ПОДОГРЕВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к огневым подогревателям, и может быть использовано в нефтяной, химической промышленности и других отраслях техники для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева.
Известен подогреватель [1], где источником теплоты служат продукты сгорания топлива, перемещающиеся в горизонтальном газоходе с прямым и обратным ходом для газов, а нагреваемый жидкий продукт подается в пучок продуктовых труб, размещенный над газоходом. Пучок продуктовых труб и газоход размещены в корпусе, заполненном промежуточным жидким теплоносителем. Подогреватель содержит теплообменные трубки закрепленные концами в нижней и верхней плоских стенках газохода. Наличие теплообменных трубок усложняет и удорожает конструкцию подогревателя. Большое число сварных швов, соединяющих теплообменные трубки со стенками газохода, снижает надежность подогревателя. Нижняя плоская стенка газохода может прогорать из-за образования устойчивой паровой пленки в локальных впадинах на стенке. Подогреватель имеет высокую металлоемкость и габариты. Известен также подогреватель жидкости [2], содержащий корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, погруженную в последний жаровую трубу и горизонтальную продуктовую трубу, выполненную, по меньшей мере, с одним вертикальным каналом, стенки которого скреплены кромкой с трубой. Подогреватель сложен в изготовлении. Работа с высоким давлением нагреваемого продукта требует толстых стенок вертикальных каналов. Подогреватель отличается высокими удельными затратами металла на изготовление.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является подогреватель, включающий корпус, заполненный промежуточным жидким теплоносителем, расположенные в нем жаровую трубу, примыкающую к горелочному устройству и имеющую на внутренней поверхности стенки кольца-турбулизаторы, низкотемпературную зону, примыкающую к дымовой трубе, и одно- или многопоточный змеевик, состоящий из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, часть которых размещена в промежуточном жидком теплоносителе, а другая часть размещена в низкотемпературной зоне и имеет на внешней поверхности выступы-турбулизаторы, выполненные в виде спирали, [3] - прототип.
В известном устройстве кольца-турбулизаторы в диаметральных сечениях жаровой трубы расположены не на всей длине трубы, а лишь на ее части. Данное обстоятельство локализует интенсификацию конвективного теплообмена продуктов сгорания топлива только на этой ограниченной части поверхности теплопередачи жаровой трубы и не исчерпывает все возможности повышения теплопередачи за счет установки колец-турбулизаторов. Наличие выступов-турбулизаторов на внешней поверхности прямых участков продуктовых труб, размещенных в низкотемпературной зоне, позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен продуктов сгорания топлива со стенкой труб. Однако, выполнение выступов-турбулизаторов в виде проволочной навивки значительно в большей степени, чем теплообмен, увеличивает гидравлическое сопротивление, что может приводить к необходимости устанавливать дымовую трубу большой высоты. В рабочих условиях температура проволочной навивки будет выше, чем температура стенки продуктовых труб. По этой причине за счет большего термического расширения витки проволочной спирали будут отходить от стенки продуктовых труб, утратится их тепловой контакт, и при этом возможно смещение витков вдоль труб из-за динамического воздействия на них потока продуктов сгорания топлива. Недостатком устройства являются и высокие температуры стенок и корпуса, что стимулирует потери
тепла в окружающую среду и снижает эффективность работы подогревателя. При повышенных тепловых нагрузках в верхней части объема рубашки жаровой трубы может образовываться паровая "шапка" над промежуточным жидким теплоносителем из-за наличия внешнего теплоподвода через стенку рубашки, что приведет к резкому росту температуры стенки рубашки в районе "шапки" и нарушит работу гидравлического затвора подогревателя. Все это снижает надежность работы подогревателя.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении эффективности и надежности работы подогревателя.
к
к
экв
в
в
экв
Сущность полезной модели заключается в том, что в подогревателе, включающем корпус, заполненный промежуточным жидким теплоносителем, расположенные в нем жаровую трубу, примыкающую к горелочному устройству и имеющую на внутренней поверхности стенки кольца-турбулизаторы, низкотемпературную зону, примыкающую к дымовой трубе, и одно- или многопоточный змеевик, состоящий из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, часть которых размещена в промежуточном жидком теплоносителе, а другая часть размещена в низкотемпературной зоне и имеет на внешней поверхности выступы-турбулизаторы, выполненные в виде спирали, отличающийся тем, что кольца-турбулизаторы размещены на всей длине жаровой трубы, а выступы-турбулизаторы на прямых участках продуктовых труб, размещенных в низкотемпературной зоне, выполнены в виде наплавленных ребер с профилем поперечного сечения приближенным к полукругу, причем кольца-турбулизаторы размещены с шагом t в интервале t=(0,3÷0,5)D и имеют внутренний диаметр d в интервале d=(0,92÷0,95)D, где D - внутренний диаметр жаровой трубы, а выступы-турбулизаторы на продуктовых трубах имеют высоту h в интервале h=(0,01÷0,02)d и шаг t спирали в интервале t=(6÷12)h, где d - эквивалентный диаметр пучка продуктовых труб.
В отличие от известного устройства, размещение колец-турбулизаторов на внутренней поверхности жаровой трубы на всей ее длине позволяет в полной мере использовать возможности интенсификации конвективного теплообмена продуктов сгорания топлива и увеличить количество передаваемого тепла при той же площади поверхности теплопередачи жаровой трубы. Выполнение выступов-турбулизаторов на внешней поверхности продуктовых труб, размещенных в низкотемпературной зоне, в виде наплавленных ребер позволяет повысить тепловую эффективность поверхности, так как, в отличие от проволочной навивки в известном устройстве, отсутствует контактное термическое сопротивление на границе выступ - стенка и за счет ребер увеличивается площадь поверхности теплообмена. Профиль сечения ребер приближенный к полукругу, являясь обтекаемым и обеспечивая сохранение высокого уровня интенсификации конвективного теплообмена продуктов сгорания топлива, позволяет значительно снизить гидравлическое сопротивление потоку по отношению к проволочной навивке [Интенсификация теплообмена в каналах / Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, С.А.Ярхо. - 3-е изд. Перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990, с.63-66].
к
к
экв
в
в
экв
Наличие турбулизаторов на поверхностях теплообмена, как в известном устройстве, не всегда может приводить к повышению интенсивности теплообмена, но всегда - к повышению гидравлического сопротивления обтекающего потока. Размещение колец-турбулизаторов в жаровой трубе с шагом t в интервале t=(0,3÷0,5)D и выполнение их с внутренним диаметром d в интервале d=(0,92÷0,95)D, где D - внутренний диаметр жаровой трубы, и выполнение выступов-турбулизаторов на продуктовых трубах высотой h в интервале h=(0,01÷0,02)d и с шагом t спирали в интервале t=(6÷12)h, где d - эквивалентный диаметр пучка продуктовых труб, отвечает оптимальным сочетаниям конструктивных размеров, которые обеспечивают высокий рост интенсивности теплообмена и наивыгоднейшее соотношение между интенсивностью теплообмена и гидравлическим сопротивлением потока газа [Интенсификация
теплообмена в каналах / Э.К.Калинин, Г.А.Дрейцер, С.А.Ярхо. - 3-е изд. Перераб. и доп. - Машиностроение, 1990, с.191, 100-105.].
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".
Известные технические решения [1, 2], реализующие нагрев продукта с помощью жидкого промежуточного теплоносителя имеют повышенную металлоемкость и габариты. Конструктивное исполнение данных подогревателей не обеспечивает интенсифицированный теплообмен. Наличие большого числа сварочных швов обуславливает технологическую сложность изготовления.
Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".
На фиг.1 изображен общий вид подогревателя; на фиг.2 - вид слева на фиг.1; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг5 - разрез В-В на фиг.3; на фиг.6 - элемент I на фиг.3; на фиг.7 - элемент II на фиг.3.
Подогреватель содержит корпус 1, в котором размещены жаровая труба 2, снабженная кольцами-турбулизаторами 3 и примыкающая к горелочному устройству 4, и низкотемпературная зона 5, примыкающая к дымовой трубе 6. Пространство между стенками корпуса 1, жаровой трубы 2 и низкотемпературной зоны 5 заполнено промежуточным жидким теплоносителем. Одна часть 7 продуктовых труб одно- или многопоточного змеевика размещена в промежуточном жидком теплоносителе, а другая часть 8 размещена в низкотемпературной зоне 5. Трубы в змеевике скомпонованы таким образом, чтобы обеспечить, при необходимости, естественный слив продукта из подогревателя. Прямые участки части 8 продуктовых труб змеевика имеют наплавленные ребра 9, выполненные в виде спирали с профилем поперечного сечения приближенным к полукругу.
Подогреватель работает следующим образом. Образующиеся при сжигании топлива в горелочном устройстве 4 продукты сгорания поступают при избыточном по отношению к атмосферному давлении в жаровую трубу 2. Наличие колец-турбулизаторов 3 в диаметральных сечениях жаровой трубы 2 приводит к образованию микровихрей в пристенной зоне потока продуктов сгорания топлива и тем самым обеспечивает высокоинтенсивный теплообмен со стенкой. Охлажденные до 800-1100°С в жаровой трубе 2 продукты сгорания топлива поступают в низкотемпературную зону 5, где отдают тепло нагреваемому продукту через стенки части 8 труб змеевика и частично - промежуточному теплоносителю через стенку низкотемпературной зоны 5. Охладившись в конвективной камере 5 до температуры ниже 250°С, продукты сгорания поступают в дымовую трубу 6, откуда удаляются в атмосферу.
Направление движения нагреваемого продукта по трубам змеевика может быть различным. Преимущественный вариант для коксующегося продукта типа нефти показан на фиг.1 и 2. Сначала продукт поступает в трубы 7 змеевика, расположенные в промежуточном жидком теплоносителе, и нагревается, воспринимая тепло от этого теплоносителя, в условиях "мягкого" температурного режима. Далее продукт догревается до конечной заданной температуры в трубах части 8 змеевика. Здесь вязкость продукта минимальна и при достаточно высокой его скорости движения обеспечивается высокоинтенсивный теплообмен со стенкой труб. Это позволяет поддерживать температуру стенки труб части 8 змеевика ниже величины начала коксования нагреваемого продукта.
Использование предлагаемого подогревателя обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества:
- конструктивная простота, более простые технологии изготовления и ремонта;
- большая компактность и меньшая металлоемкость, обусловленные использованием приемов и средств интенсификации теплообмена продуктов сгорания топлива с теплопередающими поверхностями;
- меньшее гидравлическое сопротивление по тракту продуктов сгорания топлива;
- меньшие потери тепла в окружающую среду от поверхности подогревателя;
- меньшие капитальные и эксплуатационные затраты, обусловленные оптимальными конструктивными размерами турбулизаторов, размещенных на поверхностях теплообмена;
- большая надежность из-за низкой рабочей температуры элементов подогревателя и отсутствие в них высоких термических напряжений.
Например, подогреватель тепловой мощностью 1,9 МВт, предназначенный для нагрева нефтяной эмульсии до температуры 90°С, имеет диаметр жаровой трубы 620 мм, диаметр продуктовых труб 89 мм и размеры корпуса - 5500×1600×1600 мм. Тепловой КПД составляет не менее 88% при номинальной тепловой мощности. С уменьшением тепловой мощности подогревателя его КПД растет. В качестве промежуточного жидкого теплоносителя используется вода. По сравнению с известными, выпускаемыми промышленностью аналогами, подогреватель имеет в среднем в три раза меньшую величину отношения номинальной тепловой мощности к полному его весу и в шесть раз меньшую величину подобного вида габаритного показателя. За счет высокого КПД достигается значительный энергосберегающий эффект.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1561612, М. кл. F22В 7/00 от 05.10.1987.
2. Авторское свидетельство СССР №1668827, М. кл. F24Н 1/14 от 10.05.1989.
3. Патент на изобретение RU №2256846, М. кл. F22В 7/00 от 01.03.2004. Опубликовано 20.07.2005, бюл. №20.