан с (частью) четвертой передней поверхностью прямоугольной решетки, обращенной в противоположном направлении от третьей передней поверхности.
В таких вариантах реализации изобретения могут быть предусмотрены один или более первых и вторых каналов распределения текучей среды для соединения по текучей среде соответствующих первых и вторых распределительных коллекторов с первыми и вторыми каналами 11, 21 для потока текучей среды теплообменных модулей и могут быть предусмотрены один или более первых и вторых каналов сбора текучей среды соединения по текучей среде соответствующих первых и вторых собирающих коллекторов с первыми и вторыми каналами 11, 21 для потока текучей среды теплообменных модулей. Предпочтительно, такие первые и вторые каналы для распределения текучей среды предусмотрены между двумя (рядами) смежных теплообменных модулей для обеспечения обоих (рядов) смежных теплообменных модулей соответственно первой и второй текучими средами. Аналогичным образом, такие первые и вторые каналы для сбора текучей среды предусмотрены между двумя (рядами) смежных теплообменных модулей, чтобы принимать первую и вторую текучие среды соответственно из обоих (рядов) смежных теплообменных модулей.
В соответствии с дополнительным вариантом реализации изобретения первый набор первых путей потока текучей среды и первый набор вторых путей потока текучей среды связаны с первым набором теплообменных модулей 10, и второй набор первых путей потока текучей среды и второй набор вторых путей потока текучей среды связаны со вторым набором теплообменных модулей 10. Первый и второй наборы теплообменных модулей 10 не перекрываются. Первые наборы первых и вторых путей потока текучей среды связаны исключительно с первым набором теплообменных модулей, а вторые наборы первых и вторых путей потока текучей среды связаны исключительно со вторым набором теплообменных модулей. Могут быть предусмотрены дополнительные наборы теплообменных модулей, имеющие дополнительные исключительно связанные первые и вторые пути потока текучей среды. Таким образом, параллельно каждому предусмотрены различные наборы первых и вторых путей потока текучей среды. Первый и второй каналы для распределения текучей среды и первый и второй каналы для сбора текучей среды предусмотрены для распределения первой и второй текучих сред по различным наборам путей потока текучей среды.
Данная заявка относится к относительно компактным теплообменникам. Указанные теплообменники могут быть преимущественно применены в установке для переработки сжиженного природного газа. Поскольку теплообменники обычно занимают значительную площадь такой установки, а площадь и требуемая площадь участка напрямую влияют на необходимые капитальные затраты, наличие более компактных теплообменников может обеспечить значительную экономию капитальных затрат. Капитальные затраты, в свою очередь, являются ключевым фактором экономической рентабельности такой установки. Однако, конструкция теплообменников по данному изобретению также обеспечивает более эффективную теплопередачу. А более эффективная теплопередача, в свою очередь, уменьшает необходимое количество теплообменников и, следовательно, дополнительно уменьшает требуемую площадь, площадь участка и связанные с этим расходы.
Для более компактных теплообменников тенденцией должно быть использование каналов меньших диаметров, поскольку это позволяет разместить большую площадь поверхности в том же объеме. Это уменьшит потребность в материалах и связанных с этим расходах. Применяя каналы меньших диаметров, становится выгодным проектировать теплообменник для работы в области ламинарного потока. В области ламинарного потока улучшается теплопередача и улучшается коэффициент перепада давления. Преимущества, например, особенно выгодны в отношении малых диаметров каналов (в данном случае малым является, например, диаметр каждого проточного канала 11, 21, составляющий порядка 1 мм или меньше). Когда теплообменник предназначен для работы в области ламинарного потока, становится целесообразным сохранять длину канала в пределах длины входа, поскольку эта область имеет лучший коэффициент теплопередачи, чем полностью развитый поток.
Чтобы использовать длину входа, поток должен поступать в канал и повторно собираться несколько раз при прохождении через теплообменник. Эта трудность усугубляется в случае теплообменников промышленного масштаба, например, для использования в способе переработки сжиженного природного газа, поскольку для обеспечения достаточного снижения температуры требуется относительно большое количество последующих модулей теплообменника. Выше описан вариант реализации изобретения, включающий по меньшей мере 8 модулей. Однако, выражение «большое количество» в данном документе может относиться к количеству, превышающему восемь модулей, например, в диапазоне от около 20 до 100 соединенных между собой теплообменных модулей или более.
Традиционные методы производства (такие как фрезерование, сварка труб и т. д.) не подходят для создания подходящей зоны повторного сбора для взаимного соединения модулей, поскольку это создает сложности во время изготовления. Следовательно, в настоящее время нет теплообменника промышленного масштаба с зонами повторного сбора для эффективного использования длины термического входного участка. В качестве примера, пластинчатые теплообменники с вытравленными каналами (PCHE) в настоящее время являются самыми компактными встроенными теплообменниками, используемыми в нефтегазовой промышленности, при этом PCHE имеют непрерывные каналы между впускным отверстием и выпускным отверстием теплообменника.
кан
На фиг. 3 проиллюстрирована диаграмма, показывающая температуру T на вертикальной оси в зависимости от длины канала L на горизонтальной оси. В случае обычного теплообменника, имеющего непрерывные каналы, профиль 150 температуры сырьевого потока в первом канале может, например, непрерывно падать от теплого конца 152 до холодного конца 154. Непрерывный второй канал, расположенный перпендикулярно по отношению к первому каналу, может удерживать хладагент. Следовательно, профиль 160 температуры хладагента для хладагента, протекающего во втором канале, может непрерывно увеличиваться, например, от холодного конца 162 до теплого конца 164. Разность температур на входе в оба канала (т. е. между температурой на теплом конце 152 и холодным концом 162) должна быть достаточной для того, чтобы не допустить перекрещивания температур в обоих каналах, что указано точкой 170 перекрещивания.
кан1
кан2
кан3
кан1
кан2
кан3
кан3
кан2
кан1
Модульная схема блока теплообменника в соответствии с данным изобретением позволяет избегать перекрещивания температур, как показано на фиг. 4. На фиг. 4 в качестве примера графически показана температура T в зависимости от длины канала L, например, для трех каналов L, L, L, например, в трех последующих модулях 10. В данном случае профиль 180 температуры сырьевого потока падает от теплого конца 182 до холодного конца 184 через первый канал L ко второму каналу L и к третьему каналу L. Хладагент течет в противотоке через третий канал L ко второму каналу L и к первому каналу L. Это приводит к тому, что последующие профили 190, 200 и 210 температуры хладагента постоянно увеличиваются от холодного конца 192 до теплого конца 194 третьего или последнего канала, к холодному концу 202 и далее к теплому концу 204 второго канала, к холодному концу 212 и далее к теплому концу 214 первого канала. Теплообменник 100 в соответствии с данным изобретением позволяет расширить профиль температуры, показанный на фиг. 4, до промышленного масштаба, с добавлением практически неограниченного количества последующих модулей.
Теплообменники, раскрытые в US3986549 и US20130125545, предназначены для применений в небольших масштабах, соответственно в домах или транспортных средствах, и не подходят для масштабирования экономически целесообразным способом. Например, теплообменник, раскрытый в US20130125545A1 (рассмотренный во вступительной части), имеет конфигурацию, в которой текучая среда смешивается на промежуточных этапах для достижения однородной температуры в находящихся ниже по потоку теплообменных каналах. Это приводит к более равномерному нагреву или охлаждению рабочей текучей среды для достижения противоточной ориентации потока.
Теплообменник по данной заявке содержит коллекторы, которые не только позволяют достичь противоточной ориентации потока в случае каждого последующего модуля, но и смешивают поток, чтобы запустить поток в каждом соответствующем модуле с равномерным профилем скорости. Это позволяет эффективно использовать преимущества длины термического входного участка. Кроме того, теплообменник по данной заявке обеспечивает как уменьшение массы, так и уменьшение объема по сравнению с наименьшими в настоящее время теплообменниками, используемыми в качестве нефтяных и газовых пластинчатых теплообменников с вытравленными каналами (PCHE).
Теплообменник по данному изобретению может быть масштабирован для обеспечения его применения в промышленном масштабе. Например, блок 100 теплообмена может быть масштабирован для замены водоохлаждаемых теплообменников в установке для переработки сжиженного природного газа. При таком применении теплообменник по данному изобретению может быть включен в технологический процесс для охлаждения потока природного газа от температуры переработки порядка 60 градусов по Цельсию до температуры водяного контура порядка 0-10 градусов по Цельсию. Могут применяться альтернативные варианты реализации изобретения.
В практическом варианте реализации изобретения блок 100 теплообмена может содержать порядка 50 соединенных между собой теплообменных модулей 10 (например, как показано на фиг. 1а). Фланцевые соединения впускных отверстий и выпускных отверстий блока теплообмена позволяют, по мере необходимости, подключать множество блоков 100 теплообмена либо параллельно, либо последовательно.
В практическом варианте реализации изобретения модули 10 могут иметь длину и/или ширину (соответственно в направлениях х и у) порядка от 10 до 50 см, например, около 20 см. Высота модулей 10 (в направлении z) может быть порядка от 20 см до 100 см, например, около 50 см. Блок 100 теплообмена (фиг. 1а) может иметь ширину порядка 1,25 м, длину порядка 2 м и высоту порядка 1,5 м. Сборка соединенных между собой теплообменных модулей 10 внутри блока 100 теплообмена может иметь ширину порядка 75 см, высоту порядка 1 м и охватывать, по существу, всю длину блока 100.
Таким образом, блок 100 теплообмена подходит для применения в промышленном масштабе, например, для переработки сжиженного природного газа. Один блок 100 может иметь достаточно большой размер, чтобы выдерживать высокий объемный расход. Тем не менее, блок 100 может быть рассчитан по размеру на транспортировку на промышленную площадку и с нее с помощью обычных средств, таких как грузовой автомобиль, кран и/или судно. Множество блоков 100 могут быть включены параллельно и/или последовательно, чтобы увеличить охлаждающую способность.
Для применения в установке для сжижения природного газа расход хладагента и технологического потока (обычно предварительно обработанного природного газа) может составлять порядка 0,5-20 м/с. Теплообменные модули по данному изобретению подходят для использования с рядом хладагентов, включая воду, метан, этан, пропан и азот или смешанный хладагент (СХ). СХ обычно содержит смесь углеводородов, таких как метан, этан и/или пропан. СХ может содержать азот.
Данное изобретение не ограничено вариантами реализации изобретения, описанными выше, и прилагаемой формулой изобретения. Возможно множество модификаций, и признаки соответствующих вариантов реализации изобретения могут быть объединены.
Следующие примеры определенных аспектов некоторых вариантов реализации изобретения приведены для облегчения лучшего понимания данного изобретения. Эти примеры никоим образом не должны рассматриваться как ограничивающие или определяющие объем данного изобретения.