ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ВЫПОЛНЕННЫМИ ИЗ РАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЕТАЛЯМИ
COIL HEAT EXCHANGER WITH PARTS MADE OUT OF DIFFERENT MATERIALS

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 верхних 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, cc.3-11),
- DE 1501519 A,
- DE 1912341 A,
- DE 19517114 A,
- DE 19707475 A,
- DE 19848280 A.
Компоненты и детали змеевиковых теплообменников, как известно, изготавливают либо из алюминия, либо из стали (высококачественной стали или специальной стали для работы при криогенных температурах).
В основу настоящего изобретения была положена задача удешевить изготовление подобных змеевиковых теплообменников и/или улучшить их технологические свойства.
Указанная задача решается благодаря тому, что первая и вторая детали змеевикового теплообменника выполнены из разных материалов и соединены между собой в месте соединения, которое состоит из материала первой детали как основного материала, и плакировано материалом, из которого изготовлена вторая деталь.
До настоящего времени возможность подобного подхода сознательно не рассматривалась по технологическим причинам. Более того, для изготовления всех деталей и компонентов змеевикового теплообменника стремились использовать один и тот же материал для возможности упростить их соединение друг с другом, прежде всего сваркой.
Согласно же изобретению было решено отказаться от этого принципа и использовать разные материалы в одном и том же теплообменнике. Подобное решение обеспечивает возможность дальнейшей оптимизации конструкции теплообменника, например, в отношении его объема, массы, прочности и/или стоимости, при сохранении возможности соединения деталей сверкой.
Первая и вторая детали теплообменника могут представлять собой одну из следующих деталей:
- центральную трубу, на которую навиты змеевиковые трубы,
- змеевиковую(-ые) трубу(-ы),
- участок змеевиковой трубы,
- трубную решетку (коллектор),
- кожух, который в качестве находящегося под давлением сосуда снаружи ограничивает теплообменник,
- распределитель жидкости и/или газа в окружающем внешнем пространстве трубы,
- перемычку между двумя слоями труб (распорку),
- кронштейн для подвесного крепления перемычек и
- рубашку между кожухом и (змеевиковыми) трубами. В соответствии с этим кожух теплообменника можно изготавливать, например, из стали, а трубы одного или нескольких их пучков можно изготавливать из алюминия.
При этом первая деталь может быть изготовлена, например, из стали, а вторая деталь - из алюминия. Под "алюминием" в данном контексте подразумевается не только чистый алюминий, но и любой его технически применимый сплав, например сплав с содержанием алюминия 50% или более, предпочтительно 80% или более. Под "сталью" в данном контексте подразумеваются все разновидности стали, например аустенитная, ферритная, полученная дуплекс-процессом, высококачественная (нержавеющая) и никельсодержащая сталь.
В одном из конкретных примеров вторая деталь может представлять собой группу труб в первом их слое, которые могут быть изготовлены из алюминия, а первая деталь может представлять собой, например, другую группу труб в том же или другом их слое, которые могут быть изготовлены из стали.
При соединении между собой первой и второй детали в месте соединения, выполненном в виде соединительной детали, эта соединительная деталь состоит из материала первой детали как основного материала и плакирована материалом, из которого изготовлена вторая деталь. Подобное выполнение соединительной детали позволяет приваривать ее и к первой детали, и ко второй детали.
Если место соединения представляет собой соединительную часть одной из двух деталей, то, в качестве примера осуществления изобретения, алюминиевые трубы (вторая деталь) можно сваривать с трубной решеткой (первая деталь) из высококачественной стали, плакированной алюминием. В качестве другого примера, наружный кожух змеевикового теплообменника может быть выполнен из стали, а внутренние детали, такие как трубы и соответствующие трубные решетки и коллекторы, - из алюминия. В местах соединения с трубами, трубными решетками и коллекторами кожух плакирован алюминием с обеспечением возможности сварки наружного кожуха с внутренними деталями в этих местах соединения.
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.
При сжижении природного газа обычно используют змеевиковые теплообменники из алюминия. В другом варианте теплообменники, используемые для сжижения природного газа, могут также изготавливаться из стали.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на единственный прилагаемый к описанию чертеж, на котором схематично 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 труб с тремя группами 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 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.
В данном варианте все змеевиковые трубы и центральная труба изготовлены из алюминия, а трубные решетки изготовлены из высококачественной стали и в местах их соединения со змеевиковыми трубами плакированы алюминием.