ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ

Полезная модель относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым печам, и может быть использована в нефтяной, химической промышленностях и других отраслях техники для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева.
Известны трубчатые печи, где источником теплоты служат продукты горения топлива, а продуктовые трубы размещены в радиантной и конвекционной камерах печи [1].
Высокая неравномерность распределения температуры продуктов горения топлива в теплопередающих камерах таких печей и различные условия обтекания греющими газами отдельных участков продуктовых труб приводят к значительной неоднородности плотности теплового потока на площади поверхности теплопередачи и высоким локальным значениям температуры стенки труб, что осложняет нагрев сред, склонных к термическому разложению и образующих при нагреве твердые коксовые отложения на стенках труб.
Известна трубчатая печь, включающая камеру радиации с источниками теплового излучения, нагревательные продуктовые трубы и тепловые трубки, которые выполнены в виде кольца овальной формы, часть которого расположена снаружи нагревательной трубы со стороны источника теплоты, а другая часть - внутри нагревательной трубы [2].
В печи при работе возможен местный перегрев стенок продуктовых труб и, как следствие, их закоксовывание при обработке нефтей и нефтепродуктов и пережог стенки. Печь отличается большими удельными затратами металла на изготовление.
Известна также трубчатая печь с теплообменной камерой цилиндрической формы на одном из торцев которой размещены горелочные устройства, а поверхность теплопередачи выполнена в виде змеевика из прямых отрезков продуктовых труб соединенных калачами, размещенного в камере концентрически с ней у боковой цилиндрической стены [3].
В данной печи обеспечивается относительно равномерное распределение плотности теплового потока, падающего на поверхность теплопередачи в диаметральных плоскостях камеры, но в осевом направлении плотность теплового потока сначала растет, достигает максимума, а затем сильно снижается вместе с температурой греющих газов по ходу их движения. На участке поверхности теплопередачи с максимумом плотности теплового потока возможно закоксовывакие труб и пережог их стенки. Зоны змеевика, примыкающие к торцевым стенкам камеры, работают неэффективно, так как имеют низкую интенсивность
теплообмена. Продольное обтекание продуктовых труб дымовыми газами не способствует повышению конвективной составляющей передаваемого теплового потока, что дает основание заключить о наличии неиспользованных возможностей в известном устройстве.
Более "мягкий" режим нагрева продукта, повышенная интенсивность конвективного теплообмена между поверхностью теплопередачи и продуктами горения топлива, большая равномерность распределения температуры в газовом объеме теплообменной камеры и плотности теплового потока по поверхности теплопередачи достигается в трубчатой печи [4] - прототип.
Трубчатая печь [4] включает цилиндрическую теплообменную камеру, горелочные устройства, змеевик, состоящий из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, размещенных в камере у боковой и торцевых ее стенках, имеет внутренний змеевик с ленточными приварными проставками между соседними прямыми участками продуктовых труб, который выполнен в виде цилиндра с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика и размещен внутри пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной своей стороной он примыкает к трубам на торцевой стене, а другая сторона образует со смежной торцевой стеной зазор, горелочные устройства размещены диаметрально противоположно на боковой стене теплообменной камеры, причем осевые линии выходных каналов диаметрально расположенных горелочных устройств проходят по касательным к диаметрально противоположным сторонам поверхности условного цилиндра, концентричного змеевикам и расположенного в кольцевом пространстве между ними.
В печи реализуется циклонный принцип нагрева, когда теплота от вращающегося вихря продуктов горения передается с высокой интенсивностью ограничивающей поверхности. Приварные проставки между трубами внутреннего змеевика служат как тепловые ребра и препятствуют перетечкам газов из кольцевого пространства в цилиндрический объем через трубную поверхность змеевика.
Недостатком известного устройства является низкая интенсивность теплообмена прямого потока продуктов горения топлива в цилиндрическом пространстве внутреннего змеевика с ограничивающими этот поток стенками продуктовых труб и ленточных приварных проставок, что приводит к повышенной металлоемкости печи или к снижению ее энергоэффективности.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности работы трубчатой печи за счет интенсификации теплообмена между продуктами горения топлива в цилиндрическом пространстве внутреннего змеевика и ограничивающими поверхностями стенок.
Поставленная задача решается тем, что в трубчатой печи, включающей цилиндрическую теплообменную камеру, горелочные
устройства, змеевик, состоящий из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, размещенный в камере у боковой и торцевых ее стен, а также внутренний змеевик с ленточными проставками между соседними прямыми участками продуктовых труб, который выполнен в виде цилиндра с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной своей стороной он примыкает к трубам на торцевой стене, а другая сторона образует со смежной торцевой стеной зазор, дополнительно во внутреннем змеевике установлен закручивающий продукты горения элемент, выполненный в виде шнека.
Дополнительная установка закручивающего продукты горения элемента в цилиндрическом пространстве внутреннего змеевика позволяет значительно интенсифицировать теплообмен продуктов горения с ограничивающими их стенками. Применение шнековых закручивателей в трубах, например, согласно данным, приведенным в книге - В.К.Щукин / Теплообмен и гидродинамика внутренних потоков в полях массовых сил // М. Машиностроение, 1970. С.191-194, увеличивает интенсивность теплообмена по отношению к незакрученному потоку до 2,5 раз. Экспериментальные исследования, результаты которых представлены в статье - А.В.Щукин, Р.С.Агачев, Р.Р.Габдрахманов, И.Я.Хасаншин / Интенсификация теплообмена поперечными выступами в коротком криволинейном канале // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену: Т.6. Интенсификация теплообмена; Радиационный и сложный теплообмен. М.: Изд-во МЭИ, 2002. с.217-219, показывают, что наличие полусферических элементов дискретной шероховатости на вогнутой поверхности теплообмена (в предлагаемой полезной модели полусферическими элементами шероховатости служат продуктовые трубы внутреннего змеевика) дополнительно интенсифицирует теплообмен примерно в 1,5 раза. Кроме того, закручивающий продукты горения элемент служит вторичным излучателем тепловой энергии на поверхность внутреннего змеевика, способствуя тем самым еще большей активизации передачи тепла от продуктов горения к нагреваемому продукту.
При одинаковом направлении крутки продуктов горения в кольцевом пространстве между пристенным и внутренним змеевиками и в цилиндрическом пространстве внутреннего змеевика, наличие дополнительно устанавливаемого закручивающего элемента не приведет к значительному повышению аэродинамического сопротивления трубчатой печи.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".
Известные технические решения с однонаправленным движением продуктов горения в теплообменной камере трубчатой печи и прямым [1, 3] или косвенным [2], через промежуточный теплоноситель, нагревом
продукта имеют повышенную удельную металлоемкость и габариты. Конструктивное исполнение данных печей не обеспечивает интенсифицированный теплообмен и в достаточной мере равномерное распределение плотности теплового потока по поверхности теплопередачи.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".
На фиг.1 приведен продольный разрез предлагаемой трубчатой печи; на фиг.2 - поперечный разрез А-А на фиг.1.
Трубчатая печь содержит теплообменную камеру 1, ограниченную торцевыми стенами 2 и 3 и цилиндрической боковой стеной 4, на которой размещены горелочные устройства 5. В теплообменной камере 1 установлены пристенный змеевик 6, имеющий прямые участки продуктовых труб 7 на торцевых стенах 2 и 3 и внутренний змеевик 8, снабженный ленточными приварными проставками 9 между соседними прямыми участками продуктовых труб. В цилиндрическом пространстве внутреннего змеевика 8 размещен закручивающий продукты горения элемент 10, за которым по ходу движения газов расположен газоотвод 11.
Трубчатая печь работает следующим образом. Образующиеся при сжигании топлива в горелочных устройствах 5 продукты сгорания поступают в кольцевое пространство между змеевиками 6 и 8, где за счет инжектирующего воздействия на газовую среду создают сложное вихреобразное ее движение. Преимущественное осредненное движение греющего газа в кольцевом пространстве является винтовым с перемещением от торцевой стены 3 к торцевой стене 2, возле которой газы через кольцевой зазор между змеевиками 6 и 8 перетекают в цилиндрическое пространство внутри змеевика 8, где, сохраняя свою крутку за счет наличия закручивающего элемента 10, перемещаются в направлении к торцевой стене 3. Удаление охлажденных газов из печи осуществляется через газоотвод 11.
Использование предлагаемой трубчатой печи обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества:
- наличие в цилиндрическом пространстве внутреннего змеевика закручивающего продукты сгорания элемента позволяет значительно, в несколько раз, интенсифицировать теплообмен продуктов сгорания со стенками змеевика и тем самым повысить тепловую эффективность печи;
- варьируя конструктивные характеристики дополнительно устанавливаемого закручивающего продукты сгорания элемента можно управлять интенсивностью теплообмена и обеспечивать требуемое качество нагрева продукта и другие технологические показатели работы трубчатой печи;
- значительно снижаются удельная металлоемкость и габариты печи, повышается ее надежность и увеличивается срок межремонтного пробега.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М.: Химия, 1987. с.6-25.
2. Авторское свидетельство СССР №493606, М. кл. F27В 5/00 от 21.09.73.
3. Скобло А.И., Трегубов И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Химия, 1982. - с.457.
4. Патент на изобретение №2082925, М. кл. F27В 5/00. Бюл. №18 от 27.06.97.