ТЕПЛООБМЕННИК, ИМЕЮЩИЙ СБОРНЫЙ КАНАЛ ДЛЯ ОТВОДА ЖИДКОЙ ФАЗЫ
HEAT EXCHANGER WITH COLLECTING CHANNEL FOR DISCHARGING LIQUID PHASE

»
Изобретение касается теплообменника, такого как, например, показан в «The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer’s association (ALPEMA), третье издание, 2010, страница 67 на фиг.9-1. Он имеет кожух или оболочку (англ. «shell»), который охватывает затрубное пространство, а также по меньшей мере один расположенный в затрубном пространстве пластинчатый теплообменник (англ. «core» = ядро). Такое исполнение теплообменника называют также «core-in-shell» (ядро в оболочке) или «block-in-shell» (блок в оболочке) теплообменник.
С помощью такого теплообменника, в частности, первая среда, которая при эксплуатации теплообменника образует ванну, окружающую пластинчатый теплообменник, и поднимается в пластинчатом теплообменнике (по вертикали) снизу вверх (так называемый термосифонный эффект), может приводиться в состояние непрямого теплообмена со второй средой (напр., сжижаемой газообразной фазой или охлаждаемой жидкой фазой), которая предпочтительно направляется в пластинчатом теплообменнике в противотоке или перекрестном потоке с первой средой. Возникающая при этом газообразная фаза первой среды скапливается в затрубном пространстве над пластинчатым теплообменником и оттуда может отводиться. Кроме того, по меньшей мере часть жидкой фазы первой среды может отводиться из затрубного пространства через предусмотренный выпускной патрубок. Предпочтительно жидкая фаза, выходящая на верхнем конце пластинчатого теплообменника вместе с возникающей газообразной фазой, возвращается в ванну, окружающую указанный по меньшей мере один пластинчатый теплообменник.
У теплообменника вышеназванного рода обычно все количество жидкости первой среды вводится в затрубное пространство через по меньшей по меньшей мере один впускной патрубок. Часть этой жидкости течет в вертикальном направлении вниз, затем входит снизу в указанный по меньшей мере один пластинчатый теплообменник и там частично испаряется. Другая часть, то есть отводимая из затрубного пространства жидкая фаза первой среды (речь идет предпочтительно об обусловленном технологическим процессом, контролируемом и практически непрерывном отводе жидкости из теплообменника core-in-shell, а также предпочтительно не об отводе жидкости из теплообменника с целью опорожнения затрубного пространства), течет в преимущественно горизонтальном направлении к выпускному патрубку для жидкой фазы первой среды. Максимальный расход этого поперечного течения возникает при этом в области выпускного патрубка для жидкой фазы первой среды. В зависимости от того, где жидкость вводится через указанный по меньшей мере один впускной патрубок в затрубное пространство, и какие гидравлические условия имеются в затрубном пространстве, горизонтальное и вертикальное течение могут взаимно оказывать друг на друга негативное влияние. Кроме того, в частности в узких местах вблизи выпускного патрубка для жидкой фазы первой среды, могут возникать относительно высокие скорости течения, которые могут негативно влиять на эксплуатацию теплообменника core-in-shell.
При отводе жидкой фазы первой среды из затрубного пространства, кроме того, следует следить за тем, чтобы не возникали ни завихрения, ни газовые пузыри не захватывались течением жидкости. Кроме того, следует избегать относительно высоких (в частности, локальных) скоростей течения, так как иначе существует опасность образования пузырей. Поэтому часто ставится условие, что не разрешается, чтобы в области выпускного патрубка для жидкой фазы первой среды на течение влияли встроенные элементы, а также не разрешается, чтобы жидкость вводилась в этой области в затрубное пространство. Это приводит к большой потребной длине кожуха, следствием которой являются высокие затраты и избыточный вес.
Чтобы обеспечить минимальный уровень жидкости в затрубном пространстве, в US565127OA предлагается расположить внутри затрубного пространства затвор. Этот затвор разделяет затрубное пространство на область теплообмена и область слива. И это решение ведет к увеличенной потребной длине кожуха, следствием которой являются высокие затраты и избыточный вес.
При встраивании других элементов сопротивления (напр., затворов), кроме того, иногда сильно нарушается течение в горизонтальном направлении. Для преодоления каждого элемента вышеназванного рода требуется избыточное давление, которое создается повышенным уровнем жидкости перед элементом. Следствием этого является, что пространства между элементами имеют различный уровень жидкости, что может негативно влиять на эксплуатацию теплообменника core-in-shell.
Этот эффект еще усиливается постольку, что необходимое избыточное давление для преодоления данного элемента является функцией расхода. При этом известно, что избыточное давление должно быть тем выше, чем больше расход.
Поэтому, исходя из этого, в основе настоящего изобретения лежит задача, предоставить усовершенствованный теплообменник вышеназванного рода. Эта проблема решается с помощью теплообменника с признаками п.1 формулы изобретения.
Таким образом, для отвода по меньшей мере части жидкой фазы первой среды из затрубного пространства предусмотрен находящийся в затрубном пространстве сборный канал, который имеет стенку, задающую внутреннее пространство сборного канала и проходящую, распространяясь вдоль затрубного пространства в направлении горизонтальной протяженности.
По одному из вариантов осуществления изобретения в затрубном пространстве могут быть также предусмотрены несколько пластинчатых теплообменников, которые, напр., могут эксплуатироваться параллельно или последовательно.
Такие пластинчатые теплообменники имеют, как правило, несколько расположенных параллельно друг другу пластин или, соответственно, листов, которые образуют множество теплообменных проходов для сред, участвующих в теплообмене. Один из предпочтительных вариантов осуществления пластинчатого теплообменника имеет несколько волнистых или, соответственно, складчатых листов (так называемые ребра), которые расположены каждое между двумя параллельными разделительными пластинами или, соответственно, листами пластинчатого теплообменника, при этом два крайних наружных слоя пластинчатого теплообменника образованы закрывающими пластинами. Таким образом, между каждыми двумя разделительными пластинами или, соответственно, между разделительной пластиной и закрывающей пластиной вследствие всегда расположенного между ними ребра образуются множество параллельных каналов или, соответственно, теплообменных проходов, через которые может течь среда. Поэтому между средами, текущими в соседних теплообменных проходах, может осуществляться теплообмен, при этом теплообменные проходы, предназначенные для первой среды, называются первыми теплообменными проходами, а теплообменные проходы, предназначенные для второй среды, называются соответственно вторыми теплообменными проходами.
В направлении боковых сторон между каждыми соседними разделительными пластинами или, соответственно, между закрывающей пластиной и соседней разделительной пластиной предпочтительно предусмотрены оконечные планки (так называемые боковые элементы, англ. side bars) для закрытия соответствующих теплообменных проходов. Первые теплообменные проходы по вертикали в верхнем и нижнем направлении открыты и, в частности, не закрыты оконечными планками, так что жидкая фаза первой среды снизу может попадать в первые теплообменные проходы и вверху на пластинчатом теплообменнике может выходить в виде жидкой или газообразной фазы из первых теплообменных проходов.
Закрывающие пластины, разделительные пластины, ребра и боковые элементы предпочтительно изготовлены из алюминия и, напр., спаиваются друг с другом в печи. Через соответствующие коллекторы, снабженные патрубками, среды, такие как, напр., вторая среда, могут вводиться в предусмотренные теплообменные проходы или, соответственно, отводиться из них.
Кожух теплообменника может, в частности, иметь окружную, (круглую) цилиндрическую стенку, которая у расположенного надлежащим образом теплообменника предпочтительно ориентирована так, что продольная ось (ось цилиндра) стенки, соответственно, кожуха распространяется по горизонтали. С торцевой стороны кожух имеет предпочтительно находящиеся друг напротив друга, соединенные с этой стенкой стенки, которые распространяются поперек горизонтали, соответственно, продольной оси.
Предпочтительно предусмотрено, что сборный канал (при надлежащим образом расположенном теплообменнике) расположен в нижней области затрубного пространства, напр., на обращенной к внутреннему пространству внутренней стороне кожуха. Предпочтительно сборный канал расположен между кожухом, в частности окружной стенкой кожуха, и указанным по меньшей мере одним пластинчатым теплообменником. Кроме того, предпочтительно предусмотрено, что сборный канал расположен по вертикали ниже указанного по меньшей мере одного пластинчатого теплообменника. Кроме того, пластинчатый теплообменник (сборный канал?) может быть также расположен по горизонтали рядом с пластинчатым теплообменником. Сборный канал расположен при этом предпочтительно по вертикали ниже уровня жидкости жидкой фазы первой среды в затрубном пространстве, так что жидкая фаза первой среды соответственно может отводиться из затрубного пространства с помощью сборного канала.
В отношении способа эксплуатации теплообменника, как уже излагалось, предпочтительно предусмотрено, что указанный по меньшей мере один пластинчатый теплообменник выполнен для того, чтобы охлаждать вторую среду, направляемую во вторых теплообменных проходах, о направляемую в соседних, первых теплообменных проходах первую среду и/или по меньшей мере частично сжижать ее, так что образуется газообразная фаза первой среды, при этом затрубное пространство выполнено для сбора газообразной фазы.
Предпочтительно предусмотрено также, что указанный по меньшей мере один пластинчатый теплообменник выполнен так, что первая среда при эксплуатации теплообменника поднимается в указанном по меньшей мере одном пластинчатом теплообменнике, а именно, в предусмотренных для этого первых или, соответственно, вторых теплообменных проходах указанного по меньшей мере одного пластинчатого теплообменника, при этом, в частности, пластинчатый теплообменник выполнен для того, чтобы направлять вторую среду во вторых теплообменных проходах в противотоке или в перекрестном потоке к первой среде.
Предпочтительно сборный канал для отвода жидкой фазы первой среды соединен гидравлическим соединением с выпускным патрубком, который, в частности, расположен на нижней стороне кожуха, так что жидкая фаза первой среды может отводиться из сборного канала через этот выпускной патрубок. Сборный канал может быть также соединен гидравлическим соединением с несколькими, например, двумя или тремя выпускными патрубками, которые предпочтительно расположены, будучи распределены по длине сборного канала.
В одном из вариантов осуществления, кроме того, предусмотрено, что сборный канал распространяется в направлении протяженности, которое ориентировано параллельно продольной оси (оси цилиндра) кожуха или, соответственно, по горизонтали, и при этом предпочтительно поперек упомянутого направления протяженности (продольной оси) имеет, напр., трубчатое (в частности круглое) или, напр., многоугольное, в частности прямоугольное поперечное сечение. Предпочтительно сборный канал распространяется на 60%, 70%, 80% или 90% длины теплообменника в направлении протяженности, предпочтительно по всей длине затрубного пространства теплообменника в направлении протяженности.
Сборный канал имеет также предпочтительно стенку, охватывающую внутреннее пространство сборного канала, в котором жидкая фаза может течь к упомянутому выпускному патрубку. При этом та область этой стенки сборного канала, которая указывает к нижней стороне теплообменника, соответственно, указывает по вертикали вниз, называется нижней стороной сборного канала, а противоположная область стенки сборного канала, которая указывает к верхней стороне теплообменника, представляет собой соответственно верхнюю сторону сборного канала. Верхняя и нижняя сторона сборного канала предпочтительно соединяются друг с другом боковыми стенками сборного канала, распространяющимися вдоль продольной оси кожуха. С торцевой стороны сборный канал предпочтительно ограничен находящимися друг напротив друга торцевыми сторонами, которые соответственно соединяют друг с другом верхнюю, нижнюю сторону и боковые стенки. С торцевой стороны сборный канал может быть также выполнен открытым.
Один из вариантов изобретения предусматривает также, что одна или несколько из вышеназванных областей стенки сборного канала образуется кожухом теплообменника. Предпочтительно нижняя сторона сборного канала, соответственно, нижняя сторона стенки сборного канала образуется кожухом теплообменника. То есть, боковые стенки и торцевые стороны соответственно приделаны к кожуху со стороны затрубного пространства.
Для отвода жидкой фазы сборный канал имеет предпочтительно по меньшей мере одно впускное отверстие, особенно предпочтительно несколько впускных отверстий, в частности, выполненное или, соответственно, выполненные на верхней стороне сборного канала, а также при необх. на находящихся друг напротив друга боковых стенках сборного канала. При этом впускные отверстия, выполненные на верхней стороне сборного канала, выполнены предпочтительно в виде щелей, в отличие от чего впускные отверстия, предусмотренные на боковых стенках, предпочтительно имеют круглый контур (напр., сверления).
Предпочтительно предусмотрено, что расстояния между соседними впускными отверстиями, причем, в частности, расстояния между впускными отверстиями, предусмотренными на верхней стороне или на боковых стенках, уменьшаются в направлении соответствующей торцевой стороны сборного канала. Т.е., что два соседних впускных отверстия, которые расположены ближе к одной из торцевых сторон сборного канала, предпочтительно находятся на меньшем расстоянии друг от друга в направлении протяженности сборного канала, чем два соседних впускных отверстия, которые расположены ближе к середине сборного канала (в направлении протяженности).
Предпочтительно количество, распределение, размер и/или форма впускных отверстий выбраны так, что поле скоростей жидкой фазы первой среды в сборном канале предпочтительно является равномерным. В частности, при этом также течение в примыкающем затрубном пространстве должно подвергаться наименьшему возможному негативному влиянию.
Кроме того, по одному из аспектов изобретения площадь поперечного сечения (и при необходимости контур) сборного канала в плоскости, перпендикулярной направлению протяженности сборного канала, выбрана таким образом, что в сборном канале устанавливается предпочтительно равномерное поле скоростей жидкой фазы первой среды. В частности, при этом также течение в примыкающем затрубном пространстве должно подвергаться наименьшему возможному негативному влиянию.
Предпочтительно этому способствует расширение/увеличение поперечного сечения сборного канала в направлении выпускного патрубка и/или заданное расположение, форма и размер впускных отверстий на сборном канале.
Предпочтительно выпускной патрубок впадает в сборный канал или, соответственно, внутреннее пространство сборного канала посередине.
Кроме того, теплообменник может иметь несколько расположенных в затрубном пространстве, предлагаемых изобретением сборных каналов, которые соединены гидравлическим соединением с указанным выпускным патрубком или каждый с одним или несколькими выпускными патрубками.
При этом положения, размеры и ориентации этих сборных каналов предпочтительно выбираются так, чтобы поле скоростей жидкой фазы первой среды в каждом сборном канале предпочтительно было равномерным.
Кроме того, кожух может также, конечно, иметь несколько выпускных патрубков, которые могут быть соединены со сборным каналом, как описано выше, или при необходимости с несколькими сборными каналами вышеописанного рода.
Наконец, по другому варианту осуществления изобретения может быть предусмотрено, что впускные отверстия, в частности впускные отверстия на боковых стенках сборного канала, находятся на заданном расстоянии по вертикали от внутренней стороны кожуха на нижней стороне кожуха. Это позволяет ограничивать отвод жидкости, напр., при останове установки или прерывании впускного потока (т.е., в затрубном пространстве остается заданное остаточное количество).
Кроме того, ограничение отвода жидкости может также достигаться путем соответствующего расположения сборного канала в затрубном пространстве, например, когда сборный канал располагается на определенной высоте над нижней стороной кожуха.
Кроме того, отдельные или все впускные отверстия могут быть снабжены антизавихрителями, которые препятствуют возникновению или интенсификации завихрений. В принципе, каждое впускное отверстие может выполняться индивидуально.
С помощью предлагаемого изобретением решения может, в частности, лучше контролироваться поле скоростей в теплообменнике core-in-shell. Благодаря этому приемное пространство или, соответственно, затрубное пространство лучше используется по всему своему размеру. В зависимости от специальных условий эксплуатации достижимы, в частности, меньшие размеры кожуха.
Кроме того, благодаря надлежащему положению сборного канала (напр., под пластинчатым теплообменником) и исполнению впускных отверстий может предотвращаться возникновение завихрений или захват газа течением жидкости.
Кроме того, благодаря предлагаемому изобретением исполнению сборного можно избегать относительно высоких (локальных) скоростей течения.
Также благодаря надлежащему положению впускных отверстий отводимая жидкость может целенаправленно забираться из областей приемного или, соответственно, затрубного пространства, в которых небольшое количество жидкости с целью частичного испарения течет в пластинчатом теплообменнике в вертикальном направлении вниз. Тем самым, в частности, предотвращается взаимное негативное влияние течений друг на друга.
Благодаря меньшему реализуемому размеру кожуха предпочтительно снижаются общие издержки предлагаемого изобретением теплообменника на материал, изготовление и техническое обслуживание. Затраты на изоляцию также ниже.
Кроме того, сборный канал не является конструктивным элементом, воспринимающим давление, и поэтому обязан удовлетворять только низким требованиям к толщине стенки, материалу и изготовлению. Кроме этого, форма его поперечного сечения может выполняться свободно без влияния на его прочность.
Далее, положения патрубков для жидкости теплообменника core-in-shell являются в большей степени варьируемыми. Например, выпускной патрубок может располагаться на нижней стороне кожуха посередине или на крае. Благодаря этому меньше ограничивается конструкция окружающих конструктивных элементов.
Необходимо пояснить другие подробности и преимущества изобретения на фигурах с помощью последующих описаний фигур одного из примеров осуществления. Кроме этого, предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Показано:
фиг.1: вид сечения предлагаемого изобретением теплообменника;
фиг.2: другой вид сечения теплообменника по линии II-II фиг.1; и
фиг.3: вид сверху предлагаемого изобретением сборного канала теплообменника в соответствии с фиг.1 и 2.
На фиг.1 во взаимосвязи с фиг.2 и 3 показан теплообменник 1, который имеет поперечный, (круглый) цилиндрический кожух 2, ограничивающий затрубное пространство 3 теплообменника 1. Кожух 2 имеет при этом окружную цилиндрическую стенку 14, которая с торцевой стороны ограничивается двумя находящимися напротив друг друга стенками 15.
В охваченном кожухом 2 затрубном пространстве 3 расположен пластинчатый теплообменник 4, который имеет несколько параллельных теплообменных проходов.
Пластинчатый теплообменник 4 имеет при этом несколько, напр., волнистых или, соответственно, складчатых листов (так называемых ребер), которые расположены каждое между двумя параллельными разделительными пластинами или, соответственно, листами пластинчатого теплообменника 4. Таким образом, между каждыми двумя разделительными пластинами (или, соответственно, одной разделительной пластиной и одной закрывающей пластиной, см. ниже) образовано множество параллельных каналов или, соответственно, теплообменный проход, через который может течь данная среда F1, F2. Два крайних наружных слоя образуются закрывающими пластинами; в направлении боковых сторон между каждыми двумя соседними разделительными пластинами или, соответственно, разделительными и закрывающими пластинами предусмотрены оконечные планки.
Затрубное пространство 3 во время эксплуатации теплообменника 1 наполняется первой средой F1 через предусмотренные на верхней стороне 8 кожуха 2 впускные патрубки 60. Этот впускной поток в теплообменник 1 обычно двухфазный, но может быть также только жидким. Тогда жидкая фаза L1 первой среды F1 образует ванну, окружающую пластинчатый теплообменник 4, при этом газообразная фаза G1 первой среды F1 скапливается над жидкой фазой L1 в верхней области 34 затрубного пространства 3.
Жидкая фаза L1 первой среды F1 может подниматься в предусмотренных первых теплообменных проходах пластинчатого теплообменника 4 и при этом путем непрямого теплообмена частично испаряется охлаждаемой второй средой F2, которая, напр., направляется в перекрестном потоке к первой среде F1 в предусмотренных вторых теплообменных проходах пластинчатого теплообменника 4. Возникающая при этом газообразная фаза G1 первой среды F1 может выходить на верхнем конце пластинчатого теплообменника 4 и поднимается в затрубном пространстве 3 теплообменника 1, откуда она может отводиться через соответствующие выходные патрубки 40 на верхней стороне 8 кожуха 2. Кроме того, часть жидкой фазы L1 циркулирует в затрубном пространстве 3, причем эта часть в пластинчатом теплообменнике 4 в первых теплообменных проходах перемещается снизу вверх и затем снова течет вниз вне пластинчатого теплообменника 4 в затрубном пространстве 3.
Вторая среда F2 через надлежащий впускной патрубок O направляется в пластинчатый теплообменник 4 и после прохождения предусмотренных вторых теплообменных проходов через выпускной патрубок Oʹ в охлажденном или, соответственно, сжиженном состоянии отводится из пластинчатого теплообменника 4.
На нижней стороне 16 теплообменника 1 на обращенной к затрубному пространству 3 внутренней стороне 2a кожуха 2 расположен коробчатый сборный канал 5, который распространяется в направлении 7 протяженности. При этом сборный канал 5 выполнен, в частности, распространяясь по длине, и имеет соответственно больший размер в направлении 7 протяженности, чем поперек направления 7 протяженности.
Сборный канал 5 имеет также стенку W, ограничивающую внутреннее пространство I cборного канала 5, сквозь которое из затрубного пространства 3 отводится жидкая фаза L1 первой среды F1. Стенка W имеет, в частности, верхнюю сторону 9, а также отходящие от нее боковые стенки 11, которые распространяются в направлении 7 протяженности и соединены друг с другом посредством находящегося напротив верхней стороны 9 дна (нижней стороны) 10 сборного канала 5, которое образуется кожухом 2. Кроме того, сборный канал 5, соответственно, его стенка W имеет две торцевые стороны 11a, 11b, которые находятся в направлении 7 протяженности друг напротив друга.
Для, в частности непрерывного, отвода жидкой фазы L1 первой среды F1 из затрубного пространства 3 при эксплуатации теплообменника 1 теперь на боковых стенках 11 предусмотрены предпочтительно круглые впускные отверстия 13 и/или на верхней стороне 9 сборного канала 5 предпочтительно щелевые впускные отверстия 12, через которые жидкая фаза L1 может входить в сборный канал 5. Впускные отверстия 12, 13 расположены при этом в направлении 7 протяженности рядом друг с другом, при этом расстояние между соседними впускными отверстиями 12, 13 в направлении 7 протяженности, начиная от выпускного патрубка 6, в направлении обеих торцевых сторон 11a, 11b сборного канала 5 соответственно предпочтительно уменьшается. Продольные оси щелевых впускных отверстий 12 проходят при этом каждая поперек направления 7 протяженности сборного канала 5.
Сборный канал 5 соединен также с выпускным патрубком 6 кожуха 2, который впадает в сборный канал 5 на нижней стороне 10 сборного канала 5, так что жидкая фаза L1 первой среды F1, попадающая через впускные отверстия 12, 13 во внутреннее пространство I сборного канала 5, может отводиться из сборного канала 5 через выпускной патрубок 6.
Выпускной патрубок 6 расположен на сборном канале 5 в направлении 7 протяженности предпочтительно посередине, при этом верхняя сторона 9 сборного канала 5 предпочтительно имеет два повышающихся в направлении выпускного патрубка 6 участка 9a, 9b, которые предпочтительно встречаются над выпускным патрубком 6.
Поперечное сечение сборного канала 5 предпочтительно увеличивается (расширяется), соответственно начиная от торцевых сторон 11a, 11b сборного канала 5, в направлении выпускного патрубка 6 для получения в сборном канале 5 наиболее гомогенного возможного поля скоростей жидкой фазы L1 первой среды F1. В частности, при этом также течение жидкой фазы L1 в примыкающем затрубном пространстве 3 должно подвергаться наименьшему возможному негативному влиянию.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Теплообменник
2 Кожух
2a Внутренняя сторона
3 Затрубное пространство
4 Пластинчатый теплообменник
5 Сборный канал
6 Выпускной патрубок
7 Направление протяженности
8 Верхняя сторона кожуха
9 Верхняя сторона сборного канала
9a, 9b Участки верхней стороны
10 Нижняя сторона сборного канала
11 Боковые стенки сборного канала
11a, 11b Торцевые стороны
12 Щелевые впускные отверстия
13 Круглые впускные отверстия
14 Окружная стенка кожуха
15 Торцевые стенки кожуха
16 Нижняя сторона кожуха
33 Нижняя область затрубного пространства
34 Верхняя область затрубного пространства
40 Выпускной патрубок для газообразной фазы
60 Впускной патрубок
F1 Первая среда
L1 Жидкая фаза первой среды
G1 Газообразная фаза первой среды
F2 Вторая среда
I Внутреннее пространство сборного канала
O’ Впускной патрубок для второй среды
O Выпускной патрубок для второй среды
V Поле скоростей жидкой фазы L1
W Окружная стенка сборного канала