ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ТРУБАМИ РАЗНОГО ДИАМЕТРА
HELICAL-COIL HEAT EXCHANGER WITH PIPES OF VARIOUS DIAMETRE

Настоящее изобретение относится к змеевиковому теплообменнику со множеством труб, навитых вокруг центральной трубы, и кожуха, ограничивающего внешнее пространство вокруг труб.
В рассчитанных на базисную 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.
В змеевиковом теплообменнике его трубы в несколько слоев навиты по спирали вокруг центральной трубы. По меньшей мере по части труб пропускают первую среду, между которой и второй средой, протекающей во внешнем пространстве между трубами и охватывающим их кожухом, происходит теплообмен. На концах теплообменника его трубы объединены в несколько групп и в виде пучков выведены из окружающего их внешнего пространства.
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 Rohrwärmeaustauscher", 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 Hauptwärmeaustauscher, 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 A,
- DE 1912341 A,
- DE 19517114 A,
- DE 19707475 A,
- DE 19848280 A.
В известных змеевиковых теплообменниках используют трубы одинакового поперечного сечения.
В основу настоящего изобретения была положена задача дальнейшей оптимизации подобных змеевиковых теплообменников, прежде всего с точки зрения их массы, количества змеевиковых труб, режимов работы и/или эксплуатационной надежности.
Указанная задача решается благодаря тому, что трубы по меньшей мере двух их групп имеют разный наружный диаметр и/или разный внутренний диаметр. При этом "группа труб" состоит из по меньшей мере одной трубы, предпочтительно из множества труб. Трубы одной группы могут, но не обязательно должны располагаться рядом друг другом в тангенциальном направлении и/или радиальном направлении. Обе группы труб в предпочтительном варианте находятся в одном и том же пучке труб. Под "пучком труб" подразумевается конструктивно единый внутренний узел змеевикового теплообменника, состоящий из центральной трубы, навитых на нее слоями труб и расположенных между ними вспомогательных средств, таких как перемычки и другие конструктивные элементы, и изготовленный за один цикл процесса навивки труб. Змеевиковый теплообменник имеет внутри его кожуха один или несколько подобных пучков труб.
Предлагаемое в изобретении решение позволяет лучше согласовывать геометрические параметры змеевиковых труб с конкретными технологическими потребностями. Подобные конкретные технологические потребности могут основываться, например, на различиях в тепловых свойствах различных технологических фракций, протекающих через соответствующие группы труб, или же на необходимости использования труб разной длины в разных образуемых ими слоях. Еще одно преимущество состоит в возможности согласования толщины стенок труб с разными величинами рабочего давления протекающих по ним сред и тем самым в снижении массы теплообменника в целом.
Согласно изобретению возможны следующие комбинации геометрических параметров труб двух их групп:
Наружный диаметр
Внутренний диаметр
Толщина стенки
одинаковый
разный
разная
разный
одинаковый
разная
разный
разный
одинаковая или разная
Под определением "разный" в данном контексте подразумевается различие в значениях соответствующего размера, которое существенно больше установленных на него производственных допусков. Два значения одного и того же параметра или одной и той же величины считаются разными прежде всего в том случае, когда они отличаются друг от друга по меньшей мере на 2%, предпочтительно по меньшей мере на 5%.
Согласно изобретению можно варьировать прежде всего внутренний диаметр труб, предпочтительно при неизменном их наружном диаметре.
Использование труб с разным внутренним диаметром позволяет, например, задавать величину падения давления по их длине. Таким путем две различные группы труб можно независимо друг от друга оптимизировать для двух различных технологических фракций. В принципе такого же результата можно добиться и при одинаковой толщине стенок труб, т.е. обе группы труб могут также иметь разный наружный диаметр. В другом варианте все трубы могут иметь одинаковый наружный диаметр, и в этом случае варьироваться будет только толщина их стенок и внутренний диаметр.
Поэтому согласно изобретению во многих случаях целесообразно использовать трубы в обеих их группах с одинаковым, наружным диаметром и с разным внутренним диаметром, варьируемым за счет их выполнения с разной толщиной стенок. Благодаря этому две группы труб с разным внутренним диаметром можно навивать в один и тот же слой и пропускать через них две разные технологические фракции. В результате по сравнению с пропусканием разных технологических фракций по расположенным в разных слоях трубам улучшается равномерность распределения теплового потока в теплообменнике.
Трубы с разной толщиной стенок можно изготавливать, используя для выполнения труб обеих их групп один и тот же материал или же из разные материалы (например, алюминий и сталь). Использование разных материалов для изготовления труб змеевиковых теплообменников более подробно описано в одновременно поданной заявке DE 102005036413.6 (внутренний номер дела заявителя P05164-DE/AVA) и в других соответствующих патентных заявках.
Обе группы труб могут располагаться в одном и том же или в различных слоях труб. Очевидно, что в теплообменнике можно предусмотреть и более двух групп труб с разными размерами. Так, например, первая и вторая группы труб могут располагаться в первом слое труб, а третья группа труб может располагаться во втором слое труб.
Две группы труб с разной толщиной их стенок целесообразно использовать прежде всего для согласования с разными величинами давления разных технологических фракций, для пропускания которых предназначены обе эти группы труб. Для пропускания технологической фракции меньшего расчетного давления используют группу труб с меньшей толщиной их стенок и тем самым снижают массу этой группы труб. При этом в зависимости от требуемой величины потери давления в трубах или в каждой трубе одной их группы и в зависимости от технологических возможностей трубы обеих их групп могут различаться либо своим внутренним, либо своим наружным диаметром или же и своим внутренним, и своим наружным диаметром.
В принципе можно также варьировать внутренний и/или наружный диаметр одной и той же трубы в пределах теплообменника, например, для лучшего согласования с объемом испаряемого или конденсируемого технологического потока. В этом случае первую группу труб будут составлять, например, первые участки труб, а вторую группу - другие участки тех же труб, например, примыкающие к их первым участкам.
Еще одним объектом настоящего изобретения является применение подобного теплообменника для косвенного теплообмена между содержащим углеводороды потоком и по меньшей мере одним тепло- или хладоносителем.
Содержащий углеводороды поток может при этом представлять собой, например, природный газ.
При косвенном теплообмене содержащий углеводороды поток сжижают, охлаждают, нагревают и/или испаряют. В предпочтительном варианте предлагаемый в изобретении теплообменник применяют для сжижения или испарения природного газа.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на единственный прилагаемый к описанию схематичный чертеж. На этом чертеже показан предлагаемый в изобретении змеевиковый теплообменник 1, предназначенный для сжижения потока природного газа 2 с получением сжиженного природного газа 3 путем косвенного теплообмена с тремя потоками хладагентов, а именно: с хладагентом 4 низкого давления, с первым хладагентом 5 высокого давления и со вторым хладагентом 6 высокого давления.
В рассматриваемом примере змеевиковый теплообменник имеет один-единственный пучок змеевиковых труб с тремя группами змеевиковых труб. Трубы отдельных их групп попеременно спирально навиты разными слоями на общую центральную трубу (Навивка труб соответствует общеизвестному принципу навивки труб змеевикового теплообменника, и поэтому точное взаимное геометрическое расположение труб на схематичном чертеже не показано). В рассматриваемом примере змеевиковые трубы распределены по группам в соответствии с пропускаемыми по ним технологическими потоками. По трубам первой их группы 7 пропускают природный газ 2, а по трубам второй, соответственно третьей групп 8, 9 пропускают соответственно один из двух хладагентов 5, 6 высокого давления. Хладагенты высокого давления пропускают при этом снизу вверх, т.е. в прямотоке с природным газом. Хладагент 4 низкого давления проходит сверху вниз через окружающее трубы внешнее пространство, т.е. в противотоке к природному газу, и при этом испаряется. Испарившийся хладагент 10 низкого давления вновь выходит из окружающего трубы внешнего пространства на нижнем конце теплообменника.
В одном из конкретных примеров технологические потоки, пропускаемые через теплообменник, могут иметь следующие величины рабочего давления:
природный газ 2
120 бар
хладагент 4 низкого давления
15 бар
первый хладагент 5 высокого давления
60 бар
второй хладагент 6 высокого давления
60 бар
Трубы (змеевики) изготовлены из легкого металла, например из алюминия или его сплава, и имеют в каждой их группе отличную от других групп толщину стенок. При этом во всех слоях трубы имеют одинаковый наружный диаметр.
В первом варианте, направленном на оптимизацию массы теплообменника, трубы имеют следующую толщину стенок:
трубы группы 7
1,4 мм
трубы групп 8 и 9
0,9 мм
В другом варианте толщину стенок труб можно оптимизировать в отношении тепловых и гидравлических параметров и в отношении максимально возможной равномерности расположения труб в пучке с учетом при этом необходимых технологических параметров (например, заданных максимальных величин падения давления в отдельных технологических потоках). В этом втором варианте трубы имеют следующую толщину стенок:
трубы группы 7
1,4 мм
трубы групп 8 и 9
1,2 мм
Во втором варианте использовали трубы одинаковой длины в отдельных их группах, что позволило оптимизировать теплообменник в отношении теплопередачи и экономической эффективности.