НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 1998 года по МПК F24H1/10 

Изобретение относится к области аппаратурного оформления теплопередающих систем, в частности к системам нагрева жидкостей дымовыми газами.

Известен контактный водонагреватель, содержащий вертикальную контактную камеру нагрева с горизонтальными ярусами теплообменных насадок и расположенным между последними водораспределительным устройством, а также топку с газоотводящим вертикальным патрубком, заведенным в нижнюю часть камеры для образования с ее стенками кольцевой водяной ванны и снабженным на выходе горизонтальным диском с закрепленными на его периферии вертикальными штырями, при этом топка снабжена вторичным излучателем, выполненным в виде пучка горизонтальных стержней, водораспределительное устройство образовано наклонными мелкоячеистыми сетками, штыри отражательного диска направлены вниз, а их свободные концы расположены в кольцевой водяной ванне (см. а.с. СССР N 832263, кл. F 24 H 1/10, 1981).

Известный водонагреватель имеет значительные недостатки:
- нагрев водораспределительной системы происходит в основном в результате непосредственно контакта с горячими дымовыми газами, что, т.к. при этом создаются условия местного перегрева стенок труб, чревато нарушением целостности последних;
- не обеспечена необходимая полнота сгорания топлива, т.к. активное сгорание происходит лишь в начальной футерованной части горизонтального объема, а дальше при контакте дымовых газов с излучателем температура их резко снижается и активное горение прекращается;
- большое содержание вредных веществ в дымовых газах ввиду неполного сгорания топлива.

Известна конструкция газового нагревателя, содержащая цилиндрический корпус с установленной в нем топочной камерой, соединенной с вертикальной жаровой трубой, охваченной в нижней части последней змеевиком, который охватывает нижнюю часть жаровой трубы и дополнительно топочную камеру с образованием плотного контакта (см. а. с. СССР N 1643887, кл. F 24 H 1/10, 1991).

Недостатками известной конструкции являются:
- участки змеевика, расположенные в верхней части топочной камеры с образованием плотного контакта с ее куполом и жаровой трубой, подвержены местному перегреву, а следовательно, при определенных температурных условиях разрушению стенок труб;
конструкция топки не обеспечивает необходимой полноты сгорания топлива;
- принцип передачи тепла за счет плотного контакта труб с жаровой трубой и куполом топки приводит к солеобразованию и отложению ее на внутренней стенке трубы, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи;
- известна конструкция не может быть применима для нагрева минерализованных жидкостей типа водонефтяной эмульсии ввиду возможного солеотложения на внутренних стенках труб и прогара последних.

Технической задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является повышение коэффициента полезного действия (КПД) установки за счет улучшения использования тепла дымовых газов, уменьшение солеотложения на внутренних стенках труб и, следовательно, увеличение долговечности труб нагревателя жидкости в результате снижения вероятности прогара их, а также повышения полноты сгорания топлива, что приводит к снижению содержания вредных компонентов в дымовых газах.

Поставленная задача решается за счет того, что нагреватель жидкости, содержащий топку с жаровой трубой, расположенной по центру теплообменника, имеющего вертикальный корпус с размещенным в нем змеевиком, снабжен испарителем, расположенным в зоне начального контакта с горячими дымовыми газами, имеющим системы подачи и отвода воды и в котором с зазором от его стенок размещены начальные по ходу движения газов (нижние) витки змеевика, причем внутренняя стенка испарителя является частью жаровой тубы, на входе в которую установлен рассекатель, обращенный выпуклой стороной навстречу потоку дымовых газов, т.е. в сторону расположения топки, которая выполнена горизонтальной с полностью футерованными огнеупорным материалом стенками.

Объем топки определяется из соотношения
V = (15,46 - 18,04) • Q • t (м³),
где
Q - объем сжигаемого топлива, м³/с;
t - время пребывания топлива в топке, c.

Существенные признаки, общие для предложенного решения и прототипа:
- нагреватель содержит топку с жаровой трубой;
- жаровая труба расположена по центру теплообменника;
- теплообменник имеет вертикальный корпус и расположенный внутри корпуса змеевик.

Отличительными признаками являются:
- нагреватель снабжен испарителем, имеющим системы подачи и отвода воды;
- испаритель расположен в зоне начального контакта с горячими дымовыми газами;
- в испарителе с зазором его стенок расположены нижние витки змеевика;
- внутренняя стенка испарителя является частью жаровой трубы, на входе которой установлен рассекатель, обращенный внутрь топки;
- топка выполнена горизонтальной с полностью футерованными внутренними стенками;
- объем топки определяется из соотношения
V = (15,46 - 18,04) • Q • t (м³)
где
Q - объем сжигаемого топлива, м³/с;
t - время пребывания топлива в топке, c;
Предложенное техническое решение поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез нагревателя.

Нагреватель содержит топку 1 с жаровой трубой 2, которая расположена по центру теплообменника, имеющего вертикальный корпус 3 с размещенным в нем змеевиком 4. В зоне начального контакта с горячими дымовыми газами выполнен испаритель 5, имеющий открытую поверхность испарения и снабженный патрубками 6 и 7 подачи и вывода воды соответственно. Внутри испарителя 5 с зазором от его стенок расположены нижние витки 8 змеевика 4. Стенка 9 испарителя 5 является частью жаровой трубы 2, на входе которой установлен рассекатель 10. Топка 1 внутри имеет футеровку 11, снабжена системами подачи топлива 12 и воздуха 13. Причем объем топки 1 формируется из условия полноты сгорания топлива, что определяется в большей мере временем пребывания ее в зоне температуры, близкой по величине к температуре пламени факела. По конструкции предложенного нагревателя эта температура создается в горизонтальной футерованной огнеупорным материалом ее части в результате дополнительного нагрева топлива лучеиспусканием от раскаленной ( нагретой до температуры, близкой к температуре пламени) футеровки. При этом оптимальным временем пребывания топлива в зоне температуры пламени факела является 9-10,5 с, что было подтверждено данными, полученными при проведении предварительных испытаний нагревателя эмульсии нефти Як-Бодьинского месторождения акционерного общества "Ижторф". При этом содержание пластиковой минерализованной воды в эмульсии нефти составляло 10 мас.%. Исходя из заданных условий полноты сгорания топлива, была определена зависимость габаритных размеров топки и количества сжинаемого топлива. В результате объем топки определяется из соотношения
V = (15,46 - 18,04)• Q • t(м³)
где
Q - объем сжигаемого топлива м³/с;
t - время пребывания топлива в топке, c.

Описанный нагреватель работает следующим образом.

Перед пуском в работу испаритель 5 заполняется водой и по трубам змеевика 4 начинают пропускать предназначенную для нагрева жидкость (водонефтяную эмульсию, воду и др. ). Затем поджигается дежурная горелка 14 и в топку 1 подается по патрубкам 12 и 13 топливо (в частности, попутный нефтяной газ) и воздух. Благодаря тому, что выхлопная труба 15, корпус 3 и топка 1 расположены друг над другом, т.е. образуют единое целое сооружение, в топке 1 образуется вакуум за счет постоянно действующей "тяги" через выхлопную трубу. Поэтому газообразное топливо и необходимый для ее сжигания воздух поступают в топку 1 не принудительно каким-либо дутьевым устройством, а непосредственным постоянным всасыванием под действием "тяги" выхлопной трубы 15. Это обстоятельство позволяет применять в нагревателе газообразное топливо и воздух, находящиеся под атмосферным давлением, например попутный нефтяной газ, сбрасываемый на нефтепромыслах, как правило, на "свечи сжигания". При горении топлива в топке 1 нагревателя футеровка 11 разогревается до температур, близких к температуре пламени факела, поэтому процесс горения последующих порций топлива осуществляется уже при температурах, равных ориентировочно 1000^oC, что является одним из необходимых факторов для его полного сгорания. Весьма существенным фактором полного сгорания топлива является его время контакта с воздухом (кислородом воздуха). Топка 1 выполнена таких размеров, чтобы пламя факела в ее объеме, т.е. в зоне температур, близких к 1000^oC, не доходило до вертикального участка, т.е. до жаровой трубы 2. В связи с этим объем топки (камеры сгорания) определяется из выведенного соотношения габаритов топки и количества сжигаемого топлива V = (15,46 - 18,04)•Q•t. При этом оптимальное время активного горения топлива составляет 9-10,5 с.

В конкретном случае полнота сгорания достигнута 100%, что позволяет до минимума снизить в выбросах в атмосферу содержание вредных веществ.

Дымовые газы при входе в жаровую трубу 2 отбрасываются отражателем 10 к стенке 9 испарителя 5, что сокращает время нагрева воды в испарителе 5 вплоть до температуры кипения и увеличивает коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке испарителя 9. Вода, находящаяся в испарителе 5, закипает и отдает часть тепла нижним виткам 8 змеевика 4. Так как температура кипения воды при атмосферном давлении равна 100^oC, то условия перегрева стенок труб нижних витков 8 змеевика 4 и нагреваемой жидкости, например водонефтяной эмульсии, в них, даже когда дымовые газы имеют температуру, близкую к 1000^oC, устраняются, а следовательно, не наблюдаются процессы солеотложения на стенках труб со стороны водонефтяной эмульсии и их прогара.

Данное обстоятельство определяет возможность применения предложенной конструкции для нагрева жидкостей с высокой минерализованностью, в частности водонефтяной эмульсии, в которой вода может содержать до нескольких десятков и даже сот граммов солей в литре.

Система автоматического контроля воды в испарителе 5 поддерживает ее постоянный уровень и температурный баланс, за счет чего на уровне, когда дымовые газы имеют температуру, близкую к температуре пламени факела, т.е. к 1000^oC, трубы не перегреваются. В испарителе 5 вода, закипая, испаряется, поднимается в виде пара, омывая и нагревая витки змеевика 4, распложенные выше ее уровня. Омываемые паром витки змеевика 4 одновременно нагреваются поднимающимися дымовыми газами. При этом пары воды, контактируя с поверхностью труб змеевика 4, имеющих более низкую температуру, чем температура пара, конденсируются, образованный конденсат, стекая на нижерасположенные витки труб под действием тепла дымовых газов, нагреваясь до температуры кипения, испаряется, т.е. образуются условия теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенкам труб змеевика 4. Общеизвестно, что эффективность теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенкам труб гораздо выше эффективности теплоотдачи от газа к той же стенке.

Поэтому КПД предложенного нагревателя оказывается выше КПД известных конструкций нагревателей.

Так как нижние витки 8 находятся в испарителе 5, т.е. в водяной ванне, а витки змеевика 4, расположенные выше уровня воды в испарителе 5, постоянно покрываются пленкой конденсата, то солеотложения на стенках труб змеевика 4 и прогары труб за счет местного перегрева исключаются.

Охлажденные дымовые газы совместно с водяными парами выбрасываются через выхлопную трубу 15 в атмосферу.

С целью экстренного пожаротушения нагреватель снабжен системой 16 подачи азота через патрубки 13 при одновременном отключении их от контакта с атмосферным воздухом.

Предложенная конструкция нагревателя позволяет значительно увеличить КПД установки по сравнению с известными конструкция нагревателей, смягчить условия работы труб змеевика, увеличить их долговечность за счет исключения солеотложения на внутренних стенках труб даже при нагреве с высоким содержанием солей (высокоминерализованной), исключить прогар труб, обеспечивает полноту сгорания топлива и тем самым снижает вредные выбросы в атмосферу, т. е. более нейтральна к окружающей среде.

Кроме того, она позволяет использовать попутный нефтяной газ, который сбрасывается в настоящее время на "свечи сжигания".

В нагревателе описанной конструкции, у которого отдельные узлы имеют следующие габаритные размеры:
- топка 1: диаметр 1,4 м, длина 4,5 м;
- корпус 3: диаметр 1,4 м, высота 5,0 м;
- выхлопная труба 15: диаметр 350 мм, высота 15 м;
- змеевик 4: поверхность теплопередачи 60 м², наружный диаметр труб 89 мм,
подвергается нагреву 16,6 м³/ч водонефтяной эмульсии, в которой содержится 10 мас.% воды.

Водонефтяная эмульсия нагревается 339 м³/ч попутного нефтяного газа, в составе которого 54,65% инертных газов (53,62 об.% азота и 1,03% диоксида углерода).

В зимнее время водонефтяная эмульсия нагревается от 5 до 50^oC, обеспечивая высокую экономичность за счет использования нефтяного попутного газа, сбрасываемого на "свечу сжигания".

Нагреватель предназначен для использования в системах нагрева жидкостей дымовыми газами. Нагреватель жидкости снабжен испарителем, расположенным в зоне начального контакта с горячими дымовыми газами, имеющим системы подачи и отвода воды и в котором с зазором от его стенок размещены начальные по ходу движения дымовых газов (нижние) витки змеевика, причем внутренняя стенка испарителя является частью жаровой трубы, на входе в которую установлен рассекатель, обращенный выпуклой стороной навстречу потоку дымовых газов, т.е. в сторону расположения топки, которая выполнена горизонтальной с полностью футерованными огнеупорным материалом стенками. Предложено уравнение для определения объема топки. Изобретение позволяет улучшить использование тепла дымовых газов и за счет этого уменьшить солеотложение на внутренних стенках труб и увеличить долговечность труб. 1 ил.

Нагреватель жидкости, содержащий топку с жаровой трубой, расположенной по центру теплообменника, имеющего вертикальный корпус с размещенным в нем змеевиком, отличающийся тем, что он снабжен испарителем, расположенным в зоне начального контакта с горячими дымовыми газами и имеющим системы подачи и отвода воды, при этом в испарителе с зазором от его стенок размещены нижние витки змеевика, внутренняя стенка его является частью жаровой трубы, на входе в которую установлен рассекатель, обращенный выпуклой стороной в сторону топки, которая выполнена горизонтальной с полностью футерованными стенками, при этом объем V топки определяется из соотношения
V = (15,46 - 18,04) x Q x t, m³,
где Q - объем сжигаемого топлива, м³/с; t - время пребывания топлива в топке, с.