ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД
GASEOUS MEDIUM HEATER

Изобретение относится к устройствам для высокотемпературного нагрева газов и может быть использовано в нефтехимической, газоперерабатывающей, энергетической и других отраслях промышленности.
Известен подогреватель газа, содержащий горелочное устройство, дымовую трубу, входной и выходной газовые коллекторы, теплообменный модуль, расположенный в корпусе и выполненный в виде коаксиально расположенных внутренней трубы и внешней, заглушенной со стороны горелочного устройства, содержит внутреннюю и внешнюю цилиндрические обечайки, образующие горелочный тоннель, при этом входной и выходной газовые коллекторы выполнены в виде вставленных одна в другую труб, расположенных горизонтально по отношению к теплообменному модулю, ориентированному вертикально по отношению к корпусу, входной коллектор в виде внутренней горизонтальной трубы соединен с внутренней трубой теплообменного модуля и имеет заглушку со стороны выхода, а выходной коллектор в виде внешней горизонтальной трубы соединен с внешней трубой теплообменного модуля, к которой прикреплена внутренняя цилиндрическая обечайка, горелочное устройство расположено в корпусе и выполнено в виде кольцевой горелки, причем цилиндрические и конические обечайки, кольцевая горелка расположены коаксиально по отношению к теплообменному модулю, внутренняя труба которого и входной коллектор выполнены перфорированными (патент RU №2225964, F24H 3/08, 2004).
Недостатком известного подогревателя является отсутствие компенсации температурного удлинения, что приводит к температурной деформации и нарушению целостности конструкции при высоких температурах.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип относится подогреватель жидких или газообразных сред, содержащий корпус с расположенными в нем горелочным устройством, имеющим канал для подвода воздуха, теплообменным модулем, включающим коаксиально расположенные внутреннюю и внешнюю трубы, горелочным тоннелем, входной и выходной коллекторы, дымовую трубу, теплообменный модуль в полости между внутренней и внешней трубой содержит, по крайней мере, две перегородки, расположенные по длине труб с образованием каналов, последовательно сообщающихся между собой, при этом полость между внутренней и внешней трубами с противоположных сторон выполнена заглушенной, горелочный тоннель размещен внутри теплообменного модуля, а канал для подвода воздуха образован внешней трубой теплообменного модуля и боковой стенкой корпуса (патент RU №2296921, F24H 3/08, 2007).
Недостатком известного подогревателя является невозможность использования данного подогревателя для высокотемпературного нагрева газообразных сред в связи с отсутствием компенсации температурных удлинений наружной трубы, а также сложность конструкции подогревателя в целом.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в обеспечении целостности конструкции во время работы данного подогревателя при высоких температурах.
Поставленная задача решается за счет того, что наружная и внутренняя трубы выполнены относительно друг друга подвижными с компенсацией линейных размеров с помощью линзового компенсатора, расположенного на наружной трубе.
При этом,  подогреватель газообразных сред содержит теплообменный модуль, включающий коаксиально расположенные наружную и внутреннюю трубы с расположенным во внутренней трубе горелочным устройством, каналом для подвода воздуха к нему, входной и выходной коллекторы, дымовую трубу, соединенную с теплообменным модулем, а между внутренней и наружной трубой образованы каналы, полость между внутренней и наружной трубой с противоположных сторон выполнена заглушенной. Горелочное устройство выполнено инжекционного типа и установлено коаксиально с внутренней трубой, при этом наружная труба оснащена входным и выходным коллекторами, расположенными по ее торцам и выполнена с линзовым компенсатором, а внутренняя труба выполнена с длиной и внутренним диаметром большими, чем длина и диаметр факела горелочного устройства.
Внутренняя труба подогревателя может быть выполнена из жаропрочной стали.
Входной коллектор подогревателя может быть выполнен с перегородкой в виде кольцевой решетки.
Подогреватель со стороны выхода греющего теплоносителя может быть снабжен конвекционным теплообменником, а также в нем коллектор со стороны входа рабочего тела выполнен квадратным и снабжен трубчатой решеткой для крепления змеевиков конвекционного теплообменника, полость которого сообщена с полостью внутренней трубы.
Сущность предложенного изобретения поясняется графическими материалами, где: на фиг. 1 показан подогреватель газообразных сред, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - подогреватель газообразных сред в соединении с конвекционным теплообменником.
Подогреватель газообразных сред (фиг. 1) содержит дымовую трубу 1, теплообменный модуль (не обозначен), включающий коаксиально расположенные наружную трубу 2 и внутреннюю трубу 3. Наружная труба оснащена линзовым компенсатором 4. Внутренняя труба 3 оснащена продольными ребрами 5, коаксиально размещена в полости наружной трубы 2. Высота ребер 5 в радиальном направлении (разрез А-А на фиг. 2) выбирается из условия обеспечения требуемой скорости для эффективного теплообмена и гарантированного зазора между этими ребрами и внутренней поверхностью наружной трубы 2. На верхнем торце наружной трубы 2 установлен входной коллектор 6 с присоединенным к нему штуцером 7 со стороны входа газообразной среды. Входной коллектор 6 может быть выполнен с переменным сечением по окружности, обеспечивающим постоянную скорость движения потока газообразной среды. Постоянная скорость движения потока осуществляется за счет того, что по направлению движения потока газообразной среды от штуцера 7 сечение входного коллектора 6 сужается. Также входной коллектор 6 снабжен кольцевой решеткой 8. На нижнем торце наружной трубы 2 установлен выходной коллектор 9 с присоединенным к нему штуцером 10 со стороны выхода газообразной среды. Выходной коллектор 9 может быть выполнен с переменным сечением по окружности, что так же обеспечивает постоянную скорость движения потока. Постоянная скорость движения потока здесь осуществляется за счет того, что по направлению движения потока газообразной среды к штуцеру 10 сечение выходного коллектора 9 расширяется. На нижнем торце внутренней трубы 3 установлено горелочное устройство 11 со стороны входа греющего теплоносителя.
Горелочное устройство 11 может быть выполнено дутьевого или инжекционного типа. Горелочное устройство инжекционного типа следует применять при необходимости предварительного нагрева или использования атмосферного воздуха в рабочем цикле. Горелочное устройство дутьевого типа, как правило, применяют при низких давлениях углеводородного топлива или в том случае, когда в качестве топлива используются жидкие компоненты. Однако, в том и другом случаях горелочные устройства диаметром и длиной факела совместно с диаметром и длиной внутренней трубы должны обеспечивать радиационный метод теплообмена.
В варианте исполнения подогревателя газообразных сред (фиг. 3), в соединении с конвекционным теплообменником 12, входной коллектор 6 выполнен квадратным для обеспечения постоянства скорости движения потока газообразной среды и снабжен трубчатой решеткой 13, в которой закреплены змеевики 14. при этом полость конвекционного теплообменника 12 сообщена с полостью внутренней трубы 3 для беспрепятственного прохода продуктов сгорания в конвекционный теплообменник 12 и дальнейшего их отвода через дымовую трубу 1.
Внутренняя труба выполнена с длиной и внутренним диаметром большими, чем длина и диаметр факела горелочного устройства, при этом горелочное устройство установлено коаксиально с внутренней трубой с целью обеспечения радиационного теплообмена, а именно во избежание касания продуктов сгорания со стенкой внутренней трубы, приводящего к ее перегреву.
Линзовый компенсатор установлен на наружной трубе с целью компенсации температурных расширений в осевом направлении, тем самым обеспечивая работоспособность и целостность конструкции подогревателя при высоких температурах.
Внутренняя труба выполнена из жаропрочной стали с целью исключения перегрева стенки и снижения ее прочности при значительном повышении температуры греющего теплоносителя.
Входной коллектор выполнен с перегородкой в виде кольцевой решетки с целью равномерного распределения газообразных сред по каналам, образованным с помощью ребер.
Подогреватель дополнительно оснащается конвекционным теплообменником для повышения коэффициента полезного действия подогревателя и более эффективного использования теплоты продуктов сгорания.
Подогреватель работает следующим образом.
Во входной коллектор 6 через штуцер 7 и кольцевую решетку 8 подается газообразная среда. Газообразная среда движется по образованной между внутренней трубой 3 и наружной трубой 2 кольцевой щели, которая разделена ребрами 5 на ряд параллельных каналов. Затем газообразная среда попадает в выходной коллектор 9, откуда отводится с помощью штуцера 10. Греющим теплоносителем являются продукты сгорания топлива. К горелочному устройству 11 подводится газ, а также воздух, необходимый для горения. При сжигании топлива образуются продукты сгорания высокой температуры, которые проходят через полость внутренней трубы 3, не касаясь ее стенки (радиационный теплообмен), и отводятся через дымовую трубу 1. В результате происходит противоточное движение теплообменивающихся сред. Линзовый компенсатор 4 при значительных изменениях температуры сред позволяет компенсировать разность температурных удлинений наружной трубы 2 и внутренней трубы 3.
В варианте исполнения подогревателя газообразных сред (фиг. 3), в соединении с конвекционным теплообменником 12, газообразная среда подается во внутреннюю полость змеевиков 14, попадает во входной коллектор 6. Далее все процессы происходят аналогично. При этом продукты сгорания из полости внутренней трубы проходят в полость конвекционного теплообменника, тем самым происходит дополнительная передача тепла газообразной среде, протекающей по внутренней полости змеевиков 14, затем продукты сгорания отводятся через дымовую трубу 1.
Таким образом, заявленная конструкция подогревателя газообразных сред позволяет применять его при высоких температурах, при этом компенсируется разность температурных удлинений труб и обеспечивается его целостность.