НЕПРЯМОЙ ТЕПЛООБМЕННИК
INDIRECT HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к промышленности, в которой используются печи, вырабатывающие горячие топочные газы, в этих печах тепловую энергию горячих топочных газов предполагается использовать для предварительного нагрева реагентов, поступающих в печь, и таким образом улучшить тепловой кпд печи. Это в особенности может относиться к стекольной промышленности и, в частности, к промышленности по производству листового стекла.
По существу, известны два способа использования горячих топочных газов в качестве нагревательного газа.
Во-первых, известны устройства, состоящие из теплообменника, предназначенного для прямого, при желании, через стену нагрева газа горения горячими топочными газами, которые вырабатываются в печи. Документы ЕР 950031 и US 5807418 описывают такие устройства. Такое решение хотя и связано с разумными издержками, поскольку состоит из единственного теплообменника, тем не менее не выглядит обеспечивающим надежный или в любом случае достаточный уровень безопасности. На практике топочные газы часто содержат несгоревшие частицы или из-за того, что для процесса требуется восстановительная атмосфера, или из-за работы со сбоями горелки. С течение времени теплообменник может быть поврежден, в частности, коррозией из-за контакта с горячими топочными газами. Дефектные детали теплообменника могут затем допустить контакт горячего газа горения, которым может быть кислород, с этими несгоревшими частицами и таким образом создать источник возгорания, последствия которого могут быть пагубными.
Кроме того, известны также устройства, состоящие из двухступенчатого теплообмена с использованием двух отдельных теплообменников. Первый теплообменник служит для нагрева промежуточной текучей среды, в частности воздуха, с использованием горячих топочных газов, а второй теплообменник служит для нагрева газа горения, в частности кислорода, с использованием промежуточной текучей среды, предварительно нагретой в первом теплообменнике. В патентах US 6071116 и US 6250916, выданных обладателю настоящей патентной заявки, описаны такие устройства. Такое решение безопаснее первого, описанного выше, поскольку содержание кислорода в промежуточной текучей среде недостаточно для возгорания несгоревших частиц в топочных газах. Кроме того, наличие отверстий в стенках теплообменника между газом горения и промежуточной текучей средой не будет иметь влияния, когда указанным газом является кислород и промежуточной текучей средой является воздух, поскольку оно вызывает контакт двух окислителей. И наоборот, это решение не подходит для нагрева в качестве газа горения природного газа, поскольку дефект в теплообменнике между промежуточной текучей средой и газом может допустить перемешивание природного газа с горячим воздухом (промежуточной текучей средой) и может привести к взрыву. Другим недостатком этого решения является его высокая стоимость, поскольку для него требуются два раздельных теплообменника, соединенные схемой.
Таким образом, существует потребность в улучшенном теплообменном устройстве, позволяющем избежать недостатков известных устройств.
Следовательно, задачей изобретения является создание теплообменника для пламенной печи, причем теплообменник содержит зону теплообмена, снабженную средством для пропуска горячих топочных газов, испускаемых горелкой печи, и указанная зона пересекается по меньшей мере одним средством для транспортировки предназначенного для нагревания газа горения из источника газа горения через зону теплообмена и до горелки печи, причем указанное средство снабжено стенкой, сконструированной таким образом, чтобы обеспечить нагрев газа горения путем передачи тепла, причем средство для транспортировки газа горения помещено в зону теплообмена в средстве для содержания инертного газа и снабжено стенкой, предназначенной для того, чтобы обеспечить нагрев инертного газа путем передачи тепла от горячих топочных газов.
Таким образом, в теплообменнике согласно настоящему изобретению передача тепла или теплообмен между горячими топочными газами и газом горения происходит непрямым образом: через стенку (средства транспортировки газа горения) и через атмосферу инертного газа.
В контексте настоящего изобретения под газом горения подразумевается любой обычно применяемый в теплообменнике газ и, в частности, окислитель, такой как кислород, воздух, воздух, обогащенный кислородом, или топливо, такое как природный газ.
В контексте настоящего изобретения под инертным газом подразумевается любой газ, остающийся инертным при горении, то есть все негорючие газы, за исключением кислорода. Можно упомянуть, в частности, аргон, гелий, неон, криптон, азот или их смесь. Указанный инертный газ является предпочтительно статичным. В одном варианте осуществления инертный газ не является статичным, т.е. инертный газ протекает в средстве, содержащем инертный газ, но это подразумевает наличие отдельного контура подачи и, следовательно, более сложное устройство.
Средством для пропуска горячих топочных газов, испускаемых горелкой печи, может быть любое общеизвестное средство, которое используется специалистами в этой области техники в обычном теплообменнике, в частности топочные газы могут пропускаться в противотоке с газом горения или перпендикулярно к направлению газа горения.
Средством транспортировки газа горения может быть любое подходящее средство, известное специалистам в данной области техники и допускающее транспортировку газа горения от источника газа горения через зону теплообмена и в направлении горелки пламенной печи. Оно может быть, например, по меньшей мере одной трубой или каналом; прямым или непрямым. Поперечное сечение такого средства может иметь любую форму, правильную или нет, например, в точности или, по существу, круглую, или овальную, или эллиптическую, или прямоугольную, или прямоугольную с закругленными углами, или иметь любую промежуточную форму, и предпочтительно является в точности или, по существу, круглой. Может использоваться любое средство для транспортировки газа горения, применяемое до сих пор в теплообменниках.
Стенка средства для транспортировки газа горения выполнена главным образом из подходящего материала, обладающего сопротивляемостью воздействию атмосфере горячего газа горения, и подходящего для того, чтобы допустить теплообмен между газом горения и инертным газом, который сам нагревается горячими топочными газами, проходящими через зону теплообмена. Применяемый главным образом материал поэтому предпочтительно устойчив к окислению в горячей кислородной атмосфере, когда газом горения является окислитель, содержащий кислород. Материалы, подходящие для использования, предпочтительно образуют в горячем кислороде защитное покрытие из оксида металла (механизм пассивации). Типами пригодных к применению материалов предпочтительно являются железо-никелевые сплавы и, в частности, сплав Fe-20 Cr-30 Ni. Для некоторых областей применения желательно, чтобы применяемый материал не содержал никеля, и в этом случае могут использоваться такие материалы, как сплав Fe-21 Cr-5 Al, в меньшей мере доступные и более дорогостоящие. В общем, поскольку стенка не находится в непосредственном контакте с горячими топочными газами, ограничения в отношении выбора материала меньше, чем в случае существующих технических решений теплообменников, в которых ограничения относятся не только к контакту с горячим газом горения, но и к контакту с горячими топочными газами.
В качестве примера можно указать, что эффективная температура топочного газа может варьироваться в диапазоне от 500°С до 1600°С, в то время как температура стенок, находящихся в контакте с горячими топочными газами, может варьироваться в диапазоне от 300°С до 1300°С, а температура стенок, находящихся в контакте с нагреваемым газом горения, может варьироваться в диапазоне от 300°С до 1000°С; температура инертного газа может варьироваться в диапазоне от 300°С до 1000°С и температура газа горения в диапазоне от 300°С до 1000°С.
Средством для содержания инертного газа может быть любое подходящее средство для содержания инертного газа, статичный или нет, и в котором может быть помещено по меньшей мере одно средство для транспортировки газа горения. Им может быть, например, по меньшей мере одна труба или канал, прямая или нет. Поперечное сечение такого средства может иметь любую форму, правильную или нет, например, в точности или, по существу, круглую, или овальную, или эллиптическую, или прямоугольную, или прямоугольную с закругленными углами, или иметь любую промежуточную форму. Поперечное сечение указанного средства, вмещающего инертный газ, должно иметь большие размеры, но предпочтительно сходную или идентичную форму по сравнению с формой средства для транспортировки газа горения, в частности, когда в средство для содержания инертного газа помещено одно средство для транспортировки газа горения.
Специалисту в данной области техники понятно, что толщина, однородная или нет, атмосфера инертного газа, в которую помещено средство для транспортировки газа горения, не должна быть слишком большой, так что возможна передача тепла от горячих топочных газов к инертному газа и далее к газу горения, и он будет знать, как определить максимальную подходящую толщину.
Теплообмен между горячими топочными газами и газом горения посредством инертного газа зависит также от давления инертного газа, поскольку при высоком давлении плотность инертного газа возрастает и поэтому возрастает интенсивность теплообмена, а теплообменник поэтому становится в основе своей более эффективным.
В первом конкретном варианте осуществления средство для транспортировки газа горения и средство для содержания инертного газа являются прямыми трубами с точным или, по существу, круглым поперечным сечением. Обычно непосредственный контакт между газом горения и стенкой средства, вмещающего инертный газ, отсутствует. Поэтому такая стенка не подвергается подобным напряжениям, как стенка средства для транспортировки газа горения, и вероятность коррозии и/или окисления значительно ниже. Поэтому диапазон пригодных для применения материалов шире, чем в случае материалов, применимых для стенок средства для транспортировки газа горения.
Во втором конкретном варианте осуществления средство для транспортировки газа горения и средство для содержания инертного газа являются прямыми трубами с точным или, по существу, круглым поперечным сечением и, кроме того, эти трубы соединяются вместе металлическими перемычками, отходящими от внутренней стенки наружной трубы к наружной стенке внутренней трубы. Преимуществом этого второго варианта осуществления является допуск теплообмена в форме излучения, связанного с проводимостью по этим металлическим перемычкам. Преимуществом является также усиление механических характеристик теплообменника.
В одном варианте осуществления средство для транспортировки газа горения размещено в средстве для содержания инертного газа, только в зоне теплообмена. В другом варианте осуществления оно размещено в средстве для содержания инертного газа, в зоне теплообмена и в одной или нескольких зонах, предшествующих и/или следующих за этой зоной теплообмена в направлении транспортировки газа горения в средстве для транспортировки газа горения, причем это направление транспортировки идет от места поступления газа горения в указанное средство к выходу газа горения из указанного средства.
Теплообменник согласно настоящему изобретению может содержать единственное средство для транспортировки газа горения, размещенное в единственном средстве для содержания инертного газа. В этом варианте осуществления каждый комплект средств для транспортировки газа горения/средств, вмещающих инертный газ, может быть вставлен или удален в случае повреждения по отдельности.
Теплообменник согласно настоящему изобретению может также содержать множество средств для транспортировки газа горения, например десять указанных средств, причем каждое из этих средств размещено в средстве для содержания инертного газа. В этом варианте осуществления каждый комплект средств для транспортировки газа горения/средств, вмещающих инертный газ, также может быть вставлен или удален в случае повреждения по отдельности. В этом варианте осуществления средства, вмещающие инертный газ, могут быть, по желанию, соединены между собой в зоне теплообмена соответствующими каналами, и в случае повреждения необходимо будет заменить все комплекты средств для транспортировки газа горения/средств, вмещающих инертный газ.
Теплообменник согласно настоящему изобретению может также содержать множество средств для транспортировки газа горения, размещенных в единственном средстве для содержания инертного газа. В этом варианте осуществления комплект средств для транспортировки газа горения/средств, вмещающих инертный газ, должен быть вставлен или удален в случае повреждения.
Желательно в случае, когда теплообменник согласно настоящему изобретению содержит множество средств для транспортировки газа горения, избегать помещения в один теплообменник средств для транспортировки окислителя и средств для транспортировки топлива, и средство для транспортировки газа горения одного типа (окислителя или топлива) скорее размещается в одном теплообменнике.
Зона теплообмена теплообменника согласно настоящему изобретению подходит для прохождения по ней горячих газов, испускаемых горелкой печи. На практике горячие топочные газы покидают горелку и собираются в трубе, которая направляет их в теплообменник, так что они, как и требуется, проходят через него. Направление прохождения горячих топочных газов может быть любым, например от днища вверх или в противотоке к направлению транспортировки газа горения, как это известно специалистам в данной области техники.
Непрямой теплообменник согласно настоящему изобретению имеет несколько преимуществ, связанных с наличием зоны инертного газа.
Непрямой теплообменник согласно настоящему изобретению служит для расширения возможностей выбора подходящих для применения материалов. На практике при запуске теплообменника средство для содержания инертного газа подвергается резким и широким колебаниям температуры, например около 1300°С (температура стенки, которая может быть достигнута после контакта с горячими топочными газами), однако риск коррозии или окисления этой стенки отсутствует из-за отсутствия прямого контакта между газом горения (которым может быть кислород или который может содержать кислород) и стенкой указанного средства, вмещающего инертный газ. В отличие от этого средство для транспортировки газа горения является более чувствительным к внезапным изменениям температуры, поскольку они ускоряют его коррозию и окисление; в отличие от этого оно подвергается более медленному изменению температуры из-за передачи тепла, происходящего через инертный газ, который играет роль буфера.
Кроме того, при работе теплообменника температура горячих топочных газов может изменяться локально. В теплообменнике, соответствующем известному уровню техники, это ведет к повышению колебаний температуры газа горения, подвергаемого нагреву, колебаний, которые следует учитывать при управлении горением. В случае теплообменника согласно настоящему изобретению тепловая инерция инертного газа уменьшает масштаб этих колебаний.
Кроме того, наличие указанной зоны инертного газа обеспечивает преимущества в отношении безопасности. На практике в случае пробивания стенки или возгорания средства для транспортировки газа горения благодаря инертному газу предотвращается смешивание газа горения с горячими топочными газами. Кроме того, инертный газ может поглощаться в указанном средстве для транспортировки газа горения эффектом Вентури, и сниженная чистота часто окислительного газа горения служит для уменьшения вероятности распространения горения.
В одном варианте осуществления теплообменник согласно настоящему изобретению оборудован средством управления работой теплообменника, пригодным для обнаружения дефектов.
В частности, средство для содержания инертного газа может быть соединено с детектором изменений давления. Если детектор изменений давления обнаруживает падение давления, это определяется как утечка инертного газа, связанная с пробиванием стенки. Затем может быть включен аварийный сигнал и может быть приведена в действие обходная система для продолжения снабжения горелки газом горения при прекращении прохождения горячих топочных газов в поврежденном теплообменнике, который может быть подвергнут ремонту.
Средство для содержания инертного газа может также быть соединено со средством управления работой теплообменника, которое постоянно измеряет температуру и давление инертного газа. Это двойное определение служит для усовершенствования управления. На практике температура инертного газа значительно изменяется при запуске (например, от приблизительно 30°С до приблизительно 1000°С), если только он не был предварительно нагрет, и это изменение температуры приводит к изменению давления в постоянном объеме. В системе, которая контролирует только давление, изменение давления при запуске может вызвать подачу ложных аварийных сигналов. В отличие от этого в системе, которая контролирует температуру и давление, контроль может быть более точным, и аварийный сигнал, т.е. знак утечки инертного газа, может быть подан в следующих случаях: (1) измеренное давление понижается, а измеренная температура остается постоянной, или (2) измеренной давление понижается, а измеренная температура возрастает. Возможно применение обходной системы для продолжения снабжения горелки газом горения при прекращении прохождения горячих топочных газов в поврежденном теплообменнике, который может быть подвергнут ремонту.
Падение давления, обнаруженное датчиком давления или датчиком температуры и давления, может указать на утечку инертного газа, связанную с пробиванием стенки средства для транспортировки газа горения и/или стенки средства, вмещающего инертный газ, даже если эти стенки не подвергаются одинаковым напряжениям.
GC stаtic
GI stаtic
В случае теплообменника, который содержит средство управления работой теплообменника, желательно наличие перепада давления ∆Р между статическим давлением газа горения Ри статическим давлением инертного газа Р, причем этот перепад давления может быть положительным или отрицательным. Предпочтительно перепад давления является положительным, т.е. статическое давление инертного газа выше статического давления газа горения. Предпочтительным является перепад давления, который превышает фоновый шум прибора, чтобы при нормальных колебаниях ограничить включение ложных аварийных сигналов. Специалист в данной области техники может определить фоновый шум прибора на основе отдельных случаев после измерения колебаний давления в устройстве.
В общем, и вне зависимости от наличия или отсутствия перепадов давления ΔР передача тепла между горячими топочными газами и газом горения через инертный газ зависит также от давления инертного газа, поскольку при высоком давлении плотность инертного газа возрастает и поэтому возрастает интенсивность теплообмена, и теплообменник в своей основе становится более эффективным.
GI stаtic
GC stаtic
Кроме того, положительный перепад давления, т.е. Р>Рблагоприятствует утечке инертного газа в средстве транспортировки газа горения и поэтому благоприятствует эффекту Вентури в случае пробивания стенки или возгорания средства для транспортировки газа горения и, в частности, способствует прекращению возгорания из-за потока инертного газа. В общем, специалисту в данной области техники легко определить подходящее давление инертного газа: зная интенсивность входящего потока и диаметр средства для транспортировки газа горения, можно определить статическое давление и, следовательно, можно задать необходимое давление инертного газа для получения или недопущения перепада давления, положительного или нет. Для сведения размеры теплообменника и, в частности, давление инертного газа могут быть подобраны таким образом, чтобы в случае зарождающегося горения (во время протечки) расход инертного газа, который всасывается под воздействием эффекта Вентури в средство для транспортировки газа горения, выше, предпочтительно выше приблизительно в два раза, предпочтительно выше даже приблизительно в четыре раза расхода газа горения. Когда газом горения является кислород, а расход инертного газа приблизительно в четыре раза выше расхода кислорода, доля кислорода в смеси, образуемой из-за всасывания под воздействием эффекта Вентури, равна содержанию кислорода в воздухе. Этот расчет можно сделать на основании оценки размера отверстий в средстве, вмещающем газ горения. Кроме того, поскольку расход газа горения может меняться, расчет предпочтительно осуществляется на основании максимального расхода (и поэтому соответствующего давления) газа горения, который может быть применен в теплообменнике. Если размер отверстий в средстве, вмещающем газ горения, меньше размера, предусмотренного при расчете размеров, и в результате примененное давление инертного газа не позволяет прекратить горение материала, наличие детектора изменений давления инертного газа служит для прекращения подачи газа горения и для получения быстрого горения материала.
Еще одним объектом изобретения является пламенная печь, которая содержит по меньшей мере один теплообменник согласно настоящему изобретению. Предпочтительно она содержит несколько теплообменников согласно настоящему изобретению, один или несколько для снабжения печи топливом и/или один или несколько для снабжения печи окислителем.
Еще одним объектом изобретения является способ теплообмена для предварительного нагрева газа горения, поступающего в пламенную печь, испускающую горячие топочные газы, причем указанный способ содержит операцию предварительного нагрева газа горения путем теплообмена с горячими топочными газами через атмосферу инертного газа. Способ изобретения может содержать использование теплообменника согласно настоящему изобретению.
Непрямой теплообменник согласно настоящему изобретению описан более подробно в сочетании с прилагаемыми фигурами, приведенными исключительно с целью иллюстрации, и на которых:
на фиг.1 показан один вариант осуществления непрямого теплообменника согласно настоящему изобретению;
на фиг.2 показано давление инертного газа и газа горения в теплообменнике согласно настоящему изобретению;
на фиг.3 показан непрямой теплообменник согласно настоящему изобретению в системе загрузки пламенной печи;
на фиг.4 показан особый тип непрямого теплообменника согласно настоящему изобретению.
На фиг.1 показан непрямой теплообменник (4) согласно настоящему изобретению, который содержит зону теплообмена (2), которую пересекают горячие топочные газы, и содержит средство (1а) для транспортировки газа горения в направлении, указанном стрелками, причем это средство снабжено стенкой (1b), размещено в средстве (3а) для содержания инертного газа и снабженное стенкой (3b). В этом варианте осуществления средство (1а) для транспортировки газа горения размещено в средстве (3а) для содержания инертного газа в зоне теплообмена (2) и в зонах, предшествующих и следующих за указанной зоной теплообмена в направлении прохождения потока газа горения в средстве для транспортировки газа горения.
Средство для управления работой теплообменником (5), которое является необязательным, показано здесь соединенным со средством для содержания инертного газа. Широкие вертикальные стрелки указывают направление протекания горячих топочных газов с любой стороны средств (1а) и (3а), которое в этом варианте реализации является перпендикулярным к направлению протекания газа горения.
GI
GC
GC S
GC D
GI static
GC static
GI static
GC static
На фиг.2 показано давление инертного газа Pи газа горения P, статическое Pили динамическое P, в теплообменнике согласно изобретению. Желательно, чтобы Pбыло выше, чем P, чтобы создать положительный перепад давления ∆Р=P- Р.
GI
На фиг.3 показана схема всего загрузочного устройства пламенной печи и, в частности, горелка в указанной печи. Устройство содержит теплообменник согласно настоящему изобретению. Теплообменник соединен с источником газа горения (6), с источником инертного газа (7) и с источником горячих топочных газов (8). Теплообменник содержит зону теплообмена (2), которую пересекают горячие топочные газы (направление прохождения не показано). Он содержит также средство (1а) для транспортировки газа горения GC, снабженное стенкой (1b) и питающее горелку (В), причем это средство (1а) размещено в средстве (3а) для содержания инертного газа GI, снабженное стенкой (3b). В этом варианте осуществления средство (1а) для транспортировки газа горения GC размещено в средстве (3а) для содержания инертного газа GI в зоне теплообмена (2) и в зонах, предшествующих и следующих за зоной теплообмена в направлении прохождения потока газа горения в средстве для транспортировки газа горения. Имеются три клапана V1, V2 и V3, предназначенные для контроля подачи газа горения (клапан V1), инертного газа (клапан V2) и горячих топочных газов (клапан V3) соответственно. Показанный теплообменник содержит средство управления работой теплообменника, соединенное со средством для содержания инертного газа и с клапанами. Это средство управления работой теплообменника содержит детектор температуры T и детектор давления PSL, предназначенные для измерения температуры и давления инертного газа.
GI
GI
Средство управления работой теплообменника обнаруживает пробой, если детектор T обнаруживает падение давления при постоянной температуре, или детектор T обнаруживает падение давления при повышении температуры. Клапан V1 установлен таким образом, что газ горения обходит поврежденный теплообменник через обходную схему, а клапан V3 установлен таким образом, чтобы прекратить поступление топочных газов в поврежденный теплообменник, выключается аварийная сигнализация, а поврежденные детали можно заменить. Источники газа горения (6), инертного газа (7) и горячих топочных газов (8) могут затем дополнительно снабжать или продолжать снабжать другие горелки B', B” и т.д.
На фиг.4 показана схема теплообменника согласно настоящему изобретению, состоящего из двух труб прямого поперечного сечения, стенки которых (1b) и (3b) соединены между собой металлическими перемычками (9), проходящими от внутренней стенки наружной трубы к наружной стенке внутренней трубы.