АППАРАТ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ С РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВОЗДУХА

Устройство относится к химической, нефтяной, газовой и другим отраслям промышленности, более конкретно - к конструкции аппарата воздушного охлаждения с рециркуляцией воздуха. Устройство предназначено для охлаждения газообразных продуктов, изменяющих при понижении температуры агрегатное состояние до твердой фазы или образующих твердые химические соединения. В частности, устройство может использоваться для охлаждения влажного природного газа, в котором при эксплуатации в условиях холодного климата северных регионов с вечной мерзлотой могут образовываться гидраты газа.
Известен аппарат воздушного охлаждения (Керн Д., Краус Α., Развитие поверхности теплообмена. Перевод с англ., 1977 г., Москва, «Энергия», с. 464). Этот аппарат состоит из горизонтальной теплообменной секции и соединенных с ней снизу напорных вентиляторов, расположенных на определенном уровне от площадок и опорных стоек. Охлаждаемый продукт движется по трубному пучку, а воздух - по межтрубному пространству.
Недостатком данного аппарата является зависимость температуры продукта на выходе из аппарата от температуры окружающего воздуха, подающегося на охлаждение.
Известен аппарат воздушного охлаждения с внешней рециркуляцией воздуха (патент RU №2166717 от 10.05.2001), состоящий из теплообменной секции, соединенных с ней снизу нескольких напорных вентиляторов, опорных стоек и укрытия коробчатой формы вокруг аппарата с проемами: в боковых стенках - для входа холодного воздуха, в верхней стенке - для выхода нагретого воздуха, с зазором между укрытием и теплообменной секцией - для рециркуляции нагретого воздуха (рециркуляционные зазоры). Проходы для входа и выхода воздуха, а также рециркуляционные зазоры оборудованы жалюзи (входные, выходные и переточные) трапецеидальной формы для смешивания неоднородного потока воздуха. С помощью выходных и переточных жалюзи регулируется количество рециркулирующего нагретого воздуха, перетекаемого с верхней части аппарата в его нижнюю часть - подвентиляторное пространство. Изменением соотношения расходов нагретого и холодного воздуха поддерживается постоянная температура их смеси на входе в теплообменную секцию и, следовательно, температура продукта на выходе из аппарата вне зависимости от температуры наружного холодного воздуха.
В этом аппарате холодный воздух поступает непосредственно в рециркуляционный канал через боковые проемы, выполненные в этом канале. Такое решение обеспечивает хорошее смешение потоков нагретого и холодного воздуха непосредственно в боковом канале и высокую равномерность температуры воздуха перед входом в теплообменную секцию.
Недостатком данного аппарата с боковым входом воздуха является невозможность осуществления плотной стыковки по боковым сторонам с другим таким же аппаратом воздушного охлаждения, что в свою очередь приводит к увеличению площади занимаемой группой аппаратов, входящих в установку охлаждения.
Известен аппарат воздушного охлаждения (Астафьев Е.И., Давлетов К.М., Игнатьев М.П., Анализ выбора вариантов комплектации аппаратов воздушного охлаждения дожимных компрессорных станций при разработке месторождений Крайнего Севера. Журнал «Наука и техника в газовой промышленности», №4, 2006 г., с.42-48, рис.4), который является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению. Он состоит из теплообменной секции, напорных вентиляторов, имеющий жалюзи: выходные в верхней части аппарата, входные в проемах обшивки с двух торцовых сторон, обшивка выполнена с образованием между ее боковой стороной и теплообменной секцией рециркуляционного канала с переточниками.
Холодный воздух поступает в этот аппарат через проемы в обшивке не с боковых сторон, а двух торцовых сторон, что делает возможным плотную стыковку множества аппаратов с сопряжением по боковым сторонам.
Недостатком аппаратов с входом холодного воздуха с торцовых сторон, а горячего - с боковых, является то, что до поступления в вентиляторы эти потоки практически не смешиваются. Интенсивность смешения внутри кожуха вентилятора зависит от длины границы сопряжения горячей и холодной зон в самом узком сечении кожуха - коллектора вентилятора. В данном аппарате граница смешения короткая - геометрически представляет собой хорду, это приводит к существенной неравномерности поля температур перед теплообменной секцией.
Однако, достижение наилучших условий для смешения потоков возможно в том случае, если граница смешения нагретых и холодных потоков в сечении коллектора будет геометрически образована кругом.
Также, следует отметить, что из уровня достижений техники, в конструкциях устройств различного назначения содержащих системы воздушного охлаждения хорошо известно применение дополнительного днища - фальшпола, приподнятого на определенную высоту (см., например, заявка на изобретение RU №2011142245 от 27.05.2013, патент на изобретение RU №2394403 от 10.07.2010, патент на изобретение RU №2207746 от 27.06.2003). Фальшпол разграничивает воздухораспределительное и полезное (рабочее) пространства, содержит вентиляционные отверстия и предназначен для более эффективной рециркуляции и смешения потоков холодного и нагретого воздуха и надежной работы системы охлаждения. Однако в этих устройствах работа системы охлаждения и циркуляция потока воздуха через вентиляционные отверстия фальшпола происходит в замкнутом объеме.
При проведении заявителем информационного поиска, конструкций аппаратов воздушного охлаждения с боковой рециркуляцией воздуха, дополнительно содержащих фальшпол с отверстиями для входа холодного воздуха снизу, а также характеризующихся всей совокупность существенных признаков заявляемого технического решения, не выявлено.
Технической задачей при создании нового аппарата являлось достижение наилучших условий для смешения нагретых и холодных потоков воздуха.
Решение поставленной задачи заключалось в разработке конструкции устройства, выполненного с возможностью организации подачи холодного воздуха в центральную зону коллекторов вентиляторов путем использования дополнительного конструктивного элемента - фальшпола с отверстиями для входа воздуха и его установкой под вентиляторами с образованием между фальшполом и конфузорами вентиляторов кольцевых каналов для входа нагретого воздуха.
Техническим результатом является обеспечение равномерности охлаждения воздухом всей поверхности труб теплообменной секции и поддержания требуемой температуры. Это происходит за счет равномерного поступления в вентиляторы нагретого воздуха рециркуляции по окружности конфузоров суживающейся части кожуха (коллектора) каждого вентилятора и его смешения с холодным воздухом, поступающих в вентиляторы по его оси.
Технический результат достигается тем, что в аппарате воздушного охлаждения, включающем горизонтальные теплообменные секции, вентиляторы с коллекторами и конфузорами, выходные и переточные жалюзи, рециркуляционный канал, обшивку укрытия по боковым и торцовым сторонам, опорные стойки, непосредственно под вентиляторами расположен закрепленный на стойках и приподнятый на высоту, по меньшей мере 1,5 м, от уровня земли фальшпол, который разделяет потоки нагретого и холодного воздуха.
Кроме того, фальшпол расположен ниже уровня конфузоров вентиляторов на расстоянии равном от 0,15 до 0,4 диаметра коллектора вентилятора. В плитах фальшпола напротив каждого вентилятора соосно расположены круглые отверстия с конфузорами, диаметр сечения которых составляет от 1,0 до 1,1 диаметра коллектора (наиболее узкой цилиндрической части) вентилятора. Между крайними вентиляторами и торцовыми стенками укрытия в фальшполе расположены дополнительные прямоугольные отверстия, площадь сечения которых составляет от 0,2 до 0,4 площади сечения коллектора вентилятора.
Более подробно устройство поясняется чертежом (фиг. 1) на котором представлен заявляемый аппарат воздушного охлаждения с рециркуляцией воздуха.
Аппарат воздушного охлаждения с рециркуляцией воздуха содержит горизонтальные теплообменные секции 1 состоящие из пучков оребренных труб, вентиляторы 2 с коллекторами 3 и конфузорами 4, по боковым и торцовым сторонам аппарат снабжен обшивкой 5 укрытия, рециркуляционный канал 6. Аппарат оснащен системой жалюзи 7 для выхода нагретого воздуха из теплообменной секции 1 и переточными жалюзи 8 для регулирования рециркуляции воздуха. Под системой вентиляторов расположен фальшпол 9 с круглыми отверстиями и конфузорами 10 выполненными соосно с каждым вентилятором. Диаметр сечения конфузора 10 фальшпола составляет от 1,0 до 1,1 диаметра коллектора 3 вентилятора. В фальшполе между крайними вентиляторами и торцовыми стенками обшивки укрытия для входа холодного воздуха расположены дополнительные прямоугольные отверстия 11. Площадь сечения каждого прямоугольного отверстия 11 в фальшполе с торцов составляет от 0,2 до 0,4 площади сечения коллектора 3 вентилятора. Расстояние от конфузора 4 вентилятора до фальшпола 9 составляет от 0,15 до 0,4 диаметра коллектора 3 вентилятора. Фальшпол закреплен на стойках 12 размещенных в бетонном основании и приподнят на высоту, по меньшей мере, 1,5 м над уровнем земли.
Аппарат воздушного охлаждения с рециркуляцией воздуха работает следующим образом.
Охлаждаемый продукт (например, природный газ) подается в трубный пучок теплообменной секции. Охлаждающий компонент - воздух, через отверстия фальшпола, нагнетаемый вентиляторами в межтрубное пространство перпендикулярно трубному пучку снизу вверх, обдувает трубы теплообменной секции и охлаждает проходящий по ним продукт. На выходе из теплообменной секции часть нагретого воздуха удаляется из аппарата через выходные жалюзи, а часть через переточные жалюзи поступает за счет разрежения, создаваемого вентилятором в боковые рециркуляционные каналы, и через кольцевые зазоры между фальшполом и конфузором вентилятора поступает на вход в вентиляторы, где происходит частичное смешение холодного и горячего потоков воздуха. Смешанный воздух через кольцевые зазоры между фальшполом и конфузором вентилятора поступает в вентиляторы.
По результатам предварительных испытаний было выявлено, что при повороте воздушного потока на входе в крайние вентиляторы образуется с внешних сторон вентиляторов застойная зона с большим разрежением, в которую поступает избыточный поток нагретого воздуха, что создает разницу температур на входе в теплообменную секцию. Для оптимального выравнивания температурных потоков нагретого воздуха по всему периметру кольцевого входа вокруг конфузоров крайних вентиляторов холодный воздух поступает в вентиляторы через дополнительные прямоугольные вентиляционные отверстия в фальшполе. Регулирование потоков нагретого воздуха в аппаратах осуществляется переточными и выходными жалюзи.
Применение в устройстве аппарата воздушного охлаждения фальшпола с вентиляционными отверстиями позволяет организовать рациональную циркуляцию и смешение потоков нагретого и холодного воздуха, что обеспечивает оптимальное выравнивание средних температур рециркулирующего потока воздуха для равномерного охлаждения всей поверхности теплообменных труб.
Также, к положительным факторам от использования фальшпола необходимо добавить, что установление фальшпола защищает конструкцию от чрезмерного нагрева, особенно несущих силовую нагрузку опорных элементов, что не позволяет нарушить устойчивость аппарата и исключает перекосы вентиляторов, и, следовательно, обеспечивает надежность работы устройства, а также позволяет защитить уникальный природный комплекс северных регионов с вечной мерзлотой, предотвращая воздействие нагретого воздуха на поверхность земли, тем самым обеспечивая благоприятный экологический фон.
Проведенные испытания опытной модели аппарата воздушного охлаждения, содержащей дополнительно фальшпол с вентиляционными отверстиями, показали незначительные аэродинамические потери на участке от входа в аппарат до входа в вентиляторы, по сравнению с аналогичными аппаратами, содержащими входные жалюзи.
Предлагаемое техническое решение устройства аппарата воздушного охлаждения с рециркуляцией воздуха позволяет обеспечить равномерное охлаждение всей поверхности труб теплообменной секции, надежность работы системы воздушного охлаждения, и одновременно не нарушает экологию окружающей среды при его функционировании.