Теплообменник

н 11 425412 ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕ НТУ Союз Советских Социалистических Республик(61) Зависимый от патента(33) ФранцияОпубликовано 25,04,74. Бюллетень15 Государственный комите 1Совета Мниистрае СССРпо делам иэооретеннйи открытии(088.8) Дата опубликования описания 16.10.74) Авторы изобретен Иностр Пьер Капиэлло и(Фран Иностранн Л, Эр Ликид Сосьете Аноним пу де Проседэ Жорж Клод и К Констрюксьо(71 Заявител р,л.,Эомпанн Техция) ТЕПЛООБМЕННИК ю сторону от трубокем вместе с пластиной газовой аз в х азпространство по другузмеевиков с образованисепаратора жидкой и ф дуф ной среды.5 Двухфазная среда, поступающая из другойчасти аппаратуры, к которой относится теплообменник (обычно в виде порций жидкости, разделенных порциями газа), вводится в сепаратор и разделяется на жидкую и газовую 10 фракции, Однако получить сравнительно гомогенный жоток двухфазной среды, т. е, двухфазную среду, для которой жидкая фаза равномерно распределена в газовой фазе или же наоборот, очень трудно, так как жидкая фаза 15 никогда не распределяется равномерно на горизонтальной перфорированной пластине, установленной над или под трубками-змеевиками теплообменника.Такое гетерогенное распределение одной из 20 фаз двухфазной среды во второй фазе этойсреды невыгодно для правильной работы теплообменника рассматриваемого типа. Если, например, газовая фаза сконцентрирована в какой-либо одной части теплообменника, а 25 жидкая фаза - в другой, то получают соответственно значительные изменения коэффициента теплообмена от одной части теплообменника к другой, т. е. нарушение теплового равновесия, Если фаза, циркулирующая в 30 трубках теплообменника, является газо-паИзобретение относится к технике сжижения газов и касается теплообменных устройств, осуществляющих теплообмен между гомогенным вертикальным потоком двухфазной среды и по меньшей мере одной другой текучей средой, которые могут быть применены во многих областях техники.При осуществлении теплообмена между текучей двухфазной средой и другими средами обычно используют теплообменник, выполненный в виде змеевиков, который устанавливают вертикально, и поток двухфазной среды циркулирует снизу вверх или сверху вниз, Конструкция такого теплообмен ника может быть следующая. Внутри кожуха, удлиненного в вертикальном направлении, установлены трубки-змеевики, оба конца которых соединяются соответственно с распределителем и коллектором для другой текучей среды перед ее теплообменом с данной двухфазной средой, Эти трубки взаимно сообщаются.Распределитель двухфазной среды содержит пластину с отверстиями, установленную горизонтально внутри кожуха поверх трубок- змеевиков. Эта горизонтальная пластина делит пространство в кожухе на две части: на пространство возле этих змеевиков с образованием канала для гомогенного потока двухфазной среды, циркулирующей сверху вниз в проходах между трубками-змеевиками, и на мытюд Э л., Эксплуатасьонфрансэз дЭтюд э деипровой смесью чистых сконденсированных веществ, то на выходе теплообменника получают конденсированные фракции различныхтемператур и состава,Цель изобретения - разработка такого теплообменника, который бы позволил получитьгомогенный вертикальный поток двухфазнойсреды.Для этого распределитель-пластина содержит систему продольных трубопроводов,равномерно распределенных в ней, одна частькоторых выходит поверх, а другая - снизусоответственно в сепараторе и каналах, Пластина содержит при необходимости системуканалов, равномерно распределенных в ней,благодаря чему каналы и сепаратор соединяются.Предлагаемый теплообменник позволяетполучать вертикальный гомогенный потокдвухфазной среды, как только жидкая и газообразная фазы объединяются под названнойпластиной в направлении циркуляции этогопотока.Теплообменник работает стабильно. В случае восходящей циркуляции гомогенной двухфазной среды это обусловлено прежде всеговозможностью саморегулирования устройства, что позволяет временно облегчать мгновенные и слабые изменения уровня жидкойфазы в сепараторе, Однако это обусловленотакже инерционностью данного устройства;она такова, что волны на поверхности жидкости в сепараторе не влияют на распределениежидкости через пластину распределителя ина нее,Предлагаемый теплообменник работает сбольшой гибкостью, что позволяет уменьшатьзначительные изменения во времени расходадвухфазной среды (например, когда устройство работает при 50 его номинального расхода). Так, в случае восходящей циркуляциипотока двухфазной среды, когда устройствоработает при 70/, его номинального расхода,жидкая фаза никогда не поднимается в сепараторе до такой высоты, что скорость разделенной газообразной фазы становится достаточно высокой для того, чтобы непосредственно увлечь за собой жидкую фазу.В случае восходящей циркуляции потокадвухфазной среды жидкость в сепараторе извлекается и получает скорость при слабойпотере загрузки, и двухфазная среда можетбыть подведена снизу к пластине распределителя с потерей загрузки, меньшей по сравнению с потерей, соответствующей проходу жидкости в трубопроводах распределителя,На фиг. 1 представлена внутренняя часть(вертикальный разрез) предлагаемого теплообменника в работе; на фиг. 2 - то же, верхняя часть (вертикальный разрез); на фиг. 3 -часть распределителя, образуемая двумя верхними и нижним венчиками и двумя восходящими трубками; на фиг, 4 - часть распределителя, образуемая верхним и двумя нижними венчиками, двумя восходящими трубками425412 5 Ю 15 20 25 зо 3540 45 зо 55 60 65 4и трубкой, относящейся к змеевиковой системе теплообменника.Теплообменник обеспечивает теплообменмежду гомогенной двухфазной текучей средой, циркулирующей снизу вверх, и двумядругими текучими средами, циркулирующимисверху вниз соответственно в двух системахтрубок-змеевиков.Теплообменник содержит устройство дляраспределения двухфазной текучей среды, цилиндрическую рубашку или кожух 1, удлиненный в вертикальном направлении, цилиндрическую трубу 2, установленную концентричнорубашке. На обоих концах теплообменникаустановлены распределитель 3 и коллектор 4,каждый из которых снабжен трубной решеткой 5 и 6.Одна система трубок 7 (на фиг. 1 и 2 показана только одна) в виде спирали охватываеттрубу 2. Каждая из трубок 7 герметично входит верхним концом в решетку 5, а нижнимконцом - в решетку 6. Трубки 7 соединенысоответственно на каждом конце с распределителем 3 и коллектором 4, Для сферы 8 и 9,выполняющие функцию коллектора и распределителя, установлены на концах трубы 2, иих центры расположены на продольной осирубашки или трубы,Другая система трубок 10 (на фиг, 1 и 2показана только одна) спирально охватываеттрубу 2. Обе системы трубок 7 и 10 установлены вокруг трубы 2. Они имеют между собойразличные проходы для гомогенной текучейдвухфазной среды, циркулирующей в теплообменнике. Каждая трубка 10 верхним концомсоединена со сферой 8, а нижним - со сферой9, Герметичность теплообменника обеспечивается цилиндрическими кожухами 11 и 12,удлиняющими рубашку, диаметр которыхбольше ее диаметра. Кожух 11 в верхней части теплообменника герметично соединен сосферой 8 и распределителем 3. Кожух 12 внижней части теплообменника также соединен герметично со сферой 9 и коллектором 4.Трубопроводы 13 и 14, установленные соответственно на нижнем и верхнем концах теплообменника, обеспечивают подачу и отвод двухфазной среды, а трубопроводы 15 и 16 соответственно - подачу и отвод среды, циркулирующей в первой системе трубок 7. Трубопроводы 17 и 18 служат соответственно для подачи и отвода среды, циркулирующей во второйсистеме трубок 10.Распределитель двухфазной среды содержит круговую распределительную пластину19, установленную горизонтально рубашке отего поверхности до трубы 2. Пластина 19 делит пространство в рубашке, удлиненной ко.жухом 11, на верхнюю часть, образующуюканал 20 для гомогенной двухфазной среды,вместе с трубками 7 и 10, и на нижнюю часть,образующую вместе с этой пластиной сепаратор, ограниченный кожухом 12,Многочисленные выходящие трубки 21 сшестигранным поперечным сечением (насриг. 1 и 3 показаны только две) равномерно распределены в пластине 19 и пересекают ее. Верхняя и нижняя части каждой трубки 21 входят соответственно в сепаратор 22 и канал 20, Их нижние и верхние концы 23 в сепараторе 22 установлены соответственно в двух горизонтальных плоскостях. Верхняя плоскость установлена несколько выше пластины 19, а нижняя - ниже границы разделения жидкости и газа в сепараторе 22, Верхняя часть каждой трубки 21 длиннее, чем ее нижняя,Несколько граней в верхней части каждой шестигранной трубки 21 имеют вертикальные отверстия а, распределенные по высоте трубки 21 от нижнего конца до ее пересечения с горизонтальной плоскостью, находящейся между границей раздела жидкости и газа и пластиной 19. Каждая трубка 21 закрыта на верхнем конце и имеет два боковых цилиндрических отверстия б.Распределительная пластина 19 закреплена вокруг трубы 2 посредством концентрических венчиков 24 с возрастающим диаметром. Венчики опираются на радиальные элементы 25, жестко скрепленные с трубой 2. Каждая трубка 21 проходит через два коаксиальных шестигранных отверстия, выполненных соответственно в верхнем 26 и нижнем 27 крыле каждого венчика 24. Таким образом, трубки 21 фиксируются в верхнем положении в сепараторе 22. Каждая трубка 7 или 10 соответственно от первого и второго пучка труб фиксируется элементами 28 и 29 соответственно в верхнем 26 и нижнем 27 крыле,Сепаратор 22 и рубашка 1, образующие канал 20, соединяются частично за счет проходов в пластине 19: проходом между трубой 2 и первым венчиком, проходом между венчиками 26, проходом между последним венчиком и рубашкой, проходом в элементах 28 и 29 и в отверстиях трубок 21. Полное сообщение обеспечивается каналами 30 и 31, равномерно распределенными в крыльях 27 и 26; системы кпыльев 27 и 28 образуют распределительную пластину 19.В некоторых случаях в нижнем положении трубки 21, 7 и 10 фиксируются нижними венчиками, Два венчика 32 охватывают одну и ту же группу трубок 21 и трубок 7 и 10. Эти пояса фиксируются между собой посредством заклепок (на чертеже не показаны), Система венчиков 32 оказывает слабое сопротивление прохождению всей среды вертикально от сепаратора 22 в канал 20.Трубки 21 установлены непроизвольно в своих гнездах, заданных соосными шестигранными отверстиями, проходящими через крылья 26 и 27 каждого венчика 24. Ось, образуемая центрами круглых отверстий б в каждой трубке 21, образует постоянный угол с лучом, перпендикулярным к оси трубы 2 и проходящим через центр одного из шестигранных отверстий. Таким образом, для каждой группы трубок 21 каждый поток через одну из тру газа - жидкости и нижними крыльями 27 -0,45 м;внешний диаметр трубы 2 - 0,57 м;общее число трубок 7 и 10 - 2310;общее число восходящих трубок 21 - 4620.Восходящие трубки имеют следующую характеристику:шестигранное сечение между гранями 14 -16 мм;длина 70 см;высота перфорированных участков 18,5 см;ширина прорези 1 мм,Пластина 19 имеет следующие характеристики: 60 65 бок распределяется снаружи от этой последней в горизонтальном направлении; эти направления для данной группы трубок параллельны между собой (см. фиг, 4).5 При работе устройства двухфазная средапо трубопроводу 13 поступает в сепаратор 22,поверх пластины 19, обычно в очень гетерогенном виде. Эта среда разделяется на жидкую фазу и газовую с границей раздела в10 области отверстий а трубок 21, Часть этихотверстий закрыта жидкостью,При наличии в сепараторе 22 некоторогодавления относительно остального теплообменника первая часть газовой фазы прохо 15 дит в трубки 21 через отверстия а, закрытыежидкой фазой. Эта первая часть распределяется по ряду вертикальных каналов в одноми том же направлении, равномерно распределенных в пластине. Газ, проходя по трубкам21, перемешивается с частью жидкой фазы,образуя некоторое количество каналов-струйжидкой фазы. Эти жидкие струи затем выбрасываются и распределяются снаружи от каждой трубки 21 через отверстия б в горизон 25 тальном направлении. Часть жидкой фазы,которая прошла через газовые каналыструи поверх пластины и выведена черезтрубки 21 в виде жидких струй, равномернораспределяется на пластине 19, образуя жид 30 кий слой, удерживаемый этой пластиной.жидкие струи, объединенные в жидкой фазе,объединяются и образуют по меньшей мерепервую часть вертикального восходящего гомогенного потока двухфазной среды. ВтораяЗ 5 часть газовой фазы распределяется через каналы 30 и 31, пластину 19 и жидкий слой, иподнимается над последним. В результатепрохода газовой фазы в этот жидкий слой образуется вторая часть гомогенного потока.40 Он циркулирует затем снизу вверх в рубашкеи отдает свое тепло другим фазам, циркулирующим соответственно в системах трубок 7и 10. После этого он отводится по трубопроводу 14.45 Например, теплообменник с поверхностьютеплообмена 4160 м имеет длину 12, 10 м ицилиндрический кожух с внутренним диаметром 2,78 м. Он содержит распределитель соследующими характеристиками:50 внутренний диаметр рубашки 1 - 3,20 м;высота между поверхностью разделенияповерхность выхода (в зависимости от различных зазоров) - 260,5 см для системы верхних 26 или нижних 27 крыльев и 39,5 см между последним венчиком и кожухом;перфорированная поверхность для верхних крыльев 26 или нижних 27 - 1580 см,Теплообменник с такими характеристиками пригоден для работы в устройстве для сжижения природного газа. В этом случае природный газ охлаждают и сжижают при проходе сверху вниз через трубки 10, а сконденсированный газ охлаждают в результате прохождения вниз по трубкам 7. Газо-жидкостную смесь вводят в сепаратор 22 теплообменника через трубопровод 13. Газо-жидкостная смесь, введенная в теплообменник рассмотренного типа со скоростью порядка 324 000 кг/час, содержит 29,4 вес. /о пара, причем жидкость и газ имеют удельную массу соответственно 598 и 3,02 кг/м. При работе на 100% смесь проходит в трубках 21 в соотношении 71 л/мин газа и 1,38 л/мин жидкости, Высота перфорированного участка в контакте с газовой смесью составляет 59 мм, потеря загрузки одной трубки 21 или распределительного устройства составляет 190 мм воды. Все отверстия а трубок 21 закрыты для работы в размере между 0 и 50%Теплообменник позволяет получать гомо- генный восходящий вертикальный поток двухфазной текучей среды и обеспечивает тепло- обмен между этим потоком, циркулирующим со стороны кожуха в пространстве между трубками теплообменника, и двумя другими текучими средами, циркулирующими снизу вверх соответственно в двух системах трубок-змеевиков, Теплообменник представляет собой, следовательно, распределитель двухфазной текучей среды.Таким образом, предлагаемый теплообменник позволяет получать гомогенный вертикальный поток двухфазной среды и может быть использован не только для теплообмена между этим потоком и другими средами, но и для получения гомогенной смеси газа и жидкости,Предмет изобретения 1. Теплообменник, состоящий из вертикального кожуха с патрубками ввода и вывода,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 внутри которого в верхней и нижней частях расположены распределители и коллекторы, соединенные между собой трубчаткой, цилиндрическая труба, установленная концентрично внутри кожуха, и распределительная пластина, вмонтированная поперек продольной оси кожуха и доходящая до ее стенок, отлич а ю щ и й с я тем, что, с целью получения гомогенного вертикального потока двухфазной среды, распределительная пластина содержит систему продольных, равномерно распределенных трубок и каналов.2. Теплообменник по п. 1, отл ича ющийс я тем, что верхние концы трубок расположены в поперечной плоскости, а верхние части имеют по меньшей мере одно боковое отверстие.3. Теплообменник по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что верхние концы трубок расположены в параллельных поперечных плоскостях.4. Теплообменник по пп. 1 и 2, отличающ и й с я тем, что нижний конец каждой трубки по меньшей мере частично закрыт, а их нижняя часть имеет по меньшей мере одно боковое отверстие,5. Теплообменник по пп, 1 и 2, отл и ч а ющ и й с я тем, что верхняя часть каждой трубки по длине больше его нижней части.6. Теплообменник по пп. 1 и 2, отличающ и й с я тем, что в верхней части каждой трубки вблизи от пластины имеется по меньшей мере одно боковое отверстие.7, Теплообменник по и. 1, отл ичающийс я тем, что содержит еще одну пластину, установленную внутри кожуха перпендикулярно его продольной оси, расположенную около первой распределительной пластины, содержащей систему продольных трубок первой распределительной пластины, проходящей поперек второй распределительной пластины, а также другие трубки, соединяющие лишь пространство, заключенное между этими пластинами, с верхней частью теплообменника.8. Теплообменник по п. 1, отлича ющийс я тем, что распределительная пластина расположена в нижней части кожуха, ниже трубок-змеевиков, и установлена горизонтально.9. Теплообменник по п. 1, отличающийс я тем, что распределительная пластина расположена в верхней части кожуха, выше трубок-змеевиков, и установлена горизонтально.425412 тавитель Г. Бахтюковаехред Л. Акимова Редактор Н. Джарагетти Тираж 565овета Министров СССоткрытийаб., д. 4/5 Изд.771осударственного комитета по делам изобретений и Москва, )К, Раушская одписпае Типография, пр. Сапунова Заказ 3151/8ЦНИИП кторы; Е. Давыдкина и В. Петрова