RU2377462C1

RU2377462C1 - Cryogenic liquid evaporator

Info

Publication number: RU2377462C1
Application number: RU2008125124/06A
Authority: RU
Inventors: Игорь Юрьевич Русаков (RU); Игорь Юрьевич Русаков; Ринад Маазович Билялов (RU); Ринад Маазович Билялов; Александр Анатольевич Матвеев (RU); Александр Анатольевич Матвеев; Павел Александрович Смолкин (RU); Павел Александрович Смолкин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Сибирский химический комбинат"
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-12-27

Abstract

FIELD: heating systems.

SUBSTANCE: invention refers to cryogenic equipment, and namely to cryogenic liquid evaporators, and can be used in gasification plants. Cryogenic liquid evaporator includes housing with cryogenic liquid supplying assembly and cooling agent output assembly and heat exchange assembly made in the form of a tube bank, inter-tube space of which includes dump packing. In addition, heat exchange assembly is equipped with gas distributing grid located in lower part of tube bank and having the shape of flattened cone installed with smaller base upwards. Dump packing is located on gas distributing grid.

EFFECT: use of invention will allow more efficient use of thermal and physical properties of heat exchange assembly of cryogenic liquid evaporator owing to arrangement of dump packing with section having constant resistance, and creating conditions of uniform distribution and passing of warm gas vapours through the head piece.

3 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к испарителям криогенной жидкости, и может быть использовано в газификационных установках.The invention relates to cryogenic techniques, namely to evaporators of cryogenic liquid, and can be used in gasification plants.

Известен испаритель криогенной жидкости [а.с. СССР №1275182, F17С 9/02. Опубл. 07.12.86, бюл. №45], содержащий корпус с входным и выходным распределительными устройствами, размещенный внутри корпуса основной теплообменный элемент в виде регулярной насадки с каналами для протока криогенной жидкости и дополнительный теплообменный элемент с насыпной насадкой, установленный за основным теплообменным элементом по ходу потока криогенной жидкости.Known vaporizer cryogenic liquid [and.with. USSR No. 1275182, F17C 9/02. Publ. 12/07/86, bull. No. 45], comprising a housing with inlet and outlet distributors located inside the housing, the main heat exchange element in the form of a regular nozzle with channels for the cryogenic liquid flow and an additional heat exchange element with a bulk nozzle installed behind the main heat exchange element along the cryogenic liquid flow.

Криогенная жидкость поступает через входное распределительное устройство в корпус испарителя, где в основном теплообменном элементе происходит полное испарение криогенной жидкости в режиме пленочного кипения. Дополнительный теплообменный элемент предназначен для испарения капель, сохранившихся в потоке, их возвращения в зону испарения и поддержания заданного перепада давления между зоной испарения и выходом испарителя.The cryogenic liquid enters through the inlet switchgear into the evaporator body, where in the main heat exchange element the cryogenic liquid is completely evaporated in the film boiling mode. An additional heat-exchange element is designed to evaporate droplets that have remained in the stream, return them to the evaporation zone and maintain a given pressure drop between the evaporation zone and the outlet of the evaporator.

Недостатком данного испарителя является то, что испарение криогенной жидкости происходит за счет тепла, запасенного от предварительного нагрева горячим газом, что приводит к дополнительным энергозатратам. Также данное устройство не позволяет возвращать нагретые пары криогенной жидкости на повторное охлаждение, что приводит к перерасходу криогенной жидкости.The disadvantage of this evaporator is that the evaporation of cryogenic liquid occurs due to the heat stored from the pre-heating with hot gas, which leads to additional energy consumption. Also, this device does not allow you to return the heated vapor of the cryogenic liquid for re-cooling, which leads to an excessive consumption of cryogenic liquid.

Известен испаритель криогенной жидкости [патент РФ №2239121, F17С 9/02, F25В 39/02. Опуб. 27.10.2004, бюл. №30], принятый за прототип. Испаритель криогенной жидкости содержит корпус с узлами подвода и выдачи хладагента и теплообменный узел. Узел подвода хладагента содержит патрубок, образующий с внешней стенкой центральной трубы кольцевую полость, сообщенную с камерой жидкого хладагента. Теплообменный узел выполнен в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку. Узел выдачи хладагента выполнен в виде центральной трубы, снабженной эжектором, приемная камера которого сообщена с межтрубным пространством, а сопло - с камерой газообразного хладагента.Known evaporator of cryogenic liquid [RF patent No. 2239121, F17C 9/02, F25B 39/02. Otub. 10/27/2004, bull. No. 30], adopted for the prototype. The cryogenic liquid evaporator comprises a housing with units for supplying and dispensing refrigerant and a heat exchange unit. The refrigerant supply unit includes a nozzle forming an annular cavity in communication with the liquid refrigerant chamber with the outer wall of the central pipe. The heat exchange unit is made in the form of a tube bundle, the annular space of which contains a bulk nozzle. The refrigerant dispensing unit is made in the form of a central pipe equipped with an ejector, the receiving chamber of which is in communication with the annulus, and the nozzle is connected to the gaseous refrigerant chamber.

Криогенная жидкость (например, жидкий азот) поступает через входной патрубок, кольцевую полость и нижнюю камеру жидкого хладагента в трубки теплообменного элемента, где происходит полное испарение криогенной жидкости. Образующиеся пары через верхнюю камеру газообразного хладагента и патрубок поступают в сопло эжектора. Пары криогенной жидкости из сопла подхватывают газ (в начальный момент времени воздух) из приемной камеры эжектора, перемешиваясь с ним и охлаждая его, транспортируют его по центральной трубе и далее в охлаждаемый аппарат. Из охлаждаемого аппарата нагретые (отработанные) пары криогенной жидкости вновь поступают в испаритель. В испарителе благодаря разрежению в приемной камере, создаваемому эжектором, пары проходят через отверстия в цилиндрической оболочке, насыпную насадку и поступают в приемную камеру эжектора. При этом пары охлаждаются, отдавая тепло насыпной насадке и теплообменному элементу. Из камеры охлажденные пары направляются эжектором в центральную трубу, откуда, одновременно смешиваясь и дополнительно охлаждаясь с парами криогенной жидкости из сопла эжектора, выходят из испарителя на охлаждение аппарата.Cryogenic liquid (for example, liquid nitrogen) enters through the inlet pipe, the annular cavity and the lower chamber of the liquid refrigerant into the tubes of the heat exchange element, where the complete evaporation of the cryogenic liquid. The resulting vapor through the upper chamber of the gaseous refrigerant and the pipe enters the nozzle of the ejector. Vapors of cryogenic liquid from the nozzle pick up gas (at the initial moment of time) air from the receiving chamber of the ejector, mixing with it and cooling it, transport it through the central pipe and then to the cooled apparatus. From the cooled apparatus, the heated (spent) vapors of the cryogenic liquid again enter the evaporator. In the evaporator, due to the vacuum in the receiving chamber created by the ejector, the vapor passes through the holes in the cylindrical shell, the bulk nozzle and enters the receiving chamber of the ejector. In this case, the vapors are cooled, giving off heat to the bulk nozzle and to the heat exchange element. From the chamber, the cooled vapors are directed by the ejector to the central tube, from where, simultaneously mixing and additionally cooling with the cryogenic vapor from the ejector nozzle, they exit the evaporator to cool the apparatus.

Конструкция испарителя не позволяет эффективно проводить процесс теплообмена в теплообменном узле большого диаметра между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, т.к. в теплообменном узле большого диаметра теплый газ не проходит в центральную часть насадки из-за сопротивления, создаваемого насыпной насадкой, а поднимается вдоль внутренней поверхности цилиндрической оболочки по пути наименьшего сопротивления.The design of the evaporator does not allow the heat exchange process to be effectively carried out in a large diameter heat exchange unit between the evaporated cryogenic liquid and the incoming warm (spent) vapors of this liquid, because in a large diameter heat exchange unit, warm gas does not pass into the central part of the nozzle because of the resistance created by the bulk nozzle, but rises along the inner surface of the cylindrical shell along the path of least resistance.

Задачей изобретения является повышение эффективности теплообмена в теплообменном узле большого диаметра между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, за счет равномерного распределения теплых паров газа по всему поперечному сечению теплообменной насадки.The objective of the invention is to increase the efficiency of heat transfer in a large diameter heat exchange unit between the vaporized cryogenic liquid and the incoming warm (spent) vapors of this liquid, due to the uniform distribution of warm gas vapor over the entire cross section of the heat exchange nozzle.

Поставленная задача решается тем, что испаритель криогенной жидкости содержит корпус с узлом подвода криогенной жидкости и узлом выдачи хладагента, теплообменный узел, выполненный в виде трубного пучка, межтрубное пространство которого содержит насыпную насадку, при этом теплообменный узел дополнительно снабжен газораспределительной решеткой, расположенной в нижней части трубного пучка и имеющей форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх, а насыпная насадка расположена на газораспределительной решетке.The problem is solved in that the cryogenic liquid evaporator comprises a housing with a cryogenic liquid supply unit and a refrigerant delivery unit, a heat exchange unit made in the form of a tube bundle, the annular space of which contains a bulk nozzle, while the heat exchange unit is additionally equipped with a gas distribution grid located in the lower part a tube bundle and having a shape of a truncated cone, mounted with a smaller base up, and the bulk nozzle is located on the gas distribution grid.

На фиг.1 показан продольный разрез испарителя; на фиг.2 - поперечное сечение А-А испарителя; на фиг.3 - выносной элемент Б на фиг.1.Figure 1 shows a longitudinal section of an evaporator; figure 2 is a cross section aa of the evaporator; figure 3 - remote element B in figure 1.

Испаритель содержит корпус 1 (см. фиг.1), узел 2 подвода криогенной жидкости, теплообменный узел 3 и узел 4 выдачи газообразного хладагента. Корпус 1 содержит патрубок 5 (см. фиг.2) входа отработанных паров криогенной жидкости и патрубок 6 с вентилем для регулирования расхода отработанного хладагента. Узел 2 подвода криогенной жидкости состоит из камеры 7 криогенной жидкости, сообщенной с кольцевой полостью 8, образованной центральной трубой 9 и коаксиально ей расположенным патрубком 10. Подача криогенной жидкости осуществляется через патрубок 11. В цилиндрической оболочке 12 расположен теплообменный узел 3, который выполнен в виде трубного пучка 13, межтрубное пространство которого заполнено насыпной насадкой 14, например стальными шариками. Насадка 14 расположена на газораспределительной решетке 15, установленной в нижней части трубного пучка 13. Газораспределительная решетка 15 имеет форму усеченного конуса, установленного меньшим основанием вверх. Камера 16 газообразного хладагента через патрубок 17 соединена с соплом 18 (см. фиг.3) эжектора 19. Сопло 18 имеет возможность перемещаться посредством винта 20 (см.фиг.3) вдоль оси испарителя для настройки эжектора 19. От камеры 16 газообразного хладагента отходит патрубок 21 с вентилем для регулирования расхода паров криогенной жидкости. Узел 4 выдачи газообразного хладагента состоит из центральной трубы 9, к верхнему краю которой крепится диффузор 22 эжектора 19, и патрубка 10, соединенного с конфузором 23 эжектора 19. Теплообменный узел 3 имеет теплоизоляцию 24, образующую приемную камеру 25 эжектора 19 и имеющую с внутренней стороной корпуса 1 кольцевой зазор 26. В нижней части испарителя размещена приемная камера 27 отработанного хладагента, в которую через патрубок 5 подается теплый отработанный хладагент и для регулирования расхода его из испарителя установлен вентиль на патрубке 6.The evaporator comprises a housing 1 (see FIG. 1), a cryogenic liquid supply unit 2, a heat exchange unit 3, and a refrigerant gas delivery unit 4. The housing 1 contains a pipe 5 (see figure 2) inlet of the exhausted vapors of cryogenic liquid and a pipe 6 with a valve for regulating the flow of spent refrigerant. The cryogenic fluid supply unit 2 consists of a cryogenic fluid chamber 7 in communication with an annular cavity 8 formed by a central pipe 9 and a coaxially arranged nozzle 10. The cryogenic fluid is supplied through the nozzle 11. In the cylindrical shell 12 there is a heat exchange unit 3, which is made in the form a tube bundle 13, the annular space of which is filled with a bulk nozzle 14, for example, steel balls. The nozzle 14 is located on the gas distribution grill 15 installed in the lower part of the tube bundle 13. The gas distribution grill 15 has the shape of a truncated cone installed with the smaller base up. The gaseous refrigerant chamber 16 is connected through the nozzle 17 to the nozzle 18 (see FIG. 3) of the ejector 19. The nozzle 18 is able to move by means of a screw 20 (see FIG. 3) along the axis of the evaporator to adjust the ejector 19. It leaves the gaseous refrigerant chamber 16 a pipe 21 with a valve for controlling the flow of cryogenic vapor. The gaseous refrigerant discharge unit 4 consists of a central pipe 9, to the upper edge of which an ejector diffuser 22 is attached 19, and a nozzle 10 connected to the ejector 19 confuser 19. The heat exchange unit 3 has thermal insulation 24, which forms the receiving chamber 25 of the ejector 19 and has an inner side of the housing 1, an annular gap 26. In the lower part of the evaporator there is a receiving chamber 27 for spent refrigerant, into which warm spent refrigerant is fed through the pipe 5 and a valve is installed on the cartridge to regulate its flow from the evaporator ke 6.

Испаритель работает следующим образом.The evaporator operates as follows.

Криогенная жидкость (например, жидкий азот) поступает через патрубок 11 через кольцевую полость 8 и камеру 7 криогенной жидкости в трубный пучок 13 теплообменного узла 3, где происходит полное испарение криогенной жидкости. Образующиеся пары через камеру 16 газообразного хладагента и патрубок 17 поступают в сопло 18 эжектора 19. Вентиль на патрубке 21 в начальный момент включения испарителя полностью закрыт. Пары криогенной жидкости из сопла 18 подхватывают газ (в начальный момент времени воздух) из приемной камеры 25 эжектора, перемешиваясь с ним и охлаждая его, транспортируют его по патрубку 10 и далее в охлаждаемый аппарат (не показан). Из охлаждаемого аппарата нагретые (отработанные) пары криогенной жидкости вновь поступают в испаритель через патрубок 5 и приемную камеру 27 отработанного хладагента. В испарителе между камерой 27 отработанного хладагента и камерой 25 эжектора 19 существует перепад давлений благодаря разрежению, создаваемому эжектором 19. Вследствие этого перепада давления пары из камеры 27 отработанного хладагента проходят вдоль трубного пучка 13 через насадку 14 и поступают в приемную камеру 25 эжектора 19. Газораспределительная решетка 15 обеспечивает равномерный проход паров по всему поперечному сечению насыпной насадки 14. При этом отработанные пары охлаждаются, отдавая тепло насыпной насадке 14 и трубному пучку 13. Охлаждение происходит за счет использования теплоты испарения криогенной жидкости, находящейся в кольцевой полости 8, в камере 7 криогенной жидкости и в трубках трубного пучка 13. Высота конусной газораспределительной решетки 15 выбрана таким образом, что сопротивление насыпной насадки 14 вдоль трубы 9 равно сопротивлению этой насадки вдоль внутренней поверхности цилиндрической оболочки 12. Из камеры 25 эжектора 19 охлажденные пары направляются эжектором 19 в патрубок 10, откуда, одновременно смешиваясь и дополнительно охлаждаясь с парами криогенной жидкости из сопла 18 эжектора 19, выходят из испарителя на охлаждение аппарата.Cryogenic liquid (for example, liquid nitrogen) enters through the pipe 11 through the annular cavity 8 and the cryogenic liquid chamber 7 into the tube bundle 13 of the heat exchange unit 3, where the complete evaporation of the cryogenic liquid takes place. The resulting vapors through the chamber 16 of the gaseous refrigerant and the pipe 17 enter the nozzle 18 of the ejector 19. The valve on the pipe 21 at the initial moment of inclusion of the evaporator is completely closed. Vapors of cryogenic liquid from the nozzle 18 pick up gas (at the initial time) air from the intake chamber 25 of the ejector, mixing with it and cooling it, transport it through the pipe 10 and then to a cooled device (not shown). From the cooled apparatus, the heated (spent) vapors of cryogenic liquid again enter the evaporator through the pipe 5 and the receiving chamber 27 of the spent refrigerant. In the evaporator, there is a pressure differential between the spent refrigerant chamber 27 and the ejector 19 chamber 25 due to the vacuum generated by the ejector 19. As a result of this pressure drop, the vapor from the spent refrigerant chamber 27 passes along the tube bundle 13 through the nozzle 14 and enters the receiving chamber 25 of the ejector 19. Gas distribution the grill 15 provides a uniform passage of vapors throughout the cross section of the bulk nozzle 14. In this case, the exhaust vapor is cooled, giving heat to the bulk nozzle 14 and the tube bundle 13. Cooling This occurs due to the use of the heat of vaporization of the cryogenic liquid located in the annular cavity 8, in the cryogenic liquid chamber 7, and in the tubes of the tube bundle 13. The height of the conical gas distribution grill 15 is chosen so that the resistance of the bulk nozzle 14 along the pipe 9 is equal to the resistance of this nozzle along the inner surface of the cylindrical shell 12. From the chamber 25 of the ejector 19, the cooled pairs are sent by the ejector 19 to the pipe 10, from where, simultaneously mixing and further cooling with the cryogenic vapor the liquid from the nozzle 18 of the ejector 19, exit the evaporator to cool the apparatus.

Наличие газораспределительной решетки в нижней части трубного пучка и расположение на ней насыпной насадки позволяет эффективно проводить в теплообменном узле любого диаметра теплообмен между испаряемой криогенной жидкостью и поступающими теплыми (отработанными) парами этой жидкости, за счет равномерного распределения и равномерного прохождения теплых паров газа по всему поперечному сечению теплообменной насадки.The presence of a gas distribution grid in the lower part of the tube bundle and the location of a bulk nozzle on it allows efficient heat exchange between the vaporized cryogenic liquid and the incoming warm (exhausted) vapor of this liquid in the heat exchange unit of any diameter due to the uniform distribution and uniform passage of warm gas vapor over the entire transverse cross section of the heat transfer nozzle.

Применение изобретения позволяет наиболее эффективно использовать теплофизические свойства теплообменного узла испарителя криогенной жидкости за счет организации насыпной насадки с сечением, имеющим постоянное сопротивление, и создания условий равномерного распределения и прохождения через насадку потока теплых паров газа.The application of the invention allows the most efficient use of the thermophysical properties of the heat exchange unit of the evaporator of cryogenic liquid by organizing a bulk nozzle with a cross section having constant resistance and creating conditions for uniform distribution and passage through the nozzle of a stream of warm gas vapor.

Claims

A cryogenic liquid evaporator comprising a housing with a cryogenic liquid supply unit and a refrigerant discharge unit, a heat exchange unit made in the form of a tube bundle, the annular space of which contains a bulk nozzle, characterized in that the heat exchange unit is additionally equipped with a gas distribution grid located in the lower part of the tube bundle and having the shape of a truncated cone installed with a smaller base up, and the bulk nozzle is located on the gas distribution grill.