ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ГАЗОВЫХ И ЖИДКИХ СРЕД
GAS AND LIQUID MEDIUMS ELECTRIC HEATER

Изобретение относится к электронагревателям, предназначенным для нагрева, преимущественно, агрессивных, находящихся под высоким давлением газовых или жидких сред, и может быть использовано на объектах газовой промышленности, например в составе компрессорных станций магистральных газопроводов; на объектах нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической промышленности.
В настоящее время известен ряд электрических нагревателей среды, в том числе, и газа, и жидкости.
Известен нагреватель потока среды (Патент РФ №2269071), снабженный патрубками подвода и отвода среды корпус с крышкой, вставку, соосно установленную внутри корпуса, образующую со стенками корпуса зазор, и U-образные электронагревательные элементы, при этом вставка выполнена в виде верхней и нижней торцовых пластин и навитой по спирали обечайки, расположенной между торцевыми пластинами и соединенной с ними с образованием лабиринтного канала, вход которого соединен с зазором между стенкой корпуса и вставкой, а выход соединен с расположенным по центру нижней торцевой пластины вставки патрубком для прохода среды, состыкованным с патрубком отвода среды корпуса. Расположенные в лабиринтном канале теплоэлектронагреватели (ТЭНы) закреплены в крышке корпуса.
Недостатком указанного нагревателя является то, что форма канала лабиринта, в котором протекает среда, не обеспечивает равномерного по длине обтекания ТЭНов, что снижает эффективность нагрева. Кроме того, конструкция лабиринта предполагает различные условия работы нагревательных элементов, установленных в начале и в конце лабиринта, так как температура среды к концу лабиринта значительно повышается, при этом охлаждение нагревательных элементов в зазоре между крышкой и вставкой (в месте крепления) осуществляется для всех нагревательных элементов одинаково. Указанные недостатки приводят к неравномерности нагрева среды и к неравномерности нагрузки нагревательных элементов, что приводит к снижению ресурса. Также недостатком известного нагревателя, снижающим ресурс, является то, что с нагреваемой средой контактируют непосредственно ТЭНы, что резко снижает безопасность его работы и не позволяет использовать для нагрева газа под высоким давлением, т.к. это (прямой нагрев) запрещено нормативными документами по технике безопасности.
Также известен нагреватель газа, содержащий основание с фланцами подвода и отвода газа, металлические трубки теплообменника, защитный кожух, причем трубки теплообменника выполнены в виде короткозамкнутых кольцевых витков, расположенных один над другим и охватывающих катушку и магнитопровод индуктора, противоположные участки кольцевых витков соединены соответственно с фланцами подвода и отвода газа посредством горизонтальных распределителей и трубчатых стояков (Патент РФ №126434). Все соединения элементов трубчатого теплообменника (кольцевые витки, горизонтальные распределители, трубчатые стояки) выполнены сваркой. Учитывая значительную величину давления подогреваемого газа (до 80 кГ/см.кв.), к качеству сварных швов подогревателя предъявляются очень высокие требования, что приводит к значительному увеличению трудоемкости изготовления нагревателя, в том числе к увеличению трудоемкости контроля качества сварных швов. Кроме того, конструкция известного нагревателя содержит значительное количество деталей, что не позволяет обеспечить удобство сборки. Итак, к недостаткам известного нагревателя газа можно отнести высокую трудоемкость его изготовления и контроля качества узлов, неудобство сборки одного из основных узлов - трубчатого теплообменника.
Известен проточный нагреватель природного газа, используемого на газораспределительных станциях магистральных газопроводов (Патент РФ №141121). С целью упрощения конструкции, снижения стоимости, трудоемкости изготовления и ремонта, в подогревателе газа, содержащем основание 1 с фланцами 2, 3 подвода и отвода газа, металлический трубчатый теплообменник, выполненный в виде короткозамкнутых витков, размещенных на магнитопроводе 4 и катушках 6 индуктора 5, защитный кожух 13, трубки 7 теплообменника выполнены в виде одинаковых секций 9 из последовательно соединенных спиральных витков 10, охватывающих катушки 6 и вертикально расположенные стержни 11 магнитопровода 4 индуктора 5, кроме того, секции 9 расположены одна над другой на стержнях 11 магнитопровода 4 индуктора 5 и выполнены из цельной металлической трубы круглого сечения. Недостатком указанного известного нагревателя является сложность конструкции.
Наиболее близким к предлагаемому решению по конструкторскому выполнению является электрический нагреватель среды (Патент РФ №35495), который содержит тепловыделяющий канал в виде токопроводящей трубы, которая свернута в спираль с переменным радиусом кривизны, размещена в теплоизолирующем кожухе и снабжена на концах токоразъемными фланцами, с помощью которых крепится к теплоизолирующему кожуху и патрубкам ввода нагреваемой среды и ее выхода, при этом теплоизолирующий кожух размещен во внешнем корпусе с зазором между их стенками и снабжен входным и выходным штуцерам для ввода в зазор инертного газа, кроме того, нагреватель снабжен токовводами, соединенными с токоразъемными фланцами. В преимущественном варианте выполнения, спираль может быть выполнена в виде двух спиралей разного радиуса кривизны, размещенных одна в другой и соединенных последовательно. А пространство между теплоизолирующим кожухом и тепловыделяющим каналом может быть заполнено теплоизолирующим материалом.
Недостатками данной конструкции является невозможность обеспечения малых потерь давления в электрическом нагревателе в случае больших расходов нагреваемой среды (до нескольких кг/с). В известном нагревателе могут происходить довольно большие потери давления среды, вследствие создания высоких гидравлических сопротивлений, особенно при больших расходах закачки. Это может происходить из-за того, что весь поток среды устремляется в один спиральный канал (даже при наличии двух спиралей, т.к. последние соединяются последовательно), который и создает высокое гидравлическое сопротивление. Кроме того, в известном нагревателе поток среды контактирует непосредственно со стенками токопроводящей трубы, которая в свою очередь является и электронагревательным элементом, что в условиях агрессивных сред, поступающих в электронагреватель под высоким давлением, может привести к нарушению изоляции и замыканию электрической цепи. Это снижает безопасность эксплуатации нагревателя.
Технический результат, достигаемый предлагаемым нагревателем, заключается в повышении безопасности эксплуатации за счет исключения прямого контакта нагреваемой среды с электронагревательными элементами, при одновременном обеспечении достаточной эффективности и равномерности нагрева среды при различных расходах подачи, с обеспечением при этом минимальных потерь давления в самом нагревателе, за счет снижения гидравлического сопротивления.
Поставленный технический результат обеспечивается предлагаемым электрическим нагревателем газовых и жидких сред, включающим корпус с входным и выходным отверстиями для нагреваемой среды, установленный внутри корпуса с кольцевым зазором спиральный узел в виде простирающихся вдоль осевого направления корпуса двух спиралей, согнутых из труб и предназначенных для пропускания нагреваемой среды, и электронагревательный элемент с токовводами, при этом новым является то, что внешняя поверхность корпуса снабжена футеровкой из теплоизоляционного материала, поверх которого установлен защитный кожух, в качестве спирального узла нагреватель содержит два спиральных змеевика, размещенных параллельно на одной оси со смещением на один виток по отношению друг к другу, причем обе спирали змеевиков выполнены с одинаковым радиусом гиба и с одинаковыми зазорами между витками, размеры которых составляют величину 1,3…3,0 от диаметра трубы спирали, а свободные концы спиралей змеевиков соединены с одной стороны с коллектором ввода нагреваемой среды, а с другой стороны - с коллектором ее вывода, причем указанные коллекторы ввода и вывода выполнены однотипными в виде детали-тройника, внутри которой выполнены три канала, два из которых соединены с соответствующими свободными концами спиралей змеевиков с одной или с другой стороны, а третий канал соединен с указанными двумя и соединен с входным патрубком или с выходным патрубком нагреваемой среды соответственно, при этом электронагревательные элементы расположены соосно спиралям змеевиков, при этом внутренняя полость корпуса заполнена алюминием полностью или частично, только в зоне полости корпуса, где находятся спирали змеевиков и электронагревательные элементы.
Электронагревательные элементы выполнены в виде U-образных или в виде стержнеобразных ТЭНов или ТЭНов патронного типа.
В качестве теплоизоляционного материала он содержит минеральный утеплитель.
Он дополнительно содержит датчик температуры, размещенный в установочном стакане, часть которого находится в полости корпуса в алюминии, а вторая часть - имеет внешний выход.
Токовводы электронагревательных элементов подключены к вводной клеммной коробке, которой снабжен один из торцев корпуса.
Вводная клеммная коробка выполнена во взрывозащищенном исполнении.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что внешняя поверхность корпуса снабжена теплоизоляционным материалом, например минеральным утеплителем, защищенным сверху кожухом, исключаются тепловые потери, а значит повышается эффективность нагрева.
Использование в качестве спирального узла двух спиральных змеевиков, размещенных на одной оси фактически параллельно друг другу со смещением на один виток по отношению друг к другу, например, посредством вкручивания одной спирали змеевика в другую спираль второго змеевика (т.е. получается как бы одна спираль «вставлена» в другую и при этом витки одной спирали размещены в зазорах между витками второй спирали), обеспечивает, во-первых, увеличенную площадь теплообмена, что позволит повысить эффективность нагрева; во-вторых, обеспечивает снижение гидравлического сопротивления потока нагреваемой среды за счет перераспределения по двум одинаковым каналам, т.к. спирали установлены параллельно, что позволит значительно снизить до минимальных величин потери давления нагреваемой среды в нагревателе (этот эффект очень важен, т.к. если потери давления в нагревателе будут большими, то имеется вероятность снижения мощности последующих эксплуатационных объектов, куда поступает нагреваемая среда); в-третьих, обеспечение снижения гидравлического сопротивления одновременно скажется и на надежности конструкции в плане исключения нарушения целостности спиралей змеевиков.
Выполнение обеих спиралей змеевиков с одинаковым радиусом гиба и с одинаковыми зазорами между витками, размеры которых составляют величину 1,3-3,0 от диаметра трубы спирали, позволяет легко выполнить параллельное размещение этих двух спиралей соосно друг с другом, например, путем «вкручивания» одной в другую. Такая конструкция позволяет получить как бы единый в пространстве спиральный узел, который позволит обеспечить разделение входящего потока нагреваемой среды по двум каналам, что позволит одновременно обеспечить оптимальный нагрев среды (за счет аккумуляции теплового потока) и снизить гидравлическое сопротивление.
Также было установлено, что зазоры между витками в каждой спирали должны быть одинаковыми и при этом находиться в диапазоне 1,3-3,0 от диаметра трубы спирали (например, если диаметр трубы спирали 34 мм, то зазоры между витками спирали могут находиться в диапазоне 44,2 мм - 102 мм), только в этом случае обеспечивается возможность параллельного соосного размещения спиралей со смещением на один виток, например, путем вкручивания одной спирали в другую с образованием спирального узла. При величине зазоров менее 1,3 от диаметра трубы спирали такое вкручивание будет невозможно. А в случае величины зазоров между витками более 3 диаметра трубы спирали усложняется конструкция и снижается эффективность нагрева.
Например, при вкручивании одной спирали в другую при указанных заявленных характеристиках спиралей, витки второй спирали размещаются в зазорах витков первой спирали, и наоборот. Причем со смещением на один виток по отношению друг к другу. Благодаря чему и обеспечивается создание спирального узла из змеевиков, который имеет по два входа и по два выхода (это свободные концы змеевиков с одной и другой стороны). Два входа (два конца змеевика с одной стороны) соединены с коллектором ввода нагреваемой среды. А с другой стороны два выхода змеевика соединены также с коллектором, но с коллектором вывода среды. Причем указанные коллекторы ввода и вывода выполнены однотипными в виде детали-тройника, внутри которой выполнены три канала, два из которых подключены к соответствующим свободным концам змеевиков с одной или с другой стороны, а третий канал, соединенный с указанными двумя, является, по существу, камерой смешения и соединен с патрубком ввода или патрубком вывода нагреваемой среды соответственно. Благодаря использованию коллекторов такой конструкции в заявляемом нагревателе происходит равномерное распределение среды в два канала коллектора, что позволит снизить гидравлическое сопротивление потока, а значит обеспечить лишь минимальные потери давления на выходе.
Благодаря тому, что нагреватель содержит автономные от спирального узла электронагревательные элементы, например, выполненные в виде U-образных или в виде стержнеобразных ТЭНов, или ТЭНов патронного типа, которые размещены соосно спиралям змеевиков, будет исключен контакт потока среды с токопроводящими элементами, что обеспечит безопасность работы нагревателя и позволит производить нагрев различных видов сред, в т.ч. и легковоспламеняющихся, агрессивных, подаваемых при высоком давлении, без создания аварийной ситуации. Тем более ряд нормативных документов (например, в области газоперекачки и газопереработки) полностью запрещает прямой нагрев взрывоопасных сред, подаваемых под высоким давлением. В промышленности ТЭНы в основном применяются в условиях атмосферного, либо незначительного давления (калориферы, канальные воздухоподогреватели в вентиляции). В случае необходимости применения нагревателей в условиях высоких давлений, возникает необходимость изготовления нестандартных нагревателей (или блоков ТЭНов), имеющих конструктивные элементы для крепления и уплотнения, а также исключающие прямой нагрев. А предлагаемая конструкция нагревателя позволяет использовать традиционные, серийные ТЭНы.
Размещение электронагревательных элементов в предлагаемом нагревателе таким образом (соосно) в указанном спиральном узле из змеевиков позволяет выбрать оптимальный эффективный нагрев (если надо нагрев среды произвести сильнее, то электронагревательные элементы можно установить соосно поближе к виткам спирали, если менее сильно, то подальше, также это можно использовать и при учете различной природы нагреваемой среды).
Кстати, немаловажную роль в эффективной работоспособности подогревателя при различных режимах расхода подаваемой среды и температуры нагрева играет тот факт, что свободные зазоры полости корпуса заполнены высокотеплопроводным материалом - алюминием, причем полностью или частично, например, только в зоне полости корпуса, где находятся спирали змеевиков и электронагревательные элементы (в последнем случае это еще имеет и дополнительный результат в виде экономии алюминия, т.к. в этом случае средняя часть полости корпуса нагревателя не заполняется алюминием, но без снижения при этом эффективности нагрева, т.к. все равно спирали и электронагревательные элементы будут находиться в зоне, заполненной алюминием). Благодаря этому конструкторскому приему эффективность нагрева будет, во-первых, оптимально высокой; во-вторых, будет обеспечена равномерная теплопередача от него спиралям змеевиков и соответственно нагреваемой среде.
Снабжение концов электронагревательных элементов токовводами обеспечивает подключение этих элементов к источнику питания. Такое подключение может быть выполнено, например, через вводную клеммную коробку, которой может быть обеспечен один из торцев корпуса. Эта вводная клеммная коробка может быть выполнена, например, во взрывозащищенном исполнении.
Также в преимущественном варианте предлагаемый подогреватель может дополнительно содержать датчик температуры, размещенный в установочном стакане, часть которого находится в полости корпуса в алюминии, а вторая часть имеет внешний выход. Это позволяет обеспечить контроль за нагревом.
Вышеуказанный технический результат, по сути, состоит из трех частей. Но при этом следует подчеркнуть, что указанные части неразрывно связаны между собой технически причинно-следственной связью, а именно:
- повышение безопасности за счет исключения прямого контакта нагреваемой среды с электронагревательными элементами является необходимым, т.к. в этом случае можно работать с любыми видами среды, даже с агрессивными и под высоким давлением, и такая работа не будет приводить к снижению эффективности нагрева или к невозможности функционирования нагревателя;
- но сама по себе указанная безопасность создает проблему обеспечения эффективности нагрева указанной среды, т.к. электронагревательные элементы для целей безопасности должны будут находиться в предлагаемом нагревателе автономно (т.е. за пределами) спирального узла, по которому протекает среда. Однако предлагаемые в заявляемом нагревателе конструктивные приемы позволяют совместить и безопасность и эффективный нагрев;
- но одновременно с безопасностью и с оптимальным нагревом необходимо обеспечить минимальные потери давления в нагревателе при нагреве за счет снижения гидравлического сопротивления в спиральном узле. Это достигается за счет разделения потока поступающей среды на две части, но при этом эти две части (два спиральных змеевика) обеспечивают увеличение площади теплообмена, т.е. работают на эффективность нагрева.
А вместе с этим снижение гидравлического сопротивления еще дополнительно будет положительно сказываться и на целостности конструкции при различных расходах подачи среды, т.е. на надежности работы нагревателя.
Вот почему безопасность работы предлагаемого нагревателя с различными видами среды и одновременное достижение высокой эффективности нагрева потока такой среды, с обеспечением при этом минимальных потерь давления среды в самом нагревателе, являются взаимообусловленными, функционально связанными между собой причинно-следственной связью частями, которые совместно и образуют общий технический результат заявленного изобретения.
Указанный общий технический результат достигается только всей совокупностью конструктивных признаков, изложенной в формуле изобретения.
Кроме того, следует подчеркнуть, что указанная совокупность признаков в формуле находится в функционально-конструктивном единстве для предлагаемого технического решения и исключение хотя бы одного из них нарушит это единство:
- во-первых, представляет собой единую конструкцию, конструктивные элементы которой соединены, сочленены между собой сборочными операциями, и в соединении обеспечивают реализацию нагревателем общего функционального назначения;
- во вторых, исключение хотя бы одного признака не обеспечит достижение поставленного технического результата;
- а в-третьих, не обеспечит реализацию назначения, т.е. может привести к несоответствию критерию «промышленная применимость».
Таким образом, предлагаемое изобретение характеризуется совокупностью взаимообусловленных признаков, которые все участвуют в обеспечении достижения технического результата, т.к. этот результат проявляется только при использовании этого технического решения в целом.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид заявляемого нагревателя; на фиг. 2 - схема внутренних конструктивных элементов предлагаемого нагревателя; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 и выноска А - общий вид электронагревательных элементов; выноска Б - общий вид спирального узла из трубчатых змеевиков из двух спиралей; на фиг. 4 - коллектор ввода/вывода среды.
Заявляемый электрический нагреватель газообразной или жидкой среды содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 отверстиями для нагреваемой среды. Внешняя поверхность корпуса 1 снабжена теплоизоляционным материалом 24, например минеральным утеплителем: базальтовым или другими, который может быть выполнен, например, толщиной 50 мм и закрыт защитным кожухом 21. Кожух может быть выполнен из листового материала и служить для механической защиты и защиты от атмосферного воздействия.
Внутри корпуса размещен концентрично с зазором к его стенкам спиральный узел в виде двух спиралей 4 и 5, вытянутых вдоль корпуса 1 и предназначенных для пропускания через них потока нагреваемой среды и образующих два спиральных трубчатых змеевика 6, соединенных параллельно друг с другом, например, посредством вкручивания (ввинчивания, вворачивания) одной спирали змеевика в другую. Учитывая, что спирали 4 и 5 змеевиков выполнены с одинаковым радиусом гиба и с одинаковыми зазорами 22 между витками 23, размеры которых составляют величину 1,3…3,0 от диаметра трубы спирали, просто так вставить одну спираль в другую параллельно проблематично. А вот, например, вкрутить одну в другую по спиральным виткам возможно.
Нагреватель также содержит электронагревательные элементы 7, соосно размещенные в указанном узле 6 из змеевиков, концы которых снабжены токовводами 8. Электронагревательные элементы 7 размещены соосно в указанном спиральном узле. В качестве указанных электронагревательных элементов 7 могут быть использованы, например, традиционные U-образные или стержнеобразные ТЭНы, или электронагреватели патронного типа. Токовводы 8 электронагревательных элементов 7 могут быть подключены к вводной клеммной коробке 20, которой может быть снабжен один из торцев корпуса 1.
Свободные концы 9 и 10 спиралей 4 и 5 змеевиков соответственно соединены с одной стороны спирального узла 6 с коллектором 11 ввода среды, а с другой стороны - с коллектором 12 вывода среды. Причем указанные коллекторы 11 и 12 ввода и вывода соответственно выполнены однотипными в виде детали-тройника, внутри которой выполнены три канала, два из которых 13 и 14 подключены к соответствующим свободным концам 9 и 10 соответственно спиралей змеевиков с одной или с другой стороны, а третий канал 15, соединенный с указанными двумя каналами 13 и 14, является по сути камерой смешения (соединение двух потоков из двух спиральных змеевиков) и соединен с патрубком 16 ввода или патрубком 17 вывода нагреваемой среды соответственно.
При этом свободные зазоры полости корпуса 1 заполнены (залиты) высокотеплопроводным материалом - алюминием 18 полностью (как показано на фиг. 1) или заполнены частично, только в зоне полости корпуса, где находятся спирали змеевиков и электронагревательные элементы (для экономии алюминия, но без ухудшения эффективности теплопередачи). Благодаря этому предлагаемый подогреватель будет обладать высокой тепловой инерцией, вследствие чего, будучи нагретым, он не подвержен небольшим изменениям температуры. В результате, будет обеспечено поддержание стабильной требуемой температуры, а значит нагрев будет эффективным.
Нагреватель дополнительно содержит датчик 19 температуры, необходимый для контроля температуры нагрева и размещенный в установочном стакане, часть которого находится в полости корпуса в алюминии, а вторая часть  имеет внешний выход.
Работает предлагаемый электрический нагреватель следующим образом.
От источника питания (на чертеже не показан) подают напряжение на вводную клеммную коробку 20 и соответственно на токовводы 8 электронагревательных элементов 7. Происходит выделение тепла с последних, которое передаются через алюминий 18, залитый в корпус 1, стенкам спиралей змеевиков и далее - нагреваемой среде, протекающей по этим спиральным каналам, нагревая ее. Через патрубок 16 поток среды поступает в канал 15 коллектора 11, далее он разделяется на два потока и по каналам 13 и 14 поступает внутрь спиралей 4 и 5 соответственно. При прохождении по указанным спиралям среда нагревается от теплопередачи алюминия 18 виткам спирали, что обеспечит равномерность и эффективность нагрева. Поток среды, дойдя до свободных концов 10 спиралей 4 и 5, поступает в коллектор 12 вывода среды через каналы 13 и 14 соответственно и далее в канал 15 коллектора вывода - камеру их смешения и в патрубок 17 вывода среды в трубопровод.
Был изготовлен опытный образец предлагаемого нагревателя для газа со следующими характеристиками:
- расход газа 0…5400 кг/ч;
- рабочее давление газа 4,5…7,5 МПа;
- нагреваемая среда - природный газ по ГОСТ 5542-87;
3
- прирост температуры газа 30°C (при расходе газа 2000 н.м/ч).
Нагреваемый газ представлял собой природный газ (метан) и подавался под давлением 6 МПа. После нагрева этого потока газа в предлагаемом нагревателе на выходе была зафиксирована потеря давления всего лишь на 0,082 МПа.
Однако следует пояснить, что величина потери давления может быть различной в заявляемой конструкции электрического нагревателя и зависеть от давления и от расхода нагреваемой среды.
Таким образом, предлагаемый нагреватель газовых и жидких сред имеет следующие преимущества перед известными:
- обеспечивает безопасность эксплуатации за счет исключения прямого контакта потока среды с поверхностью электронагревательного элемента, что позволяет производить нагрев даже агрессивных и подаваемых под высоким давлением сред;
- обеспечивает при такой безопасности высокую эффективность нагрева потока при различных расходах закачиваемой среды;
- позволяет наряду с безопасностью и оптимальным нагревом минимизировать потери давления потока среды в нагревателе и свести их к минимальной величине за счет снижения гидравлического сопротивления (например, в прототипе этого не происходит, т.к. спирали соединены последовательно);
- позволяет обеспечить целостность конструкции даже при высоких давлениях прокачки среды за счет присутствия в подогревателе спирального узла в виде двух спиральных змеевиков, в которых поток газа разделяется и снижает тем самым гидравлическое сопротивление на стенки спирали.