Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКОВ МЕЖДУ ПАРАЛЛЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫМИ ТЕПЛООБМЕННЫМИ АППАРАТАМИ

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при разработке блоков пластинчато-ребристых теплообменников (ПРТ), применяемых в криогенных установках различного назначения.

Известен источник информации SU 1774143 A1, опубл. 07.11.1992, принят за прототип, из которого известна система распределения каждого из теплообменивающихся потоков между параллельно включенными теплообменными аппаратами, входящими в состав криогенной установки. Система выполнена в виде комбинации подводящих и отводящих трубопроводов теплоносителей к аппаратам, которая включает общие подводящие и отводящие коллекторы и отдельные подводящие и отводящие трубопроводы на каждый из аппаратов - ответвления. Регулирование поступления теплоносителя в отдельный ПРТ блока, функционирующий в составе криогенной воздухоразделительной установки, осуществляется посредством арматуры, установленной на коллекторе.

Такая система регулирования распределения потоков имеет ряд недостатков: необходимость установки соответствующей арматуры по каждому из теплообменивающихся потоков, что существенно усложняет конструкцию блока ПРТ и увеличивает его металлоемкость, получается недостаточная точность выравнивания распределения потоков, так как одновременно надо регулировать все потоки, поступающие в блок ПРТ.

Заявленное изобретение предлагает систему выравнивания распределения теплообменных потоков в блоках ПРТ криогенных установок, свободную от указанных выше недостатков.

Целью изобретения является упрощение конструкции блока ПРТ и снижение металлоемкости.

Технический результат изобретения - обеспечение равномерного распределения всех теплообменнивающихся потоков между параллельно включенными теплообменниками в блоках ПРТ криогенных установок

Современные криогенные газоразделительные и ожижительные установки средней и большой производительности комплектуются набором одинаковых параллельно работающих ПРТ, объединенных в отдельный блок аппаратов.

Блоки ПРТ, помимо параллельно работающих аппаратов, включают в себя также подводящие и отводящие коллекторы и подводящие и отводящие трубопроводы (ответвления) по каждому из аппаратов для каждого из теплообменивающихся потоков. Подводящие коллекторы и трубопроводы обеспечивают распределение потоков в блоках ПРТ между параллельно работающими аппаратами, а отводящие трубопроводы и коллекторы обратно объединяют распределенные потоки в общие после прохождения их через параллельно работающие теплообменники.

Поскольку коллекторы и трубопроводы имеют различные диаметры и длины, то для распределяемого между параллельными аппаратами теплообменного потока получаются разные величины гидравлических сопротивлений.

Из-за такого неравенства гидравлических сопротивлений не происходит равномерного распределения теплообменивающихся потоков между параллельно работающими аппаратами блока ПРТ, и теплообменники могут начать функционировать в условиях, значительно отличных от тех, на основании которых определялась величина теплообменной поверхности по каждому из потоков, что в результате приводит к снижению интегральных характеристик не только всего блока теплообменников, но и криогенной установки в целом.

Установлено, что верхняя граница неравномерности распределения расходов потоков между отдельными аппаратами в блоках ПРТ, которая еще не оказывает заметного отрицательного влияния на интегральные характеристики в блоках, не должна превышать 2% от номинального значения.

Из литературы известно (см. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», Идельчик И.Е., М.: «Машиностроение», 1975 г., с. 349), что степень равномерности распределения расходов потоков между параллельно работающими аппаратами напрямую зависит от величины, так называемой характеристики коллектора.

Для совместно работающих подводящих и отводящих коллекторов блока ПРТ криогенной установки значение характеристики коллектора (А) будет определяться из следующего выражения:

где k - поправочный коэффициент, учитывающий расхождение между расчетными формулами и экспериментальными данными, равный 2, 1;

- коэффициент сопротивления отводящего коллектора;

ξ_колл - коэффициент сопротивления подводящего коллектора;

- относительная площадь ответвлений на теплообменники блока для отводящего коллектора;

- относительная площадь ответвлений на теплообменники блока для подводящего коллектора;

- отношение плотностей потока;

µ - коэффициент расхода.

Определение значений коэффициентов сопротивлений коллекторов (ξ_колл), а также коэффициента расхода (µ) не представляет особых затруднений, и формулы для их расчета можно найти в соответствующей научно-технической литературе.

Величина относительного расхода потока в i-м ответвлении определяется по следующей формуле:

где - относительный расход потока в данном ответвлении;

- относительное расстояние от оси n-го ответвления до оси (n-i)-го ответвления.

Для того чтобы степень неравномерности распределения общего теплообменного потока на каждый из параллельно включенных аппаратов блоков ПРТ не превышала оговоренных выше 2% (то есть значения вычисленные по формуле (2), не должны различаться более чем на 2%), необходимо, чтобы величина подкоренного выражения (1) была не больше чем 0,0262.

Поэтому после того, как определена теплообменная поверхность аппарата, на стадии дальнейшего проектирования блока ПРТ криогенной установки необходимо расчетным путем подобрать такие значения ξ_колл, µ, которые бы обеспечивали выполнение указанного условия.

Причем такой подбор надо выполнить для каждого из участвующего в теплообмене потока.

Таким образом, система распределения каждого из теплообменивающихся потоков между параллельно включенными теплообменными аппаратами в блоках пластинчато-ребристых теплообменников, входящих в состав криогенных установок, выполнена в виде комбинации подводящих и отводящих трубопроводов теплоносителей к аппаратам, общих подводящих и отводящих коллекторов и отдельных подводящих и отводящих трубопроводов на каждый из аппаратов - ответвлений. При этом выравнивание распределения потоков между аппаратами осуществляется за счет подбора такого соотношения между относительными площадями ответвлений подводящих и отводящих частей коллекторов, коэффициентов сопротивлений подводящих и отводящих частей коллекторов, коэффициента расхода, совокупность которых обеспечивает неравномерность распределения потоков теплоносителей по отдельным аппаратам в блоках ПРТ не более 2% и, таким образом, позволяет гарантировать работу каждого из аппаратов в режиме, близком к тому, по которому изначально определялись размеры теплообменной поверхности.

За счет того, что удается определить условия, которые позволяют создать практически одинаковые гидравлические сопротивления для параллельно работающих аппаратов блоков ПРТ на участках от распределения потоков до их обратного слияния, в итоге становится возможным обеспечить равномерное распределение потоков между всеми теплообменниками.

Работа системы распределения теплообменных потоков между параллельными соединенными аппаратами блоков ПРТ криогенных установок осуществляется следующим образом.

Каждый из участвующих в теплообмене потоков сначала поступает в свой собственный подводящий коллектор. Из этих подводящих коллекторов по ответвлениям, количество которых равно числу параллельно работающих теплообменников блока, теплообменивающиеся потоки практически равномерно распределяются между всеми теплообменниками.

Такая равномерность распределения достигается за счет того, что на стадии проектирования были рассчитаны и заданы режимные и конструктивные параметры, обеспечивающие эти условия по каждому из потоков.

После прохождения теплообменников равномерно распределенные части потоков поступают в ответвления своего собственного отводящего коллектора, количество ответвлений в которых равно числу параллельно работающих аппаратов. Из этих ответвлений распределенные части теплообменивающихся потоков поступают в отводящие коллекторы, где опять объединяются в общие потоки, и далее эти потоки выводятся из блока теплообменников.

Так как необходимая равномерность распределения достигается по каждому из теплообменивающихся потоков, то интегральные характеристики блоков ПРТ криогенных установок практически соответствуют расчетным, для которых определялись величины теплообменной поверхности по каждому из потоков.