ТРУБЧАТЫЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ
TUBULAR HEATER

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к огневым подогревателям, и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева.
Известен подогреватель [1], где источником теплоты служат продукты сгорания топлива, перемещающиеся в горизонтальном газоходе по прямому и обратному ходам, а нагреваемый жидкий продукт подается в пучок продуктовых труб, размещенный над газоходом. Продуктовые трубы и газоход помещены в корпус, заполненный промежуточным жидким теплоносителем. Подогреватель содержит теплообменные трубки, закрепленные концами в нижней и верхней плоских стенках газохода. Наличие большого количества теплообменных трубок усложняет и удорожает конструкцию подогревателя. Большое количество сварных швов, соединяющих теплообменные трубки со стенками газохода, снижает надежность подогревателя. Нижняя плоская стенка газохода может прогорать из-за образования устойчивой паровой пленки в локальных впадинах на стенке. Подогреватель имеет высокую металлоемкость и габариты. Известен также подогреватель жидкости [2], содержащий корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, погруженную в последний жаровую трубу и горизонтальную продуктовую трубу, выполненную по крайней мере с одним вертикальным каналом, стенки которого скреплены кромкой с трубой. Подогреватель сложен в изготовлении. При высоком давлении нагреваемого продукта стенки вертикальных каналов должны быть толстыми. Высоки удельные затраты металла на единицу передаваемой тепловой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трубчатый подогреватель, содержащий жаровую трубу с размещенными в ней кольцами-турбулизаторами, конвективную камеру, примыкающее к торцу жаровой трубы горелочное устройство, рубашку, в которую помещен промежуточный жидкий теплоноситель и секция продуктового змеевика, выполненного из последовательно соединенных между собой труб-шпилек со вставленными в них закрученными лентами, которая последовательно соединена с другой секцией продуктового змеевика, размещенного в конвективной камере и выполненного из последовательно соединенных между собой труб-шпилек, на внешней поверхности которых имеется спиральная проволочная навивка, [3] - прототип.
В известном устройстве кольца-турбулизаторы в диаметральных сечениях жаровой трубы и выступы-турбулизаторы в виде проволочной навивки на трубах-шпильках секции продуктового змеевика в конвективной камере позволяют интенсифицировать теплообмен продуктов сгорания топлива и тем самым улучшить массогабаритные показатели подогревателя. Этому же способствует и наличие закрученных лент в продуктовых трубах-шпильках секции, размещенной в рубашке жаровой трубы. Недостатком подогревателя являются высокая температура стенки корпуса, что стимулирует высокие потери тепла в окружающую среду. При повышенных тепловых нагрузках в верхней части объема рубашки жаровой трубы может образовываться паровая "шапка" над промежуточным жидким теплоносителем из-за наличия внешнего теплоподвода через стенку рубашки, что приведет к резкому росту температуры стенки рубашки в районе "шапки" и возможному повреждению стенки по этой причине. В тяжелых температурных условиях работает также задняя торцовая стенка корпуса, так как на нее под прямым углом натекает высокотемпературный поток продуктов горения топлива и поступает поток теплоты излучением из объема жаровой трубы. Все это снижает эффективность и надежность работы подогревателя. Кроме того, подогреватель сложен в изготовлении, его трудно ремонтировать.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в упрощении конструкции, повышении эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя.
Сущность изобретения заключается в том, что в трубчатом подогревателе, содержащем корпусные элементы, выполненные цилиндрическими, жаровую трубу с размещенными в ней кольцами-турбулизаторами, конвективную камеру, примыкающее к торцу жаровой трубы горелочное устройство, рубашку, в которую помещен промежуточный жидкий теплоноситель и секция продуктового змеевика, выполненного из последовательно соединенных между собой труб-шпилек со вставленными в них закрученными лентами, которая последовательно соединена с другой секцией продуктового змеевика, размещенного в конвективной камере и выполненного из последовательно соединенных между собой труб-шпилек, на внешней поверхности которых имеется спиральная навивка, конвективная камера размещена в части жаровой трубы, противоположной горелочному устройству, в жаровой трубе под углом к горизонтали дополнительно размещены трубки, которые открытыми концами входят в рубашку, кроме того, корпусные цилиндрические элементы подогревателя выполнены разъемными для возможности извлечения секций продуктового змеевика и удобства проведения ремонтных работ.
В отличие от известного устройства размещение конвективной камеры в части жаровой трубы, противоположной горелочному устройству, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление потоку продуктов сгорания топлива, так как отсутствует поворот потока на 180°. При этом рубашка с промежуточным жидким теплоносителем становится наружным элементом подогревателя, что способствует снижению потери тепла в окружающую среду. Размещение в жаровой трубе под углом к горизонтали трубок, которые открытыми концами входят в рубашку, увеличивает площадь поверхности теплопередачи от продуктов сгорания топлива к промежуточному жидкому теплоносителю, который, находясь в трубках, имеет возможность перемещаться снизу вверх при нагреве. Кроме того, трубки служат защитой от жесткого теплового излучения факела пламени для продуктовых труб секции змеевика, расположенной в конвективной камере. Вследствие этого уменьшается вероятность локального перегрева элементов подогревателя. Выполнение корпусных цилиндрических элементов подогревателя разъемными позволяет проводить осмотры и, при необходимости, замену деталей и узлов устройства.
Все это в совокупности приводит к упрощению конструкции, повышению эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя. Подогреватель получается технологичнее в изготовлении. Легкость разборки и осмотра элементов обеспечивают высокую ремонтнопригодность подогревателя.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".
Известные подогреватели [1, 2] имеют повышенные металлоемкость и габариты, так как процессы теплообмена в них имеют невысокую интенсивность. Конструктивная сложность данных подогревателей и наличие большого числа сварочных швов отрицательно влияет на технологичность их изготовления и снижает надежность.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".
На фиг. 1 приведен продольный разрез предлагаемого трубчатого подогревателя; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечный разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - выносной элемент I на фиг. 1; на фиг. 5 - выносной элемент II на фиг. 1; на фиг. 6 - выносной элемент III на фиг. 1.
в
экв
экв
Трубчатый подогреватель содержит корпусные элементы, выполненные цилиндрическими, жаровую трубу 1, внутри которой на части ее длины расположена конвективная камера 2. В отверстиях жаровой трубы 1 закреплены под углом к горизонтали трубки 3, которые открытыми концами соединены с рубашкой 4, заполненной промежуточным жидким теплоносителем. К жаровой трубе 1 примыкает горелочное устройство 5. На всей длине жаровой трубы 1 размещены кольца-турбулизаторы 6. Со стороны, противоположной горелочному устройству 5, к части жаровой трубы 1, в которой размещена конвективная камера 2, примыкает газоотвод 7 для выхода продуктов горения топлива. В рубашке 4 размещена секция 8 продуктового змеевика. Секция 8 фланцевым отводом 9 соединена с другой секцией 10 продуктового змеевика, которая размещена в конвективной камере 2. Секции 8 и 10 змеевика выполняются преимущественно двухпоточными по нагреваемому продукту. Трубы-шпильки секции 10 продуктового змеевика имеют выступы-турбулизаторы 11, которые размещены на внешней поверхности труб с шагом t=(6÷12)h, где h - высота выступов-турбулизаторов, назначается в интервале h=(0,01÷0,02)d, где d - эквивалентный диаметр пучка продуктовых труб-шпилек. Выступы-турбулизаторы 11 преимущественно выполняются в виде наплавленных спиральных ребер с профилем сечения приближенным к полукругу, что обеспечивает высокий уровень интенсификации конвективного теплообмена и умеренный рост гидравлического сопротивления потока продуктов сгорания топлива по отношению к трубам с гладкой поверхностью. В трубы-шпильки секции 8 змеевика вставлены закрученные ленты 12 для интенсификации теплообмена нагреваемого продукта.
Корпусные цилиндрические элементы подогревателя выполнены разъемными для возможности извлечения секций 8 и 10 продуктового змеевика и удобства проведения ремонтных работ. В конструкции подогревателя минимизировано количество сварных швов и широко используются стандартные и унифицированные изделия.
Трубчатый подогреватель работает следующим образом. Образующиеся при сжигании топлива в горелочном устройстве 5 продукты горения поступают в жаровую трубу 1, где охлаждаются, отдавая теплоту путем радиации и конвекции через стенку жаровой трубы промежуточному жидкому теплоносителю, находящемуся в рубашке 4. От промежуточного теплоносителя теплота затем через стенки труб-шпилек секции 8 продуктового змеевика передается нагреваемому продукту. Наличие колец-турбулизаторов 6 в жаровой трубе 1 приводит к образованию микровихрей в пристенной зоне потока продуктов горения и тем самым интенсифицирует конвективный теплообмен. Часть своей теплоты продукты горения отдают промежуточному жидкому теплоносителю также через стенки поперечно обтекаемых трубок 3. Наклонное по отношению к горизонтали расположение трубок 3 обеспечивает устойчивую циркуляцию промежуточного жидкого теплоносителя в системе рубашка - трубки и надежное охлаждение их стенок. Затем продукты горения поступают в конвективную камеру 2, где отдают теплоту нагреваемому продукту через стенки труб-шпилек секции 10 продуктового змеевика, а также через стенку части жаровой трубы, окружающей конвективную камеру 2, в рубашку 4 с промежуточным жидким теплоносителем. Наличие выступов-турбулизаторов 11 на трубах-шпильках секции 8 продуктового змеевика позволяет существенно интенсифицировать конвективный теплообмен продуктов горения со стенками труб-шпилек. Из конвективной камеры 2 продукты горения поступают в газоотвод 7, откуда удаляются в атмосферу.
Направление движения нагреваемого продукта по трубам секций продуктового змеевика может быть различным. Преимущественный вариант направления движения для продукта типа нефти, могущего образовывать коксовые отложения на теплообменной поверхности, показан стрелками на фиг. 1. Нагреваемый продукт поступает сначала в секцию 8 продуктового змеевика, где идет его нагрев в условиях "мягкого" температурного режима. Затем продукт поступает в секцию 10 продуктового змеевика, где догревается до заданной конечной температуры. В секции 10 при повышенной температуре продукта его вязкость снижается, что способствует повышению интенсивности теплообмена потока продукта со стенками труб. Это позволяет поддерживать температуру стенки труб секции 10 продуктового змеевика ниже величины, допустимой по условиям минимизации коксовых отложений на теплообменной поверхности.
Преимуществами предлагаемого трубчатого подогревателя являются:
- конструктивная простота, более простые технологии изготовления и ремонта;
- малое число комплектующих изделий в конструкции, при этом комплектующие являются преимущественно унифицированными и стандартными изделиями;
- меньшая металлоемкость, что обусловлено использованием приемов и средств интенсификации теплообмена продуктов горения топлива и нагреваемого продукта с теплопередающими поверхностями;
- меньшее гидравлическое сопротивление по тракту продуктов горения, так как отсутствуют повороты, изменяющие направление движения потока;
- меньшие потери тепла в окружающую среду от поверхности подогревателя;
- меньшие удельные капитальные и эксплуатационные затраты, что обусловлено простотой конструкции подогревателя и рекомендованными оптимальными размерами турбулизаторов, размещенных на поверхностях теплообмена;
- высокая надежность из-за относительно низких рабочих температур конструктивных элементов подогревателя и отсутствия в них высоких термических напряжений.
Например, трубчатый подогреватель тепловой мощностью 2 МВт, предназначенный для нагрева водо-нефтяной эмульсии до температуры 90°С, имеет диаметр жаровой трубы 630 мм и ее длину 11300 мм. Тепловой КПД составляет 90% при номинальной тепловой мощности. В качестве промежуточного теплоносителя используется вода. По сравнению с известными выпускаемыми промышленностью аналогами предлагаемый трубчатый подогреватель имеет в среднем в четыре раза большую величину отношения номинальной тепловой мощности к полному его весу.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1561612, М.кл. F22B 7/00 от 05.10.1987.
2. Авторское свидетельство СССР №1668827, М.кл. F24P /14 от 10.05.1989.
3. Патент на изобретение PU №2256846, М. кл. F22B 7/00 от 01.03.2004. Опубликовано 20.07.2005, бюл. №20.