Топка для путевого подогревателя
HEATER FOR TRACK HEATER

Изобретение относится к подогревателям жидких сред, в частности к топкам для путевых подогревателей с жидким теплоносителем, например, в виде водного раствора деэтиленгликоля, и может быть использовано в химической и нефтеперерабатывающей промышленности для подогрева нефтяной эмульсии или нефти.
5
Из А.с. №1744406 (СССР МПК 28Д 1/02, опубл. 30.06.1992, Бюл. №24) известна топка (жаровая труба) трубчатого подогревателя жидких или газообразных сред, которая внутри имеет полую осесимметрично расположенную вставку, сообщенную со стороны верхнего и нижнего торцов с полостью корпуса. Жаровая труба снабжена сквозными патрубками. В процессе работы подогревателя включение жаровой трубы приводит к перемещению теплоносителя в верхнюю часть вставки и его растеканию по патрубкам.
Общими признаками известной и патентуемой топки является форма в виде трубы, а также размещение в топках патрубков, предназначенных для перетока теплоносителя.
В А.с. №1561612, (СССР М. кл. F22B 7/00, опубл. 05.10.1987.) описана топка (горизонтальный газоход). В газоходе продукты сгорания топлива (источник теплоты) перемещаются по прямому и обратному ходам. Теплообменные трубки выполнены закрепленными концами в нижней и верхней плоских стенках газохода.
Общими признаками известной и патентуемой топки является форма в виде трубы и содержание в топках теплообменных (переточных) трубок.
В патенте №2655096 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 23.05.2018, Бюл. №15) описана топка (жаровая труба) трубчатого подогревателя для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей. В жаровой трубе размещенны кольца-турбулизаторы, а под углом к горизонтали дополнительно размещены трубки, которые открытыми концами входят в рубашку с промежуточным теплоносителем.
Общими признаками известной и патентуемой топки является форма в виде трубы, а также размещение в топках трубок для перетока теплоносителя.
Из патента №2380611 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 27.01.2010, Бюл. №3) известна топка (топочная камера) подогревателя нефти, которая имеет U-образную форму и содержит поперечные переточные трубки.
Общими признаками известной и патентуемой топки является U-образная форма и наличие в топках трубок для перетока теплоносителя.
Из патента №2613008 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 14.03.2017, Бюл. №8, см. описание патента 7-й абзац) известна топка U-образной формы для путевого подогревателя нефти серий ПП-1,6 / ПП-4. Топка установлена во внутренней полости (в нижней части) подогревателя, представляющего собой цилиндрическую горизонтальную емкость с плоским днищем.
Емкость заполняют жидким теплоносителем (диэтиленгликолем).
Топочные устройства оборудованы горелками:
- газовыми в модели ПП-1,6; ПП-4; ПП-4В;
- жидкотопливными в модели ПП-1,6Ж;
- комбинированными в модели ПП-1,6-К.
Узлы подготовки и подачи топлива к горелочным устройствам смонтированы снаружи подогревателя, который оборудован также указателем уровня теплоносителя, лестницей и площадкой обслуживания.
Подогреватель работает следующим образом. Продукт подают в змеевики для нагревания до +70°С от теплоносителя. Температуру теплоносителя поддерживают автоматикой +95°С путем регулирования мощности горелок. Система автоматизации подогревателя ПП-1,6/-4 обеспечивает:
- регулирование давления топлива перед горелками;
- розжиг горелок;
- поддержание температуры продукта за счет автоматического изменения режима горелок с большого на малое горение и наоборот;
- автоматическое отключение подачи топлива к горелкам с расшифровкой и запоминанием первопричины в случае:
- повышения давления газообразного топлива перед горелками;
- понижения давления топлива перед горелками;
- погасания факелов горелок;
- повышения температуры теплоносителя;
- повышения давления в продуктовом змеевике.
Общими признаками известной и патентуемой топки является U-образная форма.
Недостатками данного аналога являются:
- малые габариты конвективной зоны;
- передача тепловой энергии в радиантной зоне значительно превышает количество тепла, переданное в конвективной зоне топки;
- повышение температуры дымовых газов при высоких нагрузках;
- более низкий тепловой коэффициент полезного действия (КПД) путевого подогревателя, оборудованного известной топкой.
В патенте №74190 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 20.06.2008 Бюл. №17) описана наиболее близкая (прототип) по технической сущности топка для путевого подогревателя в виде U-образной трубы, в конвективной зоне которой под углом к горизонтали вварены сквозные поперечные переточные трубы. При этом переточные трубы имеют максимальный диаметр и расположены таким образом, что образуют спираль внутри топочного пространства, а в U-образном переходе радиационной-конвективной камеры в конвективную также вварены переточные трубы максимального возможного диаметра, с линейно угловым шагом образуя спираль.
Недостатками прототипа являются:
- наличие труб в радиантной части топки может привести к локальному перегреву и разгерметизации поперечных переточных труб;
- не оптимальный диаметр труб;
- наличие поперечных переточных труб в U-образном переходе приводит к возрастанию гидравлического сопротивления топки.
Техническая задача заявляемого изобретения состоит в расширении ассортимента средств подогрева нефти и нефтепродуктов при их транспортировке путем передачи тепловой энергии от топки теплоносителю, а от последнего продукту.
Совокупность существенных признаков в заявляемом изобретении позволяет получить следующий технический результат:
- снижение температуры дымовых газов на выходе из дымовой трубы;
- увеличение поверхности теплообмена конвективной зоны;
- увеличение теплового коэффициента полезного действия (КПД);
- улучшение технико-экономических показателей путевого подогревателя, оборудованного патентуемой топкой.
Устранение указанных недостатков прототипа и технический результат от реализации топки для путевого подогревателя нефтяной эмульсии или нефти, представляющей собой U-образную трубу и оборудованную сквозными переточными трубками, размещенными в конвективной зоне топки под углом к горизонтали, достигают за счет того, что топка оборудована сквозными переточными трубками, внешний диаметр которых составляет 36-70 мм. При этом трубки размещены в конвективной зоне топки в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 25-90°.
Сопоставительный анализ прототипа и заявляемой топки показывает, что обе топки представляют собой U-образную трубу, оборудованную сквозными переточными трубками, размещенными в конвективной зоне топки под углом к горизонтали.
Отличительной особенностью заявляемой топки для путевого подогревателя является то, что топка оборудована сквозными переточными трубками, внешний диаметр которых составляет 36-70 мм. При этом трубки размещены в конвективной зоне топки в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 25-90°.
Сущность изобретения поясняет фиг. 1.
На фиг. 1. представлен общий вид патентуемой топки для путевого подогревателя типа ПП-4В, где позициями 1-6 обозначены:
1 - радиантная зона;
2 - конвективная зона;
3 - отвод;
4 - дымовая труба;
5 - горелочное устройство;
6 - сквозные переточные трубки.
Радиантной зоной 1 является пространство внутри топки от фланца горелочного устройства 5 до отвода 3, а конвективной зоной 2 - от отвода 3 до фланца дымовой трубы 4. Отводом 3 является U-образный переход. Топка оборудована дымовой трубой 4 и горелочным устройством 5. Сквозные переточные трубки 6, внешний диаметр которых составляет 57 мм, размещены в конвективной зоне топки. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 50°.
Топка представляет собой U-образную трубу, имеющую с двух сторон фланцевые соединения для крепления горелочного устройства 5 дымовой трубы 4. В радиантной зоне топки 1 (от фланца горелочного устройства 5 до отвода 3) основная передача тепла происходит за счет передачи тепловой энергии (излучение) при сгорании топлива. В конвективной зоне топки 2 (от отвода 3 до фланца дымовой трубы 4) передача тепла обусловлена конвективным теплообменом за счет передачи тепловой энергии дымовыми газами.
На фиг. 2. представлен общий вид стандартной топки для путевого подогревателя типа ПП-4В (аналог) с аналогичным фиг. 1 перечнем фигур (за исключением позиции 6 - сквозные переточные трубки).
Топка представляет собой U-образную трубу, имеющую с двух сторон фланцевые соединения для крепления горелочного устройства 5 дымовой трубы 4. В радиантной зоне топки 1 (от фланца горелочного устройства 5 до отвода 3) основная передача тепла происходит за счет передачи тепловой энергии (излучение) при сгорании топлива. В конвективной зоне топки 2 (от отвода 3 до фланца дымовой трубы 4) передача тепла обусловлена конвективным теплообменом за счет передачи тепловой энергии дымовыми газами.
3
На фиг. 3. представлен продольный разрез подогревателя. Конструкционно путевой подогреватель представляет собой цилиндрическую горизонтальную емкость объемом 100 м с плоским днищем. В верхней части подогревателя установлен продуктовый трубчатый змеевик, в который подают нефть. В нижней части подогревателя установлены две стандартные топки (фиг. 2. аналог), имеющие с двух сторон фланцевые соединения. К одному фланцу топки подогревателя крепится горелочное устройство, а к другому - дымовая труба.
Нагрев нефти осуществляют следующим образом. Внутреннюю часть емкости заполняют жидким промежуточным теплоносителем, в качестве которого используют водный раствор этиленгликоля. Осуществляют подачу топлива (товарная нефть) к горелочному устройству топки подогревателя. Топка предназначена для передачи тепла от продуктов сгорания нагреваемому продукту посредством промежуточного теплоносителя. При сжигании топлива в горелочном устройстве нагревается топка и жидкий промежуточный теплоноситель. Нефть в количестве 422 т/ч нагревается в продуктовом змеевике от промежуточного теплоносителя, после чего выводится из подогревателя. Продукты сгорания выводятся из топки при помощи дымовой трубы.
Сущность настоящего изобретения дополнительно описана с помощью следующих примеров реализации.
Пример 1 (для сравнения). Нагрев нефти осуществляют в путевом подогревателе типа ПП-4В, оборудованном стандартной топкой (аналог).
Пример 2 (для сравнения). Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя топками по прототипу.
Пример 3 Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя патентуемыми топками (фиг. 1), в конвективных зонах которых размещены сквозные переточные трубки с внешним диаметром 70 мм. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 25°.
Пример 4 Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя патентуемыми топками (фиг. 1), в конвективных зонах которых размещены сквозные переточные трубки с внешним диаметром 50 мм. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 45°.
Пример 5 Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя патентуемыми топками (фиг. 1), в конвективных зонах которых размещены сквозные переточные трубки с внешним диаметром 36 мм. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 90°.
В таблице представлены сопоставительные результаты нагрева нефти в путевом подогревателе, оборудованном топками по аналогу (пример 1), по прототипу (пример 2) и топками по предлагаемому изобретению (пример 3-5).
Приведенные в таблице данные подтверждает эффективность разработанного технического решения. Размещение переточных трубок в конвективной зоне обеспечивает понижение температуры дымовых газов и увеличение поверхности теплоообмена конвективной зоны более чем в два раза. Расположение переточных трубок в шахматном порядке позволяет предотвратить образование застойных зон и «пристеночного» эффекта. При реализации изобретения значительно увеличен коэффициент полезного действия, повышена тепловая мощность путевого подогревателя и перепад температур начальной и конечной нефти.
Устранены недостатки прототипа. При использовании патентуемой топки показано отсутствие локального перегрева и разгерметизации свозных переточных трубок, уменьшено гидравлическое сопротивление топки.
Подобран оптимальный внешний диаметр свозных переточных трубок и их угол наклона к горизонтали.
Шаг сквозных переточных трубок принят с учетом сохранения гидравлического сопротивления конвективной части топки. Внешний диаметр свозных переточных трубок обусловлен конструктивными особенностями конвективной части топки. Увеличение внешнего диаметра свозных переточных трубок свыше 70 мм приведет к уменьшению их количества и, как следствие, к снижению полезной площади теплообмена и ухудшению технического результата. Уменьшение диаметра свозных переточных трубок (меньше 36 мм) приведет к резкому росту гидравлического сопротивления конвективной зоны топки.
Угол наклона свозных переточных трубок к горизонтали в заявляемых интервалах обеспечивает эффективный конвекционный процесс движения теплоносителя и достижение оптимальных значений теплопередачи.
При этом заявляемый технический результат получен не за счет аддитивного вклада каждого компонента, а за счет суммарного синергетического эффекта.