Способ эффективного теплообмена в теплообменном аппарате криогенной установки (варианты)
METHOD FOR EFFICIENT HEAT EXCHANGE IN A HEAT EXCHANGER OF A CRYOGENIC INSTALLATION (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и криогенным системам, в частности, к способу исключения «примерзания» охлаждаемого теплоносителя к поверхностям теплообмена в теплообменных аппаратах криогенных установок. Изобретение может найти применение при конструировании систем и установок для криогенного обеспечения, при разработке блоков теплообменников, применяемых в криогенных установках различного назначения.
Криогенные установки оказывают существенное влияние на развитие многих областей техники, а сочетание криогенных установок с устройствами для ожижения, замораживания газов и разделения газовых смесей позволяет получать в промышленном масштабе в газообразном и жидком виде кислород, азот, водород, а также гелий и другие инертные газы. Криогенные установки являются неотъемлемой составляющей систем, использующих эффект сверхпроводимости.
В настоящее время в практике разработки криогенных установок и систем, в части теплообмена, применяется прямоточный способ движения потоков, использование которого ведет к снижению энергетической эффективности работы криогенной установки и не защищает от «примерзания» охлаждаемого теплоносителя к поверхности теплообмена. Известны способы осуществления теплообмена и конструктивные решения теплообменных аппаратов, направленные на предотвращение последствий «примерзания» охлаждаемого теплоносителя к поверхности теплообмена.
Известен способ уменьшения скопления жидкости и замораживания в пластинчатом противоточном теплообменнике, защищенный патентом «Конструкция теплообменника, обеспечивающая уменьшение скопления жидкости и замораживания», RU 2673375, МПК F28F 3/04, дата публикации 26.11.2018 года, в котором пластинчатый противоточный теплообменник содержит пакет теплопередающих пластин для передачи тепловой энергии от первого потока теплообменного газа второму потоку теплообменного газа. Пакет теплопередающих пластин образует первичные проточные каналы для первого потока и вторичные проточные каналы для второго потока теплообменного газа. При осуществлении известного способа вводят первый поток теплообменного газа в первичные проточные каналы, вводят второй поток теплообменного газа во вторичные проточные каналы, выводят первый поток теплообменного газа из первичных проточных каналов и выводят второй поток теплообменного газа из вторичных проточных каналов. В известном способе удерживают соседние пластины отдельно друг от друга посредством профилированных элементов в канальном участке пластин, образующих гребни и канавки, которые направлены под углом относительно направления потоков теплообменных газов в первичных проточных каналах и вторичных проточных каналах, при этом, в известном способе обеспечена возможность протекания сконденсировавшейся жидкости в каналах между пластинами в направлении, отличном от направления потоков. Конструкция известного пластинчатого противоточного теплообменника исполнена максимально проточной, без застойных зон.
Однако, применение известного способа уменьшения скопления жидкости и замораживания защищает теплообменный аппарат лишь от последствий заморозки охлаждаемого теплоносителя в его каналах, не предотвращая сам процесс замораживания охлаждаемого теплоносителя.
Одна из наиболее важных задач эффективного функционирования криогенных установок и систем - исключение или сведение к минимуму риска кристаллизации охлаждаемого теплоносителя в каналах теплообменных аппаратов на нижнем температурном уровне. Эта задача требует качественно новых технологических решений. И определенное (противоточное) направление потоков хладагента и охлаждаемого теплоносителя в теплообменных аппаратах криогенных систем позволяет обеспечить максимальную термодинамическую эффективность установок, в составе которых применяются эти аппараты.
Целью изобретения является повышение эффективности процесса теплообмена в теплообменном аппарате криогенной установки.
Техническим результатом изобретения является разработка эффективного и простого способа теплообмена, позволяющего исключить риск кристаллизации при противоточной схеме движения потоков хладагента и охлаждаемого внешнего теплоносителя в теплообменных аппаратах криогенных установок и систем.
Поставленная цель, по первому варианту, достигается в способе эффективного теплообмена в теплообменном аппарате, входящем в состав криогенной установки и разделенном на, по меньшей мере, три секции, предусматривающем охлаждение внешнего теплоносителя путем опосредованного теплообмена с хладагентом криогенной установки при одновременном опосредованном теплообмене между разнотемпературными потоками самого хладагента криогенной установки. Вводят внешний теплоноситель двумя отдельными потоками в первую и третью секции теплообменного аппарата, образующих первую зону охлаждения и третью зону охлаждения соответственно, одновременно с этим, вводят хладагент криогенной установки во вторую секцию теплообменного аппарата, образующую вторую зону охлаждения. Прокачивают хладагент криогенной установки из второй зоны охлаждения последовательно и противотоком внешнему теплоносителю через третью, вторую и первую зоны охлаждения, при этом, охлаждают внешний теплоноситель в первой зоне охлаждения и в третьей зоне охлаждения путем опосредованного теплообмена с параллельными противонаправленными потоками хладагента. Дополнительно охлаждают хладагент во второй зоне охлаждения теплообменного аппарата путем опосредованного теплообмена с параллельным однонаправленным потоком хладагента более низкой температуры. Отводят охлажденный внешний теплоноситель из первой зоны охлаждения и из третьей зоны охлаждения, выводят нагретый хладагент криогенной установки из первой зоны охлаждения.
Поставленная цель, по второму варианту, достигается в способе эффективного теплообмена в теплообменном аппарате, входящем в состав криогенной установки, противоточном, предусматривающем охлаждение внешнего теплоносителя путем опосредованного теплообмена с хладагентом криогенной установки при одновременном опосредованном теплообмене между разнотемпературными потоками хладагента криогенной установки. В теплообменном аппарате криогенной установки организуют прохождение потоков: один поток первого захода хладагента, по меньшей мере, один поток последующего захода хладагента и один поток внешнего теплоносителя, кроме этого, располагают поток последующего захода хладагента между потоками первого захода хладагента и внешнего теплоносителя. Вводят поток внешнего теплоносителя в теплообменный аппарат и противотоком вводят поток первого захода хладагента в теплообменный аппарат, далее, выводят поток первого захода хладагента из теплообменного аппарата и возвращают его потоком последующего захода хладагента между потоками первого захода хладагента и внешнего теплоносителя, обеспечивая опосредованный теплообмен между разнотемпературными потоками хладагента. При этом, охлаждают внешний теплоноситель путем опосредованного теплообмена с потоком последующего захода хладагента, после чего, отводят охлажденный внешний теплоноситель из теплообменного аппарата, отводят нагретый хладагент криогенной установки из теплообменного аппарата.
Применение такого способа теплообмена в теплообменном аппарате, входящем в состав криогенной установки, позволяет одновременно обеспечить опосредованный теплообмен охлаждаемого внешнего теплоносителя с хладагентом криогенной установки и опосредованный теплообмен между разнотемпературными потоками самого хладагента, что исключает риск кристаллизации, безусловно повышая эффективность теплообмена.
Подобные установки не имеют широкого применения сегодня, но у них хорошие перспективы в связи с растущей популярностью прикладных технологий высокотемпературной сверхпроводимости, для криогенного обеспечения которой применяются рассматриваемые схемы и теплообменные аппараты в их составе.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее подробное описание и прилагаемые чертежи. На фиг. 1 показана упрощенная схема технологического процесса по первому варианту реализации способа эффективного теплообмена в теплообменном аппарате криогенной установки, на фиг. 2 показана упрощенная схема технологического процесса по второму варианту реализации данного способа, график на фиг. 3 иллюстрирует распределение температур по первому варианту осуществления способа эффективного теплообмена. Обе схемы на фиг. 1 и фиг. 2 представляют собой предпочтительное конструктивное исполнение применения на практике технологического процесса по этому изобретению. Чертежи не исключают из объема изобретения другие конструктивные исполнения, которые являются результатом обычных и предполагаемых модификаций этого конкретного конструктивного исполнения. Различные требуемые вспомогательные системы, такие как клапаны, смесители потоков, системы регулирования и датчики исключены из чертежа в целях упрощения и ясности представления.
При реализации способа эффективного теплообмена по первому варианту, хладагент и внешний теплоноситель прокачивают через многосекционный теплообменный аппарат с прямоточными и противоточными секциями. На фиг. 1, для пояснения осуществления способа, представлен трехсекционный теплообменный аппарат. В теплообменном аппарате потоки контактируют опосредованно, через стенку, но наиболее холодный поток не имеет теплового взаимодействия с внешним теплоносителем, что позволяет повысить температуру стенки на стороне внешнего теплоносителя выше температур кристаллизации. Для этого, к холодопроизводящей части 4 криогенной установки подсоединяют теплообменный аппарат 5, разделенный на, по меньшей мере, три секции, образующие три зоны охлаждения: первую 1, вторую 2 и третью 3. Вводят внешний теплоноситель двумя отдельными потоками в первую 1 и третью 3 зоны охлаждения теплообменного аппарата 5 и одновременно, вводят хладагент из холодопроизводящей части 4 криогенной установки во вторую секцию теплообменного аппарата, образующую вторую зону 2 охлаждения. Прокачивают хладагент последовательно из второй зоны 2 охлаждения через третью 3, вторую 2 и первую 1 зоны охлаждения, охлаждают внешний теплоноситель в первой зоне охлаждения 1 и в третьей зоне охлаждения 3 путем опосредованного теплообмена с параллельным противонаправленным потоком хладагента, одновременно, охлаждают хладагент во второй зоне охлаждения 2 теплообменного аппарата 5 путем опосредованного теплообмена с параллельным однонаправленным потоком хладагента более низкой температуры, после чего отводят охлажденный внешний теплоноситель из первой зоны охлаждения 1 и из третьей зоны охлаждения 3, выводят нагретый хладагент криогенной установки из первой зоны охлаждения 1. Наиболее холодный поток хладагента прогревают во второй зоне охлаждения 2 перед подачей в противоточную зону охлаждения 3 за счет охлаждения потока хладагента, прогретого в противоточной зоне охлаждения 3. Охлажденный в прямоточной зоне охлаждения 2 хладагент подается в противоточную зону охлаждения 1. Многосекционный теплообменный аппарат 5 может быть выполнен как в виде отдельных соединенных между собой двухпоточных аппаратов, так и в виде конструктивно единого аппарата.
На фиг.  показан график распределения температур в теплообменном аппарате 5 по первому варианту осуществления способа эффективного теплообмена. По абсциссе - условная координата вдоль потока в теплообменном аппарате, по ординате - температура. Поток хладагента (гелия) подают в прямоточную вторую секцию при температуре 56,3К, где прогревают до 63,7К за счет охлаждения второго потока хладагента с 72К до 64,7К. Потоки хладагента после прямоточной второй секции подают в противоточные секции первую и третью, где прогревают до температуры 72К, за счет охлаждения потока внешнего теплоносителя (жидкого азота) от температуры на входе 75К до 65К. Тройная точка жидкого азота ~ 63,2К, что ниже минимальной температуры хладагента 63,7К на входе в противоточную секцию, что обеспечивает стабильную работу, несмотря на минимальную температуру входящего в теплообменник хладагента 56,3К.
При реализации способа эффективного теплообмена по второму варианту (фиг. 2) в противоточном теплообменном аппарате 5, входящем в состав криогенной установки и подключенном к холодопроизводящей части 4 криогенной установки, организуют прохождение потоков: один поток 7 первого захода хладагента, по меньшей мере, один поток 8 последующего захода хладагента и один поток 6 внешнего теплоносителя. Располагают поток 8 последующего захода хладагента между потоками 7 первого захода хладагента и потоком 6 внешнего теплоносителя. Вводят поток 6 внешнего теплоносителя в теплообменный аппарат 5 и противотоком вводят поток 7 первого захода хладагента в теплообменный аппарат 5. Эти потоки не имеют опосредованного контакта. Выводят поток 7 первого захода хладагента из теплообменного аппарата 5 и возвращают его потоком 8 последующего захода хладагента между потоками 7 первого захода хладагента и 6 внешнего теплоносителя, обеспечивая опосредованный теплообмен между разнотемпературными потоками хладагента 7 и 8. Происходит опосредованный теплообмен между потоком 6 внешнего теплоносителя и потоком 8 последующего захода хладагента. В итоге, наиболее холодный поток 7 хладагента, идущий непосредственно от холодопроизводящей части 4 криогенной установки, не имеет ни прямого, ни опосредованного контакта с потоком внешнего теплоносителя, что позволяет повысить температуру стенки на стороне внешнего теплоносителя выше температур кристаллизации. Завершая теплообмен, отводят охлажденный внешний теплоноситель из теплообменного аппарата 5, отводят нагретый хладагент криогенной установки из теплообменного аппарата 5.
Таким образом, способ теплообмена в теплообменном аппарате криогенной установки, осуществляемый в противоточных схемах движения потоков хладагента и внешнего теплоносителя, по обоим вариантам, обеспечивает максимум эффективности, поскольку отсутствуют условия для кристаллизации (примерзания) внешнего теплоносителя на холодном конце теплообменного аппарата 5.