ТРУБЧАТЫЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ
TUBULAR HEATER

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым подогревателям, и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности для термической обработки термолабильных, термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. В частности, подогреватель может быть использован в технологиях деэмульсации и стабилизации нефтей на нефтепромыслах.
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. Пучок продуктовых труб и газоход расположены в корпусе, заполненном промежуточным жидким теплоносителем. Подогреватель содержит теплообменные трубки закрепленные концами в нижней и верхней плоских стенках газохода. Большое количество теплообменных трубок усложняет и удорожает конструкцию подогревателя. Наличие сварных швов, соединяющих теплообменные трубки со стенками газохода, снижает надежность подогревателя. Кроме того, нижняя плоская стенка газохода может прогорать из-за образования устойчивой паровой пленки в возможных локальных вогнутостях 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. Высокое давление нагреваемого продукта приводит к необходимости выполнять стенки вертикальных каналов толстыми. Велики удельные затраты металла на единицу передаваемой тепловой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трубчатый подогреватель для нагрева жидких и газообразных сред, содержащий заполненный жидким промежуточным теплоносителем корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу и размещенный между корпусом и жаровой трубой трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды [3], - прототип.
В известном устройстве [3] объем занимаемый промежуточным теплоносителем сравнительно невелик, что уменьшает тепловую инерционность подогревателя. Его недостатком является то, что корпус и жаровая труба выполнены в виде вертикальных промежуточных коробов. При этом под действием повышенного по отношению к атмосферному давления внутри корпуса и гидростатического давления жидкого промежуточного теплоносителя возможны прогибы и изменение формы коробов. Для создания необходимой жесткости корпуса и жаровой трубы потребуется увеличивать толщину их стенок или укреплять стенки ребрами, что усложнит конструкцию подогревателя и увеличит его металлоемкость. Так как жаровая труба выполнена U-образной и при движении в ней поток продуктов сгорания поворачивает на 180°, то это приводит к повышенному гидравлическому сопротивлению дымового тракта. Недостатком является и то, что между трубчатым змеевиком и жаровой трубой установлена термосифонная перегородка. Наличие перегородки может привести к образованию паровой пленки на стенке жаровой трубы при кипении жидкого теплоносителя и, в связи с этим, - к пережогу стенки из-за недостаточного ее охлаждения. Образование пара увеличит давление в корпусе, в верхней части корпуса могут создаваться паровые пробки, что приведет к прерыванию циркуляции промежуточного жидкого теплоносителя и, как следствие, - к прекращению функционирования подогревателя.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя.
Сущность изобретения заключается в том, что в трубчатом подогревателе, содержащем корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу, размещенные между корпусом и жаровой трубой промежуточный жидкий теплоноситель и трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды, жаровая труба и корпус выполнены в виде прямых цилиндров и имеют одну общую ось, в жаровой трубе концентрично с ней размещен цилиндрический вторичный излучатель с вставленным в него обтекаемым телом, трубчатый змеевик состоит из одного или нескольких соосных рядов закрученных спиралью труб или же он выполнен одно- или многорядным из труб-шпилек, расположенных параллельно оси корпуса и соединенных между собой коллекторным трубами, в диаметральных сечениях которых имеются дисковые перегородки, на внутренней поверхности жаровой трубы и на внешней поверхности цилиндрического вторичного излучателя размещены кольца-турбулизаторы, подогреватель дополнительно оборудован укрытием и примыкающей к укрытию оболочкой, размещенной с зазором вокруг корпуса.
В отличие от известного устройства исполнение жаровой трубы и корпуса в виде прямых цилиндров с одной общей осью обеспечивает необходимую жесткость данных элементов трубчатого подогревателя и способствует уменьшению его металлоемкости. Уменьшается гидравлическое сопротивление движению продуктов сгорания топлива в жаровой трубе. Наличие цилиндрического вторичного излучателя в жаровой трубе интенсифицирует радиационный теплообмен в зоне пониженных температур продуктов сгорания топлива и обеспечивает близкое к равномерному распределение плотности теплового потока по площади стенки жаровой трубы. Вставленное во вторичный излучатель обтекаемое тело имеет возможность перемещаться вдоль оси трубчатого подогревателя и тем самым регулировать и перераспределять расходы потоков продуктов сгорания топлива, протекающих снаружи и внутри вторичного излучателя. При этом становится возможным обеспечивать наиболее эффективный теплообмен в системе «продукты сгорания - вторичный излучатель - жаровая труба».
Исполнение трубчатого змеевика в виде одного или нескольких соосных рядов закрученных спиралью труб обеспечивает высокую его компактность, обусловленную малым шагом труб в змеевике и интенсивным теплообменом закрученного потока нагреваемой среды. Другим вариантом является исполнение трубчатого змеевика одно- или многорядным из труб-шпилек, расположенных параллельно оси корпуса и соединенных между собой коллекторным трубами, в диаметральных сечениях которых имеются дисковые перегородки (патент RU №2382973).
Размещение колец-турбулизаторов на внутренней поверхности жаровой трубы и на внешней поверхности цилиндрического вторичного излучателя интенсифицирует конвективный теплообмен продуктов сгорания топлива, что способствует повышению компактности и уменьшению металлоемкости подогревателя.
Дополнительное оснащение трубчатого подогревателя укрытием и примыкающей к укрытию оболочкой, размещенной с зазором вокруг корпуса, обеспечивает защищенность трубчатого подогревателя и обслуживающего его персонала от атмосферных воздействий и позволяет повысить тепловую эффективность трубчатого подогревателя за счет подогрева воздуха, подаваемого на сжигание топлива в горелочное устройство, при опускном движении воздуха в зазоре между корпусом и оболочкой. Кроме того, при этом минимизируются потери теплоты от наружной поверхности трубчатого подогревателя в окружающую среду.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Известные технические решения [1, 2], реализующие нагрев текучих сред с помощью промежуточного жидкого теплоносителя, не обеспечивают интенсифицированный теплообмен. Их конструкции сложны в изготовлении. Большее число сварочных швов обусловливает пониженную надежность. Велико гидравлическое сопротивление потоку продуктов сгорания топлива.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 приведен схематичный разрез предлагаемого трубчатого подогревателя; на фиг. 2 - выносной элемент I на фиг. 1; на фиг. 3 - трубчатый змеевик из двух соосных рядов закрученных спиралью труб; на фиг. 4 - трубчатый змеевик из одного ряда труб - шпилек; на фиг. 5 - вид по А на фиг. 4; на фиг. 6 - выносной элемент II на фиг. 4; на фиг. 7 - выносной элемент III на фиг. 4.
Трубчатый подогреватель содержит жаровую трубу 1 и корпус 2, которые выполнены в виде прямых цилиндров и имеют одну общую ось. Кольцевое пространство между жаровой трубой 1 и корпусом 2 заполнено промежуточным жидким теплоносителем, в котором находится трубчатый змеевик 3 для пропуска нагреваемой среды и трубчатый змеевик 4 для пропуска топлива, сжигаемого в трубчатом подогревателе. Имеется расширительный сосуд 5, обеспечивающий гарантированное заполнение промежуточным теплоносителем кольцевого пространства между жаровой трубой 1 и корпусом 2. В низкотемпературной части жаровой трубы 1, концентрично с ней, размещен цилиндрический вторичный излучатель 6, внутри которого имеется обтекаемое тело 7. На поверхностях жаровой трубы 1 и цилиндрического вторичного излучателя 6 расположены кольца-турбулизаторы 8. Жаровая труба 1 оснащена горелочным устройством 9 и газоотводом 10 для выхода продуктов горения. С зазором вокруг корпуса 2 размещена оболочка 11, которая примыкает к укрытию 12, служащему для размещения в нем вспомогательного оборудования, средств контроля и автоматики.
Трубчатый змеевик 3 выполнен из одного или нескольких соосных рядов закрученных спиралью труб. Например, при двух рядах труб змеевик содержит внутренний ряд 13, который расположен внутри внешнего ряда 14. Входные и выходные патрубки внутреннего 13 и внешнего 14 рядов закрученных спиралью труб проходят через фланцевое кольцо 15. При исполнении трубчатого змеевика 3 по другому варианту он выполнен одно- или многорядным из труб-шпилек 16, расположенных параллельно оси корпуса и соединенных между собой коллекторными трубами 17. В диаметральных сечениях коллекторных труб 17 имеются дисковые перегородки 18, назначение которых состоит в создании поворотных камер 19 для потока нагреваемой среды. Фиксирование дисковых перегородок 18 по длине коллекторных труб 17 осуществляется с помощью стержней 20, прошивающих дисковые перегородки 18 по их оси.
Жаровая труба 1, корпус 2 и фланцевое кольцо 15 имеют разъемные соединения между собой, что создает технологические удобства при сборке трубчатого подогревателя и дает возможность при необходимости извлекать трубчатый змеевик 3 для проведения ремонтных работ.
Трубчатый подогреватель работает следующим образом. Подогретое в трубчатом змеевике 4 топливо поступает в горелочное устройство 9, где сжигается. Образующиеся высокотемпературные продукты сгорания топлива поступают в жаровую трубу 1 и, перемещаясь в направлении к газоотводу 10, в процессе радиационного и конвективного теплообмена со стенкой жаровой трубы 1 понижают свою температуру. Установленный в зоне пониженной температуры продуктов сгорания топлива цилиндрический вторичный излучатель 6 интенсифицирует передачу тепла на стенку жаровой трубы 1.
Интенсификация передачи тепла достигается за счет радиации нагретой стенки вторичного излучателя 6 и за счет увеличения скорости движения продуктов сгорания топлива возле стенки жаровой трубы 1. Последнее обусловлено наличием обтекаемого тела 7 внутри цилиндрического вторичного излучателя 6, что ограничивает проточность внутреннего пространства излучателя. Повышению интенсивности конвективного теплообмена потока продуктов сгорания топлива способствует наличие на стенках жаровой трубы 1 и цилиндрического вторичного излучателя 6 колец-турбулизаторов 8. При этом в пристенной зоне потока образуются микровихри, повышающие его турбулентность и снижающие термическое сопротивление теплопереносу от продуктов сгорания к твердой стенке. Охлажденные в жаровой трубе 1 продукты сгорания топлива через газоотвод 10 выводятся в атмосферу. Теплота охлаждения продуктов сгорания топлива через стенку жаровой трубы 1 передается промежуточному жидкому теплоносителю, заполняющему кольцевое пространство между жаровой трубой 1 и корпусом 2, и далее через стенки трубчатого змеевика 3 - нагреваемой среде. Трубчатый змеевик 3 может быть выполнен одно- или многопоточным по нагреваемой среде за счет соответствующей обвязки входных и выходных патрубков рядов труб.
Обогрев укрытия 12 осуществляется за счет подачи в него теплого воздуха, который предварительно нагревается в зазоре между корпусом 2 и оболочкой 11, воспринимая теплоту от стенки корпуса 2. Вход атмосферного воздуха под оболочку 11 происходит со стороны газоотвода 10. Перемещение воздуха от его входа до укрытия 12 в зазоре между корпусом 2 и оболочкой 11 осуществляется за счет работы вентилятора горелочного устройства 9. Из укрытия 12 теплый воздух поступает в горелочное устройство 9, где используется при сжигании топлива.
Преимуществами предлагаемого трубчатого подогревателя являются:
- компактность и малая металлоемкость, что обусловлено использованием приемов и средств интенсификации теплообмена продуктов сгорания топлива со стенками жаровой трубы и цилиндрического вторичного излучателя;
- меньшее гидравлическое сопротивление по тракту продуктов сгорания топлива, так как отсутствуют повороты, изменяющие направление движения потока;
- меньшие потери тепла в окружающую среду от поверхности трубчатого подогревателя;
- конструктивная простота, технологичность изготовления и ремонта;
- малый объем используемого промежуточного жидкого теплоносителя, что обеспечивает низкую тепловую инерционность подогревателя;
- высокая надежность из-за того, что жаровая труба и корпус выполнены в виде прямых цилиндров, обладающих необходимой жесткостью и имеющих минимальное количество сварных соединений, а также из-за относительно низких рабочих температур конструктивных элементов трубчатого подогревателя и практически полной компенсации термических расширений, возникающих в элементах устройства.
Например, трубчатый подогреватель тепловой мощностью 2 МВт, предназначенный для нагрева нефтяной эмульсии до температуры 90°С, имеет диаметр жаровой трубы 630 мм, ее длину 9,6 м, диаметр корпуса 1050 мм. Тепловой к.п.д. составляет 89% при номинальной тепловой мощности. В качестве промежуточного жидкого теплоносителя используется вода.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1561612, М. кл. F22В 7/00, от 05.10.1987.
2. Авторское свидетельство СССР №1668827, М. кл. F24Р 1/14, от 10.05.1989.
3. Авторское свидетельство СССР №377604, М. кл. F28d 1/02, от 17.04.1973.