RU2807843C1 - Twisted heat exchanger - Google Patents
Twisted heat exchanger Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807843C1 RU2807843C1 RU2023117257A RU2023117257A RU2807843C1 RU 2807843 C1 RU2807843 C1 RU 2807843C1 RU 2023117257 A RU2023117257 A RU 2023117257A RU 2023117257 A RU2023117257 A RU 2023117257A RU 2807843 C1 RU2807843 C1 RU 2807843C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bundle
- tube
- pipes
- pipe
- heat exchanger
- Prior art date
Links
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 8
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 8
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 14
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
Abstract
Description
Витой теплообменник предназначен для теплообмена между потоками в условиях большой площади теплообмена для уменьшения минимальной разности температур между горячим и холодным потоками для сокращения энергозатрат на сжижение и может быть использован при производстве сжиженного природного газа на предприятиях газовой промышленности.The twisted heat exchanger is designed for heat exchange between streams in conditions of a large heat exchange area to reduce the minimum temperature difference between hot and cold streams to reduce energy costs for liquefaction and can be used in the production of liquefied natural gas at gas industry enterprises.
Широкое применение в различных отраслях промышленности нашли жесткие кожухотрубчатые теплообменные аппараты различных модификаций, содержащие кожух с камерами ввода и вывода первого потока, проходящего через прямолинейный трубный пучок, и второго потока, проходящего через межтрубное пространство кожуха (Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе. Каталог. М.: ОАО «ВНИИНЕФТЕМАШ». - 2003. – 71 с.). Общим недостатком этих конструкций является большой объем межтрубного пространства кожуха, ввиду чего скорость второго потока невелика и, соответственно, низок коэффициент теплоотдачи от второго потока к стенкам труб, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи в теплообменном аппарате в целом. Весьма важно, что эти теплообменные аппараты имеют большую разницу температур между горячим и холодным потоком, обычно минимальная разница в аппарате составляет более 10°С, в криогенных технологиях для уменьшения энергозатрат эту разность температур стараются максимально снизить.Rigid shell-and-tube heat exchangers of various modifications have found wide application in various industries, containing a casing with input and output chambers for the first flow passing through a straight tube bundle, and the second flow passing through the intertube space of the casing (Shell-and-tube heat exchangers with fixed tube sheets and shell-and-tube heat exchangers with temperature compensator on the casing. Catalog. M.: OJSC "VNIINEFTEMASH". - 2003. - 71 p.). A common disadvantage of these designs is the large volume of the inter-tube space of the casing, due to which the speed of the second flow is low and, accordingly, the heat transfer coefficient from the second flow to the pipe walls is low, which leads to a decrease in the heat transfer coefficient in the heat exchange apparatus as a whole. It is very important that these heat exchangers have a large temperature difference between the hot and cold flow; usually the minimum difference in the apparatus is more than 10°C; in cryogenic technologies, in order to reduce energy costs, they try to reduce this temperature difference as much as possible.
Известен теплообменник, содержащий кожух со змеевиковыми трубками, навитыми на сердечник, размещенными в нем коаксиальными рядами, между смежными из которых установлены проставки, которые расположены по винтовым линиям с чередованием в смежных рядах правой и левой навивок (авторское свидетельство СССР SU 561070, МПК F28D 1/02, заявл. 05.07.1971 г., опубл. 05.06.1977 г.). Недостатком данного изобретения является различное гидравлическое сопротивление локальных струй потока, проходящего по виткам змеевиковых трубок различного диаметра: чем больше диаметр витков и, соответственно, длина змеевика, тем меньше будет скорость локального потока в змеевике и меньше коэффициент теплоотдачи, то есть в каждом последующем витке змеевиковой трубы теплоотдача уменьшается.A known heat exchanger contains a casing with coil tubes wound on a core, placed in coaxial rows, between adjacent rows of which spacers are installed, which are located along helical lines alternating in adjacent rows of right and left windings (USSR author's certificate SU 561070, MPK F28D 1 /02, application 07/05/1971, publ. 06/05/1977). The disadvantage of this invention is the different hydraulic resistance of local streams of flow passing through turns of coil tubes of different diameters: the larger the diameter of the turns and, accordingly, the length of the coil, the lower will be the speed of the local flow in the coil and the lower the heat transfer coefficient, that is, in each subsequent turn of the coil pipes, heat transfer decreases.
Известен применяемый в криогенной технологии, в частности для производства сжиженного природного газа, основной теплообменник для сжижения потока со стороны трубы, использующий теплый конец и холодный конец, при этом основной теплообменник содержит: стенку, образующую сторону корпуса, внутри которой расположен намотанный на спираль пучок труб, расположенный вокруг центральной оправки; первое сопло для подачи первого массового расхода потока со стороны трубы в трубы первой зоны отдельных труб в упомянутом пучке труб на теплом конце упомянутой первой зоны отдельных труб; второе сопло для подачи второго массового расхода указанного потока со стороны трубы в трубы второй зоны отдельных труб в указанном пучке труб на теплом конце указанной второй зоны отдельных труб, причем вторая зона отдельных труб смещена от первой зоны отдельных труб по радиусу, проходящему от указанной центральной оправки до указанной стенки указанного основного теплообменника; распределитель для подачи потока хладагента на указанной стороне корпуса для охлаждения первого и второго массовых потоков с образованием потока испаренного хладагента; линия для удаления потока испаренного хладагента с теплого конца указанного основного теплообменника; первый датчик температуры, который генерирует первый сигнал, указывающий температуру первого массового расхода; второй датчик температуры, который генерирует второй сигнал, указывающий температуру второго массового расхода; и контроллер для выравнивания температуры первого массового расхода потока со стороны трубы в первом осевом местоположении с температурой второго массового расхода потока со стороны трубы в упомянутом первом осевом расположении путем сравнения первого сигнала, указывающего температуру первого массового расхода, со вторым сигналом, указывающим температуру второго массового расхода, и регулировки первого массового расхода потока со стороны трубы, подаваемого указанным первым соплом относительно второго массового расхода со стороны бокового потока трубки, подаваемого указанным вторым соплом для выравнивания первого сигнала со вторым сигналом (патент US 9982951 В2, F25J 1/00, F25J 1/02, F28F 9/00, F28D 7/00, F28D 7/02, F28F 27/02, заявл. 31.03.2011 г., опубл. 21.03.2013 г.). Недостатком данного изобретения является различная длина трех витых теплообменных змеевиков, размещаемых в едином корпусе теплообменного аппарата, при этом один из змеевиков служит для сжижения углеводородного газа, а два других обеспечивают функционирование системы циркуляции легкой (LMR) и тяжелой (HMR) фракций хладагента, что существенно усложняет регулирование работы теплообменного аппарата в целом при изменении производительности установки по вырабатываемому сжиженному природному газу, а также при изменении температуры воздуха, поступающего в холодильник воздушного охлаждения и в холодильник воздушного охлаждения между первым и вторым компрессорами сжатия хладагента.Known used in cryogenic technology, in particular for the production of liquefied natural gas, is a main heat exchanger for liquefying the flow from the pipe side, using a warm end and a cold end, wherein the main heat exchanger contains: a wall forming the side of the housing, inside which there is a bundle of pipes wound in a spiral , located around the central mandrel; a first nozzle for supplying a first pipe-side mass flow rate to pipes of a first zone of individual pipes in said tube bundle at the warm end of said first zone of individual pipes; a second nozzle for delivering a second mass flow rate of said pipe-side flow into pipes of a second discrete pipe zone in said tube bundle at the warm end of said second discrete pipe zone, the second discrete pipe zone being offset from the first discrete pipe zone along a radius extending from said central mandrel to said wall of said main heat exchanger; a distributor for supplying a refrigerant stream on said side of the housing to cool the first and second mass streams to form a vaporized refrigerant stream; a line for removing a stream of evaporated refrigerant from the warm end of said main heat exchanger; a first temperature sensor that generates a first signal indicating the temperature of the first mass flow rate; a second temperature sensor that generates a second signal indicative of the temperature of the second mass flow rate; and a controller for equalizing the temperature of the first pipe-side mass flow rate at the first axial location with the temperature of the second pipe-side mass flow rate at the first axial location by comparing the first signal indicating the temperature of the first mass flow rate with the second signal indicating the temperature of the second mass flow rate , and adjusting the first mass flow rate of the tube side flow supplied by said first nozzle relative to the second mass flow rate of the tube side flow supplied by said second nozzle to align the first signal with the second signal (US patent 9982951 B2, F25J 1/00, F25J 1/ 02, F28F 9/00, F28D 7/00, F28D 7/02, F28F 27/02, application 03/31/2011, publ. 03/21/2013). The disadvantage of this invention is the different lengths of three twisted heat exchange coils placed in a single body of the heat exchanger, while one of the coils serves to liquefy hydrocarbon gas, and the other two ensure the functioning of the circulation system of light (LMR) and heavy (HMR) fractions of the refrigerant, which is essential complicates the regulation of the operation of the heat exchanger as a whole when the productivity of the installation for the produced liquefied natural gas changes, as well as when the temperature of the air entering the air-cooling refrigerator and the air-cooling refrigerator between the first and second refrigerant compression compressors changes.
Известен также наиболее близкий к заявляемому изобретению витой теплообменник, содержащий: кожух; первый пучок, содержащий первый конец пучка и второй конец пучка, расположенный дистально по отношению к первому концу пучка; сердечник, расположенный по центру внутри первого пучка, причем пространство внутри кожуха первого пучка простирается от первого конца пучка до второго конца пучка и проходит от сердечника первого пучка до его кожуха; множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем каждая из множества труб имеет первый конец трубы, расположенный на первом конце пучка, и второй конец трубы, расположенный на втором конце пучка, причем множество труб навито вокруг сердечника с образованием множества витых слоев, при этом множество витых слоев разделено на множество зон, которые концентрически расположены в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем множество труб содержит множество наборов труб при том, что каждый из множества наборов труб расположен в другой из множества зон; первую группу трубных решеток, расположенную на первом конце пучка, причем каждая из первой группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с одним из множества наборов труб на первом конце трубы; множество клапанов, причем каждый из множества клапанов сообщается по потоку текучей среды с каждой из первой группы трубных решеток и располагается на первом конце пучка; и вторую группу трубных решеток, расположенную на втором конце пучка, при этом по меньшей мере одна из второй группы трубных решеток сообщается по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конце трубы (патент RU 2765593 C1, МПК F28D 7/02, F28F 27/02, F28J 1/00, заявл. 29.04.2021г., опубл. 01.02.2022г.). На фигурах 1 и 2 представлена конфигурация из предшествующего уровня техники, приведенная в прототипе RU 2765593 C1 для случая разделения охлаждаемого потока на три подпотока с использованием следующих обозначений:Also known is the twisted heat exchanger closest to the claimed invention, containing: a casing; a first bundle comprising a first bundle end and a second bundle end located distal to the first bundle end; a core located centrally within the first bundle, the space within the first bundle casing extending from the first end of the bundle to the second end of the bundle and extending from the core of the first bundle to its casing; a plurality of pipes disposed in a space within the casing of the first bundle, each of the plurality of pipes having a first pipe end located at a first end of the bundle and a second pipe end located at a second end of the bundle, the plurality of pipes being wound around a core to form a plurality of twisted layers, wherein the plurality of twisted layers is divided into a plurality of zones that are concentrically located in a space within the casing of the first bundle, the plurality of tubes comprising a plurality of sets of tubes with each of the plurality of sets of tubes located in another of the plurality of zones; a first group of tube sheets located at a first end of the bundle, each of the first group of tube sheets being in fluid flow communication with one of a plurality of sets of tubes at the first end of the tube; a plurality of valves, each of the plurality of valves being in fluid communication with each of the first group of tube sheets and located at a first end of the bundle; and a second group of tube sheets located at the second end of the bundle, wherein at least one of the second group of tube sheets is in fluid flow communication with more than one of the plurality of sets of tubes at the second end of the tube (patent RU 2765593 C1, IPC F28D 7/ 02, F28F 27/02, F28J 1/00, application 04/29/2021, publ. 02/01/2022). Figures 1 and 2 show the configuration from the prior art, shown in the prototype RU 2765593 C1 for the case of dividing the cooled flow into three subflows using the following notations:
306 - поток газа;306 - gas flow;
312 - теплый пучок;312 - warm bun;
344, 346, 348 - подпотоки охлаждаемого потока;344, 346, 348 - subflows of the cooled flow;
356, 358, 360 - подпотоки сжиженного потока газа;356, 358, 360 - subflows of liquefied gas flow;
326, 328, 333 - трубная решетка теплого конца;326, 328, 333 - warm end tube sheet;
329a-b - технологические трубы;329a-b - process pipes;
330 - сердечник;330 - core;
332, 334, 335 - трубная решетка холодного конца;332, 334, 335 - cold end tube sheet;
350 - внутренняя зона;350 - internal zone;
352 - средняя зона;352 - middle zone;
354 - внешняя зона;354 - external zone;
362, 364, 366 - клапаны;362, 364, 366 - valves;
316 - сжиженный поток газа;316 - liquefied gas flow;
374 - теплый конец теплого пучка 312;374 - warm end of warm bundle 312;
376 - холодный конец теплого пучка 312.376 - cold end of warm beam 312.
Предварительно охлажденный подаваемый поток газа 306 разделяют на три подпотока 346, 348 и 344, каждый из которых осуществляет подачу в трубную решетку теплого конца 333, 328, 326 соответственно. Теплый конец 374 и холодный конец 376 теплого пучка 312 разделены на концентрические зоны теплообмена - внутреннюю зону 350, среднюю зону 352 и внешнюю зону 354. Все технологические трубы, связанные с каждой из теплых трубных решеток 326, 328, 333, расположены в единой зоне. Например, все технологические трубы 329a-b трубной решетки теплого конца 326 направлены во внешнюю зону 354. Все технологические трубы, связанные с каждой из трубных решеток холодного конца 332, 334, 335, также направлены в одну зону. Например, все технологические трубы 329a-b, которые заканчиваются в трубной решетке холодного конца 334, выводятся из внешней зоны 354. Для упрощения фигур только технологические трубы 329a-b, связанные с трубной решеткой теплого конца 326 и трубной решеткой холодного конца 334, обозначены на фиг. 1 и 2 ссылочными позициями. Указанная конфигурация приводит к тому, что текучая среда остается разделенной на протяжении всего способа. Например, вся текучая среда, входящая в теплый пучок 312 через подпоток 344, выходит из теплого пучка через подпоток 356.The pre-cooled feed gas stream 306 is divided into three substreams 346, 348 and 344, each of which feeds a warm end tubesheet 333, 328, 326, respectively. The warm end 374 and the cold end 376 of the warm bundle 312 are divided into concentric heat exchange zones—an inner zone 350, a middle zone 352, and an outer zone 354. All process pipes associated with each of the warm tube sheets 326, 328, 333 are located in a single zone. For example, all process tubes 329a-b of warm end tube sheet 326 are directed to the outer zone 354. All process tubes associated with each of the cold end tube sheets 332, 334, 335 are also directed to one zone. For example, all process pipes 329a-b that terminate in the cold end tube sheet 334 are discharged from the outer zone 354. To simplify the figures, only the process pipes 329a-b associated with the warm end tube sheet 326 and the cold end tube sheet 334 are indicated in fig. 1 and 2 reference positions. This configuration results in the fluid remaining separated throughout the process. For example, all fluid entering the warm bundle 312 through subflow 344 exits the warm bundle through subflow 356.
Другими словами, каждая из трубных решеток теплого конца 326, 328, 333 сообщается по потоку текучей среды только с одной из трубных решеток холодного конца 334, 332, 335. Конфигурация на фиг. 1 и 2 предназначена для уменьшения неравномерного радиального распределения, означающее неравномерное охлаждение текучих сред в разных зонах теплого пучка. С этой целью теплообменник включает в себя клапаны 362, 366, 364 по потоку от каждой из трубных решеток теплого конца 326, 328, 333 соответственно для выравнивания температуры подпотоков 356, 360 и 358, выходящих из трубных решеток холодного конца 334, 332, 335 и соединяющихся в единый сжиженный поток газа 316.In other words, each of the warm end tube sheets 326, 328, 333 is in fluid communication with only one of the cold end tube sheets 334, 332, 335. The configuration of FIG. 1 and 2 is designed to reduce uneven radial distribution, meaning uneven cooling of fluids in different zones of the warm beam. To this end, the heat exchanger includes valves 362, 366, 364 downstream of each of the warm end tube sheets 326, 328, 333, respectively, to equalize the temperature of the substreams 356, 360 and 358 exiting the cold end tube sheets 334, 332, 335 and connecting into a single liquefied gas stream 316.
Недостатком изобретения является неравномерность теплопередачи в различных рядах витых пучков труб как следствие различного гидравлического сопротивления локальных струй потока, проходящего по виткам змеевиковых трубок различного диаметра: чем больше диаметр витков и, соответственно, длина змеевика, тем меньше будет скорость локального потока в змеевике и меньше коэффициент теплоотдачи, то есть в каждом последующем витке змеевиковой трубы теплоотдача уменьшается. Это существенно усложняет регулирование работы теплообменного аппарата в целом при изменении параметров технологических потоков (производительность, температура, давление, состав) при переходе установки с применением витого теплообменника с одного режима на другой.The disadvantage of the invention is the unevenness of heat transfer in different rows of twisted bundles of pipes as a result of different hydraulic resistance of local streams of flow passing through the coils of coil tubes of different diameters: the larger the diameter of the coils and, accordingly, the length of the coil, the lower the speed of the local flow in the coil and the lower the coefficient heat transfer, that is, in each subsequent turn of the coil pipe, the heat transfer decreases. This significantly complicates the regulation of the operation of the heat exchanger as a whole when the parameters of process flows (capacity, temperature, pressure, composition) change when an installation using a twisted heat exchanger changes from one mode to another.
В ходе разработки заявляемого изобретения решалась задача конструктивного совершенствования витого теплообменника для выравнивания теплопередачи по слоям витков трубных пучков с обеспечением равной поверхности теплопередачи у всех витков.During the development of the claimed invention, the problem of structural improvement of a twisted heat exchanger was solved to level out the heat transfer across the layers of turns of tube bundles, ensuring an equal heat transfer surface for all turns.
Поставленная задача решается за счет того, что витой теплообменник, включающий: кожух; множество пучков, содержащих первый конец пучка и второй конец пучка, расположенный дистально по отношению к первому концу пучка; сердечник, расположенный по центру внутри первого пучка, причем пространство внутри кожуха первого пучка простирается от первого конца пучка до второго конца пучка и от сердечника первого пучка до его кожуха; множество труб, расположенных в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем у каждой из множества труб первый конец трубы располагают на первом конце пучка, а второй конец трубы - на втором конце пучка, причем множество труб навивают вокруг сердечника с образованием множества витых слоев, при этом множество витых слоев разделяют на множество зон, которые концентрически располагают в пространстве внутри кожуха первого пучка, причем предусматривают множество труб, содержащее множество наборов труб при том, что каждый из множества наборов труб располагают в другой из множества зон; первую группу трубных решеток, расположенную на первом конце пучка, причем каждую из первой группы трубных решеток сообщают по потоку текучей среды с одним из множества наборов труб на первом конце трубы; множество клапанов, при этом каждый из множества клапанов сообщают по потоку текучей среды с каждой из первой группы трубных решеток и располагают на первом конце пучка; и вторую группу трубных решеток, расположенную на втором конце пучка, при этом по меньшей мере одну из второй группы трубных решеток сообщают по потоку текучей среды с более чем одним из множества наборов труб на втором конце трубы; распределители хладагента, расположенные внутри корпуса аппарата для равномерного распределения подачи хладагента по диаметру аппарата; опоры трубных пучков, закрепленные на сердечнике; разделители труб, закрепленные на опорах трубных пучков и расположенные между слоями навивки, при этом все витые трубы пучков труб множества зон теплообменника выполняют одинакового диаметра, потоки текучей среды и хладагента, входящие при разных температурах, выводят из множества труб пучка труб при одинаковой температуре.The problem is solved due to the fact that a twisted heat exchanger, including: a casing; a plurality of bundles comprising a first bundle end and a second bundle end located distal to the first bundle end; a core located centrally within the first bundle, the space within the first bundle housing extending from the first end of the bundle to the second end of the bundle and from the core of the first bundle to its housing; a plurality of pipes disposed in a space within the casing of the first bundle, wherein each of the plurality of pipes has a first end of the pipe located at a first end of the bundle and a second end of the pipe at a second end of the bundle, the plurality of pipes being wound around a core to form a plurality of twisted layers, wherein a plurality of twisted layers are divided into a plurality of zones, which are concentrically located in a space within the casing of the first bundle, and a plurality of pipes are provided containing a plurality of sets of pipes, with each of the plurality of sets of pipes being located in another of the plurality of zones; a first group of tube sheets located at a first end of the bundle, each of the first group of tube sheets being in fluid flow communication with one of a plurality of sets of tubes at the first end of the tube; a plurality of valves, each of the plurality of valves communicating in fluid flow with each of the first group of tube sheets and located at a first end of the bundle; and a second group of tube sheets located at a second end of the bundle, wherein at least one of the second group of tube sheets is in fluid communication with more than one of a plurality of sets of tubes at the second end of the tube; refrigerant distributors located inside the device body to uniformly distribute the refrigerant supply across the diameter of the device; tube bundle supports fixed to the core; pipe separators mounted on the supports of the tube bundles and located between the winding layers, while all the twisted pipes of the tube bundles of the plurality of heat exchanger zones are of the same diameter, the fluid and refrigerant flows entering at different temperatures exit the plurality of pipes of the tube bundle at the same temperature.
В этом случае все витые трубы теплообменника имеют одинаковую поверхность теплообмена и обеспечивают равные условия теплопередачи для множества труб пучка любой из множества зон, а потоки текучей среды и хладагента, входящие в соответствующие пучки труб витого теплообменника в жидкой фазе при разных температурах, выходят из множества труб пучка труб при одинаковой температуре, поскольку при переходе потока охлаждаемого жидкого хладагента из трубного пучка в межтрубное пространство происходит его дросселирование с последующим испарением жидкого хладагента в межтрубном пространстве при постоянной температуре с поглощением теплоты испарения, отбираемой у охлаждаемых потоков текучей среды и хладагента в трубном пространстве.In this case, all coiled heat exchanger tubes have the same heat exchange surface and provide equal heat transfer conditions for multiple tube bundles of any of the multiple zones, and fluid and refrigerant flows entering the corresponding coiled heat exchanger tube bundles in the liquid phase at different temperatures exit the plurality of tubes bundle of tubes at the same temperature, since when the flow of cooled liquid refrigerant passes from the tube bundle into the inter-tube space, it is throttled with subsequent evaporation of the liquid refrigerant in the inter-tube space at a constant temperature with the absorption of the heat of evaporation taken from the cooled flows of fluid and refrigerant in the tube space.
Целесообразно витки первой трубы на стержне навивать плотно друг к другу, что позволит заранее рассчитать длину первой трубы множества труб пучка труб множества зон по уравнению:It is advisable to wind the turns of the first pipe on the rod tightly to each other, which will allow you to pre-calculate the length of the first pipe of many pipes of a bundle of pipes of many zones according to the equation:
где l ТР - длина трубы,where l TP is the length of the pipe,
L - длина стержня, L - length of the rod,
D - диаметр стержня, D - diameter of the rod,
d - наружный диаметр трубы, d is the outer diameter of the pipe,
тогда длина любой трубы множества труб пучка труб множества зон рассчитывается по уравнению:then the length of any pipe of a set of pipes of a bundle of pipes of a set of zones is calculated by the equation:
где z - номер витка трубы,where z is the number of the pipe turn,
k - расстояние между витками трубы. k is the distance between the turns of the pipe.
При плотной навивке первой трубы на стержень k=0, z=1, и уравнение (2) превращается в тождество, что подтверждает справедливость полученных уравнений.When the first pipe is tightly wound onto the rod, k=0, z=1, and equation (2) turns into an identity, which confirms the validity of the resulting equations.
Заявляемое изобретение обеспечивает гибкость конструктивного решения: по приведенным уравнениям можно рассчитать как зазоры между витками по заданной длине труб, так и длину труб при заданной величине зазоров между витками.The claimed invention provides flexibility in the design solution: using the given equations, it is possible to calculate both the gaps between the turns for a given length of pipes, and the length of the pipes for a given value of the gaps between the turns.
На фигуре 3 представлена схема одного из возможных вариантов реализации заявленного витого теплообменника с использованием следующих обозначений:Figure 3 shows a diagram of one of the possible implementation options for the claimed twisted heat exchanger using the following notation:
31 - корпус;31 - body;
32 - сердечник;32 - core;
33-35 - трубы трубных пучков;33-35 - pipes of tube bundles;
36 - трубные решетки верхних распределительных камер;36 - tube sheets of the upper distribution chambers;
37 - трубные решетки нижних распределительных камер;37 - tube sheets of the lower distribution chambers;
38 - контур захолаживания хладагентов.38 - refrigerant cooling circuit.
Витой теплообменник представляет собой корпус 31 с сердечником 32, на котором спирально навиты трубы трубных пучков 33, 34 и 35, по которым подают исходный природный газ по потокам 1 и 2 в нижние концы труб трубных пучков 33, 34 и 35, закрепленных в трубных решетках нижних распределительных камер 37. Верхние концы труб трубных пучков 33, 34 и 35 закреплены в трубных решетках верхних распределительных камер 36, из которых подаются соответственно охлаждаемый природный газ по потокам 3 и 4, легкий и тяжелый хладагенты по потокам 5 и 6. Каждая витая труба каждого трубного пучка включает одинаковую поверхность, что позволяет легко формировать необходимую поверхность теплообмена для каждого из трех трубных пучков в зависимости от переносимого количества тепла и коэффициента теплопередачи каждого потока в отдельности. По потоку 7 хладагент поступает в контур захолаживания хладагента 38 и по потокам 8 и 9 поступает обратно в витой теплообменник.The twisted heat exchanger is a housing 31 with a core 32, on which pipes of tube bundles 33, 34 and 35 are spirally wound, through which the source natural gas is supplied via streams 1 and 2 to the lower ends of the pipes of tube bundles 33, 34 and 35, fixed in tube sheets lower distribution chambers 37. The upper ends of the pipes of the tube bundles 33, 34 and 35 are fixed in the tube sheets of the upper distribution chambers 36, from which respectively cooled natural gas is supplied through streams 3 and 4, light and heavy refrigerants through streams 5 and 6. Each twisted pipe Each tube bundle includes the same surface, which makes it easy to form the required heat transfer surface for each of the three tube bundles, depending on the transferred amount of heat and the heat transfer coefficient of each stream separately. Through stream 7, the refrigerant enters the refrigerant refrigeration circuit 38 and through streams 8 and 9 it returns to the twisted heat exchanger.
На фигуре 4 представлен фрагмент теплообменника с навивкой первого ряда труб с использованием следующих обозначений:Figure 4 shows a fragment of a heat exchanger with a coiled first row of pipes using the following notation:
41 - первый виток спирального трубного пучка;41 - first turn of the spiral tube bundle;
42 - сердечник.42 - core.
Первый виток спирального трубного пучка 41 для охлаждаемого природного газа плотно наматывается на сердечник 42.The first turn of the helical pipe bundle 41 for refrigerated natural gas is wound tightly around the core 42.
На фиг. 5 представлен один из вариантов компоновки пучков в объеме витого теплообменника, в котором природный газ по потоку 51 подается в нижнюю часть теплообменника в трубы трубного пучка, навитого на сердечник, и поднимается вверх, проходя последовательно нижнюю и верхнюю зоны охлаждения, создаваемые тяжелым и легким хладагентами, и по потоку 52 выводится сжиженный природный газ. Тяжелый хладагент по потоку 56 подается в нижнюю часть теплообменника в трубы трубного пучка, проходит нижнюю зону охлаждения, выводится из средней части теплообменника по потоку 58, расположенной выше нижней зоны охлаждения, дросселируется и подается в межтрубное пространство нижней зоны охлаждения по потоку 57, охлаждая поток легкого хладагента, поток тяжелого хладагента и поток природного газа. Легкий хладагент по потоку 53 подается в нижнюю часть теплообменника в трубы трубного пучка, проходит верхнюю зону охлаждения, выводится из верхней части теплообменника по потоку 55, расположенной выше верхней зоны охлаждения, дросселируется и подается в межтрубное пространство верхней зоны охлаждения по потоку 54, при этом охлаждая встречные потоки легкого хладагента и природного газа, движущиеся по трубам трубных пучков. В межтрубном пространстве легкий хладагент движется сверху вниз и выводится через нижний штуцер в контур захолаживания хладагентов по потоку 59.In fig. Figure 5 shows one of the options for assembling bundles in the volume of a twisted heat exchanger, in which natural gas through stream 51 is supplied to the lower part of the heat exchanger into the pipes of a tube bundle wound on the core and rises upward, passing successively the lower and upper cooling zones created by heavy and light refrigerants , and liquefied natural gas is discharged through stream 52. The heavy refrigerant is supplied via stream 56 to the lower part of the heat exchanger into the pipes of the tube bundle, passes through the lower cooling zone, is removed from the middle part of the heat exchanger via stream 58, located above the lower cooling zone, is throttled and supplied to the annular space of the lower cooling zone via stream 57, cooling the flow light refrigerant stream, heavy refrigerant stream and natural gas stream. Light refrigerant is supplied via stream 53 to the lower part of the heat exchanger into the pipes of the tube bundle, passes through the upper cooling zone, is removed from the upper part of the heat exchanger via stream 55, located above the upper cooling zone, is throttled and supplied to the annulus of the upper cooling zone via stream 54, while cooling counter flows of light refrigerant and natural gas moving through the pipes of the tube bundles. In the inter-tube space, light refrigerant moves from top to bottom and is discharged through the lower fitting into the refrigerant cooling circuit along flow 59.
Таким образом, изобретение позволяет разработать витой теплообменник, обеспечивающий равную поверхность теплопередачи у всех витков.Thus, the invention makes it possible to develop a twisted heat exchanger that provides an equal heat transfer surface for all turns.
Claims (12)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2807843C1 true RU2807843C1 (en) | 2023-11-21 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU561070A1 (en) * | 1971-07-05 | 1977-06-05 | Предприятие П/Я В-8315 | Twisted heat exchanger |
| JP5793146B2 (en) * | 2009-10-27 | 2015-10-14 | シエル・インターナシヨネイル・リサーチ・マーチヤツピイ・ベー・ウイＳｈｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｍａａｔｓｃｈａｐｐｉｊ Ｂｅｓｌｏｔｅｎｖｅｎｎｏｏｔｓｈａｐ | Apparatus and method for cooling and liquefying fluids |
| US9562718B2 (en) * | 2010-03-31 | 2017-02-07 | Linde Aktiengesellschaft | Rebalancing a main heat exchanger in a process for liquefying a tube side stream |
| US9982951B2 (en) * | 2010-03-31 | 2018-05-29 | Linde Aktiengesellschaft | Main heat exchanger and a process for cooling a tube side stream |
| RU2765593C1 (en) * | 2020-05-05 | 2022-02-01 | Эр Продактс Энд Кемикалз, Инк. | Twisted heat exchanger |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU561070A1 (en) * | 1971-07-05 | 1977-06-05 | Предприятие П/Я В-8315 | Twisted heat exchanger |
| JP5793146B2 (en) * | 2009-10-27 | 2015-10-14 | シエル・インターナシヨネイル・リサーチ・マーチヤツピイ・ベー・ウイＳｈｅｌｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｍａａｔｓｃｈａｐｐｉｊ Ｂｅｓｌｏｔｅｎｖｅｎｎｏｏｔｓｈａｐ | Apparatus and method for cooling and liquefying fluids |
| US9562718B2 (en) * | 2010-03-31 | 2017-02-07 | Linde Aktiengesellschaft | Rebalancing a main heat exchanger in a process for liquefying a tube side stream |
| US9982951B2 (en) * | 2010-03-31 | 2018-05-29 | Linde Aktiengesellschaft | Main heat exchanger and a process for cooling a tube side stream |
| RU2765593C1 (en) * | 2020-05-05 | 2022-02-01 | Эр Продактс Энд Кемикалз, Инк. | Twisted heat exchanger |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3335790A (en) | Heat exchanger with crossing helicoidal tubes | |
| CN101379358B (en) | Spirally wound, layered tube heat exchanger and method of manufacture | |
| JP2017032271A (en) | Counter-flow heat exchanger with helical passages | |
| CN104896971B (en) | Spiral tubular heat exchanger for reducing tube winding | |
| US20180058776A1 (en) | Main heat exchanger and a process for cooling a tube side stream | |
| RU2402733C2 (en) | Helical-coil heat exchanger with pipes of various diametre | |
| JP2000055574A (en) | Heat-exchanging device | |
| CN112714857B (en) | Wound heat exchanger, method for producing a wound heat exchanger, and method for exchanging heat between a first fluid and a second fluid | |
| RU2807843C1 (en) | Twisted heat exchanger | |
| CN216115518U (en) | Coiled heat exchanger and system for liquefying feed gas | |
| US7913512B2 (en) | Air-heated heat exchanger | |
| JP5896984B2 (en) | Main heat exchanger and method for cooling tube side flow | |
| US20230147084A1 (en) | Mitigation of Shell-Side Liquid Maldistribution in Coil Wound Heat Exchanger Bundles | |
| CN114383438B (en) | Sectional spiral condensing heat exchanger | |
| RU2673119C2 (en) | Heat exchanging device | |
| RU2803106C2 (en) | Method of operation of coil-wound heat exchanger and heat exchanger system containing coil-wound heat exchanger | |
| RU168223U1 (en) | HEAT EXCHANGER | |
| RU168222U1 (en) | HEAT EXCHANGER | |
| Mumbaiwala et al. | ANALYSING THE EFFECTIVENESS OF THE HEAT EXCHANGER BY INCREASING OVERALL HEAT TRANSFER COEFFICIENT | |
| Pintilie et al. | A REVIEW OF HEAT EXCHANGERS USED IN CRYOGENICS | |
| Bhavsar et al. | Performance analysis of spiral tube heat exchanger | |
| WO2019097295A1 (en) | Cryogenic fluid vaporizer |