ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ
FIELD SERVICE HEATER

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для подогрева жидкостей, газов и их смесей, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, - для подогрева природного газа на входе газораспределительных станций с целью предотвращения процесса гидратообразования.
Известен воздухоподогреватель (см. а.с. СССР №567905, кл. F24H 3/08, F23L 15/04, опубл. 05.08.1977 г.), содержащий горелку, кожухотрубный теплообменник с радиационной секцией, экранированной плотным пучком теплообменных труб, равнорасположенных относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемого воздуха. Однако известное устройство не экономично, в связи с недостаточным теплосъемом только в одной, радиационной секции, а также не достаточно надежно и долговечно при эксплуатации, так как плотность пучка экранных труб при реальной неравномерности их нагрева может вызвать значительные термические напряжения в стенках труб с последующим их прогаром, что влечет за собой необходимость полной замены теплообменника.
Известен технологический нагреватель (патент РФ №2140045, МПК F24H 3/09, F24L 53/00, опубл. 20.10.1999 г.), содержащий горелочное устройство, кожухотрубный теплообменник, экранированный наружным поясом теплообменных труб, равнорасположенных относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, причем все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства, а с другого конца, за пределами дымового короба, рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды. Недостатки известного технологического нагревателя заключаются в следующем. Во-первых, перегрев стенки кожуха за счет ее "подсветки" от факела пламени через технологические зазоры между трубами в пределах радиационной секции, что приводило к необходимости применения дорогостоящих жаропрочного сплава и наружного теплоизоляционного материала. Во-вторых, ограничение протяженности топочного объема за счет размещения в приосевой зоне внутреннего конвективного пучка теплообменных труб не позволило увеличить тепловую нагрузку нагревателя, сопровождаемую увеличением дальнобойности факела, что приводило к недогоранию топливовоздушной смеси вблизи глухих концов труб конвективного пучка и увеличению выбросов сажи и оксида углерода сверх допустимых норм. И, в-третьих, длина труб экранного и конвективного пучков существенно разная, что не позволяет унифицировать эти наиболее трудоемкие элементы теплообменника, а это также приводит к повышению затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.
Известен технологический нагреватель (патент РФ №2168121, МПК F24H 3/09, опубл. 27.05.2001 г.), ближайший по технической сущности и принятый за прототип, содержащий горелочное устройство, кожухотрубный теплообменник, экранированный наружным поясом теплообменных труб, и коаксиально наружному поясу труб, внутренний пояс труб одинаковых по конструкции, а также экран в виде конуса, соосного с кожухом теплообменника и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства. Известное устройство малоэкономично, что обусловлено большим термическим сопротивлением теплоотдачи с внутренней поверхности труб по сравнению с наружной поверхностью и неэффективна работа теплообменника при малых тепловых нагрузках, когда на конфигурацию факела пламени и режим течения топочных газов начинает сказываться влияние массовых сил. Кроме того, в теплообменниках, в которых происходит передача тепла от газов, обтекающих наружную поверхность тепловых труб, к газу, двигающемуся внутри трубы, наблюдается дефицит теплообменной поверхности со стороны нагреваемого газа, что приводит к снижению теплопередачи от топочных газов к нагреваемому газу.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении надежности и экономичности работы нагревателя при расширении диапазона тепловых нагрузок, в том числе при малых расходах нагреваемого газа, а также уменьшению термического сопротивления теплопередачи и повышению эффективности его работы.
Технический результат достигается тем, что в технологическом нагревателе, содержащем горелочное устройство, кожухотрубный теплообменник, имеющий наружный пояс теплообменных труб и по меньшей мере один внутренний пояс теплообменных труб, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, каждая теплообменная труба представляет собой комплект из двух труб - внешней с глухим концом и внутренней с открытым концом, соответственно обращенными в сторону горелочного устройства, образующих внешнюю и внутреннюю полости, при этом внешняя полость сообщена с коллектором входа, а внутренняя полость с коллектором выхода нагреваемой среды, новым является то, что внутри кожухотрубного теплообменника в его верхней части размещена, по меньшей мере, одна потолочная секция теплообменных труб.
Потолочная секция теплообменных труб расположена вдоль всей длины теплообменника или вдоль его части.
Теплообменные трубы содержат интенсификаторы теплоотдачи.
Интенсификаторы теплоотдачи выполнены в виде выштамповок сферической или иной формы, расположенных на стенках внутренней теплообменной трубы.
Интенсификаторы теплоотдачи выполнены в виде скрученной ленты, расположенной во внешней и/или внутренней полостях теплообменной трубы и контактирующей с теплообменными поверхностями наружной или наружной и внутренней теплообменных труб.
Интенсификаторы теплоотдачи выполнены в виде пористой вставки, расположенной в кольцевом зазоре между наружной и внутренней теплообменными трубами.
Интенсификаторы теплоотдачи выполнены в виде гофрированной вставки, расположенной в кольцевом зазоре между наружной и внутренней теплообменными трубами и контактирующей с теплообменными поверхностями теплообменных труб.
Внутренние и наружные или внутренние тепловые теплообменные трубы имеют гофрированную форму.
На фиг.1 представлена конструктивная схема технологического нагревателя.
На фиг.2 представлена схема тепловой трубы с интенсификатором теплопередачи в виде сферических выштамповок на стеках тепловых труб.
На фиг.3а, б представлены, соответственно, схема тепловой трубы с интенсификатором теплоотдачи в виде скрученной ленты, расположенной во внешней и/или внутренней полостях теплообменной трубы, и ее поперечное сечение.
На фиг.4а, б представлены, соответственно, схема тепловой трубы с интенсификатором теплоотдачи в виде пористой вставки, расположенной в кольцевом зазоре между наружной и внутренней теплообменными трубами, и ее поперечное сечение.
На фиг.5а, б представлены, соответственно, схема тепловой трубы с интенсификатором теплоотдачи в виде гофрированной вставки, расположенной в кольцевом зазоре между наружной и внутренней теплообменными трубами, и ее поперечное сечение.
На фиг.6 представлена схема тепловой трубы, внутренняя теплообменная труба которой выполнена гофрированной.
На фиг.7а, б, в представлены, соответственно, тепловая труба, внутренняя теплообменная труба которой выполнена с продольными гофрами, наружная поверхность которых касается поверхности внешней трубы, и ее поперечные сечения.
Технологический нагреватель содержит горелочное устройство 1, корпус кожухотрубного теплообменника 2, два ряда теплообменных труб, расположенных коаксиально друг другу вдоль наружной стенки кожухотрубного теплообменника 2 - наружный пояс теплообменных труб 3 и внутренний пояс теплообменных труб 4. В верхней части теплообменника 2 установлен дополнительный ряд теплообменных труб и представляет собой потолочную секцию теплообменных труб 5, при этом дополнительный ряд теплообменных труб 5 расположен вдоль всей длины теплообменника или вдоль его части. Нагреватель имеет опорную решетку 6, коллекторы входа/выхода 7 и выхода/входа 8 подогреваемого газа, дымовую трубу 9, штуцер 10 коллектора 7 подвода газа, штуцер 11 коллектора 8 выхода нагреваемого газа. Каждая теплообменная труба представляет собой комплект из двух труб - внешней 14 с глухим концом и внутренней 15 с открытым концом, соответственно обращенными в сторону горелочного устройства 1, образующих внешнюю 16 и внутреннюю 17 полости, при этом внешняя полость 16 сообщена с коллектором входа/выхода 7 через штуцер 10, а внутренняя полость 17 сообщена с коллектором выхода/входа 8 через штуцер 11. Интенсификатор теплоотдачи 12 выполнен в виде сферических выштамповок сферической или иной формы на стенках теплообменных труб, интенсификатор теплоотдачи в виде скрученной ленты 13 на стенках теплообменной трубы, интенсификатор теплоотдачи выполнен в виде пористой вставки 18, расположенной между внешней 14 и внутренней 15 теплообменными трубами, интенсификатор теплоотдачи выполнен в виде гофрированной вставки 19, расположенной между внешней 14 и внутренней 15 теплообменными трубами.
Внутренние 15 и внешние 14 тепловые теплообменные трубы имеют гофрированную форму. Внутренняя теплообменная труба 15 может быть выполнена гофрированной с поперечными гофрами 19 или она может быть выполнена с продольными гофрами 20, наружная поверхность которых касается поверхности внешней трубы 14 и содержит заглушку 21, разделяющую внешнюю 16 и внутреннюю 17 полости тепловой трубы.
Работает технологический нагреватель следующим образом. Нагреваемая среда, например очищенный природный газ, из магистрального трубопровода поступает в коллектор входа 7 через штуцер 10 - во внешнюю полость 16, образованную в виде кольцевого зазора между внешней 14 и внутренней 15 тепловыми трубами, где, двигаясь в направлении горелочного устройства 1, нагревается от внешних стенок труб 14, которые омываются горячим встречным потоком продуктов сгорания, движущимся в сторону дымовой трубы 9. Нагретый в кольцевых зазорах теплообменных труб газ после разворота относительно глухого конца внешних труб 14 поступает во внутреннюю полость 17 внутренней теплообменной трубы 15, имеющей открытый конец, и далее через штуцер 11 - в выходной коллектор 8, откуда транспортируется к блоку редуцирования газораспределительной станции.
Численное моделирование термогазодинамических процессов в тракте подогревателя, результаты которого приведены в работе (Подогреватель газа нового поколения. Волошин A.M., Шайхутдинов А.З., Зарецкий Я.В., Серазетдинов Ф.Ш., Тонконог В.Г., Явкин В.Б., Серазетдинов Б.Ф. Газовая промышленность, №8, 2010 г., с.78-80), позволило оптимизировать расположение теплообменных труб. При номинальных режимах работы подогревателя в тракте подогревателя формируется тороидальный вихрь. Горячие газы, двигаясь от горелочного устройства 1, в центральной области потока разворачиваются в обратном направлении в зоне опорной решетки 6. Отдав часть энергии за счет термической радиации и теплообмена с внутренним поясом тепловых труб 4, охлажденный поток поступает к наружному контуру теплообменника 2, где температура достигает значений, при которых происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания углеводородов, вследствие чего значительно повышается коэффициент теплоотдачи и реализуется в процессе горения высшая теплота сгорания.
При малых расходах газа (мощность много меньше номинальной) на структуру потока (режим движения топочного газа в такте нагревателя) оказывают влияние массовые силы. Тороидальный вихрь разрушается и имеет место движение горячих газов в виде «языка» от зоны горелочного устройства 1 к области дымовой трубы 9. Применительно к такому режиму движения топочных газов целесообразно расположить в верхней части топливной зоны дополнительный ряд - потолочную секцию теплообменных труб 5, что существенно улучшает характеристики процесса теплопередачи.
Потолочная секция теплообменных труб 5 может быть расположена как по всей длине теплообменника 2, так и по его части с отступом от горелочного устройства, что определяется конфигурацией факела пламени горелочного устройства при минимальных тепловых нагрузках.
Таким образом, осуществляется наиболее оптимальная противоточная схема движения теплоносителей (греющего и нагреваемого газов).
Интенсификаторы теплоотдачи 12 в виде выштамповок сферической, овальной, прямоугольной или иной формы приводят к перемешиванию потока газа в полостях 16 и 17 внутри тепловых труб, что, следовательно, приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи со стороны нагреваемого газа (Теплогидравлическая эффективность перспективных способов интенсификации теплоотдачи в каналах теплообменного оборудования. Интенсификация теплообмена: монография / Ю.Ф.Гортышов, И.А.Попов, В.В.Олимпиев и др. Под общей ред. Ю.Ф.Гортышова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2009. - 531 с.). Интенсификаторы теплоотдачи 13 в виде скрученной ленты выполняют аналогичную функцию - перемешивают поток и одновременно образуют тепловой мост между внешней теплообменной трубой 14 и внутренней теплообменной трубой 15 и увеличивают общую поверхность теплоотдачи, что снижает термическое сопротивление теплопередачи и повышает интенсивность передачи теплоты от топочных газов к нагреваемому газу. Интенсификаторы теплоотдачи 18 в виде пористой вставки увеличивают площадь теплоотдающей поверхности и способствуют эффективному переносу теплоты от наружной теплообменной поверхности внешней теплообменной трубы 14 к поверхностям, отдающим тепло нагреваемому газу путем теплопроводности. Интенсификаторы теплоотдачи выполнены в виде гофрированной вставки, расположенной в кольцевом зазоре между наружной и внутренней теплообменными трубами и контактирующей с теплообменными поверхностями теплообменных труб.
Функцию интенсификаторов выполняют сами теплообменные трубы, выполненные гофрированными. Внутренняя теплообменная труба 15 выполнена гофрированной с поперечными гофрами 19. Внутренняя теплообменная труба 15 выполнена с продольными гофрами 20, наружная поверхность которых касается поверхности внешней трубы 14, при этом образуется тепловой мост между внутренней и внешней тепловыми трубами, увеличивается теплообменная поверхность и снижается термическое сопротивление теплопередачи
Выполнение внутренних 15 и наружных 14 или только внутренних 15 тепловых теплообменных труб гофрированными способствует интенсивному перемешиванию потока, при этом увеличивается поверхность теплоотдачи и, следовательно, увеличивается эффективность теплообменных процессов.
Таким образом, в предлагаемом технологическом нагревателе расположение в верхней части топливной зоны дополнительного ряда (потолочной секции) теплообменных труб 5 существенно улучшает характеристики процесса теплопередачи при малых расходах газа, что расширяет диапазон тепловых нагрузок при малых расходах нагреваемого газа, способствует повышению надежности и экономичности работы нагревателя. Кроме того, происходит интенсификация теплообменных процессов как у внутренней, так и наружной поверхностей теплообменных труб за счет использования интенсификаторов. При изменении режима движения газов внутри и снаружи трубы с помощью интенсификаторов теплоотдачи увеличивается коэффициент теплоотдачи и происходит увеличение площади теплоотдающей поверхности. В совокупности эти факторы способствуют уменьшению термического сопротивления теплопередачи внутри тепловой трубы и повышению эффективности и кпд технологического нагревателя.