Пластинчатые и навитые теплообменники

В установках сжижения газа теплообменники и сепараторы обычно монтируются внутри холодильного блока с таким расчетом, чтобы можно было использовать принцип самотека без применения насосов. При этом желательно иметь возможно более короткие соединительные трубопроводы, но достаточной длины для компенсации их термических деформаций.

Кожухи, закрывающие тепловую изоляцию трубопроводов и оборудования, необходимо изготавливать из материала, непроницаемого для атмосферной влаги, а вся система снабжается устройством для продувки сухим азотом в целях удаления влаги из-под кожухов.

Теплообменники с горячим источником в окружающей среде

Теплообменники – холодильники холодильного цикла, в которых реализуется теплообмен с горячим источником в окружающей среде, бывают различного типа соответственно с природой этого источника – водой или воздухом:

  • если используется вода, это теплообменники классического типа с трубным пучком (вода циркулирует по трубкам пучка);
  • если используется воздух, это батареи воздушных холодильников (АВО – аппараты воздушного охлаждения).

Использование морской воды в качестве горячего источника широко распространено на расположенных на берегу моря заводах сжижения газа на экспорт. Особые меры защиты должны быть приняты для теплообменников против коррозии или морских отложений (специальные покрытия, катодная защита, хлорирование морской воды и т.д.), также как и для устройств водозабора.

Криогенные теплообменники

Криогенные теплообменники, в которых совершается теплообмен между сжижаемым природным газом и (или) хладоагентами, изготавливаются из криогенных металлов, в основном из алюминия и его сплавов.

Теплообменные аппараты, применяемые для охлаждения газа в широком диапазоне температур при низких давлениях (до 42 кг/см2), изготавливаются в виде регенераторов трубчатого типа с гладкими и ребристыми трубами.

Теплообменные аппараты, пригодные для работы при высоких давлениях (до 200 кг/см2) изготавливают из спиральных ребристых трубок, заключенных в кожух с перегородками. Поток высокого давления проходит внутри трубок, а поток низкого давления – в межтрубном пространстве, которое имеет вид многоходового перекрестного прохода с противоточным теплообменом.

С целью обеспечения значительной экономии для заводов сжижения газа на экспорт и упрощения обвязки были разработаны специальные большие многоходовые теплообменники с большой поверхностью теплообмена, которые делятся на два вида: теплообменники с навитыми трубками и пластинчатые теплообменники.

Навитые теплообменники

Навитой теплообменникДанные теплообменные аппараты являются разновидностью кожухотрубчатых теплообменников. Аппарат вертикального типа, несколько тысяч тонких трубок (6-10 мм диаметром) навиты геликоидально по перекрестной сетке. Можно сконструировать теплообменник для нескольких флюидов, чередующихся по трубкам различных пучков в одной сетке. Перекрестные сетки дают эффект отражающихся перегородок для двухфазного флюида низкого давления, который охлаждает пучок испарением в процессе циркуляции в вертикальном направлении в каландре. Каландр выполнен из нержавеющей стали, навивные пучки из алюминия. Навивка дает гибкость, необходимую для компенсации термических удлинений и укорочений. По причине сложности конструкции и размеров изготовление таких теплообменников требует длительных сроков и достаточно дорого, а их транспортировка затруднительна.

Производство навитого теплообменника

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатый алюминиевый теплообменникВ настоящее время разработаны конструкции теплообменников пластинчатого типа. Такие аппараты собираются из рядов параллельных алюминиевых пластин с гофрированными ребрами между ними, спаянными в единую конструкцию. В результате в теплообменнике для потока газа образуются параллельные каналы прямоугольного сечения, которые можно соединять между собой различными способами для получения двух- или многоходовых аппаратов. Такие конструкции при равной площади теплообмена по сравнению с теплообменником из ребристых труб весят меньше на 15-20%.

Пластинчатые алюминиевые теплообменники, паянные с погружением в баню, используются также в таких областях, как фракционирование воздуха, выделение этилена и других.

При каждом ходе флюид циркулирует между двумя плоскими листами и двумя перегородками в пространстве, заполненном гофрированным листом: циркуляция флюида происходит по обе стороны гофрированного листа, параллельно образующим.

 Пластинчатый теплообменник Теплообменник пластинчатый
Пластинчатый теплообменник — общий вид одного хода между двумя плоскими перегородками Пластинчатый теплообменник — вид одного хода между двумя пластинами

Таким образом, каждая полнотелая пластина-перегородка разделяет два флюида и таким образом является поверхностью теплообмена между двумя флюидами. Гофрированный лист выполняет роль, аналогичную лопаткам или пчелиным ячейкам в других типах теплообменников, в то же время он служит опорным элементом, помогающим пространству, ограниченному двумя пластинами и двумя перегородками переносить нагрузки от циркулирующих флюидов. Пакет из полнотелых плоских листов, гофрированных листов и поперечных перегородок сварен: все образующие вершины волны листа приварены к полнотелым горизонтальным листам.

 Пластинчатый теплообменник: разрез
Пластинчатый теплообменник: разрез

Теплообменник собирают сложением секций, собранных вышеописанным способом. Для каждой секции в поперечных перегородках устраивают проход для флюида, который движется через секцию.

Секции чередуются в зависимости от числа флюидов, например:

  • АВАВАВ – для двух флюидов;
  • ABCDABCD – для четырех флюидов;
  • ABCDEABDEABCDEABDE – для пяти флюидов, один из которых с небольшим расходом.
Выбирая расположение отверстий в поперечных перегородках и головок присоединенных коллекторов, а также ориентацию гофрированных листов в ходах, можно сконструировать теплообменники с противотоком, с перекрестным током, многофлюидные и т.д.

Можно соединить в один блок теплообменники, которые, если бы они были кожухотрубчатого типа, были бы соединенными последовательно многочисленными теплообменниками, это приводит к значительной экономии в трубопроводах обвязки и теплоизоляции.

Пример чередования ABAC проходов в пластинчатом теплообменнике

 Пластинчатый теплообменник – противоточный, с перекрестным током, многопоточный
Пример чередования ABAC проходов в пластинчатом теплообменнике Пластинчатый теплообменник – противоточный, с перекрестным током, многопоточный

Изготовление пластинчатых теплообменников

Полнотелые плоские пластины изготовлены из слаболегированного магнием алюминия (точка плавления, F = 660°С), покрыты слоем сплава с кремнием (F = 600°С), поперечные перегородки и гофрированные листы изготовлены из того же легированного магнием сплава (F = 660°С), что и плоские пластины.

производство пластинчатых теплообменниковНабирают листы в пачку, сжимают в струбцине и все погружают в баню, заполненную расплавленной солью (фтористые и хлористые соли) при температуре между 600 и 660°С для пайки без деформации и размягчения материалов. Соли снимают слой окиси: моноблок теплообменника таким образом сварен за один раз. Затем приваривают головки коллектора. (посмотреть Вакансии на производстве теплообменного оборудования).

Если требуется очень большая поверхность теплообмена, можно соединить несколько теплообменников параллельно, в батарею, но при этом необходимо уравнять расходы флюидов через теплообменники.

По причине хорошего соотношения между площадью теплообмена и объемом, занимаемым аппаратом, пластинчатые теплообменники в будущем должны бы вытеснить теплообменники других типов во всех областях криогенной техники и позволить разработку проектов, таких как процесс на смешанном хладоагенте с предварительным пропановым охлаждением с использованием интегрального теплообменника.

 Оборудование сжижения и фракционирования

Основное оборудование сжижения и фракционирования в процессе ТРС1 (смешанный цикл с предварительным охлаждением пропаном).Теплообменники, показанные серым цветом, – пластинчатого типа. Главный теплообменник навивного типа. Остальные теплообменники классические кожухотрубные.

Источник: «Энциклопедия газовой промышленности» (1994)