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 жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. В частности, трубчатый подогреватель может быть использован в технологиях деэмульсации и стабилизации нефтей на нефтепромыслах и для нагрева нефти при ее транспортировке по трубопроводам.
Известны трубчатые подогреватели с промежуточным теплоносителем [1, 2], где источником теплоты служат продукты сгорания топлива. Данные трубчатые подогреватели обеспечивают нагрев нефти без отложений кокса на внутренней поверхности продуктовых труб. Недостатком их является большая металлоемкость, громоздкость и трудность управления процессом нагрева продукта из-за большой тепловой инерционности промежуточного теплоносителя - воды, заполняющего корпус подогревателя.
Известны трубчатые печи, в которых продукты сгорания топлива передают теплоту нагреваемому продукту при прямом контакте с поверхностью продуктовых труб, размещенных в радиантной и конвекционной камерах печи [3]. Данные печи конструктивно сложны и громоздки. Характерные для них неоднородность распределения плотности теплового потока по площади поверхности теплопередачи и высокие локальные значения температуры стенки продуктовых труб приводят к образованию коксовых отложений на стенках труб при нагреве сред, склонных к термическому разложению.
Известен также блочный трубчатый подогреватель для нагрева нефтяных эмульсий с повышенной коррозионной активностью и склонностью к отложению солей и механических примесей [4]. Известный подогреватель состоит из нескольких блоков полного заводского изготовления и является транспортабельным. За счет внутренней циркуляции продуктов сгорания топлива в теплообменной камере и снижения при этом их максимальной температуры скорость образования коксовых отложений в продуктовых трубах уменьшается. Недостатком является неравномерное распределение плотности теплового потока по площади поверхности теплопередачи, обусловленное наличием застойных зон греющих газов в угловых областях теплообменной камеры. Это приводит к низкой эффективности использования поверхности теплопередачи продуктового змеевика, большой металлоемкости и габаритам устройства.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство для нагрева текучих сред, содержащее теплообменную камеру, горелочное устройство, выполненные из прямых труб и размещенные в теплообменной камере продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и расположенный симметрично внутри него внутренний продуктовый змеевик, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков [5] - прототип.
В известном устройстве [5] поток греющих газов закручен в объеме теплообменной камеры, что в значительной мере устраняет угловые застойные зоны газов и способствует равномерности распределения плотности теплового потока на площади поверхности теплопередачи. Его недостатком является сложность конструкции, изготовления и ремонта подогревателя. В тех частях труб продуктовых змеевиков, которые расположены в зоне высоких температур греющих продуктов сгорания топлива с активным радиационным переносом тепла, возможно отложение кокса на стенках внутри труб при нагреве нефти и нефтяной эмульсии. Недостатком является и то, что продуктовые змеевики устройства не могут быть опорожнены путем самодренирования.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в упрощении конструкции, уменьшении металлоемкости, повышении эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя.
Сущность изобретения заключается в том, что в трубчатом подогревателе, содержащем теплообменную камеру, горелочное устройство, выполненные из прямых труб и размещенные в теплообменной камере продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и расположенный симметрично внутри него внутренний продуктовый змеевик, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков, теплообменная камера выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с плоскими боковыми, верхней, нижней, торцевыми фронтальной и задней стенками, горелочное устройство размещено на фронтальный стенке, к которой примыкает дымоотводящий канал, внутренний продуктовый змеевик выполнен двухрядным и размещен с зазорами относительно фронтальной и задней стенок теплообменной камеры, между рядами труб внутреннего продуктового змеевика размещены листы из жаростойкого материала, образующие стенки газового канала, продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и внутренний продуктовый змеевик выполнены из труб-шпилек, открытые торцы которых соединены между собой коллекторными трубами с дисковыми перегородками в диаметральных сечениях, на внешней поверхности труб-шпилек продуктовых змеевиков имеются элементы дискретной шероховатости, внутри труб-шпилек ряда внутреннего продуктового змеевика, расположенного в газовом канале, размещены скрученные ленты, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков имеют сальниковые уплотнения с фронтальной и задней стенками теплообменной камеры и резьбовые фланцы на концах.
В отличие от известного устройства, исполнение теплообменной камеры в форме прямоугольного параллелепипеда с плоскими боковыми, верхней, нижней, торцевыми фронтальной и задней стенками, размещение горелочного устройства на фронтальной стенке, к которой примыкает дымоотводящий канал, выполнение внутреннего продуктового змеевика двухрядным и размещение его с зазорами относительно фронтальной и задней стенок теплообменный камеры, наличие между рядами труб внутреннего продуктового змеевика листов из жаростойкого материала, которые образуют стенки газового канала, позволяет осуществлять организованную рециркуляцию греющих продуктов сгорания топлива в теплообменной камере. При этом снижается максимальная температура греющих продуктов сгорания до величины, исключающей активное образование коксовых отложений внутри продуктовых труб при нагреве нефти и нефтяной эмульсии. Эффективность и надежность работы трубчатого подогревателя при наличии организованной рециркуляции греющих газов существенно повышается.
Исполнение продуктового змеевика, примыкающего к стенкам теплообменный камеры, и внутреннего продуктового змеевика из труб-шпилек, открытые торцы которых соединены между собой коллекторными трубами с дисковыми перегородками в диаметральных сечениях (патент RU №2382973), обеспечивает малые габариты продуктовых змеевиков, упрощает конструкцию трубчатого подогревателя и позволяет достичь высокой его компактности.
Наличие на внешней поверхности труб-шпилек продуктовых змеевиков элементов дискретной шероховатости интенсифицирует теплоотдачу от греющих газов к стенкам труб-шпилек за счет турбулизации пристенного слоя газового потока, что позволяет уменьшить площадь поверхности теплопередачи продуктовых змеевиков и способствует большей компактности трубчатого подогревателя. Элементы дискретной шероховатости представляют собой нанесенный методом сварки на поверхность труб-шпилек металлический спиральный валик или же это может быть навитая по спирали проволока с определенными диаметром и шагом навивки.
Размещение скрученных лент внутри труб-шпилек ряда внутреннего продуктового змеевика, расположенного в газовом канале, где наибольшая температура греющих продуктов сгорания, интенсифицирует теплоотдачу от стенок труб-шпилек к нагреваемому продукту. Это приводит к снижению температуры стенок труб-шпилек при работе трубчатого подогревателя, что, в свою очередь, уменьшает вероятность коксования нагреваемого продукта на стенках труб-шпилек и способствует повышению эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя.
Использование сальниковых уплотнений в местах прохода трубчатых подводов и отводов продуктовых змеевиков через фронтальную и заднюю стенки теплообменной камеры и резьбовых фланцев на концах трубчатых подводов и отводов упрощает технологии сборки и разборки трубчатого подогревателя в процессах изготовления и ремонта.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом [5] показывает, что заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Известные технические решения [3, 4], реализующие прямой нагрев продукта, не обеспечивают интенсифицированный теплообмен. Их конструкции громоздки и сложны в изготовлении. Продуктовые змеевики подвержены закоксовыванию в процессе работы.
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 - вид слева на фиг. 1; фиг. 3 - разрез по А-А на фиг. 1; фиг. 4 - выносной элемент 7 на фиг. 1; фиг. 5 - выносной элемент на фиг. 1; фиг. 6 - схема продуктового змеевика, примыкающего к стенкам теплообменной камеры; фиг. 7 - выносной элемент III на фиг. 6.
Трубчатый подогреватель содержит теплообменную камеру 1, ограниченную плоскими боковыми 2, верхней 3, нижней 4 и торцевыми фронтальной 5 и задней 6 стенками. На фронтальной стенке 5 размещено горелочное устройство 7. Дымоотводящий канал 8 примыкает к фронтальной стенке 5. Внутренний продуктовый змеевик 9 состоит из двух рядов труб-шпилек 10 и с зазорами 11, относительно фронтальной стенки 5, и 12, относительно задней стенки 6, размещен внутри продуктового змеевика 13, примыкающего к стенкам 2, 3, 4 и 6 теплообменной камеры 1. Между рядами труб-шпилек 10 внутреннего продуктового змеевика 9 размещены листы 14 из жаростойкого материала, образующие стенки газового канала 15. Открытые торцы труб-шпилек 10 продуктовых змеевиков 9 и 13 соединены между собой коллекторными трубами 16 с дисковыми перегородками 17 в диаметральных сечениях. На внешней поверхности труб-шпилек 10 продуктовых змеевиков 9 и 13 имеются элементы дискретной шероховатости 18, а в трубах-шпильках 10 ряда внутреннего продуктового змеевика 9, расположенного в газовом канале 15, дополнительно имеются вставленные скрученные ленты 19. Трубчатые подводы 20 и отводы 21 продуктовых змеевиков 9 и 13 имеют сальниковые уплотнения 22 в местах прохода через фронтальную 5 и заднюю 6 стенки теплообменной камеры 1 и резьбовые фланцы 23 на концах.
Подогреватель может быть как однопоточным, так и многопоточным по нагреваемому продукту. При многопоточном движении продуктовые змеевики 9 и 13 разделяются на секции, количество которых равно числу потоков. На фиг. 1, 2 и 6 представлен вариант шестипоточного трубчатого подогревателя. Продуктовый змеевик 13 включает в себя две секции, первая из которых состоит из плоских панелей, образованных трубами-шпильками 10, примыкающими к верхней 3 и нижней 4 стенкам, а вторая - из труб, примыкающих к боковым стенкам 2 и задней стенке 6 теплообменной камеры 1. Каждый из двух рядов труб-шпилек 10 внутреннего продуктового змеевика 9 включает в себя также две секции, которые состоят из включенных последовательно по нагреваемому продукту двух смежных горизонтально и вертикально ориентированных своей плоскостью трубчатых панелей.
Трубчатый подогреватель работает следующим образом.
Нагреваемый продукт поступает через подводы 20 в продуктовые змеевики 9 и 13, где осуществляется его движение в трубах-шпильках 10, последовательно соединенных между собой с помощью коллекторных труб 16 и расположенных в них дисков 17. Топливо и воздух для горения подается в горелочное устройство 7, где они перемешиваются между собой. Топливовоздушная смесь с высокой скоростью выходит из сопла горелочного устройства 7 в пространство теплообменной камеры 1, ограниченное листами 14 из жаростойкого материала, образующими газовый канал 15. На выходе из горелочного устройства 7 с помощью запального устройства (на фиг. не показано) топливо поджигается. Горящая газовая струя расширяется и заполняет все сечение газового канала 15. Одновременно идет процесс подсоса охлажденных продуктов сгорания из окружающего пространства теплообменной камеры 1 к корню расширяющейся струи, обусловленный эжектирующим воздействием высокоскоростной струи. Подсос приводит к снижению температуры продуктов сгорания топлива, обтекающих в продольном направлении трубы-шпильки 10 ряда внутреннего продуктового змеевика 9, расположенные в газовом канале 15. При этом теплопередача от продуктов сгорания через стенку данных труб - шпилек нагреваемому продукту не сопровождается активным коксообразованием на внутренней поверхности этих труб. Исключению коксообразования способствует и закручивание потока нагреваемого продукта в трубах с помощью вставленных скрученных лент 19. При этом за счет интенсификации теплоотдачи закрученного потока снижается температура стенки труб и, как следствие, уменьшается скорость образования твердой фазы в пристенном слое нагреваемого продукта. При выходе из газового канала 15, продукты сгорания топлива натекают на трубы продуктового змеевика 13, примыкающие к задней стенке 6 греющей камеры 1 и защищающие стенку от теплового воздействия горячих газов, проходят через зазор 12 между внутренним продуктовым змеевиком 9 и задней стенкой 6, и далее, развернувшись, перемещаются к фронтальной стенке 5 в пространстве между листами 14 газового канала 15 и стенками 2, 3 и 4 теплообменной камеры 1. В этом своем перемещении продукты сгорания обтекают в продольном направлении трубы продуктовых змеевиков 9 и 13 и передают теплоту стенкам труб преимущественно конвективным механизмом. У фронтальной стенки 5 поток охлажденных продуктов сгорания раздваивается и частично направляется в дымоотводящий канал 8, а другая его часть через зазор 11 между внутренним продуктовым змеевиком 9 и фронтальной стенкой 5 поступает к корню газовой струи, создаваемой горелочным устройством 7. Таким образом, в теплообменной камере 1 осуществляется организованная и регулируемая рециркуляция продуктов сгорания, позволяющая интенсифицировать процесс передачи теплоты и обеспечивающая «мягкий» температурный режим нагрева продукта. При обтекании потоком продуктов сгорания труб-шпилек 10 продуктовых змеевиков 9 и 13 элементы дискретной шероховатости 18 турбулизируют поток, что интенсифицирует теплоотдачу потока и процесс теплопередачи в целом.
Нагретый в продуктовых змеевиках 9 и 13 продукт выводится из трубчатого подогревателя через отводы 21, имеющие, как и подводы 20, на концах резьбовые фланцы 23 для соединения с транспортными линиями продукта. Использование резьбовых, а не приварных, фланцев позволяет сравнительно легко проводить сборку и разборку трубчатого подогревателя. Этому же способствует и использование сальниковых уплотнений 22 в местах прохода подводов 20 и отводов 21 через фронтальную 5 и заднюю 6 стенки теплообменной камеры 1. При остановке работы трубчатого подогревателя продуктовые змеевики 9 и 13 при необходимости легко опорожняются путем самодренирования.
3
3
Пример исполнения предлагаемого устройства. Трубчатый подогреватель тепловой мощностью 5 МВт для нагрева нефтяной эмульсии от 10°С до 90°С имеет габариты поперечного сечения теплообменной камеры 2,2×2,2 м и длину 6,2 м. Продуктовые змеевики выполнены из труб диаметром 159×5 мм. Топливом является нефтяной газ. При равных количествах продуктов сгорания топлива отводимых на рециркуляцию в газовый канал и в дымоотводящий канал для удаления из трубчатого подогревателя, максимальная температура потока греющих газов составляет 1000°С. Температура уходящих из трубчатого подогревателя газов равна 250°С, а его тепловое к.п.д. - 88%. Удельный объемный показатель, определяемый как отношение тепловой мощности к объему подогревателя, составляет 0,17 МВт/м. Названый показатель существенно выше, чем у аналогичных известных подогревателей прямого нагрева. Например, у трубчатого подогревателя прямого нагрева ПТБ-10-160 [4] тепловой мощностью 10 МВт он составляет 0,12 МВт/м.
Преимуществами предлагаемого трубчатого подогревателя являются:
- конструктивная простота;
- технологичность изготовления и ремонта;
- малая металлоемкость и высокая компактность из-за интенсификации теплообмена потока греющих газов и использования продуктовых змеевиков коллекторного типа;
- «мягкий» температурный режим нагрева продуктов;
- повышенная надежность работы подогревателя;
- высокий тепловой КПД.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1561612, М. кл. F22B 7/00 от 05.10.1987.
2. Авторское свидетельство СССР №1668827, М. кл. F24P 1/14 от 10.05.1989.
3. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1982. с. 450-458.
4. Медведев В.Ф. Сбор и подготовка нефти и воды. М.: Недра, 1986. с. 181.
5. Патент РФ №20829225. М. кл. F27B 5/00 от 27.06.1997.