УСТАНОВКА ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Полезная модель относится к газовой промышленности и может быть использована на компрессорных (газоперекачивающих) станциях.
Известна установка охлаждения природного газа (RU №130679 U1, МПК F28D 15/02, опубл. 27.07.2013 г., БИ №21), содержащая блок управления, регулирующий положение шиберных заслонок, руководствуясь сигналами, получаемыми с датчиков влажности и температуры газа, а также датчика температуры окружающего воздуха, трубчатые теплообменные секции с транспортируемым природным газом, помещенные в корпус, заполненный жидким теплоносителем и охваченный кожухом. Установка дополнительно снабжена расположенными в корпусе вертикально ориентированными трубками теплообменника для прохождения воздуха, охлаждающего жидкий теплоноситель, и системой циркуляции теплоносителя, включающей корпус, насос и внешний трубопровод. Корпус расположен на вертикальных стойках на достаточной для свободного прохода воздуха высоте, а в корпус встроен насос для циркуляции жидкого теплоносителя. Количество тепла, отдаваемое установкой атмосфере, описывается следующей формулой:
где W - количество переданной теплоты, Дж;
2
α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м⋅К);
2
F - площадь поверхности теплообмена, м;
в
t и t- температуры соответственно трубы и воздуха, К;
τ - время, с.
2
Главным недостатком вышеописанной установки является недостаточная эффективность, что является следствием низкого значения коэффициента теплоотдачи воздушной трубы воздуху (9-15 Вт/(м⋅К)) из-за малой скорости охлаждающего воздушного потока. Перепад давления между нижними и верхними концами воздушных труб, обеспечивающий достаточную скорость воздуха, может быть получен при высоте труб не менее 30 м, что сделает установку слишком массивной и дорогой в производстве. Следовательно, с помощью описанного технического решения нельзя повысить коэффициент теплоотдачи от воздушной трубы к воздуху, а значит, и повысить эффективность установки охлаждения газа.
Полезная модель решает проблему повышения эффективности установки охлаждения газа, за счет конструктивных изменений установки, которые позволяют увеличить скорость охлаждающего воздушного потока и интенсифицировать теплопередачу в жидкости и теплоотдачу от жидкости воздушному трубчатому теплообменнику, от внутренней поверхности которого - охлаждающему воздушному потоку.
Для получения необходимого технического результата в установке охлаждения природного газа, содержащей трубчатые теплообменные секции с транспортируемым природным газом, помещенные в корпус, расположенный на вертикальных стойках для свободного прохода воздуха, заполненный жидким теплоносителем и охваченный кожухом, вертикально ориентированные трубки теплообменника, встроенные в корпус для прохода воздуха, охлаждающего жидкий теплоноситель, блок управления, связанный с датчиком температуры газа на входе в газовый трубчатый теплообменник и датчиком температуры охлаждающего воздуха, предлагается корпус выполнить в виде цилиндра, а внутреннюю поверхность корпуса снабдить ультразвуковыми излучателями, кроме того, над корпусом установить вытяжной вентилятор, снабженный частотным преобразователем, а диаметр корпуса выбрать равным диаметру лопастей вентилятора, при этом на выходе из газового трубчатого теплообменника предлагается установить датчик температуры газа, который связать с блоком управления.
Из теплотехнике известно, что коэффициент теплоотдачи от твердой поверхности к газообразной среде зависит от типа течения: ламинарное или турбулентное. При ламинарном течении коэффициент теплоотдачи невелик. С увеличением скорости газообразной среды происходит турбулизация потока и соответственно увеличивается коэффициент теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи практически пропорционально растет со скоростью газообразного потока до скоростей порядка 15-20 метров в секунду.
Ультразвуковые колебания способствуют разрушению ламинарного слоя вблизи поверхности твердого тела и соответственно увеличивают коэффициент теплопередачи. Коэффициент теплопередачи жидкости также увеличивается при организации в жидкости звуковых или ультразвуковых колебаний за счет увеличения обмена энергией между молекулами.
Из вышесказанного следует, что применение вентилятора для увеличения скорости воздушного потока и снабжение внутренней поверхности корпуса ультразвуковыми излучателями приведут к повышению теплоотдачи воздушного теплообменника и увеличению теплопередачи промежуточного жидкого теплоносителя.
Изготовление корпуса установки охлаждения природного газа в виде цилиндра с диаметром равным диаметру лопастей вытяжного вентилятора обеспечивает увеличение скорости воздушного потока и его равномерное распределение по трубкам воздушного теплообменника.
Установка на выходе из газового трубчатого теплообменника датчика температуры газа позволяет организовать управление по отклонению температуры от заданного значения, обеспечить более точное регулирование температуры выходящего охлажденного газа, основного регулируемого параметра.
Все эти конструктивные изменения приводят к значительному повышению эффективности установки по сравнению с ближайшим аналогом.
На прилагаемой к описанию схеме представлена заявляемая установка охлаждения природного газа.
На схеме приняты следующие обозначения:
1 - вентилятор; 2 - кожух цилиндрический; 3 - корпус цилиндрический; 4 - теплоноситель промежуточный жидкий; 5 - теплообменник газовый трубчатый; 6 - теплообменник воздушный трубчатый; 7 - опора; 8 - воздух охлаждающий; 9 - излучатели ультразвуковые.
М - электродвигатель вентилятора; ЧП - частотный преобразователь; БУ - блок управления; ДТх - датчик температуры выходящего охлажденного газа; ДТохл - датчик температуры охлаждающего воздуха; ДТг - датчик температуры входящего горячего газа.
Установка охлаждения природного газа (общий вид представлен на схеме) состоит из воздушного трубчатого теплообменника 6 и газового трубчатого теплообменника 5, расположенных внутри цилиндрического корпуса 3 с ультразвуковыми излучателями 9, заполненного промежуточным жидким теплоносителем 4. Корпус устанавливается на опоры 7 для свободного прохода охлаждающего воздуха 8 к воздушному теплообменнику 6. Горячий газ проходит через теплообменник, отдавая тепло промежуточному циркулирующему теплоносителю, который затем отдает тепло воздуху. Движение потока охлаждающего воздуха через теплообменник обеспечивается вентилятором 1, установленным в верхней части кожуха 2, диаметр лопастей которого равен диаметру корпуса. Ультразвуковые излучатели 9 интенсифицируют теплообмен.
2
В предлагаемом техническом решении интенсификация теплосъема достигается за счет создания требуемого перепада давления одним осевым вентилятором. Для равномерного распределения давления на всех вертикальных трубах с воздухом корпус установки выполнен в виде цилиндра с диаметром равным диаметру лопастей вытяжного вентилятора (в нашем случае 2.5 м), что обеспечивает возникновение перепада давлений именно в вертикальных трубках, а не на выходе установки, обеспечивая равномерное распределение и увеличение скорости воздушного потока. Увеличение скорости потока охлаждающего воздуха позволяет получить значение коэффициента теплоотдачи не менее 65 Вт/(м⋅К), т.е. как минимум в 5 раз больше, чем при естественном течении воздуха за счет разности температур на их концах в вертикальных трубах. Для регулирования скорости воздушного потока, что потребуется при изменении температуры окружающего воздуха или параметров газа, в установку включен частотный преобразователь, позволяющий плавно регулировать частоту оборотов вентилятора от 0 до 500 оборотов в минуту. Для увеличения интенсивности теплообменных процессов внутри жидкости на внутренней цилиндрической поверхности корпуса установлены ультразвуковые излучатели. Применение ультразвука увеличивает не только коэффициент теплопередачи жидкости, но и коэффициент теплоотдачи от жидкости к трубе и от трубы к воздуху за счет турбулизации пристеночного ламинарного течения. Дополнительным эффектом ультразвука является очистка от солей и карбонатов и других возможных загрязнений на стенках теплообменника.
Автоматическое управление скоростью охлаждающего воздуха в установке осуществляется в блоке управления (БУ) с помощью частотного преобразователя (ЧП), по сигналам с датчика температуры охлаждающего воздуха (ДТохл) и датчика  температуры входящего горячего газа (ДТг). Там же находится и генератор для ультразвуковых излучателей.
Описание работы установки.
Установка работает следующим образом.
Природный газ на выходе из компрессорной станции имеет температуру от 40° до 125°С.Поток этого газа проходит по газовому трубчатому теплообменнику 5 установки охлаждения, нагревает жидкость 4, находящуюся в корпусе 3. Ультразвуковые колебания, создаваемые излучателями 9, интенсифицируют теплопередачу в жидкости 4 и теплоотдачу от нее воздушному трубчатому теплообменнику 6, а от внутренней поверхности которого - охлаждающему воздуху 8. Поток воздуха 8, охлаждая вертикальные трубки, уносит тепло в атмосферу. Свободный проход воздуха к нижним отверстиям вертикальных трубок обеспечивается установкой всей конструкции на вертикальных стойках 7. Сигнал с датчика температуры выходящего охлажденного газа (ДТх) о температуре газа, поступая на блок управления (БУ) позволяет производить ее регулирование по отклонению, а с учетом показаний датчика температуры горячего входящего газа (ДТг) и показаний датчика температуры охлаждающего воздуха (ДТохл) вносить корректировки по возмущению. Исполнительным устройством служит вентилятор 1 с электродвигателем и частотным регулятором (ЧР).
Таким образом, с увеличением скорости охлаждающего воздуха и ультразвуковыми колебаниями увеличивается коэффициент теплоотдачи а, как установлено расчетами, до пяти раз в сравнении с ближайшим аналогом. Кроме этого увеличивается теплопередача охлаждающей жидкости. Дополнительным положительным эффектом является практическое отсутствие твердых отложений на поверхностях установки охлаждения природного газа. Регулирование выходящей температуры газа по отклонению является более точным и быстродействующим, чем в аналоге. Изготовление корпуса установки диаметром равным диаметру лопастей осевого вентилятора обеспечивает равномерный перепад давления на воздушном трубчатом теплообменнике и одинаковые скорости охлаждающего воздуха во всех его трубках.