Скачать статью (799 KB)

Рынок сжиженных продуктов разделения воздуха, жидкой углекислоты и сжиженного природного газа исчисляется в настоящее время сотнями миллионов тонн. Конечные потребители кислорода, аргона, углекислоты и сжиженного природного газа потребляют эти вещества в газообразном виде, притом что транспортировать и хранить эти газы в больших и средних масштабах удобно и выгодно исключительно в сжиженном состоянии. В относительно малых и средних количествах сжиженные газы (азот, аргон, кислород) газифицируются на наполнительных станциях и поступают к потребителям в газообразном виде в баллонах или в баллонных сборках. В средних и крупных количествах выгоднее газифицировать сжиженные азот, аргон, азот, природный газ и углекислоту непосредственно перед использованием. Только азот используется как в газообразном, так и в жидком виде, причем масштабы применения азота в жидком виде в качестве источника холода явно уступают его потреблению в газообразном продукте. Рынок постоянно растет, причем опережающими темпами растет рынок газификации сжиженного природного газа.

Атмосферные испарители представляют собой теплообменники, которые испаряют сжиженный газ с использованием тепла, поглощаемого из окружающего воздуха. Благодаря такому принципу работы атмосферные испарители не требуют энергетических затрат. Из-за очень большой разности между температурой кипения рабочей криогенной жидкости и температурой окружающей среды сжиженный газ, проходя через ряд последовательно или параллельно соединенных между собой металлических труб, интенсивно кипит в зоне кипения, а затем подогревается в зоне нагрева холодного газа. Атмосферные испарители широко используются в промышленности, так как за тепло, отбираемое из воздуха окружающей среды, не нужно платить. Кроме того, атмосферные испарители не загрязняют окружающую среду.

Для компании Мониторинг Вентиль и Фитинг (MV&F) уже более десяти лет изготовление атмосферных испарителей является одним из основных направлений деятельности наряду с производством атмосферных подогревателей и охладителей, а также электрических нагревателей и испарителей. За кажущейся простотой конструкции атмосферного испарителя скрывается сложность и многообразие протекающих в нем физических явлений переноса массы, количества движения и энергии. Это кипение, течение многофазных сред и сопряжённый тепло- и массообмен. Внутри труб атмосферного испарителя протекают сложные процессы кипения и теплообмена, а снаружи, на оребренной поверхности, теплообмен сопряжен с десублимацией и конденсацией влаги и десублимацией из атмосферы диоксида углерода. В некоторых случаях даже имеет место конденсация воздуха на наружной поверхности труб испарителя. Учет всех этих особенностей и физических явлений привел к созданию специалистами MV&F множества разновидностей атмосферных испарителей; мы непрерывно оптимизируем конструктивные решения, нацеленные на различные области применения и условия эксплуатации, что и обеспечивает покупателям успешное функционирование нашего оборудования. Для наиболее полного удовлетворения потребностей наших покупателей мы разработали несколько типоразмеров алюминиевых труб с продольным оребрением и несколько разновидностей вспомогательных профилей. Мы располагаем восьми- и двенадцатилучевыми основными теплообменными профилями с двумя типоразмерами внутренних труб для испаряемой криогенной жидкости. Все основные и вспомогательные профили являются уникальными, производятся в России на матричном инструменте, который изготовлен по нашим чертежам и является нашей собственностью. Остановимся далее на сравнительном анализе, особенностях и размерных рядах различных типов атмосферных испарителей.

При подборе, расчетах и конструировании теплообменных аппаратов одним из самых важных параметров является размер поверхности теплообмена. Для атмосферных испарителей в большинстве практически важных применений лимитирующей стадией теплообмена является теплоприток со стороны окружающей воздушной среды. Коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны теплообменных труб при кипении криогенной жидкости и нагреве движущегося с большой скоростью газа в десятки раз выше коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции атмосферного воздуха, сопряженной с дополнительным термическим сопротивлением отложений влаги и углекислоты. Именно поэтому в большинстве случаев применяются алюминиевые профили с развитой внешней поверхностью, в десятки раз превышающей внутреннюю поверхность теплообмена. Поэтому номинальная производительность испарителя зависит в первую очередь от внешней суммарной площади теплообмена оребренных труб. На реальную производительность испарителя влияют также свойства испаряемой криогенной жидкости и условия эксплуатации: температура и влажность окружающей среды, цикл переключения.

Атмосферный испаритель – это аппарат, работающий под давлением. Он подлежит сертификации по Техническому Регламенту Таможенного Союза ТР ТС 032. Рабочее давление атмосферных испарителей среднего давления обычно не превышает 50 бар и определяется помимо прочности алюминиевых труб рабочим давлением криогенной емкости, из которой осуществляется подача жидкости, и типом установленных фланцев. Рабочее давление криогенных резервуаров, в свою очередь, ограничено критическим давлением рабочей среды, которое составляет, например, для азота 3,39 МПа, для кислорода 4,88 МПа, а для аргона 4,7 МПа. Рабочее давление атмосферных испарителей высокого давления (биметаллических испарителей) подбирается исходя из рабочего давления криогенного насоса высокого давления и определяется толщиной стенки и прочностью внутренних труб из нержавеющей стали, меди или монели. Важным параметром любого атмосферного аппарата является его высота, которая напрямую зависит от длины оребренных труб. Эти три параметра: суммарная площадь теплообмена по внешней поверхности оребренных труб, рабочее давление и высота оребренных труб являются, поэтому, основными в заказном коде на испарители c торговой маркой MV&F:

Доступные модификации испарителей по назначению, исполнению или применению отражены в последнем символе заказного кода. Причем символ специального исполнения отсутствует для самых массовых продукционных испарителей среднего давления. Допускается использование нескольких символов, характеризующих специальное исполнение. Например, биметаллические испарители с принудительной конвекцией воздуха для кислорода высокого давления (с проточной частью из монели) обозначаются символами В и К.

Атмосферные испарители с естественной конвекцией воздуха не имеют движущихся частей, что приводит к нулевым эксплуатационным расходам и низким затратам на техническое обслуживание. Такие испарители подразделяются на продукционные испарители, сбросные испарители и испарители подъема давления. Продукционные испарители в свою очередь делятся на два больших класса: испарители среднего и высокого давления (биметаллические).

Продукционные атмосферные испарители среднего давления с естественной конвекцией воздуха являются самыми массовыми, так как потребность в газифицированных продуктах разделения воздуха, углекислоте и природном газе среднего давления носит преобладающий характер. Продукционные испарители среднего давления изготавливаются в трех модификациях: стационарные (для установки на фундамент), навесные (для стационарной установки на криогенные емкости) и мобильные. Стационарные испарители среднего давления (Рис.1-4) имеют самый широкий спектр производительностей от нескольких нормальных кубических метров продукта в час до нескольких тысяч нормальных кубических метров в час. Самые популярные модели продукционных испарителей среднего давления приведены в таблице 1.

Производительность указана при давлении 25 бар, температуре окружающей среды 20 °С, относительной влажности 70%, времени работы 8 часов.

Рис.1. Шесть продукционных испарителей среднего давления ИА-43-4-2 перед отправкой покупателю

Рис.2. Шесть продукционных испарителей среднего давления ИА-870-2.5-6.5 после монтажа

Рис.3. Два продукционных испарителя среднего давления ИА-800-4-6 в процессе доставки

Рис.4. Монтаж продукционного испарителя среднего давления ИА-935-2.5-6

Навесные продукционные атмосферные испарители среднего давления с естественной конвекцией воздуха применяются для экономии места и при относительно небольших объемах потребления (Рис.5). Типичные применения таких решений – это периодический напуск аргона или азота в печи термовакуумной обработки деталей, лазерная резка и газификация кислорода в небольших медицинских учреждениях.

Рис.5. Навесной продукционный испаритель среднего давления ИА-37-4-2 и испаритель подъема давления в процессе изготовления газификатора холодного криогенного (ГХК-3)

Мобильные продукционные атмосферные испарители среднего давления с естественной конвекцией воздуха часто изготавливаются со стальной рамой в габаритах стандартных ISO контейнеров. Самой популярной моделью является испаритель ИА-635-4-2-М20 в габаритах 20-футового контейнера (Рис.6 и Рис.7).

Рис.6. Мобильный продукционный испаритель среднего давления ИА-635-4-2-М20 в процессе отгрузки

Рис.7. Мобильный продукционный испаритель среднего давления ИА-635-4-2-М20 в работе

Возможно изготовление таких испарителей в габаритах 10, 30 или 40-футовых контейнеров. Мобильные атмосферные испарители для включения в работу не требуют устройства фундаментов, их можно быстро доставить на место газификации криогенной жидкости и, не снимая с полуприцепа-контейнеровоза, всего за 20 минут подготовить к работе, подключив металлорукавами к криогенной емкости и к точке потребления газообразного продукта. Эти мобильные испарители хорошо подходят как для кратковременных технологических операций типа испытаний и продувки трубопроводов, так и для быстрого развертывания резервных или аварийных систем газообеспечения. На рисунке 8 представлен специализированный мобильный испаритель жидкого гелия ИА-2х120-2-2-М. На раме из сплава Ад31 установлены два атмосферных испарителя с поверхностью теплообмена по 120 м2, электрический подогреватель, шкаф управления и узел коммерческого учета расхода гелия с кориолисовым расходомером. Входной участок испарителя выполнен из гладких неоребренных труб (Айсрек).

Рис.8. Мобильный продукционный испаритель жидкого гелия ИА-2х120-2-2-М в работе

Такое решение позволило интенсифицировать теплообмен в зоне кипения жидкого гелия и довести производительность испарителя до 120 кг жидкого гелия в час, что эквивалентно производительности по газообразному гелию 700 нм3/час. На внешней поверхности гладких труб без оребрения происходит интенсивная конденсация воздуха. Коэффициент теплоотдачи при конденсации воздуха сопоставим с коэффициентом теплоотдачи при кипении жидкого гелия внутри труб. Вам часто приходилось видеть жидкий воздух, стекающий струйками по теплообменным поверхностям? Посмотрите на фото, представленное на рисунке 9. Жидкий воздух, стекая по трубам, смывает кристаллы влаги и углекислоты, а большой тепловой поток из атмосферы обеспечивается именно за счет интенсивной конденсации воздуха.

Рис.9. Конденсация воздуха на наружной поверхности секции Айсрек мобильного продукционного испарителя жидкого гелия

Это идеальные условия для теплообмена: кипение жидкого гелия внутри труб и конденсация воздуха на их гладкой внешней поверхности без оребрения. Трубы с продольным оребрением задействованы исключительно для нагрева уже газифицированного гелия. Продольное оребрение труб теплообменного аппарата необходимо только в тех зонах теплообмена, где внешний теплообмен вновь становится лимитирующей стадией.

Продукционные атмосферные испарители среднего давления с естественной конвекцией воздуха типа Айсрек предназначены для применения в режиме кипения. Их задача обеспечить только кипение криогенной жидкости. Представленный на рисунке 9 процесс самоочистки теплообменной поверхности является относительно редким и характерен только для испарения гелия, водорода или неона. При испарении азота, кислорода, аргона или природного газа на внешней поверхности теплообмена испарителя Айсрек работают другие механизмы. Из-за большого температурного напора иней, образующийся на внешней поверхности труб, имеет низкую температуру, и как следствие этого, низкую плотность и низкую адгезию к поверхности, благодаря чему не может удерживаться длительное время на поверхности гладких труб. Иней осыпается на землю под действием силы тяжести и под влиянием даже слабого ветра (Рис. 10). Такой испаритель никогда не покрывается наледью и не теряет из-за этого свою эффективность. У службы эксплуатации в зимний период остается только одна забота – ежедневно убирать снег у подножия испарителя Айсрек. При положительной температуре окружающего воздуха даже этой заботы не потребуется. Снег тает и превращается в воду. Правильно подобранный испаритель Айсрек принимает на себя половину тепловой нагрузки испарения криогенной жидкости и не допускает образования большого количества инея на основной теплообменной поверхности оребренных труб, которая уже работает только на нагрев газа, обеспечивая тем самым устойчивую работу атмосферных испарителей в самых неблагоприятных условиях повышенной влажности атмосферного воздуха.

Рис.10. Продукционный испаритель Айсрек в работе

Сбросные атмосферные испарители среднего давления с естественной конвекцией воздуха применяются для испарения и подогрева сбросных потоков криогенных продуктов. Обычно в этом наблюдается потребность при срабатывании аварийных устройств, при производственной необходимости экстренно опорожнить криогенное хранилище или при использовании газообразного азота в промышленных системах аварийного пожаротушения. Общие требования к таким испарителям – это сочетание очень большой производительности при низком рабочем давлении и минимальном гидравлическом сопротивлении. Достижение этих целей обеспечивается параллельным подключением к общим коллекторам с большим проходным сечением большого количества оребренных труб с максимально развитой внешней поверхностью. Чаще всего такую задачу нужно решать на заводах по ожижению природного газа. Аварийные сбросы природного газа необходимо нагревать до такой температуры, чтобы их плотность была заведомо ниже плотности атмосферного воздуха. Тогда газообразный природный газ не будет стелиться у земли и не создаст в рабочей зоне взрывоопасную концентрацию.
На рисунке 11 представлена самая популярная модель сбросного испарителя ИА-1350-1-7.1-С с большой поверхностью теплообмена 1350 м2 и большим размером выходного фланца – Ду200.

Рис.11. Разгрузка и монтаж сбросных испарителей ИА-1350-1-7.1-С на заводе ожижения природного газа

Атмосферные испарители подъема давления применяются для подъема и поддержания рабочего давления в криогенных резервуарах. Для стационарных вертикальных резервуаров чаще всего используют испарители подъема давления из соединенных параллельно вертикальных оребренных труб (Рис.12-14). Криогенная жидкость поступает в нижний коллектор испарителя, а газ из верхнего коллектора подается в газовую полость резервуара для подъема давления. Такая конструкция обеспечивает интенсивное кипение криогенной жидкости во внутренних полостях труб при низком гидравлическом сопротивлении аппарата.

Рис.12. Испарители подъема давления ИА-43-4-2-П и ИА-190-4-3.5-П перед отгрузкой

Рис.13. Испаритель подъема давления ИА-60-2.5-1.5-П в работе

Рис.14. Испаритель подъема давления ИА-660-1.6-2.5-П

Самые популярные модели испарителей подъема давления приведены в таблице 2.

Производительность испарителя указана при давлении 6 бар, температуре газа на выходе из испарителя +20 °С относительно температуры кипения жидкости, температуре окружающей среды 20 °С, относительной влажности 70%, времени работы 8 часов.

При работе с относительно небольшими паллетными резервуарами мы применяем обычно испарители подъема давления из двухлучевых труб типа жалюзи (Рис.5). Нередко для работы с горизонтальными криогенными резервуарами применяют испарители подъема давления из наклонных оребренных труб. Характерный пример такого испарителя представлен на рисунке 15.

Рис.15. Испаритель подъема давления ИА-350-1.6-6.5-П

Для транспортных применений вертикальное и даже наклонное размещение оребренных труб практически невозможно, поэтому для установки на полуприцепы мы разработали специальную модель испарителя подъема давления ИА-16-1.6-1-П с уменьшенным расстоянием между оребренными трубами, дополнительной защитой испарителя от камней и усиленной рамой из нержавеющей стали (Рис. 16). Условия эксплуатации транспортных испарителей подъема давления отличаются от условий стационарной эксплуатации. Это вибрация и удары при транспортировке, камни, вылетающие из-под колес тягача, дефицит места и, наконец, относительно редкое включение в работу. Полуприцеп 80% времени находится в движении, а включение испарителя в работу происходит 3-4 раза в сутки на 30 минут. Полный учет всех этих факторов позволил специалистам компании Мониторинг Вентиль и Фитинг разработать оптимальные конструктивные решения как по самому теплообменному аппарату, так и по способу его крепления на полуприцепе.

Рис.16.Испарители подъема давления ИА-16-1.6-1-П

Продукционные атмосферные испарители высокого давления (биметаллические) с естественной конвекцией воздуха (Рис.17-19) применяются для газификации криогенных жидкостей, поступающих из насосов высокого давления. Такие испарители широко используются на наполнительных станциях для заправки газифицированными продуктами высокого давления газовых баллонов и баллонных сборок (моноблоков). Внутри алюминиевых оребренных труб таких атмосферных испарителей высокого давления на прессовой посадке устанавливаются трубы из нержавеющей стали или монели.

Рис.17. Продукционный испаритель высокого давления ИА-635-30-6

Рис.18. Монтаж продукционного испарителя высокого давления ИА-655-42-6

Рис.19. Продукционный испаритель высокого давления ИА-655-42-6 в работе

Медь или монель применяются в качестве внутренних каналов биметаллических испарителей для работы с кислородом высокого давления. В некоторых технически обоснованных случаях биметаллические трубы применяются также для изготовления испарителей среднего давления. Например, в технологических процессах в микроэлектронной промышленности, где не допускается контакт газифицируемого продукта с алюминиевыми сплавами, могут применяться трубы из стали 316L с внутренней поверхностью, подвергнутой электрохимической полировке. В некоторых случаях биметаллические трубы могут применяться по соображениям более высокой прочности конструкции и(или) коррозионной стойкости. Самые популярные модели продукционных испарителей высокого давления представлены в таблицах 3 и 4. Причем в таблице 3 представлены аппараты с максимальным рабочим давлением до 600 бар, а в таблице 4 до 340 бар.

Производительность испарителя указана при давлении 400 бар, температуре окружающей среды 20 °С, относительной влажности 70%, времени работы 8 часов. Возможно исполнение на 250, 350, 420 и 600 бар.

Производительность испарителя указана при давлении 300 бар, температуре окружающей среды 20 °С, относительной влажности 70%, времени работы 8 часов. Возможно исполнение на 250, 300 и 340 бар

Продукционные атмосферные испарители с принудительной конвекцией воздуха имеют повышенную производительность за счет интенсификации теплопритока со стороны окружающего воздуха, обеспечиваемой увеличением скорости воздушного потока. Такие испарители чаще всего применяют на высоком давлении после поршневых насосов высокого давления или для продукционных испарителей среднего давления экстремально большой производительности. Пример стационарного испарителя высокого давления с принудительной конвекцией воздуха представлен на рисунке 20.

Рис.20. Продукционный испаритель высокого давления с принудительной конвекцией воздуха ИА-90-42-1.6-В

Особенно эффективно применение испарителей с принудительной конвекцией воздуха для мобильных решений (Рис. 21 и 22).

Рис.21. Мобильный продукционный испаритель высокого давления с принудительной конвекцией воздуха ИА-310-24-1.3-В

Рис.22. Мобильный продукционный испаритель высокого давления с принудительной конвекцией воздуха ИА-280-20-1.5-В в составе работающей газификационной установки

Испарители разные нужны. Испарители всякие важны.

Мы всегда стремимся оптимизировать теплообменное оборудование с учётом особенностей каждого проекта и сочетаем надежность отлаженной промышленной технологии сборки испарителей с индивидуальными требованиями каждого покупателя. Помимо атмосферных испарителей мы предлагаем электрические испарители и подогреватели, криогенные клапаны, автоматику для переключения испарителей, регуляторы давления, ограничители температуры, блокирующие подачу в трубопровод газа с недопустимо низкой температурой, и многое другое тепло- и массообменное оборудование. Принцип работы компании Мониторинг Вентиль и Фитинг – это индивидуальный подход и оптимизация каждой конкретной задачи газификации криогенных жидкостей при высочайшем уровне качества оборудования. Если Вы создаете новое производство, в котором требуется газификация криогенных жидкостей, Вы всегда можете обратиться за помощью и консультацией к специалистам компании Мониторинг Вентиль и Фитинг. Мы всегда помогаем проектным и монтажным организациям, газовым компаниям и конечным потребителям сжиженного природного газа, углекислоты и продуктов разделения воздуха.

Слободов Евгений Борисович,
президент и технический директор
ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг»