ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к устройствам для подогрева газа или жидкости и может быть использована в системах транспортировки газа в различных отраслях промышленности, например, в газовой - для подогрева природного газа на входе газораспределительных станций с целью предотвращения процесса гидратообразования, кроме того может использоваться в качестве генератора горячей воды, а также в теплоэнергетике.
Известна система газоснабжения, содержащая газопроводы природного газа высокого и низкого давлений, соединенные между собой трубопроводом с клапаном, связанным с регулятором давления "после себя" [Справочник эксплуатационника газофицированных котельных под ред. Е.Б.Столпнера, Л.: Недра, 1988]. В этой системе снижение давления природного газа до требуемых потребителю значений осуществляется посредством редукционного клапана. При дросселировании газа его температура уменьшается, что может привести к выпадению кристаллов льда и конденсации тяжелых углеводородов. Это неблагоприятно скажется на надежности работы газопровода низкого давления и установленной в нем аппаратуры (фильтры, задвижки и др.)
Известна установка для утилизации энергии сжатого природного газа, в которой подогреватель на газораспределительной станции снабжен топкой, горелка которой подключена к газопроводу низкого давления трубопроводом с регулирующим клапаном, связанным с регулятором, соединенным импульсной линией с датчиком температуры, размещенным в газопроводе низкого давления, его теплообменная поверхность выполнена из тепловых труб, а корпус разделен горизонтальной, герметичной перегородкой на две полости, причем в нижней полости размещены зоны испарения тепловых труб, ее входной патрубок подключен к топке, а
выходной - к дымовой трубе, при этом зоны конденсации тепловых труб расположены в верхней полости теплообменника, которая встроена в трубопровод, соединяющий газопроводы высокого и низкого давления [Патент РФ №2079771, МПК F 17 D 1/07, опубл. 20.05.97]. В указанной установке осуществляется предварительный прогрев газа высокого давления за счет сжигания газа низкого давления, что не экономично.
Известен подогреватель жидких или газообразных сред (патент №2270406 МПК F 24 H 3/08, опубл. 2006.02.20), ближайший по технической сущности к заявляемому подогревателю и принятый за прототип, содержащий корпус с расположенными в нем горелочным устройством, каналом для подвода воздуха к нему, теплообменным модулем, включающим коаксиально расположенные внутреннюю и внешнюю трубы, горелочным тоннелем, входной и выходной коллекторы, дымовую трубу, отличающийся тем, что теплообменный модуль содержит, по крайней мере, две перегородки, ориентированные в осевом направлении, расположенные в полости между внутренней и внешней трубой, образующие каналы, последовательно сообщающиеся между собой, при этом полость между внутренней и внешней трубой 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. Входной и выходной коллекторы расположены со стороны горелочного устройства и соединены с каналами теплообменного модуля. Перегородки теплообменного модуля снабжены отверстиями для последовательного сообщения каналов. Теплообменный модуль содержит дополнительный теплообменный элемент, расположенный в полости внутренней трубы теплообменного модуля и соединяющий его каналы.
Известны газовые горелки инжекционного (эжекторного типа) среднего давления («Стальпроект», Основы сжигания газового топлива. Иссерлин А.С: Недра, 1987. с.196). Горелки представляют собой типичный
газовый эжектор со стабилизатором пламени в виде конического насадка. Давление активного газа избыточное достигает 50 кПа. Диапазон устойчивого регулирования тепловой мощности достигает 7. Однако полностью реализовать этот диапазон регулирования возможно лишь при работе с керамическим туннелем за горелкой. Керамический туннель имеет диаметр в 2...2,5 раза больше диаметра выходного отверстия стабилизатора пламени. Длина его составляет 2,5...3 диаметра. Керамический туннель является хорошим устройством стабилизации пламени. Однако достичь скоростей продуктов сгорания 100 м/с и более на выходе туннеля не удается.
2
Известные газовые горелки эжекторного типа имеют незначительную степень сжатия при работе на коэффициентах эжекции, близких к стехиометрическим значениям, которая полностью идет на преодоление сопротивления стабилизатора пламени. Увеличение полного давления активного газа свыше 0,6 ати приводит к срыву горения. Вследствие низкого полного давления горючей смеси и продуктов сгорания, скорости продуктов сгорания в тракте теплообменника не могут быть большими. Протягивание горячих продуктов сгорания через теплообменник осуществляется с помощью вертикальной трубы, осуществляющей в теплообменнике «самотягу». Скорость продуктов сгорания в газовом тракте теплообменника обычно не превышает 5...7 м/с. В результате малой скорости продуктов сгорания и низкой их плотности коэффициенты теплоотдачи от продуктов сгорания в стенку не превышают 20...30 Вт/м. Это приводит к увеличению потребной площади теплообмена, а в конечном итоге, к увеличению массы и стоимости подогревателя газа.
Коэффициент эжекции горелки сильно зависит от противодавления в нагрузке (например, в котле), не обеспечиваются высокие скорости прокачки продуктов сгорания через котел (теплообменник). Газовая горелка эжекторного типа, совмещенная с туннельным насадком, принята за прототип предлагаемой газовой горелки.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении эффективности работы подогревателя, уменьшения его массы и стоимости, повышении эффективности работы горелки, путем увеличения скорости истечения продуктов сгорания из горелочного устройства, а также увеличения степени сжатия при стехиометрических коэффициентах эжекции, уменьшении зависимости работы эжектора от противодавления в тракте теплообменника.
Технический результат, достигается тем, что в подогревателе природного газа, содержащем горелочное устройство, теплообменник, включающий коаксиально расположенные газовый тракт продуктов сгорания, тракт промежуточного теплоносителя, тракт подогреваемого газа, входной и выходной коллекторы, выхлопную трубу, новым является то, горелочное устройство представляет собой газовую горелку эжекторного типа, установленную на входе газового тракта продуктов сгорания, выполненного в виде цилиндрической трубы, с образованием зазора между выходным сечением горелки и входным сечением цилиндрической трубы.
Технический результат достигается тем, что в газовой горелке эжекторного типа, содержащей камеру смешения, на входе которой, с образованием кольцевого зазора, установлено сопло активного газа, последовательно расположенные дозвуковой диффузор, цилиндрический насадок, запальник, новым является то, что в цилиндрическом насадке установлен стабилизатор пламени, выполненный в виде сетки или пакета сеток. Сопло активного газа выполнено сверхзвуковым.
На фиг 1. представлена схема подогревателя газа.
На фиг.2 представлена схема эжекторной горелки.
Здесь: 1 - газовая горелка эжекторного типа; 2 - цилиндрическая труба, образующая тракт продуктов сгорания; 3 - тракт промежуточного теплоносителя; 4 - тракт подогреваемого газа; 5 - зазор между выходным сечением горелки 1 и входным сечением, цилиндрической трубы 2, образующей тракт продуктов сгорания; 6 - входной коллектор; 7 - выходной
коллектор; 8 - выхлопная труба; 9 - камера смешения горелки 1; 10 - сопло активного газа; 1 - дозвуковой диффузор; 12 - цилиндрический насадок; 13 -стабилизатор пламени.
Подогреватель природного газа содержит газовую горелку 1 эжекторного типа высокого давления, теплообменник, включающий коаксиально расположенные газовый тракт продуктов сгорания выполненный в виде цилиндрической трубы 2 с выхлопной трубой 8, тракт промежуточного теплоносителя 3, тракт подогреваемого газа 4 с входным 4 и выходным 5 коллекторами. Горелка 1 установлена на входе цилиндрической трубы 2 с образованием зазора 5 относительно входного сечения цилиндрической трубы 2, образующей тракт продуктов сгорания.
Горелка 1 содержит камеру смешения 9, на входе которой, с образованием кольцевого зазора, установлено сверхзвуковое сопло активного газа 10, последовательно расположенные дозвуковой диффузор 11, цилиндрический насадок 12, в котором установлен стабилизатор пламени 13, выполненный в виде сетки или пакета сеток, запальник (на фигуре не показан).
Работает подогреватель следующим образом. Активный газ подводится к сверхзвуковому соплу активного газа 10. В камеру смешения 9 пассивный атмосферный воздух поступает через кольцевой зазор. По мере продвижения по камере смешения 9 газовые потоки смешиваются, а давление статическое возрастает. В дозвуковом диффузоре 11 происходит дальнейшее увеличение давления смеси. Максимальным давление становится перед стабилизатором 13 - пакетом сеток. Степень сжатия увеличивается с ростом полного давления активного газа при прочих равных условиях. Скорость потока внутри стабилизатора 13 из сеток может достигать десятков метров в секунду. На небольшом расстоянии от сеток профиль скорости потока поперек насадка выравнивается, а мелкомасштабная турбулентность может еще сохраняться. В результате после поджигания смеси запальником за стабилизатором 13, выполненном в
виде сетки или пакета сеток, устанавливается фронт пламени. Скорость турбулентного горения составляет ~ 10 м/с. Скорость течения горячих продуктов сгорания существенно больше, поэтому процессы горения завершаются примерно на расстоянии 2...3 диаметра насадка после сетки. При снижении расхода активного газа скорости холодного потока вдоль всего тракта снижаются, в стабилизаторе 13, скорости потока остаются высокими при самых малых давлениях активного потока, поэтому фронт пламени не может проникнуть против потока сквозь сетку. Этому же способствует активный отбор тепла от пламени материалом сетки, а также снижение скорости распространения пламени из-за его ламиниризации. При возрастании расхода активного газа за элементами стабилизатора 13 остаются замкнутые отрывные зоны, циркуляционное течение в которых способствует постоянному поддержанию фронта пламени.
При числе Маха холодного потока за стабилизатором 13 равным 0,05, число Маха горячего потока на выходе из цилиндрического насадка 12 составит 0,17. Предельное число Маха холодного потока за стабилизатором 13 составляет 0,14. При этом значении на выходе цилиндрического насадка 12 появляется поток с числом Маха равным 1.
Газовая горелка эжекторного типа высокого давления 1 обеспечивает высокую скорость продуктов сгорания возле поверхностей нагрева. Коэффициенты теплоотдачи возрастают с увеличением скорости движения газа, что позволяет снизить габариты теплообменника при прочих равных условиях.
Подогреватель предпочтительно располагается вертикально. Горелка 1 высокого давления установлена соосно с цилиндрической трубой 2, образующей тракт продуктов сгорания и на некотором расстоянии от ее входа (с зазором 5 между выходным сечением горелки 1 и входным сечением цилиндрической трубы 2, образующей тракт продуктов сгорания). По тракту 3 подается промежуточный теплоноситель, например рассол, а по тракту 4 проходит подогреваемый газ. Увеличение скорости прокачиваемого
горячего потока в несколько раз, практически во столько же раз увеличивает обобщенный коэффициент теплопередачи, и, как следствие, снижается масса и габариты подогревателя в целом.
В газовых горелках эжекторного типа высокого давления амплитуда акустических колебаний существенно меньше избыточного давления, создаваемого ей. Полного исчезновения акустических колебаний на резонансных и кратных частотах можно добиться, если ввести в систему газодинамическую развязку - поместить срез горелки 1 на расстоянии от входа в цилиндрическую трубу 2, при этом горелка 1 излучает лишь шумы, связанные с турбулентным горением. Предотвращение акустических колебаний повышает устойчивость горения и снижает уровень шума.