ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД

Заявляемая полезная модель относится к энергетической, нефтяной и газовой промышленности, а также другим отраслям техники, использующим термическую обработку жидкостей и газов. В частности, устройство может относиться к оборудованию автоматизированных газораспределительных станций магистральных газопроводов (АГРС МГ), компрессорных станций магистральных газопроводов (КС МГ) и может быть использовано при конструировании схем подогрева жидких и газообразных продуктов, пожароопасных и чувствительных к перегреву.
Известно достаточное количество устройств того же назначения, которые могут быть использованы в качестве аналогов заявляемого технического решения.
Известен подогреватель газа (а.с. СССР №265906), содержащий двустенный корпус с размещенной в межстенном пространстве трубчатой поверхностью нагрева, омываемой промежуточным жидким теплоносителем, и внутреннюю топку с газоходом, в котором установлена заглушенная с торца кольцевая камера с размещенной в ней трубчатой поверхностью нагрева, соединенная при помощи патрубков с корпусом для перехода промежуточного теплоносителя, причем внутри кольцевой камеры по ее оси размещена трубчатая поверхность нагрева, например, для подогрева топливного газа.
Недостатком приведенного подогревателя газа является то, что корпус его выполнен из двух горизонтальных коаксиальных цилиндров, что вызывает увеличение металлоемкости изделия и, следовательно, утяжеление и удорожание конструкции.
Известен, например, подогреватель жидких и газообразных сред, содержащий корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, и расположенные внутри корпуса, по меньшей мере, один продуктовый змеевик, змеевик для нагрева топлива, одну жаровую трубу, подключенную к горелочному устройству с газовой камерой, и одну дымовую трубу, при этом в газовой камере аксиально размещена форсунка, которая соединена с патрубком для подачи жидкого топлива (патент РФ на полезную модель №43057).
Приведенные известные устройства имеют недостаточно эффективное побуждение естественной циркуляции теплоносителя, высокие значения удельного объема промежуточного теплоносителя на единицу мощности, не имеют возможности выбора варианта последовательного или параллельного подключения теплообменников в зависимости от требуемого перепада температур нагреваемой среды.
Известен также ряд устройств, выполненных по патентам ООО "Завод "Газпроммаш", г.Саратов, среди которых
подогреватель жидких и газообразных сред является наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели (патент РФ на изобретение №2300701). Подогреватель содержит корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, в котором размещен теплообменник и, по меньшей мере, два горизонтально ориентированных теплогенераторных блока, в состав каждого из которых входят горелочное устройство, жаровая труба, пучок дымогарных труб и камера поворота, а также выведенная за пределы корпуса дымовая труба, соединенная с пучком дымогарных труб. Размещение теплогенераторных блоков в корпусе осуществлено по принципу левой и правой частей подогревателя, выполненных с возможностью подключения каждого из теплогенераторов как автономно, так и одновременно всех вместе.
Охлаждение теплоносителя в расположенном выше теплогенератора теплообменнике (в связи с увеличением плотности жидкости при охлаждении) создает силу, направленную навстречу вектору движения теплоносителя, что снижает результирующую скорость движения теплоносителя и ведет к ухудшению естественной циркуляции и необходимости увеличения площади теплообменных поверхностей. Кроме того, наличие двух теплогенераторов ведет к необходимости удвоения горелочных устройств и газового оборудования, что увеличивает стоимость изделия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является подогреватель газа, содержащий бак-расширитель, снабженный нагревателем газа горизонтальный корпус, заполненный жидким теплоносителем и разделенный профильными листами, установленными с сужением в верхней части на наружный опускной отсек между боковыми стенками корпуса и листами, и внутренний подъемный отсек, в котором размещены жаровая труба, подключенная к горелочному устройству, и установленный над ней дымогарный пучок труб, подключенный к дымовой трубе, в котором нагреватель газа выполнен в виде двух модулей, установленных в опускном отсеке в зоне сужения профильных листов по обе стороны оси подъемного отсека, а жаровая труба вдоль нижней и верхней образующей снабжена соответственно натекателями и стекателями потока теплоносителя (патент РФ на изобретение №2064123).
К недостаткам известного устройства относится недостаточная эффективность схемы побуждения циркуляции промежуточного теплоносителя, которая обеспечивается только нагревом от теплогенератора (движение нагретого потока жидкости вверх в связи с уменьшением плотности жидкости при нагревании).
Задачей заявляемого технического решения является увеличение коэффициента полезного действия подогревателя, снижение удельного объема промежуточного теплоносителя на единицу мощности.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении интенсификации естественной циркуляции теплоносителя, а также в повышении технологичности изготовления за счет уменьшения массогабаритных показателей корпуса.
Взаимное расположение термически активных элементов подогревателя обеспечивает высокую эффективность естественной циркуляции теплоносителя и позволяет максимально сократить диаметр корпуса подогревателя, что ведет к уменьшению удельного объема промежуточного теплоносителя на единицу тепловой мощности подогревателя.
Поставленная задача решается тем, что подогреватель жидких и газообразных сред, включающий горизонтально ориентированный корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, в верхней части которого вдоль его протяженности размещены теплообменники, теплогенераторный блок, содержащий соединенные в технологической последовательности горелочное устройство, жаровую трубу, разворотный короб и дымогарные трубы, соединенные с дымовой трубой, расположенной с наружной стороны корпуса, согласно техническому решению, содержит, по крайней мере, два обтекателя потока теплоносителя, выполненные в виде удлиненных пластин, расположенных по обе стороны теплогенераторного блока вдоль пучка дымогарных труб по всей их длине, при этом теплообменники расположены по обе стороны от теплогенераторного блока с заполнением объема подогревателя между корпусом и теплогенераторным блоком до монтажных зазоров на уровне поперечного сечения подогревателя в зоне максимальной ширины теплообменника. Кроме того, подогреватель дополнительно может содержать экономайзер подогрева воздуха, соединенный с пучком дымогарных труб и дымовой трубой, и обеспечивающий подогрев воздуха, поступающего на горение, от тепла уходящих дымовых газов, а также змеевик передачи или приема тепла, расположенный в нижней части корпуса и подключенный в системе внешнего теплоснабжения. Устройство может быть снабжено двумя рядами выкатных роликов, закрепленных в нижней части корпуса под углом между рядами от 20 до 90°.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 схематично представлен продольный разрез заявляемого подогревателя.
На фиг.2 представлен поперечный разрез устройства, на котором схематично показано движение теплоносителя на основе естественной циркуляции.
Позициями на чертежах обозначены:
1. корпус,
2. теплообменник,
3. горелочное устройство,
4. жаровая труба,
5. разворотный короб,
6. дымогарные трубы,
7. поворотный короб,
8. экономайзер подогрева воздуха,
9. дымовая труба,
10. штуцер входа подогреваемого продукта,
11. штуцер выхода подогреваемого продукта,
12. обтекатель,
13. ролики,
14. змеевик передачи или приема тепла,
15. промежуточный теплоноситель.
x
Заявляемый подогреватель представляет собой горизонтально ориентированный цилиндрический корпус 1, заполненный жидким промежуточным теплоносителем 15. В корпусе размещен теплогенераторный блок, содержащий горелочное устройство 3, жаровую трубу 4, разворотный короб 5, пучок дымогарных труб 6. Снаружи корпуса укреплены поворотный короб 7, экономайзер 8 и дымовая труба 9. Горелочное устройство расположено в нижней части корпуса, вблизи одной из его торцевых стенок и соединено с жаровой трубой 4. Жаровая труба оканчивается разворотным коробом 5, соединенным с пучком дымогарных труб 6, количество которых определяется для каждой модификации подогревателя индивидуально из условия обеспечения необходимой пропускной способности и требуемой площади теплообмена. Полости дымогарных труб сообщают между собой разворотный и поворотный короба. При этом поворотный короб 7 размещен снаружи корпуса 1 и соединен с экономайзером подогрева воздуха 8. Наружная дымовая труба 9 соединена с экономайзером подогрева воздуха 8. Экономайзер обеспечивает подогрев воздуха, поступающего к горелочному устройству, от тепла уходящих дымовых газов, тем самым повышая коэффициент полезного действия подогревателя. Экономайзер представляет собой теплообменник "газ-газ", где продукты горения движутся вверх внутри расположенных в шахматном порядке труб, а нагреваемый воздух - в межтрубном пространстве с поперечно-диагональным направлением движения. Экономайзер обеспечивает нагрев поступающего на горение воздуха на 50-80°С, что позволяет увеличить коэффициент полезного действия подогревателя на 1,3-2% за счет возвращения тепла дымовых газов в подогреватель и улучшения смесеобразования топлива с воздухом, при этом также обеспечивается снижение содержания токсичных компонентов (СО, NO) в продуктах горения.
Вдоль протяженности корпуса в его верхней части по обе стороны от теплогенераторного блока расположены два независимых теплообменника 2, каждый из которых выполнен из U-образных трубок малого радиуса поворота и круглого поперечного сечения. Независимость теплообменников обеспечивает возможность как параллельного, так и последовательного их подключения для нагрева продукта. Теплообменники снабжены штуцерами 10, 11, осуществляющими прием и выдачу подогреваемого продукта. В трубках теплообменников организованы две зоны движения продукта: нижняя более "холодная", где обеспечивается движение нагреваемого продукта от штуцера входа подогреваемого продукта 10 к месту разворота трубок, и верхняя более "горячая", где обеспечивается движение нагреваемого продукта от места разворота.
В нижней части корпуса расположен змеевик 14, выполняющий функции передачи тепла во внешний теплоноситель (может быть использован для отопления зданий и сооружений), или приема тепла от внешнего теплоносителя (может быть использован для поддержания подогревателя в "горячем" резерве от станционной системы отопления). Змеевик передачи или приема тепла 14 состоит из трубы, погруженной в промежуточный теплоноситель, смонтированной зигзагами в нижней части корпуса под теплогенераторным блоком. Змеевик подключен к внешней системе отопления с искусственным побуждением через входной и выходной штуцеры. Подогреваемая или греющая жидкость проходит зигзагообразно, при этом происходит передача тепла от более нагретой жидкости к менее нагретой. Для заявляемого подогревателя длительность выхода на рабочий режим определяется необходимостью разогрева промежуточного теплоносителя с температуры окружающей среды (например, минус 40°С) до рабочих параметров (около 80°С). Поэтому, вывод подогревателя на проектный режим эксплуатации занимает длительное время. Для сокращения этого времени необходимо поддерживать промежуточный теплоноситель в горячем состоянии, что возможно осуществить за счет использования теплоносителя в системе отопления через змеевик 14.
Подогреватель содержит два обтекателя потока теплоносителя, расположенные по обе стороны от теплогенераторного блока вдоль всей его протяженности. Обтекатели 12 представляют собой металлические пластины, закрепленные к корпусу подогревателя на кронштейнах под острым углом к вертикальной плоскости, раскрытым в сторону нижней части подогревателя. Обтекатели направляют поток предварительно нагретого от жаровой трубы теплоносителя через пучок дымогарных труб, тем самым активизируя теплообменный процесс.
Устройство снабжено также, по крайней мере, двумя рядами выкатных роликов 13. Каждый выкатной ролик имеет цилиндрическую форму, выполнен с возможностью вращения относительно неподвижной оси, закрепленной к корпусу подогревателя на кронштейне (ось, кронштейн - на чертежах не показаны). Количество роликов в ряду определяется конструктивной целесообразностью, как правило, от трех и более.
Заявляемый подогреватель работает следующим образом. В горелочном устройстве 3 сжигают энергоноситель, в качестве которого используют газообразное или жидкое топливо. Образовавшиеся продукты сгорания поступают в жаровую трубу 4, по которой перемещаются через разворотный короб 5 в дымогарные трубы 6, проходя по которым передают свое тепло жидкому промежуточному теплоносителю 15. Затем продукты сгорания поступают в поворотный короб 7 и экономайзер подогрева воздуха 8, после чего удаляются через дымовую трубу, обеспечивающую создание необходимой тяги. В экономайзере 8 воздух, поступающий на горение, нагревается от уходящих газов, после чего поступает в горелочное устройство, обеспечивая повышение КПД подогревателя и улучшение смесеобразования в горелочном устройстве. Теплоноситель 15 нагревается погруженными в него элементами газового тракта, в том числе жаровой трубой, разворотным коробом и дымогарными трубами, при этом нагретая часть жидкости перемещается в верхнюю часть корпуса. Продукт, циркулирующий в теплообменниках, забирает тепло от промежуточного теплоносителя, тем самым охлаждая его, после чего охлажденный теплоноситель опускается в нижнюю часть корпуса, где вновь начинает нагреваться от тепловыделяющих элементов подогревателя. Таким образом, в корпусе возникает естественная циркуляция двух зеркально отображенных потоков промежуточного теплоносителя, в правой и левой частях подогревателя. Обтекатель 12 направляет частично нагретый жаровой трубой теплоноситель на дополнительный нагрев в пучке дымогарных труб, чем повышает скорость движения теплоносителя за счет увеличения разницы температуры теплоносителя в начале и конце нагрева, а также препятствует преждевременному поступлению теплоносителя в теплообменник, исключая короткий круг обращения. Таким образом, происходит устойчивая и активная циркуляция теплоносителя внутри корпуса подогревателя со скоростями, превышающими скорости в подогревателях-прототипах, что позволяет активизировать теплообмен и достичь более высокого коэффициента полезного действия без увеличения площадей теплообменных поверхностей.
Так как в составе подогревателя предусмотрены два теплообменника, то при эксплуатации подогревателя они могут быть подключены как параллельно, так и последовательно. Так, для газораспределительных станций, как правило, не требуется подогрев газа выше, чем на 25-30°С, в данном случае теплообменники включаются параллельно с целью обеспечения максимальной пропускной способности по нагреваемому газу. При необходимости подогрева газа на 50-55°С на компрессорных станциях магистральных газопроводов или газораспределительных станций с повышенным входным давлением теплообменники подключаются последовательно из условия получения максимальной температуры нагреваемого газа.
Обеспечивается более высокая скорость выхода подогревателя на номинальный режим благодаря меньшему количеству промежуточного теплоносителя.
Использование предлагаемой полезной модели позволит расширить арсенал технических средств, применяемых в энергетике, нефтяной и газовой промышленности для нагрева жидкостей и газов.
3
3
Снижается удельный объем промежуточного теплоносителя на единицу мощности (не более 4 м/МВт) по сравнению с наиболее совершенными подогревателями-аналогами (около 7 м/МВт).