ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ Российский патент 1995 года по МПК F27B5/00 

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно, к трубчатым печам, и может быть использовано в нефтяной, химической промышленностях и других отраслях техники для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева.

Известны трубчатые печи, где источником теплоты являются продукты горения топлива, имеющие радиантную и конвекционную камеры с размещенными в них продуктовыми трубами.

Неравномерность распределения плотности поступающего на продуктовые трубы теплового потока по площади поверхности теплопередачи и имеющие место высокие локальные значения температуры стенки труб в таких печах осложняют нагрев сред, склонных к термическому разложению и образующих при перегреве твердые коксовые отложения на стенке труб.

Известны также трубчатые печи в блочном исполнении с промежуточным жидким теплоносителем для нагрева нефтяных эмульсий.

Данные устройства, имеющие жаровые трубы сравнительно небольшого диаметра и продуктовый змеевик, размещенные в цилиндрической металлической емкости, заполненной промежуточным теплоносителем, отличаются низкой тепловой эффективностью и большими удельными затратами металла на изготовление.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является трубчатая печь, включающая камеру радиации с источниками теплового излучения, нагревательные продуктовые трубы и тепловые трубки, которые выполнены в виде кольца овальной формы, часть которого расположена снаружи нагревательной трубы со стороны источника теплоты, а другая часть внутри нагревательной трубы.

Известное устройство не исключает возможность местного перегрева стенок продуктовых труб и, как следствие, их закоксовывания при обработке нефтей и нефтепродуктов и пережог стенки. В данной конструкции нельзя осуществлять механическую чистку продуктовых труб. При работе печи возможны температурные деформации в узле продуктовые трубы тепловые трубки, которые могут привести к нарушению герметичности труб. Кроме того, при последовательном соединении труб по продукту и большом числе местных сопротивлений (повороты, сужения, расширения и т.д.) велика потеря давления продукта в печи.

Изобретение направлено на повышение эффективности работы трубчатой печи за счет снижения потери давления продукта при его движении по печному тракту, интенсификации теплообмена и исключения местных перегревов продуктовых труб.

Поставленная цель достигается тем, что в трубчатой печи, включающей камеру радиации с источниками теплового излучения, нагревательные продуктовые трубы и тепловые трубки, продуктовые трубы выполнены U-образными и расположены в тепловых трубках, при этом входные и выходные концы U-образных труб объединены раздающим и собирающим коллекторами, в прямых участках продуктовых труб размещены скрученные ленты, а тепловые трубки снабжены испарительными трубками.

Выполнение продуктовых труб U-образными с размещением их в тепловых трубках и объединением входных и выходных концов U-образных труб раздающим и собирающим коллекторами, наличие в прямых участках продуктовых труб вставленных скрученных лент позволяют достичь поставленную цель. Снижение потерь давления нагреваемого продукта достигается за счет включения U-образных труб по параллельной схеме, при объединении входных и выходных концов раздающим и собирающим коллекторами. Интенсификация теплообмена продукта достигается за счет винтообразного его движения в трубах, вызванного наличием скрученных лент на прямых участках труб. Исключение местных перегревов продуктовых труб достигается за счет размещения их в тепловых трубах, заполненных промежуточным жидким теплоносителем, который при рабочем состоянии печи находится в кипящем состоянии и представляет собой так называемый "двухфазный слой" с высокими теплопередающими свойствами. Интенсификация теплообмена греющей газовой среды достигается за счет размещения испарительных трубок на части длины тепловых трубок, расположенной в зоне пониженных температур греющей среды. Концы изогнутых испарительных трубок герметично закреплены на корпусе тепловых трубок, а жидкий промежуточный теплоноситель, заполняющий их внутренние полости, имеет возможность циркулировать по контуру циркуляционная трубка тепловая трубка. С циркулирующим теплоносителем, претерпевающим фазовые переходы (кипение, конденсация), переносится к продуктовым трубам теплота, переданная от греющей среды к испарительным трубкам при поперечном их обтекании, которое характеризуется высокой интенсивностью теплообмена.

Наличие испарительных трубок обеспечивает также защиту змеевика камеры конвекции от жесткого излучения факела пламени и тем самым способствует повышению надежности работы конвективной поверхности нагрева.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна".

Трубчатая печь, в которой часть поверхности каждой из тепловых трубок размещена в зоне действия источников излучения, а другая часть расположена в емкости, заполненной жидким промежуточным теплоносителем, имеет повышенную металлоемкость и габариты. Недостаток данной конструкции состоит в том, что теплообмен в печи не является интенсифицированным, а гидравлическое сопротивление продукта велико.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемой трубчатой печи; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 продольный разрез тепловой трубки с продуктовыми U-образными трубами; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг. 3.

Трубчатая печь содержит змеевик 1 камеры конвекции, ограждение 2, раздающий и собирающий коллекторы 3, тепловые трубки 4 и испарительные трубки 5. В тепловых трубках 4 размещены U-образные продуктовые трубы 6, на прямых опускном и подъемном участках которых имеются вставленные скрученные ленты 7. Источник теплового излучения (факел пламени) образуется при сжигании топлива в горелочном узле 8. Впускной и выпускной концы продуктовых труб 6 соединены с раздающим и собирающим коллекторами 3.

Трубчатая печь работает следующим образом. Поступающий от источника теплового излучения на стенки тепловых и испарительных трубок тепловой поток передается через имеющийся в них кипящий жидкий промежуточный теплоноситель (двухфазная смесь жидкость пар) к стенкам продуктовых труб 6 и далее через них протекающему по трубам нагреваемому продукту. При номинальном режиме работы печи температура и давление насыщения конкретного кипящего промежуточного теплоносителя принимают значения, соответствующие конструктивным и тепловым характеристикам системы тепловые трубки продуктовые трубы. Из-за высоких значений коэффициентов теплоотдачи при кипении жидкого промежуточного теплоносителя на внутренних поверхностях стенок тепловых 4 и испарительных 5 трубок и при конденсации его паров на наружных поверхностях стенок продуктовых труб 6 температуры этих стенок мало отличаются от температуры насыщения промежуточного теплоносителя и они мало измеряются по площади стенок. Следовательно, при установлении соответствующей температуры насыщения промежуточного теплоносителя автоматически обеспечивается температура стенки продуктовых труб 6, на превышающая заданную величину, что важно при термической обработке термолабильных жидкостей, нефтяных эмульсий и ряда других продуктов.

Равномерное распределение текучего продукта по U-образным продуктовым трубам 6 обеспечивается за счет П-образной схемы соединения раздающего и собирающего коллектора 3. Параллельное включение продуктовых труб 6 обеспечивает минимальные потери давления продукта при его транспорте в трубчатой печи.

Размещение скрученной ленты 7 в прямых участках продуктовых труб 6 приводит к значительной интенсификации теплообмена нагреваемой среды со стенками труб за счет закрутки потоков и появлению в них вторичных течений. При этом снижаются величины температуры стенки продуктовых труб и требуемой их поверхности при заданной технологией нагрева тепловой мощности печи.

Использование предлагаемой трубчатой печи обеспечивает по сравнению с существенными устройствами следующие преимущества:
выполнение продуктовых труб в виде U-образных петель и размещение их в тепловых трубках исключает местные перегревы продуктовых труб, а следовательно, и их закоксовывание при нагреве органических сред, в частности водонефтяных эмульсий;
объединение входных и выходных концов U-образных труб раздающим и собирающим коллекторами обеспечивает параллельное включение петель труб по нагреваемому продукту, что снижает гидравлическое сопротивление продуктового тракта по отношению к схеме последовательного включения труб;
независимость работы каждой отдельно взятой тепловой трубки с U-образными продуктовыми трубами от работы других тепловых трубок в печи повышает ее надежность и способствует увеличению срока межремонтного пробега;
размещение скрученной ленты на прямых участках продуктовых труб приводит к интенсификации теплообмена нагреваемой среды и повышению эффективности работы печи;
оснащение тепловых трубок испарительными трубками обеспечивает интенсификацию теплообмена со стороны греющей газовой среды и позволяет защитить змеевик камеры конвекции от излучения факела пламени, а тем самым исключить перегрев конвективной поверхности нагрева.

Сущность изобретения: трубчатая часть содержит камеру радиации с источником теплового излучения, нагревательные продуктовые трубы и тепловые трубки. Новым в трубчатой цепи является то, что продуктовые трубы выполнены U-образными и расположены в тепловых трубках, входные и выходные концы U-образных труб объединены раздающим и собирающим коллекторами, в прямых участках продуктовых труб размещены скрученные ленты, с тепловые трубки снабжены испарительными трубками. 4 ил.

ТРУБЧАТАЯ ПЕЧЬ, содержащая радиационную камеру с источником теплового излучения и размещенные в тепловых трубах продуктовые трубы, отличающаяся тем, что продуктовые трубы выполнены U-образными, в их прямолинейных участках размещены скрученные ленты, входные и выходные концы U-образных продуктовых труб объединены раздающим и отводящим коллекторами, а тепловые трубы выполнены с испарительными трубками.