Газификаторы низкого давления и теплообменные аппараты для СПГ
Процесс получения газов из криогенных жидкостей осуществляется в теплообменных аппаратах, где происходят процессы нагрева криогенных компонентов до температуры выше температур их кипения при атмосферном давлении за счет забора тепла извне. В них протекают физические процессы обмена тепловой энергией между потоками веществ с различной температурой, подчиняющиеся общим закономерностям термодинамики и теории теплообмена. Однако при криогенных температурах возникает рад специфических факторов, которые необходимо учитывать при создании высокоэффективных и компактных аппаратов-теплообменников.
Главная особенность теплообмена при низких температурах состоит в значительном изменении теплофизических свойств криоагентов и конструкционных материалов. Такие важные в теории теплообмена характеристики, как теплопроводность, теплоемкость, вязкость, плотность, давление, существенно зависят от температуры. Теплообмен при кипении зависит также от состояния и форм поверхности, характера образования центров новой фазы, теплоты фазового перехода, условий распространения теплоты в каждой из фаз. Многие процессы в теплообменных аппаратах происходят при фазовых превращениях (кипении, конденсации), связаны с изменением молекулярной структуры вещества и сопровождаются выделением (поглощением) энергии, называемой теплотой фазового перехода.
В начале процесса подачи жидкости под воздействием температуры происходит постепенный переход от однофазового течения к пузырьковому, затем к снарядному, пленочному (кольцевому), дисперсному (эмульсионному). В конце течет уже однофазный поток. Жидкость вначале кипит при недогреве, затем при насыщении. Характер течения различен в вертикальных и горизонтальных каналах, где происходит расслоение. Газ собирается в верхней части канала, жидкость — в нижней. При пленочном и дисперсном течении теплообмен происходит с переносом теплоты через тонкую кольцевую пленку жидкости.
Движущей силой теплообмена является разность температур потоков «дельта» Т, которая характеризует потери от необратимости процесса. Для обеспечения эффективности теплообменников величина «дельта» Т, называемая часто величиной недорекуперации, для криогенных теплообменников принимается равной 3…5 К.
Распространенными типами теплообменников являются трубчатые теплообменники (труба в трубе) и кожухотрубные теплообменники различных конструкций. Теплообмен может быть улучшен оребрением, изгибами, напылением поверхности труб. Последнее является эффективным способом улучшения теплообмена и находит все большее применение.
Весьма эффективными являются витые теплообменники, когда на центральную трубу (сердечник) навивают несколько радов труб (оребренных или напыленных), которые по концам соединяют в коллекторы. Через них идет прямой поток, а обратный омывает трубы снаружи. Наиболее компактны пластинчато-ребристые теплообменники, имеющие минимальные величины недорекуперации и хорошие коэффициенты теплопередачи.
На рисунке ниже представлены принципиальные схемы теплообменников, которые могут быть применены в системах СПГ :
На стадии освоения находятся и чрезвычайно эффективные матричные теплообменники. Эти аппараты состоят из чередующихся слоев теплопроводных элементов с отверстиями и теплоизолирующих прокладок. Отдельные элементы склеивают в монолитный блок. Для улучшения коэффициента теплоотдачи и уменьшения величины «дельта» T теплообменных аппаратах, как правило, применяют противоток.
Для получения газа низкого давления часто применяют испарители, использующие для получения газа теплоту окружающей среды. Перепад температур между криогенной жидкостью и атмосферным воздухом настолько велик, что позволяет получать газ из жидкости без затрат энергии только за счет теплоты окружающей среды. Такие испарители выполняют из унифицированных алюминиевых панелей прокатно-сварным методом из двухслойных листовых заготовок с каналами для криогенного продукта. При этом криогенная жидкость поступает в нижний коллектор испарителя и распределяется по панелям. Образовавшийся из-за внешнего теплопритока газ направляется к потребителю и частично используется для наддува емкости с жидкостью для ее подачи в испаритель.
Выпускаемые промышленностью газификаторы для кислорода и азота на рабочее давление 1,0 и 1,6 МПа и производительностью З0…250нм3/ч газа могут быть применены и для СПГ .
Технические характеристики стационарного испарителя ИА-345:
Источник энергии для испарения СПГ … теплота атмосферного воздуха
Температура СПГ на входе, К ……………..106—120
Температура природного газа
на выходе, К………………………………………на 20 К ниже окружающей
Площадь теплообмена, м2 …………………………………..345,8
Природный газ в отличие от жидких азота, аргона или кислорода — горючий газ, поэтому наличие в блочном испарителе наружного кожуха, защищающего испарительные пластины от механических повреждений (случайных или умышленных), обязательно.
Для исключения возможности повреждения панелей испарителя. расположенных внутри цилиндрического корпуса, от попадания различных предметов через открытую верхнюю часть испарителя предусматривается установка сверху испарителя сетки.
При необходимости выдачи газа с большими расходами и повышенными давлениями используются газификаторы, где в качестве теплоагента применяется вода. В этом случае теплообмен интенсифицируется, так как теплоотдача от жидкости значительно превышает теплоотдачу от газа, и за счет подогрева воды можно существенно увеличить разность температур. Необходимо также обеспечить незамерзаемость воды при теплообмене с низкокипящей жидкостью.
Источник