ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД
HEATER OF LIQUID AND GASEOUS MEDIA

Заявляемое изобретение относится к энергетике, нефтяной и газовой промышленности, в частности к оборудованию автоматизированных газораспределительных станций магистральных газопроводов (АГРС МГ), компрессорных станций магистральных газопроводов (КС МГ), и может быть использовано в схемах подогрева жидких и газообразных продуктов, пожароопасных и чувствительных к перегреву.
Из уровня техники известны различные варианты изготовления подогревателей аналогичного назначения.
Так, известен подогреватель жидких и газообразных сред (патент RU № 2300701), содержащий 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.
Данному устройству присущи следующие недостатки в рамках решения задачи заявляемого изобретения: наличие сквозных патрубков теплоносителя в жаровой трубе приводит к возникновению значительных нагрузок в местах их сварки в жаровую трубу по причине различных температурных расширений обечайки жаровой трубы и рассматриваемых сквозных патрубков, а также сварка подобных патрубков имеет высокую трудоемкость и требует сложной технологической подготовки. Наличие двух теплогенераторов подразумевает необходимость удвоения горелочных устройств и газового оборудования, что увеличивает стоимость изделия. Размещение внутри дымогарных труб турбулизаторов ведет к значительному увеличению сопротивления дымогарных труб, что нежелательно для котлов, работающих на естественной тяге, так как приводит к увеличению потребной высоты дымовой трубы.
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).
3
Приведенные известные устройства имеют недостаточно эффективную схему побуждения циркуляции промежуточного теплоносителя, так как его движение побуждается только нагревом от теплогенератора (движение нагретого потока жидкости вверх в связи с уменьшением плотности жидкости при нагревании). При этом 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 увеличению необходимой площади теплообменных поверхностей. Кроме того, расположение теплообменника над теплогенератором требует увеличения диаметра обечайки корпуса, что ведет к увеличению значений удельного объема промежуточного теплоносителя на единицу мощности, составляющего для промышленно освоенных подогревателей подобной конструкции более 7 м/МВт.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является подогреватель жидких и газообразных сред по патенту РФ на ПМ №127431, 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, 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.
Недостатками данного технического решения являются определенная сложность в изготовлении и низкая ремонтопригодность (за счет трудоемкости демонтажных работ теплообменников и теплогенератора). Кроме того, поворотный короб и дымовая труба закреплены на корпусе подогревателя, что усложняет технологию сборки и надежность конструкции, т.к. при температурных колебаниях сварные швы дымогарных труб, соединенных с разворотным и поворотным коробом, могут разрушаться. Штуцер входа и выхода расположены на одном общем патрубке с разделительной перегородкой, что снижает пропускную способность нагреваемого продукта.
Таким образом, известные из уровня техники устройства аналогичного назначения обладают определенным комплексом недостатков, так или иначе снижающих эксплуатационные характеристики подогревателя.
Задачей заявляемого изобретения является создание подогревателя жидких и газообразных сред оптимальной конструкции, обеспечивающей повышение интенсификации теплообмена подогревателя, а также надежности, безопасности и ремонтопригодности.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении упрощения конструкции устройства, повышении удобства его обслуживания за счет увеличения поверхности теплообмена и максимального использования теплового потока от горелочного устройства, а также в расширении арсенала средств аналогичного назначения.
Поставленная задача решается тем, что подогреватель жидких или газообразных сред, содержащий дымовую трубу и корпус, в котором расположены теплообменник, выполненный в виде U-образных трубок со входом и выходом нагреваемого продукта, и теплогенератор, снабженный выходным фланцем и включающий горелочное устройство, жаровую трубу и пучок дымогарных труб, согласно техническому решению, содержит общий линзовый компенсатор дымогарных труб и второй съемный теплообменник, расположенный в корпусе симметрично с первым теплообменником относительно теплогенератора, при этом каждый из теплообменников закреплен к корпусу через общий фланец, снабженный полнопроходными входным и выходным патрубками, а пучок дымогарных труб теплогенератора соединен с выходным фланцем через общий линзовый компенсатор дымогарных труб. Подогреватель также может содержать съемный поворотный дымоход с компенсатором, соединяющий выход теплогенератора и дымовую трубу. Каждый теплообменник может быть снабжен роликовыми направляющими. Дымогарные трубы теплогенератора выполнены оребренными. Корпус оснащен защитным предохранительным сбросным клапаном от прорыва газа из теплообменников, а также датчиком для передачи сигнала о прорыве газа.
Заявляемое изобретение поясняется следующими изображениями:
на Фиг.1 представлено продольное сечение подогревателя (стрелками указано направление движения дымовых газов),
на Фиг.2 представлено поперечное сечение подогревателя с обозначением теплоносителя,
на Фиг.3 представлен подогреватель в блок-боксе с отдельно стоящей дымовой трубой и установкой газорегуляторной типа УГРШ.
Позициями на фигурах обозначены:
1. Корпус
2. Горелка
3. Жаровая труба
4. Поворотная камера
5. Пучок дымогарных труб
6. Общий линзовый компенсатор дымогарных труб
7. Фланец с патрубком
8. Фланцевый дымоход
9. Линзовый компенсатор
10. Дымовая труба
11. Штуцер входа газа
12. Штуцер выхода газа
13. Роликовые направляющие теплообменников
14. Теплообменник
15. Общий фланец
16. Дифференциальный манометр сигнализирующий
17. Роликовая направляющая теплогенератора
18. Теплоноситель
19. Предохранительный сбросной клапан ПСК
20. Свеча сброса газа при прорыве теплообменника
21. Патрубок слива теплоносителя в емкость для регламентных работ
22. Патрубок для заполнения теплоносителя из емкости
23. Шкаф управления подогревателем
24. УГРШ
25. Труба подвода газа к коллектору горелки
26. Коллектор горелки
27. Противовзрывной клапан
28. Лестница
29. Блок-бокс
30. Люк.
Заявляемый подогреватель содержит корпус 1, установленный в блок-боксе 29, в котором имеется коллектор горелки 26 с подведенным топливным газом из УГРШ 24 через трубу 25, шкаф управления 23 в комплекте с датчиками, установленными на корпусе подогревателя, датчики загазованности, пожарной сигнализации, освещения и т.д. Блок-бокс имеет люк 30 для заливки теплоносителя 18 и лестницу 28 с площадкой.
В корпусе 1 герметично через уплотнительный шнур посредством фланца на направляющей с роликами 17 установлен теплогенератор.
Теплогенератор представляет собой сварную конструкцию, смонтированную на овальном фланце, включающую жаровую трубу 3, соединенную через поворотную камеру 4 с пучком дымогарных оребренных труб с увеличенной площадью теплообменной поверхности 5, которые в свою очередь соединены с общим линзовым компенсатором 6, снабженным выходным патрубком и фланцем 7.
Пучок дымогарных труб с обеих сторон закреплен к решеткам, при этом через одну решетку выполнено соединение пучка дымогарных труб с поворотной камерой, а через другую решетку выполнено соединение пучка дымогарных труб с общим линзовым компенсатором.
Теплогенератор через поворотный фланцевый дымоход 8 соединен с линзовым компенсатором 9, который в свою очередь соединен с дымовой трубой 10. Такой поворотный фланцевый дымоход облегчает процедуру очистки дымогарных труб от сажи за счет его лёгкосъёмной конструкции. Оребренная труба представляет собой трубу с приваренными металлическими кольцами или спиральной лентой, что увеличивает площадь теплообмена.
Применение линзовых компенсаторов в составе теплогенератора и дымохода позволяет повысить надежность и долговечность конструкции, т.к. при постоянном изменении температурного режима работы снижаются нагрузки на сварные швы при температурном расширении металла и исключается возможность их разрыва.
Общий линзовый компенсатор дымогарных труб 6 в данном варианте представляет собой стандартный линзовый компенсатор большого диаметра с одной или двумя выступающими линзами, которые компенсируют осевое перемещение. Общий линзовый компенсатор 6 через переход соединяет решётку пучка дымогарных труб 5, с жестко закреплённым патрубком с фланцем на конце 7.
На входе в жаровую трубу теплогенератора закреплена инжекционная горелка 2 с запальником для розжига пламени. Симметрично относительно теплогенератора (по обе стороны от него) на роликовых направляющих 13 установлены теплообменники 14, которые герметично через уплотнительный шнур посредством фланца и направляющих со шпильками закреплены к корпусу. Вместе с тем, размещение на роликовых направляющих обеспечивает возможность замены теплообменников при несложном демонтаже. Применение роликовых направляющих в корпусе подогревателя газа, как для теплогенератора, так и для теплообменников, упрощает демонтажные работы данных узлов.
Каждый теплообменник представляет собой сварную конструкцию, выполненную на общем овальном фланце 15 с приваренными трубными досками с вваренными и развальцованными U-образными трубками, пропущенными через ребра жесткости, которые соединены трубками-распорками посредством шпилек, а также направляющими швеллерами для роликов, приваренных к общему овальному фланцу и распоркам. К трубным доскам приварены фланцы входа и выхода нагреваемого продукта, к ним закреплены соответствующие штуцера входа 11 и выхода 12 газа.
На корпусе подогревателя установлен дифференциальный манометр 16 (датчик давления), который в случае утечки газа из теплообменников подает сигнал об аварии в шкаф управления подогревателем 23, а предохранительный сбросный клапан 19 через свечу 20 удалит избыточное давление за пределы блок-бокса.
Для регламентных работ предусмотрены: патрубок слива теплоносителя 21 в емкость и патрубок заполнения 22 посредством насоса, установленного на емкости.
Заявляемый подогреватель работает следующим образом.
Пуск подогревателя производится как автоматически через шкаф управления, так и в ручном режиме.
Корпус подогревателя вместе со шкафом управления размещают в блок-боксе, что позволяет исключить технологически трудоемкий процесс утепления с обшивкой оцинкованными листами и повысить удобство в обслуживании.
В горелочном устройстве 2 сжигают энергоноситель, в качестве которого используют газообразное или жидкое топливо, например солярку. Образовавшиеся пламя и продукты сгорания поступают в теплогенератор с общим фланцем 17 и последовательно проходят жаровую трубу 3, поворотную камеру 4, дымогарные оребренные трубы 5, общий компенсатор 6, патрубок с фланцем 7, где передают свое тепло жидкому промежуточному теплоносителю 18. Далее продукты сгорания поступают в поворотный фланцевый дымоход 8 с линзовым компенсатором 9, после чего удаляются через дымовую трубу 10, обеспечивающую создание необходимой тяги. Теплоноситель 18 нагревается погруженными в него элементами дымового тракта, в том числе: жаровой трубой 3, поворотной камерой 4, дымогарными оребренными трубами с увеличенной площадью теплообменной поверхности 5, линзовым компенсатором 6 и частью патрубка с фланцем 7, нагретая часть жидкости перемещается в верхнюю половину корпуса. Нагреваемый в теплообменнике 14 с общим фланцем 15 продукт забирает тепло из промежуточного теплоносителя, тем самым охлаждая его, после чего теплоноситель опускается в нижнюю половину корпуса, где вновь начинает нагреваться от элементов теплогенератора. Таким образом, в корпусе возникает естественная циркуляция, включающая два потока теплоносителя зеркальной конфигурации в правой и левой частях подогревателя. 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.
Расположенные в правой и левой частях корпуса теплообменники 14 выполнены из U-образных трубок, разделенных на две зоны - нижнюю более "холодную" (вход нагреваемого продукта), верхнюю более "горячую" (выход нагреваемого продукта), что также позволяет интенсифицировать процесс естественной циркуляции за счет более глубокого охлаждения промежуточного теплоносителя в нижней более "холодной" зоне теплообменника.
3
3
Установка теплообменных пучков симметрично относительно теплогенератора, позволяет интенсифицировать циркуляцию теплоносителя и возможность параллельного или последовательного подключения нагреваемого газа в зависимости от требований к температуре на выходе подогревателя. Кроме того, за счет компактного размещения узлов (теплогенератора и теплообменных пучков) подогревателя газа обеспечивается уменьшение габаритных размеров и массы корпуса подогревателя, в результате чего также снижается удельный объем промежуточного теплоносителя на единицу мощности (4 м/МВт) по сравнению подогревателями-аналогами (более 7м/МВт). И, как следствие, обеспечивается более высокая скорость выхода подогревателя на номинальный режим благодаря меньшему количеству промежуточного теплоносителя.
Исключается возможность попадания конденсата в жаровую трубу с горелкой, поскольку конденсат, в основном, образуется в дымовой трубе, которая конструктивно обеспечивает отвод конденсата, не допуская его попадания в жаровую трубу.
Применение данной разработки позволит расширить возможности использования подогревателя в различных отраслях промышленности.