ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ КОНВЕКЦИОННОГО НАГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к устройствам для нагрева теплоносителей (жидкостей, газов и других), конкретно к трубчатым печам и может быть использована в нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслях промышленности.
Известна трубчатая печь (авторское свидетельство SU 1 186 913; МПК F27B 1/10, C10G 9/20; опубликовано 23.10.1985), содержащая футерованный корпус, вдоль стен которого с зазором установлены трубные змеевики. В центральной части дна корпуса расположено горелочное устройство, а пространство над горелочным устройством между трубными змеевиками образует камеру сгорания. Печь снабжена узлом отвода дымовых газов, соединенным при помощи рециркуляционной системы с интенсификаторами в виде дымовых трубок, размещенных в корпусе по высоте змеевика.
Однако расположение камеры сгорания в непосредственной близости с трубными змеевиками увеличивает риск их неравномерного нагрева.
Наиболее близким является устройство нагрева, обеспечивающее управляемый конвекционный нагрев (патент на изобретение US 3,854,455; МПК C10G 47/00, C10G9/20, F23C9/08; опубликовано 17.12.1974), содержащее корпус с размещенными внутри камерой сгорания, снабженной горелочным узлом с открытым пламенем горелки, и теплообменной камерой, снабженной по крайней мере одним трубным змеевиком, причем выход камеры сгорания соединен с входом теплообменной камеры. Устройство содержит рециркуляционный вентилятор, вход которого соединен с выходом теплообменной камеры, а выход соединен с входом камеры сгорания. Камера сгорания и теплообменная камера расположены в корпусе так, чтобы направление потока газа в теплообменной камере было под углом 180° относительно направления потока газа в камере сгорания.
Недостатками прототипа является большие теплопотери на участке корпуса, соединяющем камеру сгорания с теплообменной камерой, а также быстрый износ корпуса и змеевика из-за использования горелочного узла с открытым пламенем горелки.
Технической проблемой является устранение перегретых участков камеры сгорания и трубного змеевика.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении срока службы устройства за счет устранения воздействия пламени горелочного узла на стенки камеры сгорания, устранения перегрева стенок теплообменной камеры за счет введения камеры смешения, и устранения перегрева трубного змеевика благодаря улучшению теплопередачи от горелочного узла к содержимому трубного змеевика за счет использования оребренных труб с внутренними турбулизирующими вставками, при снижении теплопотерь.
Указанный технический результат достигается тем, что трубчатая печь содержит корпус с размещенной внутри камерой сгорания, снабженной горелочным узлом, и теплообменной камерой, снабженной по крайней мере одним трубным змеевиком; рециркуляционный вентилятор, вход которого соединен с выходом теплообменной камеры, согласно решению печь содержит камеру смешения, вход которой соединен с выходом камеры сгорания и выходом рециркуляционного вентилятора, а выход соединен с входом теплообменной камеры, камера смешения выполнена из двух концентрических обечаек, между которыми расположено спиральное ребро жесткости, образующее воздушный канал от выхода камеры смешения к входу камеры смешения; печь содержит дутьевой вентилятор, выход которого соединен с воздушным каналом у выхода камеры смешения; горелочный узел снабжен входом для воздуха, соединенным с воздушным каналом у входа камеры смешения; камера сгорания, камера смешения и теплообменная камера расположены в корпусе так, чтобы обеспечить направление потока газа в теплообменной камере под углом 90° относительно направления потока газа в камерах сгорания и смешения. Трубный змеевик выполнен из гладких или оребренных труб и снабжен внутренними турбулизирующими вставками в наиболее теплонапряженных зонах теплообменной камеры. Камера сгорания содержит жаровую трубу, расположенную так, чтобы обеспечить горение пламени горелочного узла внутри жаровой трубы.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства, на фиг. 2 – устройство в разрезе, на фиг. 3 – камера сгорания.
Позициями на чертежах обозначены:
1 -  корпус;
2 -  камера сгорания;
3 -  днище;
4 -  горелочный узел;
5 -  коническая обечайка;
6 -  цилиндрическая обечайка;
7 -  вход для воздуха;
8 -  жаровая труба;
9 -  перфорированная насадка;
10 -  камера смешения;
11 -  внутренняя обечайка;
12 -  внешняя обечайка;
13 -  ребро жесткости;
14 -  воздушный канал;
15 -  вход камеры смешения;
16 -  выход камеры смешения;
17 -  направление потока газа в камере смешения;
18 -  дутьевой вентилятор;
19 -  первый патрубок;
20 -  второй патрубок;
21 -  теплообменная камера;
22 -  трубный змеевик;
23 -  выпускная труба;
24 -  вход теплообменной камеры;
25 -  выход теплообменной камеры;
26 -  направление потока газа в теплообменной камере;
27 -  рециркуляционный вентилятор;
28 -  всасывающий трубопровод;
29 -  нагнетательный трубопровод.
Трубчатая печь содержит корпус 1, представляющий собой объемную металлическую конструкцию, внутри которой размещены камера 2 сгорания, камера 10 смешения и теплообменная камера 21 (фиг. 1), причем камеры расположены в корпусе так, чтобы направление 26 потока газа в теплообменной камере было под углом 90° относительно направления 17 потока газа в камерах сгорания и смешения (в камерах сгорания и смешения направление потока газа преимущественно горизонтальное, а в теплообменной камере направление потока газа преимущественно вертикальное, фиг. 2).
Камера 2 сгорания (фиг. 3) выполнена циклонного типа и содержит последовательно соединенные между собой концентрично расположенные вдоль горизонтальной оси днище 3, коническую обечайку 5, цилиндрическую обечайку 6, а также расположенную внутри обечаек соосно с ними жаровую трубу 8, выполненную из жаростойкой стали и представляющую собой усеченный конус, имеющий перфорированную насадку 9 на торце с меньшем диаметром, обращенном к днищу 3, и конфузор с противоположной стороны. В днище 3 камеры 2 сгорания расположен горелочный узел 4, выполненный с возможностью подключения к источнику топливного газа и подсоса воздуха, необходимого для поддержания его горения, а цилиндрическая обечайка 6 снабжена улиткообразным входом 7 для воздуха.
Камера 10 смешения имеет цилиндрическую форму с входом 15 на одном торце и выходом 16 на другом, выполнена в виде двух горизонтальных концентрических обечаек 11 и 12, причем между внутренней обечайкой 11 и внешней обечайкой 12 расположено спиральное ребро 13 жесткости, образующее воздушный канал 14 от выхода 16 камеры смешения к входу 15 камеры смешения. Со стороны входа 15 торец камеры 10 смешения закрыт крышкой, в которой размещена по крайней мере одна камера 2 сгорания, со стороны выхода 16 торец камеры 10 смешения открыт и соединен с отверстием в нижней части теплообменной камеры 21, образующим вход 24 теплообменной камеры.
Теплообменная камера 21 содержит трубный змеевик 22 для нагреваемого теплоносителя, расположенный в центральной части теплообменной камеры и выполненный из гладких и/или оребренных труб, снабженных внутренними турбулизирующими вставками в наиболее теплонапряженных зонах теплообменной камеры. В верхней части теплообменной камеры расположен выход 25, снабженный выпускной трубой 23 на верхней стороне.
Устройство содержит рециркуляционный вентилятор 27 с электроприводом, закрепленный на корпусе 1 над камерой 10 смешения, причем вход вентилятора 27 соединен при помощи всасывающего трубопровода 28 с выходом 25 теплообменной камеры 21, а выход вентилятора 27 соединен при помощи нагнетательного трубопровода 29 с входом 15 камеры смешения 10 через отверстия, выполненные в обечайках 11 и 12 камеры смешения с верхней стороны.
Устройство содержит дутьевой вентилятор 18 с электроприводом, причем выход вентилятора 18 соединен при помощи первого патрубка 19 с одним концом воздушного канала 14 между обечайками 11 и 12 камеры 10 смешения, расположенным со стороны выхода 16 камеры 10 смешения, а другой конец воздушного канала 14 между обечайками 11 и 12 камеры 10 смешения, расположенный со стороны входа 15 камеры 10 смешения, соединен при помощи второго патрубка 20 с улиткообразным входом 7 для воздуха камеры 2 сгорания.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Камера 2 сгорания является генератором тепловой энергии для осуществления процесса нагрева теплоносителя, поступающего в трубный змеевик 22 печи. В горелочный узел 4 вводят топливный газ и воздух для поддержания горения, при этом горение пламени происходит внутри жаровой трубы 8, и обечайки 5 и 6 камеры сгорания не подвергаются чрезмерному нагреву. Дополнительный воздух подают при помощи дутьевого вентилятора 18, при этом воздух проходит по каналу 14 в камере 10 смешения, попадает в улиткообразный вход 7 для воздуха. Вращение поступающего потока воздуха с большой скоростью обеспечивает его движение вокруг жаровой трубы 8, в зоне конфузора, с высокой турбулентностью. В результате этого происходит интенсивное смешение воздуха с продуктами сгорания и обеспечивается высокая степень полноты сгорания топливного газа. Продукты сгорания топливного газа поступают в камеру 10 смешения, где их температура снижается за счет добавления рециркуляционным вентилятором 27 газа из выхода 25 теплообменной камеры 21. Затем продукты сгорания топливного газа поступают на вход 24 теплообменной камеры 21. Теплоноситель поступает в трубный змеевик 22 и равномерно нагревается за счет тепла, отдаваемого продуктами сгорания топливного газа, сжигаемого в камере 2 (камерах) сгорания. Необходимую температуру потока газа, подаваемого в теплообменную камеру 21, обеспечивают в камере 10 смешения путем подачи в нее требуемого объема остывших продуктов сгорания топливного газа, регулируя скорость вращения рециркуляционного вентилятора 27. Воздух, необходимый для сгорания топливного газа, прежде чем попасть во второй патрубок 20 и вход 7 для воздуха камеры 2 сгорания, проходит от дутьевого вентилятора 18 и первого патрубка 19 через канал 14 между внутренней и внешней обечайками 11 и 12 камеры 10 смешения и охлаждает их, что позволяет избавиться от необходимости использования теплоизоляционных материалов, имеющих малый ресурс и требующих периодической замены.
Разделение поблочно камеры 2 сгорания, камеры 10 смешения и теплообменной камеры 21 с трубным змеевиком 22, размещение теплообменной камеры 21 под углом 90° к камере 2 сгорания и камере 10 смешения, применение камеры 2 сгорания циклонного типа, обеспечивающее полное сгорание газовой смеси в ней самой, исключают возможность воздействия открытого пламени на змеевик 22, тем самым увеличивая срок его службы. Благодаря применению принудительной рециркуляции отходящих дымовых газов в камеру 10 смешения печи снижается температура потока газов на входе в теплообменную камеру 21, но увеличивается эффективность теплопередачи к змеевику 22 за счет дополнительного объема дымовых газов. Применение гладких и оребренных труб с внутренними турбулизирующими вставками для змеевика 22 в наиболее теплонапряженных зонах теплообменной камеры улучшает равномерность нагрева труб и теплоносителя в змеевике.