Способ работы вихревого ожижающего устройства и вихревое ожижающее устройство
Способ работы вихревого ожижающего устройства включает пропускание газа прямым потоком через один или два последовательно соединенных рекуперативных теплообменника, где происходит охлаждение газа, конденсация легкокипящих компонентов и их вымораживание, подачу потока через пневморасширитель, например через детандер и/или пневмодроссель, в холодоприемник. Часть прямого потока отводят в энергоразделитель (выполненный, например, в виде двухпоточной вихревой трубы), в котором газ разделяют на холодный и горячий потоки. Холодный поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник. Горячий поток энергоразделителя направляют в прямой канал отключенного от работы рекуперативного теплообменника-вымораживателя. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы устройства за счет сокращения времени, необходимого для размораживания теплообменника, а также за счет уменьшения времени и энергозатрат, необходимых для его ввода в работу после размораживания. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области создания охлаждающих и сжижающих устройств, работающих на использовании свойств расширяющегося газового потока в вихревых охлаждающих устройствах в так называемых вихревых трубах [1].
Известен способ работы вихревого сжижающего (охлаждающего) устройства, включающий пропускание газа прямым потоком через один или два последовательно соединенных рекуперативных теплообменника, где происходит охлаждение газа, конденсация легкокипящих компонентов и их вымораживание, подачу потока через пневмодроссель в холодоприемник, причем часть прямого потока отводят в двухпоточную вихревую трубу, в которой газ расширяют и разделяют на холодный и горячий потоки, при этом холодный поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник [2].
Такой способ реализуется в конструкции, описанной в патенте [2], согласно которому известное вихревое сжижающее устройство содержит разделитель потока газа, один или два последовательно соединенных рекуперативных теплообменника с прямым и обратным каналами, пневмодроссель, холодоприемник и расширитель, выполненный в виде одной или нескольких последовательно соединенных двухпоточных труб, холодный патрубок которых подключен к входному патрубку обратного потока рекуперативного теплообменника.
Так как на вход такого вихревого сжижающего устройства почти всегда поступает неосушенный (влажный) газ, то при температуре ниже 273К внутри канала прямого потока (канала высокого давления) рекуперативного теплообменника неизбежно будет намерзать влага и сопутствующие ей тяжелые газовые фракции, образующие твердые газогидраты (далее просто "лед"), что приводит к постепенному уменьшению эффективного сечения этого канала, уменьшению эффективной площади теплообмена, уменьшению удельной теплопроводности поверхности канала и, как следствие, к уменьшению производительности всего устройства. В конечном итоге, если не принять предохранительные меры, может произойти даже закупоривание такого канала.
Это является недостатком.
Обычно образовавшийся внутри канала лед удаляется за счет периодического подогрева всего теплообменника, например за счет продувки обратного канала неохлажденным газом, поступающим из входного патрубка, соединенного с трубопроводом высокого давления. Поэтому работа такого вихревого сжижающего устройства неизбежно сопровождается периодическими остановками для оттаивания льда, образовавшегося внутри канала. Для уменьшения времени потребного для оттайки (для уменьшения простоя установки) рекуперативный теплообменник дублируется другим, точно таким же теплообменником-вымораживателем, включаемым в работу на период оттайки первого теплообменника.
Но при этом температура газа, поступающая на вход устройства из магистральных трубопроводов, часто не превышает 5...10°С, что явно недостаточно для эффективного оттаивания. Кроме того, используя для продувки газ высокого давления, мы вынуждены его дросселировать, что еще более снижает его температуру. Да, к тому же, такой газ имеет повышенную влажность. Все это еще более уменьшает эффективность такого способа размораживания.
Это является недостатком.
Для оттайки любого теплообменника-вымораживателя его можно продувать горячим потоком из вихревой трубы, входящей в комплект устройства для охлаждения по патенту [2]. При этом горячий газ можно подавать или в обратный, или в прямой канал.
Хотя температура газа, выходящего из горячего конца вихревой трубы, может быть достаточно высока (50...70°С и более) и такой газ способен растопить накопившийся лед в неработающем теплообменнике, но в процессе такого оттаивания, при подаче горячего газа в обратный канал, мы будем вынуждены подогревать всю массу металла теплообменных каналов (например, всю массу трубок в витом теплообменнике), все трубные доски, а также корпус и т.п., т.е. фактически весь теплообменник. Так, например, известно, что для отогрева указанным способом теплообменника массой 2000 кг до температуры окружающей среды требуется не менее 1,0...1,5 часа. Кроме того, для ввода в эксплуатацию отогретого теплообменника необходимо его опять весь выхолодить, на что потребуется потратить значительное количество холода, что к тому же весь процесс потребует значительного количества времени - опять-таки не менее указанных 1,0...1,5 часа.
Поэтому наиболее рационально горячий поток вихревой трубы подавать в прямой канал отключенного от работы рекуперативного теплообменника-вымораживателя.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение указанных недостатков.
Технический результат в части способа получается за счет того, что горячий поток энергоразделителя направляют в прямой канал отключенного от работы рекуперативного теплообменника-вымораживателя.
Технический результат в части устройства получается за счет того, что горячий патрубок энергоразделителя подключен к прямому каналу отключенного от работы рекуперативного теплообменника-вымораживателя.
Фиг.1 поясняет изобретение.
Входной патрубок 1 через тройник-разделитель 2, через двухходовый кран-переключатель 3 и тройник 4 соединен со входом прямого канала 5 рекуперативного теплообменника-вымораживателя 6, который через сепаратор 7, через двухходовый кран-переключатель 8 соединен со входом прямого канала 9 второго теплообменника 10. Выход прямого канала 9 через пневмодроссель 11 соединен с сосудом-накопителем (холодоприемником) 12, имеющим газовую и жидкостную полости. Верхняя (газовая) полость холодоприемника 12 через канал обратного потока 13 теплообменника 10 через двухходовый кран-переключатель 14, через канал обратного потока 15 теплообменника 6 и через тройник 16 соединен с выходом 17 вихревого сжижающего устройства. Кроме того, сепаратор 7 соединен со сборником жидкости 18, также имеющим газовую и жидкостную полости. Газовая полость сборника жидкости 18 соединена со сборником тяжелых газовых фракций (на фиг.1 не показан).
С тройником-разделителем 2 соединен входной патрубок 19 двухпоточной вихревой трубы 20, которая имеет еще горячий 21 и холодный 22 концы (патрубки). Горячий конец 21 через двухходовый кран-переключатель 23 и тройник 24, через прямой канал 25 второго теплообменника-вымораживателя 26 - дублера теплообменника-вымораживателя 6, через сепаратор 27 соединен со сборником жидкости 28, также имеющим газовую и жидкостную полости. Газовая полость сборника жидкости 28 соединена со сборником тяжелых газовых фракций (на фигуре такой сборник также не показан).
Теплообменник-вымораживатель 26 временно отключен от работы с помощью соответствующих двухходовых кранов-переключателей 3, 8, 14 и 23. При этом выведенные из работы соединения прямого и обратного каналов теплообменника-вымораживателя 26 на фиг.1 и теплообменника-вымораживателя 6 на фиг.2 показаны пунктиром. Контуры поставленного на размораживание теплообменника-вымораживателя 26 на фиг.1 и на фиг.2 также обозначены пунктиром. Кроме того, пунктиром показано временно выведенное из работы с помощью крана-переключателя 23 соединение горячего конца 21 вихревой трубы с тройником 4.
Холодный конец 22 вихревой трубы 20 с помощью двухходового крана-переключателя 14 может быть соединен или с входом обратного канала 15 теплообменника 6, а далее, через тройник 16 с выходом 17 вихревого сжижающего устройства или с входом обратного канала 29 теплообменника 26, а далее через тройник 16 также с выходом 17 этого устройства.
Рассматриваемое устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом (см. фиг.1).
Через входной патрубок 1 в тройник-разделитель 2 поступает сжатый газ в исходном термодинамическом состоянии.
В тройнике-разделителе 2 газ разделяется на два потока:
- первый (прямой) поток через двухходовый кран-переключатель 3 и тройник 4 поступает на вход канала 5 прямого потока рекуперативного теплообменника 6;
- второй поток поступает на вход 19 вихревой трубы 20.
Первый (прямой) поток, проходя через канал 5 прямого потока рекуперативного теплообменника 6, выхолаживается от холодного обратного потока 15.
При работе охлаждающего устройства в режиме обычного охладителя (или в режиме запуска ожижителя) температура газа в прямом канале 5 не опускается ниже 273К, поэтому влага просто конденсируется в этом канале и на выходе из него может быть извлечена обычным сепаратором (влагоотделителем или влагопоглотителем). Такой влагоотделитель может монтироваться отдельным от теплообменника узлом 7 или же совмещаться в одной конструкции с выходной (нижней) частью канала 5.
При работе охлаждающего устройства в режиме ожижителя температура газа в прямом канале 5 теплообменника 6 опускается значительно ниже 273К, поэтому влага, конденсируясь из газа, сразу же намерзает на внутренних поверхностях этого теплообменника, постепенно забивая канал 5 и уменьшая его поперечное сечение, что отрицательно сказывается на работе всего устройства для охлаждения. Поэтому работа такого ожижителя неизбежно сопровождается периодическими остановками для оттаивания льда, образовавшегося внутри канала 5.
Для обеспечения непрерывности работы всего устройства теплообменник-вымораживатель 6 дублируют точно таким же теплообменником-вымораживателем, например теплообменником 26, и периодически их переключают специальной арматурой (двухходовые краны-переключатели), давая время для оттаивания внутреннего льда. На период временной остановки с целью оттайки теплообменника-вымораживателя 26 прямой канал 25 через двухходовый кран-переключатель 23 и тройник 24 продувают теплым сжатым газом от горячего конца 21 вихревой трубы 20, и на выходе собирают образующуюся влагу во влагосборнике 28, не допуская ее попадания в основные каналы сжижающего устройства. Поэтому при такой продувке прямой канал 25 и влагоотделитель 27 отсекаются от основной части устройства с помощью двухходовых кранов-переключателей 3, 8 и 14. Выделившиеся из тающих газогидратов тяжелые газовые фракции после сепаратора 27 и влагосборника 28 сбрасываются вначале в сборник жидкости 18, а далее - в сборник тяжелых газовых фракций (не показан).
После оттаивания рекуперативные теплообменники-размораживатели с помощью системы кранов-переключателей 3, 8, 14 и 23 меняются режимами работы (см. фиг.2). Так обеспечивается непрерывность работы устройства для охлаждения.
В случае работы в режиме низкотемпературного ожижения природного газа сепаратор (наружный 7 или расположенный внутри теплообменника) работает не только в нерабочий период, т.е. при размораживании теплообменника 6 для удаления образующейся влаги, но и в период основной работы он может быть полезным в случае присутствия в газе тяжелых фракций, например присутствия пропан-бутан-пентановой смеси в охлаждаемом или сжижаемом природном газе, и которые начинают конденсироваться раньше, чем основной газ (метан). Такой сепаратор предварительно отделяет тяжелые жидкие фракции (в том числе и газоконденсат), которые собираются в сосуде-накопителе 18, из которого газообразная фракция удаляется. Это позволяет повысить качество (однородность состава) газовой смеси, поступающей на ожижение через пневмодроссель 11 в сборник жидкости (холодоприемник) 12.
После сепаратора 7 газовый прямой поток проходит через двухходовый кран-переключатель 8, через канал 9 прямого потока теплообменника 10 и пневмодроссель 11, после чего поступает в холодоприемник 12 (сосуд-накопитель жидкого газа).
В прямом канале 9 теплообменника 10 газ дополнительно охлаждается от обратного потока 13, представляющего собой низкотемпературный поток низкого давления несконденсировавшегося в сосуде 12 газа. В пневмодросселе 11 холодный газ дросселируется и сильно доохлаждается, поэтому в нем образуются две фазы - жидкая и газообразная. Поступая в холодоприемник 12 (сосуд-накопитель), двухфазный поток разделяется:
криогенная жидкость скапливается на дне, а очень холодная газообразная фаза уходит вверх, проходит через обратный канал 13 теплообменника 10, выхолаживая поток 9, проходит через двухходовый кран-переключатель 14, где смешивается с холодным потоком от вихревой трубы 20, проходит через обратный канал 15 теплообменника 6, подогревается от прямого потока 5 и выхолаживает его. В таком состоянии обратный поток поступает на выход 17 вихревого сжижающего устройства.
Второй поток, поступающий на вход 19, в вихревой трубе 20 разделяется на два потока:
- горячий 21, имеющий повышенную температуру и поступающий через двухходовый кран-переключатель 23 в тройник 24, а далее поступает в прямой канал 25 теплообменника 26 и размораживает лед внутри его;
- а также холодный 22, имеющий пониженную температуру и поступающий через двухходовый кран-переключатель 14 в обратный канал 15 теплообменника 6.
На фиг.2 показано это же устройство для охлаждения, но с переключенным на оттаивание выведенного из работы теплообменника-вымораживателя 6 (показан пунктиром), а взамен его теплообменник-вымораживатель 26 включен в основную работу. При этом в результате переключения двухходовых кранов-переключателей 3, 23, 14 и 8 прямой поток от входа 1 проходит уже другим путем: тройник 2, кран 3, тройник 24, канал 25 прямого потока теплообменника 26, влагоотделитель 27, кран 8, канал 9 прямого потока теплообменника 10 и через пневмодроссель 11 - в холодильник 12, откуда обратным потоком через канал 13 теплообменника 10, через двухходовый кран-смеситеь 14, где смешивается с холодным потоком от вихревой трубы 20, через обратный канал 29 теплообменника 26, через тройник 16 сбрасывается на выход 17 вихревого сжижающего устройства.
Теплый газ от горячего конца 21 вихревой трубы 20 проходит через кран 23, через тройник 4 поступает в прямой канал 5 теплообменника 6 и размораживает лед внутри него. Оттаявшая влага через влагоотделитель 7 стекает в сосуд-накопитель 18. При этом подогреву подвергается только лед внутри каналов прямого потока 5 (или 25), что в значительной мере уменьшает воздействие теплового потока на другие элементы теплообменников.
Работа вихревого сжижающего устройства по фиг.1 и 2 возможна и без теплообменника 10, например с одним включенным в работу теплообменником-вымораживателем 6 (или 26) и одним выведенным из работы теплообменником-вымораживателем 26 (или 6).
Горячий поток вихревой трубы можно подавать с любой стороны прямого канала теплообменника - либо с входа, либо с выхода.
В качестве пневморасширителя может использоваться не только пневмодроссель 11, но и комбинация детандера 30 с пневмодросселем 11, как это показано на фиг.3. При этом 31 - нагрузка детандера.
Кроме того, в качестве энергоразделителя может использоваться не только одна вихревая труба, но и несколько последовательно подключенных вихревых труб [1, c.111].
Таким образом, подача горячего потока в прямой канал теплообменника-вымораживателя позволяет сократить время, необходимое для его размораживания, а также уменьшить время и энергозатраты, необходимые для его ввода в работу после размораживания. В этом состоит техническая сущность изобретения.
Такой технический прием позволяет обеспечить большую стабильность работы устройства для охлаждения (ожижения) по патенту [2].
Литература, принятая во внимание
1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969.
2. Артуров С.В. и др. Способ работы устройства для охлаждения и устройство для охлаждения. Патент РФ №2149324 от 26.03.1996 г.
1. Способ работы вихревого ожижающего устройства, включающий пропускание газа прямым потоком через один или два последовательно соединенных рекуперативных теплообменника, где происходит охлаждение газа, конденсация легкокипящих компонентов и их вымораживание, подачу потока через пневморасширитель, например через детандер и/или пневмодроссель, в холодоприемник, причем часть прямого потока отводят в энергоразделитель (выполненный, например, в виде двухпоточной вихревой трубы), в котором газ разделяют на холодный и горячий потоки, при этом холодный поток смешивают с обратным потоком на входе в теплообменник, отличающийся тем, что горячий поток энергоразделителя направляют в прямой канал отключенного от работы рекуперативного теплообменника-вымораживателя.
2. Вихревое ожижающее устройство, содержащее разделитель потока газа, один или два последовательно соединенных теплообменника, один из которых является рекуперативным теплообменником-вымораживателем, снабженным выведенным из работы дублером - таким же рекуперативным теплообменником-вымораживателем, энергоразделитель (выполненный, например в виде вихревой трубы), холодный патрубок которого подключен к входу обратного канала теплообменника, а также пневморасширитель, выполненный, например, в виде дросселя, и холодоприемник, отличающееся тем, что горячий патрубок энергоразделителя подключен к прямому каналу отключенного от работы рекуперативного теплообменника-вымораживателя.
