Атмосферные испарители с принудительными конвекцией и отогревом

К.А. Иванов, Н.В. Павлов, ООО «НПО Мониторинг»

Специалистами компании ООО «НПО Мониторинг» непрерывно ведется работа по совершенствованию выпускаемого теплообменного оборудования, предназначенного для газификации жидких криопродуктов. Рассматриваются преимущества создаваемых компанией испарителей нового поколения с принудительной конвекцией и регенерацией (отогревом) внешней поверхности аппаратов в осенне-зимний период их эксплуатации.

1. ВВЕДЕНИЕ

Компанией ООО «НПО Мониторинг» ведётся работа по совершенствованию теплообменного обо-рудования, предназначенного для газификации жидких криопродуктов.

Так, ранее в статьях [1,2] сообщалось, как на основе производимых компанией атмосферных испарителей решаются проблемы повышения безопасности и эффективности производства и потребления продуктов разделения воздуха, диоксида углерода и сжиженного природного газа (СПГ). В следующей публикации [3] освещался опыт использования атмосферных испарителей высокого и среднего давлений в составе систем хранения и газификации технических газов и СПГ.

В настоящей статье покажем, как улучшались массогабаритные показатели испарителей, снижа-лись капитальные затраты, увеличивалась их единичная производительность. Остановимся на рассмотрении атмосферных испарителей нового поколения с принудительной конвенцией и отогревом, разработку и производство которых осуществляет ООО «НПО Мониторинг».

2. РАСШИРЕНИЕ ВЫПУСКА АТМОСФЕРНЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ

На сегодняшний день реализовано более сотни проектов по созданию систем хранения и газификации жидких криопродуктов, в которых успешно применяются атмосферные испарители производства ООО «НПО Мониторинг». По всей стране эксплуатируется более 300 таких аппаратов производительностью до 4600 нм3/ч. Рис. 1 даёт представление о том, как росло производство испарителей нашей разработки.

Из рис. 1 можно наблюдать значительное увеличение производства и продаж атмосферных испарителей.

Конкурентоспособность продукции нашей компании существенно повысилась после падения курса рубля по отношению к европейской валюте в конце 2014 г. Это привело к тому, что импортировать испарители европейских производителей стало не выгодно.

 
 
Рис. 1. Рост объёма производства атмосферных испарителей ООО «НПО Мониторинг»:

— суммарная площадь поверхности теплообмена реализованных испарителей;

— количество реализованных испарителей 
 
 
С 2013 г. ООО «НПО Мониторинг» — авторизованный поставщик атмосферных испарителей для компаний «Air Liquide» и «Praxair».

Неоспоримыми достоинствами «классических» атмосферных испарителей являются их надёжность, простота конструкции и независимость от внешних источников энергии.

К 2015 г. компанией было освоено серийное производство стандартных атмосферных испарителей с естественной конвекцией с единичной производительностью до 3500 нм3/ч по азоту. Единичная производительность испарителей ограничивается возможностью их транспортировки к месту эксплуатации автомобильным транспортом как габаритного груза. С целью снижения капитальных затрат на создание системы хранения и газификации испарители объединяют параллельно в группы (рис. 2).

Группы испарителей единичной производительности 2300–3500 нм3/ч по азоту в настоящее время смонтированы в Санкт-Петербурге (ПАО «ОМЗ» — Ижорские заводы), Кировске Мурманской области (АО «Апатит»), Набережных челнах (АО «Набережночелнинский трубный завод «ТЭМ-ПО») и на ряде других объектов.

 
 
Рис. 2. Атмосферные испарители в составе систем хранения и газификации: a — ИС 2300-С; б — ИС 3500-С.
 

3. СОЗДАНИЕ ИСПАРИТЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Следующим шагом к увеличению единичной производительности испарителей является создание аппаратов, оснащенных вентиляторами, для организации принудительного конвективного теплообмена между их поверхностями аппарата и атмосферным воздухом. Приведенная к единице поверхности производительность аппаратов такого типа оказывается до 2-х раз выше, чем у испарителей с естественной конвекцией.

Повышение производительности достигается за счёт увеличения скорости обтекания поверхности теплообмена аппарата воздухом, нагнетаемым в межтрубное пространство вентиляторами. Такой подход позволяет сократить металлоемкость парка средств газификации и снизить капитальные затраты на строительство системы хранения и газификации. К отрицательным факторам использования такой схемы можно отнести более высокую скорость обмерзания поверхностей испарителей.

Как показывает опыт эксплуатации испарителей, проблема снижения эффективности работы испарителей при постоянных расходах, близких к номинальным, особенно актуальна в осенне-зимний период, когда отсутствует возможность естественной регенерации — удаления вымерзающей на поверхности испарителя влаги (рис. 3).

 
 
Рис. 3. Очистка поверхности теплообмена испарителей ИС 0430-С механическим способом
 

В конце 2015 г. специалистами компании ООО «НПО Мониторинг» была разработана конструкция испарителей с принудительной конвекцией и системой отогрева теплообменной поверхности аппарата. На рис. 4 показан общий вид такого испарителя. Секция теплообменных элементов испарителя заключена в кожух для создания направленного потока воздуха вдоль оребренных труб. Поток воздуха подаётся осевым вентилятором, установленным в верхней части аппарата. В нижней части испарителя смонтирован шкаф управления, а также блок ТЭНов, предназначенный для отогрева («регенерации») аппарата по определенной программе. Для повышения эффективности отогрева испарителя между вентилятором и зоной размещения теплообменных элементов устанавливается приводная заслонка, блокирующая поток естественной циркуляции нагретого воздуха во время отогрева испарителя.

Атмосферные испарители с системой принудительной конвекции и блоком ТЭНов для отогрева аппарата обеспечивают непрерывную газификацию криопродукта в течение 24-х часов в сутки, 7-и дней в неделю при любой температуре окружающего воздуха. При этом затраты внешней электрической или тепловой энергии при таком способе газификации составляют менее 15 % от затрат на газификацию криопродукта с использованием электрических или пароводяных испарителей.
 
 
 

Рис. 4. Общий вид и состав испарителя с принудительной конвекцией и регенерацией:

1 — воздухозаборник; 2 — вентилятор; 3 — конфузор; 4 — приводная заслонка; 5 — шкаф управления; 6, 7 — коллектор выходной

 

Для непрерывной работы системы создается схема, включающая два испарителя или количество испарителей, кратное двум, с автоматическим переключением потоков криопродукта. На рис. 5 приведена такая схема.

 
Рис. 5. Схема включения испарителей с системой принудительного отогрева
 

В начальный период работы при подаче питания система анализирует состояние элементов и выбирает «основную» ветвь. Вторая ветвь остается в исходном положении. Начальное положение устройств: приточные заслонки закрыты, нагреватели и вентиляторы выключены.

После выбора «основной» ветви открывается соответствующий клапан для подачи жидкого крио-продукта в испарители. Когда в коллектор поступает жидкий продукт (температура среды в трубопроводе контролируется датчиком температуры) открывается приточная заслонка и включается вентилятор.

«Основная» ветвь работает в течение заданного рабочего периода. Продолжительность может изменяться оператором. По истечении заданного рабочего периода происходит переключение ветвей. «Основная» ветвь переходит в режим «регенерации», «резервная» же ветвь включается в работу.

В режиме «регенерация» система контролирует температуру окружающего воздуха и выбирает один из двух режимов отогрева испарителей:

  • В весенне-летний период (при температуре окружающего воздуха выше +10 °C) в режиме «регенерация» оттаивание поверхности теплообмена испарителей происходит за счет нагнетае-мого с помощью вентиляторов внутрь кожуха аппарата теплого воздуха. Это позволяет сократить расход электроэнергии по сравнению с «зимним» режимом отогрева на 60–70 %.
  • В осенне-зимний период (при температуре окружающего воздуха ниже +10 °C) для сокращения расхода электроэнергии на регенерацию сначала атмосферным воздухом с помощью вентиляторов температура в межтрубном пространстве выравнивается с температурой окружающего воздуха. Затем вентиляторы выключаются, закрываются приточные заслонки и включаются ТЭНы, установленные в нижней части аппаратов. Температура внутри кожуха аппарата при этом поднимается до заданной положительной температуры. В результате происходит естественное оттаивание образовавшегося в межтрубном пространстве льда.


Для увеличения теплосъёма с нагревателей и одновременно увеличения ресурса ТЭНов, а также повышения надёжности испарителей для регенерации используются воздушные оребренные ТЭНы с оболочкой из нержавеющей стали (рис. 6).

 
 
Рис. 6. Оребренный ТЭН с оболочкой, изготовленной из нержавеющей стали
 

Развитая площадь поверхности ТЭНов обеспечивает высокий теплосъём при температуре их поверхности, не превышающей +120 °C.

В 2016 г. планируется начать серийный выпуск атмосферных испарителей с принудительной конвекцией и системой отогрева.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Иванов К.А., Павлов Н.В. Современные атмосферные испарители криогенных жидкостей// Технические газы. — 2010. — № 3. — С. 31–34.

  2. Иванов К.А., Павлов Н.В. Атмосферные испарители высокого давления для газификации сжи женных ПРВ и СПГ// Технические газы. — 2012. — № 3. — С. 28–30.

  3. Иванов К.А., Павлов Н.В. Использование атмосферных испарителей в системах хранения и газификации жидких криопродуктов// Технические газы. — 2013. — № 4. — С. 70–72.

Читать статью в формате pdf