СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕПЛООБМЕННИКЕ
METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE DISTRIBUTION IN HEAT EXCHANGER

Изобретение касается способа регулирования распределения температуры в теплообменнике.
Такого рода теплообменники известны из уровня техники и служат для теплообмена непрямого действия (далее непрямого теплообмена) между по меньшей мере двумя текучими средами. При этом у теплообменника в виде витого теплообменника несколько труб, которые образуют пучок труб, спирально намотаны вокруг внутренней трубы, при этом вышеупомянутый пучок труб окружен удерживающей давление кожухом, который определяет окружающее пучок труб межтрубное пространство для приема одной среды, при этом в указанном пучке труб направляется другая среда, так что эти две среды могут вступать в указанный прямой теплообмен. При этом внутренняя труба проходит, в частности, по продольной оси, которая - относительно состояния теплообменника или, соответственно, кожуха, расположенного предписанным образом - совпадает с вертикалью. Такого рода витой теплообменник известен, например, из WO 2007/014 617 или, соответственно, WO 2007/009 640.
Кроме того, теплообменник может быть также выполнен в виде прямотрубного теплообменника. В этом случае указанные трубы пучка труб проходят линейно или U-образно по продольной оси кожуха теплообменника, которая предпочтительно ориентирована горизонтально, и закреплены в трубных решетках теплообменника.
Кроме того, такого рода теплообменник может также представлять собой пластинчатый теплообменник, который имеет несколько расположенных параллельно друг другу пластин, при этом между двумя соседними пластинами расположено по одной ламели (так называемое ребро), так что между соседними пластинами образуется множество параллельных каналов, через которые может протекать среда. В боковых направлениях эти ребра ограничены так называемыми продольными элементами (называемыми также краевыми планками), которые припаяны к примыкающим пластинам (как и ламели). Таким образом образуется несколько параллельных теплообменных проходов пластинчатого теплообменника, так что, например, в этих теплообменных проходах разные среды могут направляться в противотоке друг мимо друга, чтобы совершать непрямой теплообмен.
Кроме того, известны теплообменники в виде регенераторов, у которых среды, предназначенные для вступления в теплообмен, вводятся в теплообменник поочередно, то есть, в данном случае, например, количество тепла, отдаваемое первой средой теплообменнику, передается следующей, второй среде.
В отношении вышеназванных аппаратов, в частности, существует задача, обеспечить возможность их энергетически оптимизированной эксплуатации. Так, например, у витого теплообменника в межтрубном пространстве необходимо достичь по возможности наиболее равномерного распределения жидкой фазы или, соответственно, среды по указанному пучку труб, чтобы можно было эксплуатировать теплообменник наиболее эффективным образом. Аналогичная проблема существует также у прямотрубных или, соответственно, пластинчатых теплообменников, в которых также следует избегать возможных пинч-точек (наименьшая разность температур между двумя направляемыми в теплообменнике средами), а также неравных нагрузок, и оптимально использовать поверхность нагрева.
Кроме того, в DE 10 2007 021 564 A1 описывается способ измерения температуры в компонентах установки нефтехимической промышленности или в установках генерирования воздуха, причем оцениваются оптические сигналы по меньшей мере одного световода, расположенного в частях установки. Кроме того, в DE 10 2007 021 564 A1 описывается способ измерения температуры посредством световодов. В EP 2511642 A2 аналогичным образом описывается применение оптических световодов для измерения температуры.
Соответственно в основе настоящего изобретения лежит задача, предоставить способ регулирования температуры в теплообменнике, который обеспечит возможность энергетически оптимизированной эксплуатации соответствующего аппарата.
Эта задача решается с помощью способа регулирования распределения температуры в теплообменнике с признаками п.1 формулы изобретения.
Соответственно этому в предлагаемом изобретением способе посредством по меньшей мере одного расположенного в теплообменнике световода, в частности в виде стекловолокна или другого оптического волокна, измеряется распределение фактической температуры в теплообменнике, при этом свет проникает в указанный по меньшей мере один световод, и рассеянный в указанном по меньшей мере одном световоде свет оценивается для определения распределения фактической температуры, и при этом по меньшей мере один направляемый в теплообменнике поток текучей среды регулируется так, что распределение фактической температуры приближается к предопределенному распределению номинальной температуры.
Согласно изобретению при этом предусмотрено, что теплообменник имеет пучок труб, включающий в себя множество труб, которые расположены в межтрубном пространстве теплообменника, при этом распределение фактической температуры измеряют посредством по меньшей мере одного световода, который расположен во внутреннем пространстве трубы пучка труб и/или посредством по меньшей мере одного световода, который расположен на наружной стороне трубы пучка труб в межтрубном пространстве, при этом теплообменник выполнен в виде витого теплообменника, и причем
- трубы образуют несколько секций пучка труб, по отдельности наполняемых упомянутой средой, при этом отдельные секции наполняются каждая средой так, что распределение фактической температуры приближается к распределению номинальной температуры,
или
- поток жидкой среды распределяют в межтрубном пространстве по пучку труб так, что распределение фактической температуры приближается к распределению номинальной температуры, при этом жидкую среду в радиальном направлении пучка труб и/или в окружном направлении пучка труб регулируемо распределяют по пучку труб так, что распределение фактической температуры приближается к распределению номинальной температуры.
Для оценки рассеянного света с по меньшей мере одним световодом предпочтительно соединяется измерительное устройство, которое предназначено и предусмотрено для того, чтобы посредством указанного световода измерять распределение фактической температуры в теплообменнике.
Для этого указанное измерительное устройство предпочтительно выполнено для того или, соответственно, применяется для того, чтобы вводить в по меньшей мере один световод свет или, соответственно, оптические сигналы и известным образом оценивать обратно рассеянный в световод свет. При этом используется, что посланные в световоде и обратно рассеянные оптические сигналы сильно зависят от температуры и поэтому пригодны для измерения температуры вокруг световода. Для оценки таких оптических сигналов световода существуют несколько методов, которые позволяют определять температуру в любой точке световода с достаточно высокой точностью.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретением способа измерительное устройство предназначено и предусмотрено для того, чтобы оценивать обратно рассеянный по меньшей мере одним световодом свет, который возникает вследствие рамановского рассеяния света, введенного в световод. При этом используется, что световоды, как правило, изготовлены из легированного примесями кварцевого стекла (аморфная структура твердого тела, состоящая в основном из оксида кремния). В такого рода аморфных структурах твердого тела посредством тепловых эффектов индуцируются колебания решетки. Такие колебания решетки зависимы от температуры. Поэтому свет, который попадает на молекулы или, соответственно, частицы в световоде, вступает во взаимодействие с электронами молекул. Это взаимодействие называется также рамановским рассеянием. Обратно рассеянный свет может подразделяться на три спектральные группы. Наряду с рэлеевским рассеянием, которое соответствует длине волны введенного света, существуют так называемые стоксовы компоненты и так называемые анти-стоксовы компоненты. В противоположность смещенным к большим длинам волн и только незначительно зависимым от температуры стоксовым компонентам, смещенные к меньшим длинам волн анти-стоксовы компоненты значительно зависимы от температуры. Поэтому измерительное устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы рассчитывать отношение интенсивностей между стоксовыми и анти-стоксовыми компонентами, при этом измерительное устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы для этого рассчитывать преобразование Фурье этих двух обратно рассеянных компонент и сравнивать с преобразованием Фурье опорного сигнала. Отсюда получают интенсивности обеих компонент по длине световода. Таким образом, путем сравнения двух интенсивностей может определяться температура для каждой точки световода.
По другому варианту предлагаемого изобретением способа предусмотрено, что определение температуры осуществляется путем оценки рэлеевского рассеяния. Для этого измерительное устройство имеет предпочтительно когерентный рефлектометр частотного диапазона (называемый также с-OFDR, то есть coherent Optical Frequency Domain Reflectometer), у которого свет последовательно настраиваемого лазера вводится в интерферометр Маха-Цендера, разделяющий этот свет на два участка, при этом световод образует один участок, а другой участок представляет собой опорный участок известной длины. Рэлеевский рассеянный свет из световода накладывается на составляющую света из опорного участка и обнаруживается. При этом при последовательной настройке длины волны лазера на детекторе возникает периодический сигнал, частота которого зависит от данного места рассеяния световода. Отдельные частоты этого сигнала, которые могут быть получены с помощью преобразования Фурье, соответствуют, таким образом, местам рассеяния в световоде; амплитуда их частотной составляющей указывает интенсивность данного отражения. При этом могут достигаться разрешения ≤0,1 мм.
Рэлеевское излучение в световоде, таком как, например, стекловолокно, возникает вследствие упругих процессов рассеяния локальных эффектов/помех световода. Когда такое стекловолокно сканируется посредством c-OFDR, получается характерная для стекловолокна, флуктуирующая характеристика интенсивности рэлеевского рассеяния по стекловолокну, которая при изменении температуры (изменение пространственного растяжения волокна) пространственно растягивается или, соответственно, сжимается, благодаря чему может рассчитываться температура по стекловолокну. Соответственно измерительное устройство предпочтительно конфигурировано, чтобы раскладывать сигнал по стекловолокну на смежные сегменты (например, ≥ 1 мм) и преобразовывать соответствующий сигнал в область частот. Для каждого сегмента получается при этом флуктуирующий характер отражения в зависимости от частоты. Изменение температуры или, соответственно, растяжения стекловолокна вызывают смещение частоты, которое, в частности, пропорционально изменению температуры стекловолокна в данном сегменте. Соответственно измерительное устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы на основании данного смещения частоты определять локальную температуру стекловолокна или, соответственно, световода.
В другом варианте осуществления предлагаемого изобретением способа измерение температуры осуществляется путем оценки оптических сигналов, которые возникают вследствие бриллюэновского рассеяния световода. В этом случае измерение температуры основывается на определении с пространственным разрешением опорной частоты между введенной в световод, первичной световой волной и индуцированной в световоде вследствие бриллюэновского рассеяния и обратно рассеянной волной, которая по сравнению с первичной волной уменьшена по частоте в зависимости от температуры. Поэтому измерительное устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы вводить импульсную первичную световую волну в световод и обнаруживать обратно рассеянный свет с разрешением по времени для различных разностей частот и, при известности времени прохождения импульса, определять с пространственным разрешением смещение частоты вследствие изменения температуры. То есть, в этом варианте осуществления изобретения также путем оценки обратно рассеянных оптических сигналов температура может определяться в каждой произвольной точке световода.
В другом варианте осуществления изобретения предусмотрено измерение температуры путем оценки оптических сигналов, которые возникают вследствие рассеяния на решетке Брэгга. Решетки Брэгга представляют собой входящие в световод оптические полосовые фильтры, которые могут размещаться в световоде практически сколь угодно часто. Среднее волновое число полосы заграждения получается при этом из условия Брэгга. Спектральная ширина полосы заграждения, наряду с длиной решетки и показателем преломления, зависит от температуры. Тогда измерительное устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы при имеющихся и в пределах световода разных длине решетки и показателе преломления определять температуру в данном месте решетки Брэгга по ширине полосы заграждения.
Вследствие высокого разрешения предлагаемого изобретением метода измерения температуры распределение фактической температуры может предпочтительно измеряться в виде трехмерного распределения фактической температуры или, соответственно, в виде трехмерного профиля фактической температуры. Это значит, в частности, что может точно указываться температура для нескольких трехмерно распределенных в пространстве мест измерения. Для этого по меньшей мере один световод или несколько такого рода световодов прокладываются вдоль желаемых мест измерения, так чтобы указанный по меньшей мере один световод или несколько такого рода световодов проходили от одного места измерения к другому. При этом места измерения в световоде находятся очень близко друг к другу, так как вышеназванные методы оценки имеют сравнительно высокое пространственное разрешение.
Согласно предлагаемому изобретением способу предусмотрено, что теплообменник имеет пучок труб, включающий в себя множество труб, которые расположены в удерживающем давление межтрубном пространстве теплообменника, при этом предпочтительно указанное распределение фактической температуры определяется посредством по меньшей мере одного световода, который расположен во внутреннем пространстве трубы теплообменника, или посредством световода, который альтернативно или дополнительно расположен с наружной стороны трубы теплообменника в межтрубном пространстве теплообменника,. При этом, конечно, можно оснастить каждую из труб пучка труб теплообменника световодом, проходящим в данной трубе и/или по данной трубе, которые затем предпочтительно объединяются и вводятся в описанное выше измерительное устройство.
Предпочтительно указанные трубы пучка труб теплообменника образуют несколько секций пучка труб, по отдельности наполняемых указанной средой, при этом отдельные секции наполняются каждая потоком среды так, что распределение фактической температуры приближается к распределению номинальной температуры. Указанные секции представляют собой предпочтительно радиальные секции, то есть трубы пучка труб обвиты вокруг предусмотренной внутренней трубы таким образом, что образуется по меньшей мере одна проходящая вокруг внутренней трубы первая секция пучка труб и одна отдельная от нее, проходящая вокруг внутренней трубы вторая секция пучка труб, которая охватывает первую секцию или по меньшей мере частично пронизывает ее, причем эти две секции имеют каждая по меньшей мере один предусмотренный впуск, так что эти две секции могут по отдельности наполняться вышеупомянутой средой (так называемое регулирование на стороне труб). Конечно, пучок труб может таким образом разделяться на любое количество отдельных, по отдельности наполняемых секций, которые в радиальном направлении пучка труб находятся друг над другом или, соответственно, по меньшей мере частично пронизывают друг друга.
Тогда с помощью средства регулирования предпочтительно подача указанной среды через впуск первой секции регулируется отдельно от подачи среды через впуск второй секции. При этом средство регулирования предпочтительно включает в себя по меньшей мере один клапан для впуска первой секции и один клапан для впуска второй секции. Соответствующее справедливо при любом количестве секций пучка труб. Кроме того, указанные секции имеют каждая по меньшей мере один предусмотренный выпуск для выпускания среды из данной секции пучка труб.
Согласно другому варианту осуществления предлагаемого изобретением способа предусмотрено, что у теплообменника в виде витого теплообменника поток жидкой среды распределяется в межтрубном пространстве по указанному пучку труб так, что распределение фактической температуры приближается к распределению номинальной температуры (так называемое регулирование со стороны кожуха).
Такого рода регулируемое распределение жидкости в межтрубном пространстве в предлагаемом изобретением способе предпочтительно выполняется с помощью расположенного над пучком труб распределителя жидкости для распределения указанного потока в межтрубном пространстве. При этом предпочтительно предусмотрено средство регулирования, которое выполнено для того, чтобы регулировать распределение указанного потока жидкости в межтрубном пространстве. Альтернативно или дополнительно средство регулирования может быть предназначено и предусмотрено для того, чтобы регулировать распределение дополнительного, направляемого в межтрубном пространстве другого потока жидкости в межтрубном пространстве.
При этом предпочтительно указанный поток и/или вышеупомянутый другой поток жидкой среды регулируемо распределяется в радиальном направлении кожуха или, соответственно, пучка труб по меньшей мере по одной первой и одной второй секции пучка труб и/или в окружном направлении кожуха или, соответственно, пучка труб, так чтобы измеренные распределения фактической температуры соответственно уравнивались с заданным распределением номинальной температуры.
При этом, например, находящаяся радиально дальше снаружи область или, соответственно, секция пучка труб в пределах определенного промежутка времени может содержать больше жидкости, чем область или, соответственно, секция, находящаяся дальше внутри. Аналогично в окружном направлении жидкость может регулируемо подаваться на пучок труб.
Согласно другому варианту предлагаемого изобретением способа предусмотрено, что теплообменник имеет несколько, в частности, параллельно соединенных или, соответственно, расположенных пластинчатых теплообменников, при этом указанное распределение фактической температуры теплообменника включает в себя отдельные распределения фактической температуры отдельных пластинчатых теплообменников.
По меньшей мере один световод предпочтительно расположен при этом в теплообменном проходе каждого пластинчатого теплообменника, при этом он предпочтительно в виде меандра проходит внутри теплообменного прохода. Предпочтительны снабженные световодом в обменных проходах так называемые фиктивные слои, которые не принимают участие в процессе непрямого обмена, то есть через которые не протекает среда. Однако существует также возможность, проложить световоды в обычные теплообменные проходы. Для каждого пластинчатого теплообменника предпочтительно предусмотрен по меньшей мере один световод для измерения распределения фактической температуры данного пластинчатого теплообменника. Предпочтительно в каждом пластинчатом теплообменнике несколько световодов расположено в виде меандра в параллельных теплообменных проходах или, соответственно, фиктивных проходах.
У теплообменника в виде нескольких пластинчатых теплообменников подлежащий регулированию поток представляет собой предпочтительно поток охлаждающего средства, который выше по потоку теплообменника или, соответственно, пластинчатого теплообменника разделяется на несколько частей потока, которые вводятся каждая в один соответствующий пластинчатый теплообменник, чтобы там вступать в непрямой теплообмен по меньшей мере с одним другим, направляемым в данном пластинчатом теплообменнике потоком. При этом отдельные части потока предпочтительно регулируются так, что измеренное посредством световодов распределение фактической температуры приближается к предопределенному распределению номинальной температуры, которое включает в себя распределение номинальной температуры отдельных пластинчатых теплообменников.
При этом средство регулирования предпочтительно выполнено для того, чтобы регулировать регулирующие заслонки или прочие средства для регулируемого дросселирования потока среды, с помощью которых могут дросселироваться отдельные части потока. Регулирующие заслонки представляют собой, в частности, плоскостные элементы, которые расположены, например, в трубопроводе или, соответственно, подводе к данному пластинчатому теплообменнику, и которые обладают возможностью вращения вокруг оси, чтобы эффективно уменьшать или, соответственно, увеличивать поперечное сечение трубопровода.
Таким образом предпочтительно не только могут измеряться зоны перегрева отдельного пластинчатого теплообменника, но и путем соответствующего регулирования регулирующих заслонок в зависимости от (в частности, в реальном времени) измеренного распределения фактической температуры каждый из отдельных пластинчатых теплообменников может регулироваться так, чтобы можно было избегать пинч-точек, выравнивать неравную нагрузку и оптимально использовать поверхность нагрева. Если вследствие изменений нагрузки распределение фактической температуры в отдельных пластинчатых теплообменниках изменяется, то это распознается по изменению соответствующего распределения фактической температуры и может соответственно регулироваться, так чтобы идеальным образом осуществлялось приближение к предопределенному распределению номинальной температуры.
В случае, когда отдельные пластинчатые теплообменники взаимосвязаны через общий коллектор, через который они могут наполняться указанным, подлежащим регулированию потоком, в данном коллекторе могут быть предусмотрены соответствующие регулирующие заслонки или, соответственно, иные устройства. В этой связи, конечно, принципиально существует также возможность регулирования одного отдельного пластинчатого теплообменника с помощью соответствующих регулирующих заслонок в коллекторе, так чтобы поток мог регулируемо распределяться по отдельным теплообменным проходам.
Конечно, таким образом могут регулироваться все виды таких параллельно соединенных теплообменников, то есть также витые теплообменники, прямотрубные теплообменники, регенераторы и пр.
Кроме того, задача изобретения решается с помощью устройства, которое, в частности, может применяться в предлагаемом изобретение способе.
Соответственно этому предлагаемое изобретением устройство имеет теплообменник, в частности вышеназванного рода, а также по меньшей мере один расположенный в теплообменнике световод для измерения, в частности, трехмерного распределения фактической температуры теплообменника, и соединенное с указанным по меньшей мере одним световодом измерительное устройство, которое предназначено и предусмотрено для того, чтобы вводить свет в указанный по меньшей мере один световод и оценивать рассеянный в указанном по меньшей мере одном световоде свет для определения распределения фактической температуры, при этом предлагаемое изобретением устройство имеет также средство регулирования для регулирования по меньшей мере одного направляемого в теплообменнике потока, таким образом, чтобы распределение фактической температуры приближалось к предопределенному распределению номинальной температуры.
Кроме того теплообменник имеет пучок труб, включающий в себя множество труб, которые расположены в межтрубном пространстве теплообменника, при этом указанный по меньшей мере один световод расположен во внутреннем пространстве трубы теплообменника или с наружной стороны трубы теплообменника в межтрубном пространстве, и при этом теплообменник выполнен в виде витого теплообменника (см. выше). При этом, в свою очередь, каждая труба теплообменника может быть оснащена проходящим в трубе и/или снаружи по трубе световодом, причем эти световоды затем объединяются и соединяются с измерительным устройством.
Указанные трубы теплообменника образуют предпочтительно несколько по отдельности наполняемых вышеупомянутой средой секций пучка труб, причем эти отдельные секции наполняются каждая указанным потоком среды так, чтобы измеренное распределение фактической температуры приближалось к желаемому распределению номинальной температуры (так называемое регулирование с помощью труб).
При этом у витого теплообменника трубы пучка труб предпочтительно навиты вокруг внутренней трубы витого теплообменника таким образом, что образуется по меньшей мере одна проходящая вокруг внутренней трубы первая секция пучка труб и отдельная от нее, проходящая вокруг внутренней трубы вторая секция пучка труб, которая охватывает первую секцию или по меньшей мере частично пронизывает ее, причем эти две секции имеют каждая по меньшей мере один предусмотренный впуск, так что обе секции могут по отдельности наполняться вышеупомянутой средой. При этом, конечно, в свою очередь, может быть предусмотрено любое количество такого рода секций.
В связи с этим средство регулирования предпочтительно выполнено для того, чтобы регулировать подачу среды через впуск первой секции отдельно от подачи среды через впуск второй секции. Соответствующее справедливо при любом количестве секций. Для этого средство регулирования включает в себя по меньшей мере один клапан для впуска первой секции и один клапан для впуска второй секции. Соответствующее справедливо при нескольких секциях. Кроме того, отдельные секции имеют каждая по меньшей мере один предусмотренный выпуск для выпускания первой среды из данной секции пучка труб.
Альтернативно или дополнительно к регулированию на стороне труб у теплообменника в виде витого теплообменника может также предусматриваться регулирование на стороне кожуха.
При этом предлагаемое изобретением устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы изменяемо распределять поток жидкой среды в межтрубном пространстве для пучка труб так, чтобы распределение фактической температуры приближалось к распределению номинальной температуры. Такое регулирование может, как уже изложено выше, осуществляться посредством распределителя жидкости или дополнительного ввода потоков в межтрубное пространство. Один из вариантов предлагаемого изобретением устройства предусматривает в этой связи распределитель жидкости для распределения указанного потока в межтрубном пространстве, который, в частности, расположен над пучком труб в межтрубном пространстве. При этом средство регулирования, в частности, выполнено для того, чтобы регулировать распределение указанного потока в межтрубном пространстве и/или регулировать распределение дополнительного, направляемого в межтрубном пространстве, другого потока жидкой среды в межтрубном пространстве. При этом распределитель жидкости может иметь главный распределитель над пучком труб для приема подлежащей распределению жидкой среды указанного потока, причем этот главный распределитель предпочтительно имеет проходные отверстия, через которые среда может подаваться на пучок труб.
В одном из вариантов устройства предусмотрен по меньшей мере один дополнительный трубопровод, имеющий по меньшей мере один выпуск, посредством которого дугой поток жидкости может регулируемым образом подаваться на пучок труб, при этом средство регулирования, в частности, для регулирования распределения другого потока жидкости имеет по меньшей мере один клапан для указанного трубопровода. В этой связи главный распределитель может иметь по меньшей мере одну проходную область, через которую проведены трубы пучка труб, при этом вышеупомянутая проходная область может быть ограничена, в частности, двумя распределительными консолями главного распределителя, через которые жидкость или, соответственно, среда может подаваться на пучок труб.
При этом указанный по меньшей мере один трубопровод может быть проведен через по меньшей мере одну проходную область. Таким образом, распределение может производиться через главный распределитель, а также через дополнительные трубопроводы. При этом предпочтительно предусмотрено несколько такого рода трубопроводов, имеющих по меньшей мере по одному выпуску, через которые другой поток жидкости регулируемым образом может подаваться на пучок труб, причем эти выпуски распределены по поперечному сечению межтрубного пространства так, что другой поток жидкости в радиальном направлении кожуха может изменяемо распределяться по меньшей мере по одной первой и одной второй секции пучка труб (или, соответственно, по любому количеству секций) и/или в окружном направлении кожуха, чтобы, в частности, адаптировать повторно измеренное распределение фактической температуры к предопределенному распределению номинальной температуры.
В одном из вариантов предлагаемого изобретением устройства предусмотрено, что главный распределитель распределителя жидкости имеет несколько распределительных консолей, которые, в частности, проходят каждая в радиальном направлении кожуха или, соответственно, внутренней трубы или же пучка труб.
При этом также предпочтительно предусмотрено, что распределительные консоли для изменяемого распределения потока жидкости в радиальном направлении разделены по меньшей мере на два отдельных сегмента, которые имеют каждый по меньшей мере одно проходное отверстие, сквозь которое жидкость может подаваться на пучок труб, при этом средство регулирования предпочтительно предназначено и предусмотрено для того, чтобы по отдельности регулировать подачу жидкости в эти два сегмента, так чтобы жидкость в радиальном направлении кожуха соответственно изменяемо могла распределяться по меньшей мере по одной первой и одной второй секции пучка труб. Соответствующее справедливо при любом количестве секций.
Кроме того, может быть предусмотрено, чтобы по меньшей мере одна распределительная консоль была предназначена и предусмотрена для того, чтобы подавать жидкость в радиальном направлении кожуха в первую секцию, и чтобы по меньшей мере одна другая распределительная консоль была предназначена и предусмотрена для того, чтобы подавать жидкость в радиальном направлении кожуха в отличающуюся от нее вторую секцию пучка труб, при этом, в частности, обе распределительные консоли для распределения жидкости по этим двум секциям имеют по меньшей мере под одному проходному отверстию, сквозь которое жидкость может подаваться на пучок труб, причем вышеупомянутые проходные отверстия размещены в радиальном направлении различно, и при этом, в частности, для питания отдельных распределительных консолей жидкостью предусмотрено несколько спускных труб, при этом одна спускная труба подает жидкость по меньшей мере в одну, в частности в две распределительные консоли, и при этом, в частности, спускные трубы расположены во внутренней трубе или образованы путем разделения внутренней трубы на секции.
Могут быть также предусмотрены другие устройства для радиально изменяемого или, соответственно, изменяемого распределения в окружном направлении пучка труб.
Один из альтернативных вариантов устройства предусматривает, что теплообменник образуется несколькими, в частности, параллельно соединенными или, соответственно, расположенными пластинчатыми теплообменниками, при этом указанное распределение фактической температуры в этом случае включает в себя распределения фактической температуры отдельных пластинчатых теплообменников.
При этом устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы разделять по меньшей мере один подлежащий регулированию поток, который представляет собой, в частности, поток охлаждающего средства, выше по потоку от теплообменника или, соответственно, выше по потоку от отдельных пластинчатых теплообменников на несколько частей потока, и вводить каждую в соответствующий теплообменник, так чтобы они там вступали в непрямой теплообмен с по меньшей мере одним другим направляемым в данном пластинчатом теплообменнике потоком, при этом устройство предпочтительно выполнено для того, чтобы регулировать вышеупомянутые отдельные части потока так, чтобы измеренное в каждом случае фактическое распределение температуры пластинчатых теплообменников приближалось к предопределенному распределению номинальной температуры, которое включает в себя распределение номинальной температуры отдельных пластинчатых теплообменников. Такого рода регулирование потока или, соответственно, частей потока может производиться с помощью предусмотренных регулирующих заслонок или соответствующих устройств в коллекторе соответствующего теплообменника (см. выше).
Другие детали и преимущества изобретения необходимо пояснить с помощью последующих описаний примеров осуществления с помощью фигур, на которых показано:
фиг.1 - схематичный вид сечения витого теплообменника с регулированием на стороне труб и/или кожуха, в зависимости от измеренного распределения фактической температуры теплообменника;
фиг.2 - вид сверху распределителя жидкости для регулирования на стороне кожуха в зависимости от измеренного распределения фактической температуры; и
фиг.3 - теплообменник в виде батареи пластинчатых теплообменников, при этом вводимый в отдельные пластинчатые теплообменники поток регулируется посредством регулирующих пластин в зависимости от измеренного распределения фактической температуры батареи пластинчатых теплообменников.
На фиг.1 показан схематичный вид сечения устройства 1, имеющего теплообменник 2, который имеет, в частности, полый цилиндрический, удерживающий давление кожух 80, продольная ось или, соответственно, ось Z цилиндра которого - в случае теплообменника 1, расположенного предписанным образом - распространяется по вертикали Z. При этом кожух 80 ограничивает межтрубное пространство M, в котором расположен витой пучок 20 труб. Этот пучок труб имеет несколько труб 20a, которые навиты в несколько слоев вокруг внутренней трубы 100, продольная ось которой совпадает с продольной осью кожуха 80. Таким образом, пучок 20 труб расположен коаксиально кожуху 80.
В образованное пучком 20 труб трубное пространство подается по меньшей мере одна первая среда F', которая течет по вертикали Z вверх. Межтрубное пространство M служит для размещения второй среды в виде жидкости F, которая подается на указанный по меньшей мере один пучок 20 труб и течет в межтрубном пространстве M по вертикали Z вниз. Вследствие выполнения пучка 20 труб в виде витого пучка 20 труб первая среда F' направляется, таким образом, в перекрестном противотоке к жидкости F.
Для трехмерного измерения распределения фактической температуры в межтрубном пространстве M или, соответственно, в пучке 20 труб предусмотрен по меньшей мере один световод 101, который проходит, например, в одной из труб 20a спирально, соответственно прохождению трубы 20a, или расположен вне такой трубы 20a, для трехмерного измерения температуры в теплообменнике 2. Конечно, множество такого рода световодов 101 могут быть расположены в отдельных трубах 20a или на отдельных трубах 20a или иным образом в межтрубном пространстве M, чтобы можно было измерять специфические области теплообменника 2. По меньшей мере один световод 101 предпочтительно выводится из межтрубного пространства M и соединяется с измерительным устройством 110, которое выполнено для того, чтобы оценивать обратно рассеянный в световоде 101 свет для определения температуры в теплообменнике 2. Так как при этом методе измерения получается множество точек измерения по длине световода 101, при трехмерном расположении по меньшей мере одного световода 101 может измеряться трехмерное распределение фактической температуры в реальном времени. Чтобы можно было обеспечить оптимальную эксплуатацию теплообменника 2, устанавливается соответствующее распределение номинальной температуры пучка 20 труб, которое соответствует такой оптимизированной эксплуатации. Так, например, путем текущего измерения распределения фактической температуры (называемого также профилем фактической температуры) пучка 20 труб может обнаруживаться неравномерное распределение второй среды или, соответственно, жидкой фазы F для пучка 20 труб, так как оно имеет следствием соответствующее распределение фактической температуры пучка 20 труб. Чтобы можно было корректировать такого рода неправильные распределения, указанное измерительное устройство 110 соединено со средством 120 регулирования, которое выполнено для того, чтобы на стороне труб или на стороне кожуха регулировать направляемые среды F, F' или, соответственно, потоки S, S' так, чтобы в каждом случае измеренное распределение фактической температуры приближалось к желаемому распределению номинальной температуры.
Для распределения жидкости F в межтрубном пространстве M, например, введенный в кожух 80 поток S жидкости F собирается в предварительном распределителе 43, успокаивается и дегазируется. Предварительный распределитель 43 имеет при этом окружные стенки для приема жидкости F, которые отходят от дна, проходящего поперек продольной оси Z кожуха 20. Дно предварительного распределителя 43 через проходящую во внутренней трубе 100 спускную трубу 380 соединено с главным распределителем 44 распределителя 40 жидкости, для питания его потоком S жидкости F, при этом вышеупомянутый главный распределитель 44 для распределения потока S жидкости F по всему поперечному сечению межтрубного пространства M поперек к вертикали Z имеет несколько распределительных консолей 300 (сравн. фиг.2), которые отходят каждая в виде сектора окружности в радиальном направлении R кожуха 80 от внутренней трубы 100, так что между распределительными консолями 300 образуются проходные области 45 (сравн. фиг.2), через которые трубы 20a пучка 20 труб могут проводиться мимо главного распределителя 44.
Распределительные консоли 300 имеют каждая дно, снабженное несколькими проходными отверстиями, так называемое перфорированное дно, сквозь которое вводимая в распределительные консоли 300 жидкость F может стекать на расположенный под ним по вертикали Z пучок 20 труб.
Однако чтобы можно было воздействовать на распределение жидкости F в межтрубном пространстве M и при необходимости, например, противодействовать неравномерному распределению, теперь на стороне кожуха распределение и подача части жидкости F в виде по меньшей мере одного другого потока S' ведется параллельно (главному) потоку S.
Для этого предусмотрены дополнительные трубопроводы 481-484 для направления другого потока S' (или, соответственно, других потоков), которые введены в межтрубное пространство M через соответствующие впуски/патрубки 281'-284 и имеют каждый по меньшей мере один выпуск 485, через который жидкость F может дополнительно регулируемо подаваться на по меньшей мере один пучок 20 труб. Для этого указанные трубопроводы 481-484 имеют по одному предусмотренному клапану 181-184, регулирование которым возможно с помощью средства регулирования 120, так что средство 120 регулирования соответственно мгновенному распределению фактической температуры может устанавливать отдельные клапаны 181-184 так, чтобы дополнительный поток S' жидкости F распределялся для пучка 20 труб таким образом, чтобы текущее измеренное распределение фактической температуры приближалось к заданному распределению номинальной температуры. Чтобы при этом можно было контролируемо подавать жидкость F по трубопроводам 481-484 на пучок 20 труб, трубопроводы 481-484 проведены сквозь указанные проходные области 45 главного распределителя 44, при этом выпуски 485 трубопроводов 481-484 расположены над пучком 20 труб, причем, в частности, так, что в пучок 20 труб в радиальном направлении R кожуха 80 или, соответственно, пучка 20 труб возможна посекционная регулируемая подача жидкости F. Отдельные секции могут каждая охватывать секции, находящиеся радиально дальше внутри, при этом соседние секции могут также взаимно пронизывать друг друга.
Наряду с регулированием на стороне кожуха дополнительного потока S' существует также возможность регулировать главный поток S посредством самого распределителя 40 жидкости. Это показано на фиг.2. При этом выполненные в виде секторов окружности распределительные консоли 300 главного распределителя 44, как на фиг.1, которые отделены друг от друга указанными проходными областями 45, для изменяемого распределения потока S жидкости F в радиальном направлении R могут быть разделены на несколько сегментов 351-353, которые имеют каждый по меньшей мере одно проходное отверстие 370, сквозь которое жидкость F может стекать на находящийся под ним пучок 20 труб. Однако если подвод жидкости F в указанные сегменты 351-353 для каждого из сегментов 351-353 регулируется по отдельности, например, таким образом, что каждый сегмент 351-353 наполняется через регулируемую посредством клапана спускную трубу (например, из предварительного распределителя 43), то поток S жидкости F в радиальном направлении R кожуха 80 или, соответственно, пучка 20 труб может регулируемо распределяться по количеству секций пучка 20 труб, соответствующему количеству сегментов (см. выше). Для этого указанное средство 120 регулирования соответственно соединено с указанными клапанами на спускной трубе, так что они соответственно мгновенному, в частности измеренному в реальном времени распределению фактической температуры могут регулироваться таким образом, чтобы распределение фактической температуры приближалось к распределению номинальной температуры.
Альтернативно этому распределительные консоли 300 могут быть выполнены для того, чтобы подавать жидкость F в разные секции пучка 20 труб, например, путем соответствующего распределения проходных отверстий 371 распределительных консолей 300 в радиальном направлении R в соответствии с фиг.2. Чтобы проиллюстрировать это, распределительные консоли 300 в соответствии с фиг.2 имеют по одному проходному отверстию 371, которое смещено в радиальном направлении R относительно соответствующих проходных отверстий 371 соседних распределительных консолей 300. Возможны также другие распределения такого рода, в частности, имеющие несколько проходных отверстий для каждой распределительной консоли 300.
Однако чтобы можно было наполнять отдельные распределительные консоли 300 жидкостью F (главного) потока S, предпочтительно предусмотрено, что внутренняя труба 100 разделена на секции 381-386, так что образуется соответствующее количество спускных труб, которые выполнены каждая предпочтительно регулируемыми (например, посредством клапанов) и наполняют каждая жидкостью F по меньшей мере одну распределительную консоль 300 (сравн. фиг.2). Возможно также, чтобы одна секция 381-386 внутренней трубы 100 подавала жидкость F более чем в одну распределительную консоль 300, например, в две распределительные консоли 300. Указанные спускные трубы 381-386, в свою очередь, могут снабжаться, например, из предварительного распределителя 43 в соответствии с фиг.1. Указанные клапаны, в свою очередь, соединены со средством 120 регулирования, так что в зависимости от данного распределения фактической температуры отдельные клапаны могли устанавливаться так, чтобы текущее измеренное распределение фактической температуры приближалось к заданному распределению номинальной температуры пучка 20 труб.
Альтернативно или дополнительно к вышеназванному регулированию на стороне кожуха потоков S-S' сред, в соответствии с фиг.1 существует также возможность соответствующего посекционного разделения или, соответственно, регулирования потоков труб. Для этого предпочтительно трубы 20a пучка 20 труб, расположенного коаксиально к кожуху 80 теплообменника 2, навиты вокруг внутренней трубы 100 таким образом, что образуются несколько секций R1, R2, R3 пучка 20 труб, которые выполнены отдельно друг от друга и проходят каждая вокруг внутренней трубы 100, причем эти секции R1, R2, R3 могут охватывать друг друга, а также пронизывать друг друга. Таким образом, имеются радиально расположенные уступами секции R1, R2, R3 пучка 20 труб, которые могут по отдельности регулируемо орошаться жидкостью F, как описано выше. Кроме того, эти отдельные секции R1, R2, R3 не только по отдельности через предусмотренные впуски 51-56 на нижнем конце кожуха 80 могут наполняться первой средой (в настоящем случае каждая секция R1, R2, R3 без ограничения общности имеет два впуска и выпуска; однако может быть также предусмотрен только один впуск или, соответственно, выпуск для каждой секции), но и подача в трубы может также регулироваться посредством предусмотренных для впусков 51-56 клапанов 71-76, которые соответственно соединены со средством 120 регулирования. При этом отдельные клапаны 71-76 устанавливаются средством 120 регулирования так, чтобы соответствующее распределение фактической температуры пучка 20 труб уравнивалось с желаемым распределением номинальной температуры. Вводимая в отдельные радиальные секции R1, R2, R3 среда F ' может затем выпускаться из пучка 20 труб на верхнем конце кожуха 80 через соответствующие выпуски 61-66 секций R1, R2, R3.
Описанное выше регулирование с помощью труб может, конечно, использоваться также в прямотрубных теплообменниках, имеющих линейно проходящие трубы.
На фиг.3 показан другой пример регулирования распределения температуры в теплообменнике 1, который в данном случае представляет собой батарею пластинчатых теплообменников, составленную из нескольких пластинчатых теплообменников 10, 11, которые эксплуатируются параллельно друг другу. Такого рода пластинчатые теплообменники 10, 11 имеют несколько ламелей (называемых также ребрами) 35, которые проходят каждая по вертикальной плоскости прохождения, и расположены каждая между двумя распространяющимися по этой плоскости прохождения пластинами 34 данного пластинчатого теплообменника 10, 11. В боковых направлениях ребра 35 ограничены продольными элементами (называемыми также краевыми планками) 36, которые спаяны с соответственно соседними пластинами 34. Благодаря этому пластинчатые теплообменники 10, 11 образуют каждый множество параллельных теплообменных проходов, в которых могут протекать технологические среды, и могут непрямым образом передавать тепло технологическим средам, направляемым в соседних теплообменных проходах. Отдельные теплообменные проходы через патрубок 39 и коллектор 38 могут наполняться каждый частью T, T' подлежащего регулированию потока S, которые ответвляются от главного трубопровода. Это может, конечно, производиться для всех технологических потоков, вводимых в данные пластинчатые теплообменники 10, 11. При этом отдельные части T, T' потока могут регулироваться посредством регулирующих заслонок 121, 122, для влияния на соответствующее распределение фактической температуры в отдельных пластинчатых теплообменниках 10, 11. При этом регулирующие заслонки 121, 122 расположены каждая в подводе 31, 32, через который данная часть T, T ' потока направляется к предусмотренному пластинчатому теплообменнику 10, 11, так, что путем соответствующего поворота или вращения регулирующих заслонок в 121, 122 в данном подводе 31, 32 может регулироваться (например, дросселироваться) направляемая через данную регулирующий заслонку 121, 122 часть T, T ' потока.
Указанное распределение фактическое температуры для каждого пластинчатого теплообменника 10, 11 измеряется с помощью соответственно по меньшей мере одного световода 101, 102, который предпочтительно расположен в теплопроводящем проходе данного пластинчатого теплообменника 10, 11, который предпочтительно не принимает участия в процессе теплообмена (так называемый фиктивный слой, через который не протекает технологическая среда). Такого рода световоды 101, 102 могут, конечно, прокладываться меандрообразно в нескольких параллельных теплообменных проходах или, соответственно, фиктивных слоях, так что в целом данный пластинчатый теплообменник 10, 11 может измеряться трехмерно, т.е. посредством световодов 101, 102 может получаться трехмерное распределение температуры для данного пластинчатого теплообменника 10, 11. При этом указанные световоды 101, 102 вышеописанным образом соединены с измерительным устройством 110, которое, в свою очередь, соединено со средством 120 регулирования, регулирующим указанные части T, T' потока посредством предусмотренных регулирующих заслонок 121, 122, чтобы приближать распределения фактической температуры отдельных пластинчатых теплообменников 10, 11 к желаемому распределению номинальной температуры. В настоящем случае пластинчатые теплообменники 10, 11 имеют отдельные коллекторы 38. Возможно также, у батареи пластинчатых теплообменников из пластинчатых теплообменников 10, 11, которые имеют общие коллекторы 38, осуществлять регулирование посредством регулирующих заслонок или аналогичных устройств, которые предусмотрены в данном коллекторе, так чтобы отдельные пластинчатые теплообменники или, соответственно, модули 10, 11 пластинчатых теплообменников могли регулироваться по отдельности.
Таким образом, посредством световодов 101, 102 можно, в частности, измерять температуры или, соответственно, распределение фактической температуры всего данного пластинчатого теплообменника 10, 11. С помощью распределений фактической температуры всех пластинчатых теплообменников 10, 11 в такой батарее могут точно измеряться зоны перегрева каждого пластинчатого теплообменника 10, 11. При этом посредством регулирующих заслонок 121, 122 на наибольшем тепловом потоке S пластинчатых теплообменников 10, 11 может предпочтительно регулироваться каждый отдельный пластинчатый теплообменник 10, 11. Таким образом можно избегать пинч-точек, выравнивать неравные нагрузки и оптимально использовать поверхность нагрева пластинчатых теплообменников 10, 11. Когда при изменении нагрузки изменения температуры в отдельных пластинчатых теплообменниках изменяются, это может распознаваться по измеренному профилю фактической температуры и соответственно регулироваться.
Список ссылочных обозначений
1 Устройство
10, 11 Пластинчатый теплообменник
20 Пучок труб
20a Труба
R1, R2, R3 Секции
30 Главный трубопровод
31, 32 Подвод
33 Теплообменник
34 Пластина (закрывающая пластина)
35 Ребро
36 Продольный элемент
37 Распределительное ребро
38 Коллектор
39 Патрубок
40 Распределитель жидкости
43 Предварительный распределитель
44 Главный распределитель
45 Проходная область
51, 52, 53, 54, 55, 56 Впуск
61, 62, 63, 64, 65, 66 Выпуск
71, 72, 73, 74, 75, 76 Клапаны
80 Кожух
100 Внутренняя труба
101, 102 Световод
110 Измерительное устройство
120 Средство регулирования
121, 122 регулирующие заслонки
181, 182, 183, 184 Клапаны
281, 282, 283, 284 Впуск
300 Распределительная консоль
351, 352, 353 Сегмент
370, 371 Проходное отверстие
380 Спускная труба
381-386 Секция спускной трубы
481, 482, 483, 484 Трубопровод
485 Выпуск
F Жидкая фаза (среда)
M Межтрубное пространство
S, S' Поток
R Радиальное направление пучка труб
U Окружное направление
Z Вертикаль