ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
HELICAL-COIL HEAT EXCHANGER

Настоящее изобретение относится к змеевиковому теплообменнику со множеством труб, навитых вокруг центральной трубы, и кожуха, ограничивающего внешнее пространство вокруг труб.
В рассчитанных на базовую нагрузку установках для сжижения природного газа его сжижают в непрерывном режиме в больших объемах. Природный газ сжижают преимущественно за счет его теплообмена с холодоносителем в змеевиковых (витых) теплообменниках. Однако известны и многие другие области применения змеевиковых теплообменников, которые используют и при температурах ниже температуры окружающей среды вплоть до самых низких (криогенных) температур, и при высоких температурах вплоть до температур, значительно превышающих температуру окружающей среды. В принципе змеевиковые теплообменники можно использовать при любой температуре при условии их изготовления из обладающих соответствующей температуроустойчивостью материалов.
В змеевиковом теплообменнике его трубы в несколько слоев навиты по спирали вокруг центральной трубы. По отдельным трубам теплообменника пропускают среду, между которой и средой, протекающей в пространстве между трубами и охватывающим их кожухом, происходит теплообмен. На верхнем и нижнем концах теплообменника его трубы объединены в одну или несколько групп.
Подобные змеевиковые теплообменники и их применение, например, для сжижения природного газа описаны в каждой из указанных ниже публикаций:
- Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2-е изд., 1985, сс. 471-475,
- W. Scholz, "Gewickelte Rohrwarmeäustauscher", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, № 33, 1973, сс. 34-39,
- W. Bach, "Offshore-Erdgasverflüssigung mit Stickstoffkälte - Prozessauslegung und Vergleich von Gewickelten Rohr- und Plattenwärmetauschern", Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, № 64, 1990, сс.31-37,
- W.Förg и др., "Ein neuer LNG Baseload Prozess und die Herstellung der Hauptwarmeaustauscher, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft", №78, 1999, сс.3-11 (публикация на английском языке: W.Förg и др., "A New LNG Baseload Process and Manufacturing of the Main Heat Exchanger", Linde Reports on Science and Technology, №61, 1999, сс.3-11),
- DE 1501519 А,
- DE 1912341 А,
- DE 19517114 А,
- DE 19707475 А,
- DE 19848280 А.
Одно из известных свойств змеевиковых теплообменников состоит в наличии у них значительной внутренней упругости. Подобное свойство змеевиковых теплообменников обусловлено особо высокой упругостью их труб, поскольку они имеют форму спиральных пружин, и поэтому такие трубы способны прежде всего эффективно компенсировать напряжения, вызванные тепловым расширением или сжатием, и тем самым обеспечивают особо высокую эксплуатационную надежность змеевиковых теплообменников.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача дальнейшего повышения надежности змеевикового теплообменника.
Указанная задача решается благодаря тому, что в змеевиковом теплообменнике используется по меньшей мере один нетеплопередающий (не участвующий в теплопередаче) упругий конструктивный элемент, который расположен внутри кожуха теплообменника радиально вне пучка труб и содержит металлический материал.
До настоящего времени исходили из того, что собственная упругость навитых по спирали труб, в некоторых случаях в сочетании с упругим креплением труб на их концах, придает змеевиковому теплообменнику столь высокую способность компенсировать термические напряжения, которая исключает необходимость в принятии дополнительных мер в этом направлении. Однако при создании настоящего изобретения было установлено, что термические напряжения могут снижать эксплуатационную надежность даже змеевиковых теплообменников. Предлагаемый в изобретении подход к решению указанной выше задачи основан не на оптимизации обычных параметров, например на повышении собственной упругости труб или на изменении крепления их концов, а на применении нетеплопередающих конструктивных элементов, располагаемых радиально вне пучка труб. Тем самым предлагаемое в изобретении решение позволяет компенсировать не только напряжения, вызываемые изменениями температуры, но и более значительные статические перепады и градиенты температур между всем пучком труб и внешним, соответственно внутренним, пространством.
Под "нетеплопередающим" или "не участвующим в теплопередаче" в данном контексте подразумевается конструктивный элемент, поверхности которого в процессе работы теплообменника не контактируют непосредственно с обеими текучими средами, между которыми происходит целенаправленная теплопередача. Очевидно, что каждый конструктивный элемент из-за наличия у него той или иной теплопроводности обладает определенным теплопередающим действием. Понятие "нетеплопередающий" не исключает наличие подобного свойства у конструктивного элемента.
Под "пучком труб" в данном контексте подразумевается геометрическое пространство в форме полого цилиндра, образованного цилиндрически симметричным участком спирали, в которую навиты трубы. Этот участок охватывает навитые по спирали участки труб и радиально внутрь доходит до боковой поверхности цилиндра, которая касается радиально внутренней стороны труб их внутреннего слоя, исключая собственно центральную трубу, а радиально наружу доходит до боковой поверхности цилиндра, которая касается радиально наружной стороны труб их наружного слоя. При наличии рубашки между кожухом теплообменника и наружным слоем труб такая рубашка уже не относится к "пучку труб".
Конструктивный элемент расположен "радиально вне пучка труб" в том случае, когда он по меньшей мере частично находится радиально за пределами образованного пучком труб полого цилиндра, т.е. в одном из пространств между наружным слоем труб и кожухом либо между внутренним слоем труб и центральной трубой или же внутри нее. Конструктивные элементы, которые расположены исключительно над или под осевыми концами пучка труб, т.е., например, конструктивные элементы, служащие для крепления концов труб, не относятся к расположенным "радиально вне пучка труб". Упругий конструктивный элемент согласно изобретению может находиться, например, между двумя концентричными пучками труб (см. заявку DE 102006033697 и связанные с ней патентные заявки), между наружным слоем труб и рубашкой либо между внутренним слоем труб и центральной трубой.
Конструктивный элемент согласно изобретению называют "упругим" в том случае, когда его жесткость (коэффициент жесткости) меньше, чем у теплопередающих или участвующих в теплопередаче конструктивных элементов, прежде всего труб и пучка труб. Коэффициент жесткости одного или нескольких "нетеплопередающих упругих конструктивных элементов" составляет прежде всего менее 80%, предпочтительно менее 50%, менее 10% или менее 1%, от того же показателя пучка труб. Расположение и упругость такого конструктивного элемента таковы, что при работе теплообменника вызванное тепловым расширением термическое напряжение в трубах остается ниже предела их текучести, прежде всего остается ниже двух третей от предела их текучести, предпочтительно ниже 5% от предела их текучести.
Нетеплопередающий упругий конструктивный элемент содержит металлический материал, т.е. по меньшей мере частично выполнен из одного или нескольких металлических материалов.
Согласно изобретению в предлагаемом в нем теплообменнике предпочтительно использовать множество нетеплопередающих упругих конструктивных элементов, располагаемых радиально вне пучка труб.
Один или несколько нетеплопередающих упругих конструктивных элементов в предпочтительном варианте соединены с теплопередающим конструктивным элементом, прежде всего с по меньшей мере одной из труб, соединением с геометрическим замыканием, соединением с силовым замыканием или скользящим соединением. Один или несколько нетеплопередающих упругих конструктивных элементов можно при этом соединять с теплопередающим конструктивным элементом непосредственно, например сваркой или пайкой, или же через одну или несколько промежуточных деталей, обладающих меньшей упругостью. Так, например, упругий конструктивный элемент можно соединять с одной или несколькими трубами, например, одной или несколькими перемычками (проставками). В другом варианте нетеплопередающий упругий конструктивный элемент может быть также частью теплопередающего конструктивного элемента или приформованной к нему деталью.
Под "перемычкой" подразумевается неупругий конструктивный элемент, который непосредственно контактирует с по меньшей мере одной трубой в по меньшей мере двух местах, которые обычно находятся на соседних витках одной и той же трубы. Соединение между перемычкой и трубой в этих местах представляет собой соединение с геометрическим замыканием и образовано прежде всего соответствующими углублениями в перемычке, которые, например, имеют форму сегмента боковой поверхности цилиндра.
Альтернативно этому, а предпочтительно в дополнение к этому, один или несколько нетеплопередающих упругих конструктивных элементов можно соединять с нетеплопередающим конструктивным элементом соединением с геометрическим замыканием, соединением с силовым замыканием или скользящим соединением. Так, например, в этих целях можно использовать пружинящие элементы, которые с силовым замыканием соединены с одной своей стороны с одной или несколькими трубами, а с другой своей стороны - с кожухом. Таким путем удается, например, устранить жесткую связь между пучком труб, с одной стороны, и кожухом, с другой стороны, и исключить тем самым влияние их тепловых продольных деформаций друг на друга.
Вместе с тем возможно также комбинировать между собой соединение с геометрическим или силовым замыканием с одной стороны и скользящее соединение с другой стороны.
Обычно между наружным кожухом теплообменника и радиально наружным слоем труб имеется сравнительно широкий кольцевой зазор. При прохождении части движущейся через внешнее пространство текучей среды через этот зазор, а не через промежутки между трубами эта часть текучей среды не участвовала бы или принимала бы лишь ограниченное участие в процессе теплообмена с другой текучей средой, движущейся по трубам. По этой причине между радиально наружным слоем труб и кожухом принято располагать рубашку. В этом случае нетеплопередающий упругий конструктивный элемент целесообразно соединять с рубашкой соединением с силовым замыканием или скользящим соединением.
Соединение нетеплопередающего упругого конструктивного элемента прежде всего с другой его стороны с одной или несколькими трубами позволяет устранить жесткую связь между пучком труб, с одной стороны, и рубашкой, с другой стороны, и исключить тем самым влияние тепловых изменений их диаметров друг на друга, снизив тем самым уровень возникающих в них термических напряжений.
-6
-6
-6
Наиболее явно преимущества изобретения проявляются прежде всего в том случае, когда коэффициент теплового расширения теплопередающих конструктивных элементов, прежде всего труб, составляет более 8×10 1/К, прежде всего более 16,1×101/К, главным образом более 20×10 1/К. Трубы можно изготавливать, например, из высококачественной стали, прежде всего из стали марки V2A, или из алюминия либо его сплава.
Упругий конструктивный элемент предпочтительно должен обладать упругостью в по меньшей мере двух противоположных направлениях. Иными словами, упругий конструктивный элемент должен обладать способностью упруго деформироваться под воздействием и растягивающих, и сжимающих нагрузок. Более же предпочтительно упругий конструктивный элемент должен обладать упругостью во всех направлениях.
В предпочтительном варианте предлагается располагать по меньшей мере два, прежде всего по меньшей мере четыре, нетеплопередающих упругих конструктивных элемента вдоль оси пучка труб. Тем самым обеспечивается упругая связь по всей высоте или на значительной части осевой протяженности пучка труб. В этом варианте упругие конструктивные элементы с разным осевым положением могут находиться в окружном направлении (по периметру) в одном и том же положении или в разных положениях, т.е. могут находиться в своей осевой последовательности непосредственно друг над другом или с угловым смещением относительно друг друга.
Дополнительно к этому или альтернативно этому в еще одном предпочтительном варианте предлагается располагать по меньшей мере два, прежде всего по меньшей мере четыре, нетеплопередающих упругих конструктивных элемента по периметру пучка труб вокруг него. Тем самым обеспечивается упругая связь по всему периметру или на значительной части периметра пучка труб. В этом варианте упругие конструктивные элементы с разным окружным положением могут находиться в осевом направлении (по высоте) в одном и том же положении или в разных положениях, т.е. могут находиться по периметру пучка труб на одном и том же уровне или на разных уровнях.
В еще одном предпочтительном варианте предлагается распределять множество нетеплопередающих упругих конструктивных элементов по всей боковой поверхности образованного пучком труб полого цилиндра снаружи или внутри него.
Ниже изобретение, а также другие частные варианты его осуществления более подробно рассмотрены на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на каждом из которых схематично изображен фрагмент предлагаемого в изобретении змеевикового теплообменника и на которых, в частности, показано:
на фиг.1 - фрагмент предлагаемого в изобретении змеевикового теплообменника с выполненными по первому варианту нетеплопередающими упругими конструктивными элементами и
на фиг.2 - фрагмент предлагаемого в изобретении змеевикового теплообменника с выполненными по второму варианту нетеплопередающими упругими конструктивными элементами.
На фиг.1 показан фрагмент предлагаемого в изобретении змеевикового теплообменника с двумя нетеплопередающими упругими конструктивными элементами 1a, 1b. Такие нетеплопередающие упругие конструктивные элементы могут быть выполнены в форме спиральных пружин, как в показанном на чертеже варианте, но могут также иметь любую иную форму, при условии, что их коэффициент жесткости меньше, чем у не показанных на фиг.1 теплопередающих конструктивных элементов, и составляет прежде всего менее 80%, предпочтительно менее 50%, менее 10% или менее 1%, от коэффициента жесткости пучка труб змеевикового теплообменника.
Нетеплопередающие упругие конструктивные элементы 1a, 1b с одной своей стороны (снизу на фиг.1) через первую промежуточную деталь 2 соединены с силовым замыканием, например стыковочным соединением, с теплопередающими конструктивными элементами, например трубами (не показаны).
С другой своей стороны (сверху на фиг.1) нетеплопередающие упругие конструктивные элементы 1а, 1b через вторую промежуточную деталь 3 соединены с силовым замыканием с нетеплопередающим конструктивным элементом, например рубашкой, которая расположена между радиально наружным слоем труб и кожухом змеевикового теплообменника.
На фиг.2 показан схожий вариант, в котором аналогично показанному на фиг.1 варианту предусмотрены два нетеплопередающих упругих конструктивных элемента 1а, 1b и первая и вторая промежуточные детали 2. 3. Первая промежуточная деталь 2 соединена с силовым замыканием, например сваркой, с трубами их радиально наружного слоя 4. Вторая промежуточная деталь 3 соединена с силовым замыканием, например сваркой, с рубашкой 5.
В конструкции змеевикового теплообменника конструктивные элементы 1а, 1b, 2, 3 повторяются в других местах (например, поз.6), предпочтительно через равные расстояния.
На фиг.2 показаны также еще один слой 7 труб, а также неупругие перемычки 8, которые расположены между обоими слоями 4 и 7 труб.
В принципе основная идея изобретения, заключающаяся в применении нетеплопередающего упругого конструктивного элемента для устранения термических напряжений, может использоваться и в теплообменниках всех иных типов, например в теплообменниках с U-образными трубами, прямотрубных теплообменниках или пластинчатых теплообменниках при рабочей температуре ниже температуры окружающей среды, прежде всего ниже -40°С, для косвенного теплообмена между содержащим углеводороды потоком и, по меньшей мере, одним тепло- или холодоносителем, при этом содержащий углеводороды поток представляет собой природный газ при косвенном теплообмене его сжижают, охлаждают, нагревают и/или испаряют.