УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПРИМИРОВАНИЯ И ОСУШКИ ГАЗА
DEVICE FOR GAS COMPRESSION AND DRYING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для компримирования и осушки газа.
Уровень техники
Известные трубчатые теплообменники состоят из кожуха, в котором одна или более трубок проходят в продольном направлении между первой входной и выходной частью для первой текучей среды и второй входной и выходной частью для второй текучей среды, при этом первая текучая среда течет по трубкам, а вторая текучая среда течет в межтрубном пространстве, благодаря чему происходит теплоперенос между двумя текучими средами.
В известных теплообменниках в пространстве внутри кожуха между второй входной и выходной частями могут быть устроены перегородки, направляющие поток второй текучей среды, например, по зигзагообразному маршруту.
При этом текучая среда лишается возможности течь из второй входной части напрямую во вторую выходную часть, и теплоперенос улучшается.
Кроме того, известно, что сжатие газа сопряжено с выработкой колоссального количества теплоты.
Также уже существуют теплообменники, в которых часть сжатого газа пропускают через первичный контур теплообменника, где она отдает теплоту другому газу или жидкости, текущим по вторичному контуру теплообменника, тем самым разогревая данную вторую текучую среду.
Давно известны устройства для компримирования и осушки газа, составленные из компрессорного устройства и осушающего устройства, причем осушающее устройство образовано зоной осушения, содержащей влагопоглотитель, и зоной регенерации.
Также существуют устройства, в которых утилизируют теплоту, вырабатываемую при компримировании газа.
Так, данную теплоту можно использовать, например, для разогрева потока газа, пропускаемого через зону регенерации, с целью снижения общего энергопотребления компрессорной установки.
Недостатком является сложность устройства в целом. Более того, из-за многочисленности требуемых соединений существует значительный риск возникновения течи. Стоимость монтажа также довольно высока.
Патентом США 2003/0188542 описано устройство, в котором часть компримированного воздуха отводят после ступени среднего давления компрессора, а затем подают в зону регенерации адсорбционного осушителя, после чего из данной части компримированного воздуха охлаждением удаляют поглощенную воду, а оставшийся воздух снова компримируют с основным потоком компримированного воздуха перед проходом основного потока через зону осушения адсорбционного осушителя и выходом из устройства в виде осушенного компримированного воздуха.
Недостатком такого устройства является то, что после ступени среднего давления компримированный газ имеет гораздо более низкую температуру, чем компримированный газ после ступени низкого давления, и поэтому отведенная часть газа способна к поглощению гораздо меньшего количества воды из адсорбционной среды, что не позволяет быстро просушить адсорбционную среду.
Для рекуперации теплоты, вырабатываемой при компримировании газа, требуется теплообменник, в качестве которого часто используют трубчатый теплообменник.
Уже известные трубчатые теплообменники состоят из кожуха, в котором одна или более трубок проходят в продольном направлении между первой входной и выходной частью для первичной текучей среды и второй входной и выходной частью для вторичной текучей среды, при этом первичная текучая среда течет в межтрубном пространстве, а вторичная текучая среда течет по трубкам, благодаря чему происходит теплоперенос между двумя текучими средами.
В известных теплообменниках в пространстве внутри кожуха между второй входной и выходной частью могут быть устроены перегородки, направляющие поток первичной текучей среды, например, по зигзагообразному маршруту.
При этом первичная текучая среда лишается возможности течь из второй входной части напрямую во вторую выходную часть, и теплоперенос улучшается.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение одного или более из вышеупомянутых недостатков и/или других недостатков путем разработки устройства для компримирования и осушки газа, которое содержит многоступенчатый компрессор со ступенью низкого давления, ступенью высокого давления и нагнетательным патрубком и адсорбционный осушитель с зоной осушения и зоной регенерации, причем между ступенью низкого давления и ступенью высокого давления помещен промежуточный холодильник, и при этом устройство дополнительно снабжено теплообменником, соединенным с входной частью вышеупомянутым нагнетательным патрубком, причем вышеупомянутый теплообменник содержит кожух с несколькими камерами, включающими в себя главную камеру с вышеупомянутой входной частью и выходной частью для первой первичной текучей среды, пропускаемой в главной камере поверх или вокруг трубок, проходящих через главную камеру; при этом предусмотрены по меньшей мере два трубных пучка, проходящих через главную камеру, каждый из которых предназначен для пропуска вторичной или третичной текучей среды через главную камеру для обмена теплотой с первичной текучей средой; причем первый из трубных пучков образует охлаждающий контур вышеупомянутого промежуточного холодильника и служит для разогрева газа из ступени высокого давления для регенерации адсорбционного осушителя.
Преимуществом данного устройства является его большая простота в изготовлении.
В простейшем варианте осуществления теплообменника главную камеру заглушают с одной стороны трубной доской, при этом с вышеупомянутой стороны главной камеры располагают также крышку, образуя боковую камеру между крышкой и трубной доской, причем данная боковая камера содержит входную и выходную камеры для вторичной и третичной текучей среды, прикрепляя при этом U-образные трубки к трубной доске.
В другом более предпочтительном варианте осуществления главную камеру ограничивают с двух сторон трубными досками и с каждой стороны помещают крышку, образуя две боковые камеры между каждой соответствующей трубной доской и крышкой напротив нее.
Преимуществом является меньшее количество требуемых соединений, что сводит к минимуму риск возникновения течи из-за неидеальности соединения.
Другим преимуществом является довольно низкая стоимость монтажа данного устройства. Благодаря этому применение теплообменника по настоящему изобретению приводит к более эффективному способу компримирования и осушки газа, что, конечно, благоприятно влияет на стоимость поставляемого газа.
Наконец, ясно, что применение такого устройства для компримирования и осушки газа позволяет объединить функциональность двух теплообменников в одном едином теплообменнике, что, конечно, позволяет сократить материальные издержки.
В наиболее практичном варианте осуществления компрессор выполняют в виде многоступенчатого компрессора со ступенями низкого и высокого давления, причем между ступенями низкого и высокого давления размещают промежуточный холодильник, при этом входную часть теплообменника соединяют с нагнетательным патрубком компрессора, причем первый трубный пучок образует охлаждающий контур промежуточного холодильника, служащий для разогрева газа, поступающего из ступени высокого давления для регенерации адсорбционного осушителя.
Преимущество состоит в осуществлении очень энергоэффективного устройства, поскольку теплоту, выделяющуюся при компримировании газа, можно утилизировать, используя для разогрева части газа, поступающего из ступени высокого давления, доводя вышеупомянутую часть газа до высокой температуры, что позволяет использовать ее в качестве регенерирующего газа для адсорбционного осушителя.
Дополнительное преимущество состоит в том, что путем объединения двух теплообменников в единый теплообменник объем составного теплообменника можно сделать значительно меньшим, чем вместе взятые объемы двух отдельных теплообменников, что позволяет достичь существенной экономии пространства.
Другим дополнительным преимуществом является то, что область применения теплообменника не ограничена только устройствами для компримирования и осушки газа, напротив, теплообменник можно также использовать без адсорбционного осушителя, выполнив некоторые незначительные доработки.
Краткое описание чертежей
С целью лучшей демонстрации характеристик изобретения ниже в виде примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, со ссылкой на приложенные чертежи описан предпочтительный вариант осуществления устройства по изобретению, в котором:
фиг.1 схематически изображает сечение первого варианта осуществления теплообменника для данного устройства;
фиг.2 изображает альтернативный вариант осуществления теплообменника, изображенного на фиг.1;
фиг.3 изображает пример устройства для компримирования и осушки газа по изобретению;
фиг.4 изображает альтернативный вариант осуществления теплообменника, изображенного на фиг.2.
Осуществление изобретения
Фиг.1 схематически изображает первый вариант осуществления трубчатого теплообменника 1 для устройства по изобретению, который в основном содержит замкнутый кожух 2 с оболочкой 3, которая в данном случае, но не обязательно, является цилиндрической.
Кожух 2 закрыт с обеих сторон крышками 4, которые прикреплены к цилиндрической оболочке 3, например, болтами, не показанными на чертеже, которые могут быть ввернуты в резьбовые отверстия 5В в оболочке 3 через сквозные отверстия 5А в крышке 4.
В данном варианте осуществления кожух 2 снабжен трубной доской 6, разобщающей боковую камеру 8 и главную камеру 7, при этом главная камера 7 ограничена оболочкой 3 и крышками 4, тогда как боковая камера 8 ограничена трубной доской 6 и крышкой 4, расположенной с данной стороны.
В цилиндрической оболочке 3 для пропуска первичной текучей среды через главную камеру 7 устроены входная часть 9 и выходная часть 10.
В изображенном варианте осуществления входная часть 9 и выходная часть 10 находятся на одной и той же стороне оболочки 3, однако они, конечно, также могут быть расположены в других местах оболочки 3.
Через главную камеру 7 теплообменника 1 проходят по меньшей мере два трубных пучка 11-12, каждый из которых предназначен для пропуска вторичной или третичной текучей среды через главную камеру 7 для осуществления теплообмена с первичной текучей средой, текущей поверх или вокруг трубок 13, проходящих через главную камеру 7.
Концы трубок 13 первого пучка 11 соединены с первой входной камерой 14 и первой выходной камерой 15 для вторичной текучей среды. Аналогично, концы трубок 13 второго пучка 12 соединены со второй входной камерой 16 и первой выходной камерой 17 для третичной текучей среды. По изобретению входные и выходные камеры 14-17 полностью разобщены друг с другом.
В этой связи в изображенном варианте осуществления боковая камера 8 разделена несколькими переборками 18 на четыре подкамеры 19, соответственно, первую входную камеру 14, первую выходную камеру 15, вторую входную камеру 16 и вторую выходную камеру 17 для второго трубного пучка 12.
В изображенном варианте осуществления трубки 13 имеют U-образную форму, причем одна сторона каждой из трубок 13 первого пучка 11 открыта в первую входную камеру 14, а другая сторона открыта в первую выходную камеру 15. Аналогично, трубки 13 второго пучка 12 открыты во вторые входную и выходную камеры 17-18, таким образом контуры вторичной и третичной текучих сред полностью разобщены друг с другом.
В варианте осуществления, изображенном на фиг.1, главная камера 7 оснащена перегородками 20 (также называемыми отражательными перегородками), форму которых и относительно расположение выбирают так, чтобы заставить первичную текучую среду течь по определенному маршруту, например зигзагообразному, чтобы первичная текучая среда протекала через главную камеру в несколько ходов, меняя направление движения.
В этой связи перегородки 20 проходят от одной стороны главной камеры 7 на определенное расстояние до другой стороны главной камеры 7, образуя разворачивающие протоки 21 для первичной текучей среды, причем последовательные разворачивающие протоки 21 расположены поочередно то на одной, то на другой стороне теплообменника 1.
Перегородки желательно изготавливать из нержавеющей стали, но изобретение никак этим не ограничивается.
В другом варианте осуществления изобретения делают протоки диаметром, практически совпадающим или слегка превышающим диаметр трубок, в перегородках 20, образуя ограниченный зазор между перегородками 20 и трубками 13.
Наличие перегородок 20 в теплообменнике 1 не является обязательным.
Фиг.2 схематически изображает предпочтительный другой вариант осуществления трубчатого теплообменника 1 для устройства по изобретению, который в основном содержит замкнутый кожух 2 с главной камерой 7, которая имеет первые входную и выходную части 9-10 для первичной текучей среды, пропускаемой через главную камеру 7 поверх или вокруг трубок 13, проходящих через главную камеру 7.
В данном варианте осуществления входная и выходная части 9-10 находятся на противоположных сторонах оболочки 3 как можно дальше друг от друга, если смотреть в осевом направлении.
Данное более или менее диагональное расположение входной и выходной частей способствует более эффективному теплопереносу.
Конечно, возможно расположение входной и выходной частей 9-10 для первичной текучей среды на одной и той же стороне оболочки 3, или в других местах оболочки 3.
В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.1, на фиг.2 главная камера ограничена двумя трубными досками 6, и на каждой стороне главной камеры 7 имеются крышки 4, образующие две боковых камеры 8 между каждой соответствующей трубной доской 6 и противоположной ей крышкой 4.
В наиболее практичном варианте осуществления изобретения трубки 13, проходящие через главную камеру 7, закреплены на одной из двух трубных досок 6А, при этом данная трубная доска 6А зажата между кожухом 2 и крышкой 4А, расположенной напротив данной трубной доски 6А.
Трубки 13 герметично фиксируют в сквозных отверстиях трубных досок 6, например, пайкой или аналогичным способом.
Для компенсации теплового расширения желательно, чтобы трубные доски 6 отличались друг от друга, и чтобы одна из двух трубных досок 6В была меньших размеров, что позволит выполнить трубную доску 6В плавающей.
На сечении, изображенном на фиг.2, размеры трубной доски, на которой зафиксированы трубки 13, больше размеров находящейся на другом конце трубной доски 6В, причем меньшая трубная доска 6В подвижно закреплена в кольце между оболочкой 3 и крышкой 4В.
В данном варианте осуществления боковые камеры 8, расположенные по обе стороны трубных досок 6, соединены посредством параллельных трубок 13, проходящих через главную камеру 7 и пропущенных через сквозные отверстия 22 в трубных досках 6.
В данном варианте осуществления, конечно, также могут быть предусмотрены перегородки, но это не является обязательным.
В соответствии с предпочтительными характеристиками теплообменника боковые камеры 8 подразделяют на две или более подкамер 19.
В этой связи на показанном сечении изображены одна или более прямые вертикальные стенки или переборки 18 и уплотнение 23 между краями стенок 18 и трубной доской 6.
В варианте, изображенном на фиг.2, в каждой боковой камере 8 устроены две подкамеры 19 для пропуска вторичной или третичной текучей среды.
На сечении, изображенном на фиг.2, первая подкамера 19А соединена с первым трубным пучком 11 в главной камере 7, и все трубки 13 пучка 11 открыты в одну и ту же подкамеру 19В на другой стороне теплообменника 1.
Подкамеры 19А и 19B, таким образом, расположены на одной линии относительно друг друга.
Аналогично, две другие подкамеры 19C-19D могут быть соединены друг с другом вторым трубным пучком 12.
Предпочтительно, чтобы подкамеры 19 для вторичной и третичной текучих сред были полностью разобщены друг с другом, и каждая текучая среда циркулировала в своем собственном контуре, предназначенном для данной текучей среды.
Несмотря на то, что показанное сечение может привести к выводу о равенстве количества трубок 13 в двух пучках 11-12, возможны также компоновки с разным количеством трубок 13 для вторичной и третичной текучих сред.
Диаметры трубок 13 для вторичной и третичной текучих сред, конечно, также могут отличаться друг от друга.
Также возможно придание трубкам 13 для вторичной и третичной текучих сред разной внутренней формы и/или снабжение некоторых трубок 13 ребрами или другими средствами для содействия теплопереносу между первичной и вторичной и/или третичной текучими средами.
В простейшем варианте осуществления первый трубный пучок 11 для вторичной текучей среды расположен в верхней половине теплообменника 1, а трубки второго пучка 12 для третичной текучей среды расположены в нижней половине.
В главной камере 7 на уровне стенки 18 и уплотнения 23 оставлен промежуток 24 между первой и второй группой 11-12 трубок.
Конструкция теплообменника, конечно, не ограничивается изображенными вариантами, и возможны альтернативные варианты компоновки, такие, например, как концентрическая компоновка, при которой трубки первой группы 11 расположены вокруг оси теплообменника 1, а вторая группа 12 трубок образует концентрическое кольцо трубок вокруг первой группы 11.
При другой возможной компоновке трубки первого пучка 11 распределены по первому сектору круга, а трубки второго пучка 12 распределены по другому сектору круга.
Два сектора, конечно, не должны быть одного размера, и вместе они могут образовывать полный круг или иную фигуру.
Работа теплообменника 1 по изобретению очень проста и состоит в следующем.
Первичную жидкость пропускают в главную камеру 7 через входную часть 9 в оболочке 3, причем при протекании через главную камеру 7 первичную жидкость посредством любой из перегородок 20 направляют по определенному маршруту, как показано стрелками Р на фиг.1.
Две текучие среды, которые могут различаться или не различаться, протекают в одно и то же время по трубкам 13 главной камеры 7, то есть вторичная текучая среда течет по трубкам 13 первого пучка 11 в направлении стрелки Q, а третичная текучая среда течет по трубкам 13 второго пучка 12 в направлении R.
На изображенном сечении направления Q и R вторичной и третичной текучих сред противоположны друг другу, однако это не является строгим требованием к устройству по изобретению.
В результате в главной камере 7 будет осуществляться теплоперенос между первичной текучей средой и вторичной текучей средой с одной стороны и между первичной текучей средой и третичной текучей средой с другой стороны.
Само собой разумеется, что текущей по трубкам 13 вторичной и третичной текучей средой может быть газ, газовая смесь или жидкость, или же вторичной текучей средой может быть газ, а третичной текучей средой может быть жидкость или аналогичная субстанция.
Теплообменник 1 особенно подходит для устройства 25 по изобретению для компримирования и осушки газа, компоновка которого изображена на фиг.3 в качестве примера.
Данное устройство 25 состоит из компрессорного устройства 26 и адсорбционного осушителя 27 и имеет вход 28, соединяемый с впуском компрессорного устройства 26, и выход 29, через который осушенный компримированный газ направляют в потребительскую сеть, не изображенную на чертеже.
Изображенное компрессорное устройство 26 представляет собой многоступенчатый компрессор, в данном случае содержащий три последовательно соединенных компрессорных элемента 30-32, образующих ступень 30 низкого давления, ступень 31 среднего давления и ступень 32 высокого давления.
Приводом каждого компрессорного элемента 30-32 служит электродвигатель 33, а после каждого компрессорного элемента 30-32 установлен холодильник 34-36, соответственно, имеется два промежуточных холодильника 34-35 и концевой холодильник 36.
Каждый из холодильников 34-36 охлаждает газ, компримируемый соответствующим компрессорным элементом 30-32.
Предпочтительно, чтобы в устройстве 25 были холодильники сжиженного газа, причем охлаждаемый газ пропускают через холодильники 34-36 в качестве первичной текучей среды, а охлаждающую среду пропускают по трубкам в качестве вторичной текучей среды.
Между ступенью 30 низкого давления и ступенью 31 среднего давления перед промежуточным холодильником 34 установлен теплообменник 37, который вместе с промежуточным холодильником 34 в устройстве по изобретению объединен в теплообменник 1.
На фиг.3 теплообменник 1 схематически изображен прямоугольником вокруг теплообменника 37 и промежуточного холодильника 34.
Предпочтительно теплообменник 1 имеет входную часть 9 для компримированного газа, поступающего из ступени 30 низкого давления, и выходную часть 10, соединенную с входом ступени 31 среднего давления.
Теплообменник 37 имеет входную камеру 14, которая для отвода в направлении стрелки Q некоторого количества компримированного газа соединена напрямую с выходным патрубком 39 ступени высокого давления 32 через патрубок 38.
Кроме того, теплообменник имеет выходную камеру 15, соединенную с зоной регенерации адсорбционного осушителя 27.
Промежуточный холодильник 34 имеет входную камеру 16 и выходную камеру 17, которые служат входом и выходом внешнего контура охлаждения, например, для потока воды, протекающего через промежуточный холодильник 34 в направлении стрелок R.
В изображенной компоновке весь поток газа, компримируемого ступенью 30 низкого давления, течет через теплообменник 37 и через промежуточный холодильник 34 в направлении стрелок Р.
Адсорбционный осушитель 27, принадлежащий, например, к типу осушителей с вращающимся барабаном, имеет зону 40 регенерации и зону 41 осушения, заполненную влагопоглотителем, при этом влагопоглотитель с помощь двигателя поочередно проводят через зону 41 осушения и зону 40 регенерации.
После охлаждения в концевом холодильнике 36 компримированный газ из ступени 32 высокого давления сквозь эжектор 42 направляют через зону 41 осушения, а после осушения отправляют в потребительскую сеть через выход 29.
Газ, покидающий теплообменник 37 через выходную камеру 15, закольцовывают к осушителю 27 и пропускают через зону 40 регенерации для последующего объединения, после прохода через холодильник 43 и эжектор 42, с газом, прошедшим через зону 41 осушения.
Очевидно, что комбинированный теплообменник для устройства по изобретению является двухфункциональным и работает как первый теплообменник, выполняющий роль промежуточного холодильника 34, в котором используют внешнюю охлаждающую текучую среду, и как второй теплообменник 37, в котором отведенную часть горячего газа из ступени 32 высокого давления, прежде всего, дополнительно нагревают, приводя данный газ в соприкосновение с газом из зоны 30 низкого давления, температура которого в изображенной компоновке выше температуры компримированного газа ступени 32 высокого давления.
Таким путем достигают более эффективного режима работы адсорбционного осушителя 27.
Очевидно, что в изображенном устройстве теплоту сжатия первой ступени 30 низкого давления рекуперируют, в отличие от лучше известных более простых устройств, в которых эта теплота уходит с охлаждающей средой, протекающей через первый промежуточный холодильник 34.
Кроме того, дополнительная целесообразность такого устройства состоит в отсутствии необходимости во внешнем нагревательном элементе для нагрева регенерирующего газа и в возможности сделать промежуточный холодильник 34 меньше.
Фиг.4 изображает другой возможный вариант теплообменника для устройства по изобретению, отличающийся от варианта, изображенного на фиг.2, тем, что входная камера 16 и выходная камера 17 для третичной жидкости расположены в одной и той же крышке 4.
В этом случае, в одной из двух боковых камер 8 устраивают дополнительную стенку, для того чтобы полностью разобщить друг от друга входную и выходную камеры 16-17 для третичной текучей среды.
В изображенном сечении третичная текучая среда входной камеры 16 течет по нижнему трубному пучку 12 к выходной камере 17 через верхний трубный пучок 12 через камеру 44.
Несмотря на то, что на фиг.4 не изображены перегородки 20 в главной камере 7, возможен и вариант с перегородками 20, обеспечивающими протекание первичной текучей среды по главной камере 7 в несколько ходов со сменой направления движения.
Для специалистов в данной области техники очевидно, что также возможны многие другие варианты, в которых, например, крышка 4 содержит входную камеру 14 и выходную камеру 15 вторичной текучей среды, а другая крышка 4 содержит входную камеру 16 и выходную камеру 17 третичной текучей среды.
Также не исключается возможность осуществления двух входных камер 14-16 и двух выходных камер 15-17 в одной и той же крышке, чтобы другая крышка могла быть изготовлена без входных и выходных камер.
Для специалистов в данной области техники очевидно, что существует много возможностей выбора положения и размера разных подкамер, и что определенные варианты компоновки могут быть более целесообразны, например, в зависимости от сферы практического применения.
Настоящее изобретение никоим образом не ограничивается вариантом осуществления, приведенным в качестве примера и изображенном на чертежах, а устройство по изобретению может быть осуществлено в самых разных вариантах, не выходящих за рамки объема изобретения.