ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F28D7/12 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для подогрева жидкостей, газов и их смесей в обеспечении эффективности технологических процессов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например для подогрева природного газа на входе газораспределительных станций с целью предотвращения процесса гидратообразования.

Известен воздухоподогреватель (см. а.с. СССР № 567905, кл. F 24 Н 3/08, Р 23 D 15/04), содержащий горелку, кожухотрубный теплообменник с радиационной секцией, экранированной плотным пучком теплообменных труб, равнорасположенных относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемого воздуха.

Недостатком известного устройства является его низкая экономичность, связанная с недостаточным теплосъемом только в одной, радиационной секции, а также низкая надежность и долговечность устройства в целом, так как плотность пучка экранных труб при реальной неравномерности их нагрева может вызвать значительные термические напряжения в стенках труб с последующим их прогаром, что влечет за собой необходимость полной замены теплообменника.

Известен технологический нагреватель (см. патент РФ № 2140045, кл. F 24 Н 3/00, F 16 L 53/00, 06.07.1998), содержащий источник греющей среды, кожухотрубный теплообменник с радиационной секцией, экранированной теплообменными трубами, равнорасположенными относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, причем при использовании в качестве источника греющей среды горелочного устройства за радиационной секцией, образующей топочный объем, размещена конвективная секция теплообменных труб, при этом все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства, а с противоположного конца, за пределами нагревателя рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды (прототип).

Выявленные на практике недостатки известного нагревателя заключались в следующем: во-первых, ограничение протяженности топочного объема за счет размещения в приосевой зоне внутреннего конвективного пучка теплообменных труб не позволило увеличить тепловую нагрузку нагревателя, сопровождаемую увеличением дальнобойности факела, что приводило к недогоранию топливовоздушной смеси вблизи глухих концов труб конвективного пучка и увеличению выбросов оксида углерода сверх допустимых норм, во-вторых, длина труб экранного и конвективного пучков существенно разная, что не позволяет унифицировать эти наиболее трудоемкие элементы теплообменника, что приводит к повышению затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности и эффективности при расширении диапазона тепловых нагрузок, сохранении экологических норм вредных выбросов в уходящих газах и снижение затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.

Этот результат достигается в технологическом нагревателе, содержащем источник греющей среды, кожухотрубный теплообменник с радиационной секцией, экранированной теплообменными трубами, равнорасположенными относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, причем при использовании в качестве источника греющей среды горелочного устройства за радиационной секцией, образующей топочный объем, размещена конвективная секция теплообменных труб, при этом все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства, а с противоположного конца, за пределами нагревателя рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды, причем согласно изобретению трубы конвективной секции размещены в отдельном верхнем кожухе, установленном над кожухом радиационной секции, полости которых соединены между собой дымоходом таким образом, что одинаковые по конструкции, длине и числу трубы конвективной секции глухим концом обращены в сторону дымовой трубы, где поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, закрепленной с внутренней стенкой верхнего кожуха за пределами входа в дымовую трубу, а с другого конца - в отверстиях днища верхнего кожуха со стороны коллекторов, причем трубы радиационной секции поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, зафиксированной относительно внутренней стенки нижнего кожуха, возле переднего съемного днища, на котором закреплено горелочное устройство, а с другого конца - в отверстиях заднего днища кожуха, со стороны коллекторов.

Поставленный технический результат также достигается тем, что в технологическом нагревателе в приосевой части заднего днища нижнего кожуха, не занятой трубами, установлен экран в виде конуса, соосного с кожухом и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства, при этом протяженность топочного объема по оси радиационной секции, ограниченного с одного конца горелочным устройством, а с другого - экраном, должна быть не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства.

Поставленный технический результат также достигается тем, что в технологическом нагревателе коллектор входа нагреваемой среды сообщен патрубками с внутренними трубами теплообменных труб конвективной секции, а выход нагреваемой среды из кольцевого зазора, образованного внешней и внутренней трубами каждой теплообменной трубы конвективной секции, сообщен перепускным патрубком с входом в соответствующий кольцевой зазор каждой теплообменной трубы радиационной секции таким образом, что выход нагретой среды из внутренних труб каждой теплообменной трубы радиационной секции подключен патрубками к коллектору выхода.

Поставленный технический результат также достигается тем, что в технологическом нагревателе пучок теплообменных труб радиационной секции охвачен тонкостенным экраном из жаростойкой стали, передний торец которого по всему периметру жестко соединен с кольцевой перегородкой, установленной вблизи горелочного устройства, а задний торец экрана косо срезан таким образом, что верхняя точка среза примыкает к дымоходу, нижняя - к заднему днищу нижнего кожуха.

Поставленный технический результат также достигается тем, что в технологическом нагревателе кожухи с размещенными в них теплообменными трубами радиационной и конвективной секций имеют уклон, направленный навстречу движения греющей среды, причем эквивалентный диаметр дымохода должен быть не менее внутреннего диаметра дымовой трубы.

На чертеже показан общий вид технологического нагревателя в виде продольного и поперечного разрезов, а также разрез теплообменной трубы.

Нагреватель содержит источник греющей среды, представляющий собой, например, горелочное устройство 1, обращенное факелом в сторону радиационной секции 2, экранированной теплообменными трубами 3, равнорасположенными относительно внутренней стенки нижнего кожуха 4, выполненного в виде горизонтально установленной цилиндрической трубы. При этом в приосевой части заднего днища 5 нижнего кожуха 4, не занятой трубами 3, установлен экран 6 в виде конуса, соосного с кожухом 4 и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства. Причем протяженность топочного объема по оси радиационной секции, ограниченного с одного конца горелочным устройством, а с другого - экраном 6, должна быть не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства.

Теплообменные трубы 7 конвективной секции 8 размещены в отдельном, верхнем кожухе 9, установленном над кожухом 4 радиационной секции 2, полости которых соединены между собой дымоходом 10 таким образом, что одинаковые по конструкции, длине и числу трубы конвективной секции глухим концом обращены в сторону дымовой трубы 11, где поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки 12, закрепленной с внутренней стенкой верхнего кожуха 9 за пределами входа в дымовую трубу, а с другого конца - в отверстиях днища 13 верхнего кожуха со стороны коллекторов 14, 14’ входа и выхода нагреваемой среды соответственно. А трубы 3 радиационной секции 2 поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки 15, зафиксированной относительно внутренней стенки нижнего кожуха, возле переднего съемного днища 16, на котором закреплено горелочное устройство 1, а с другого конца - в отверстиях заднего днища 5, не занятого экраном 6. Таким образом, все теплообменные трубы 3 и 7 представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние 17 из которых выполнены с глухим концом, обращенным - для радиационной секции - в сторону горелочного устройства, а с противоположного конца трубы обеих секций сообщены входными и выходными патрубками 18, 18’, соответственно с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды. При этом коллектор входа нагреваемой среды сообщен патрубками 18 с внутренними 19 трубами теплообменных труб конвективной секции, а выход нагреваемой среды из кольцевого зазора 20, образованного внешней и внутренней трубами каждой теплообменной трубы конвективной секции, сообщен посредством перепускного патрубка 21 с входом в соответствующий кольцевой зазор каждой теплообменной трубы радиационной секции таким образом, что выход нагретой среды из внутренних 19 труб каждой теплообменной трубы радиационной секции подключен патрубками 18’ к коллектору 14’ выхода. Кроме того, пучок труб 3 радиационной секции 2 охвачен тонкостенным экраном 22 из жаростойкой стали, передний торец которого по всему периметру жестко соединен с кольцевой перегородкой 15, а задний торец экрана 22 косо срезан таким образом, что верхняя точка 23 среза примыкает к дымоходу 10, нижняя точка 24 - к заднему днищу 5 нижнего кожуха 4. Считаем целесообразным, чтобы кожухи 5 и 9 имели уклон, направленный навстречу движению греющей среды, причем эквивалентный диаметр дымохода должен быть не менее внутреннего диаметра дымовой трубы.

Нагреватель работает следующим образом.

Очищенный природный газ из магистрального трубопровода поступает во входной коллектор 14 по патрубкам 18 во внутренние трубы 19 теплообменных труб 7 конвективной секции 8. После разворота относительно заглушенного конца труб, двигаясь по кольцевому зазору 20 в направлении днища 13, газ нагревается от стенок внешних труб 17, которые омываются горячим встречным потоком продуктов сгорания, движущихся в сторону дымовой трубы 11. После выхода за пределы днища 13 частично нагретый в конвективной секции газ по патрубкам 21 перепускается в кольцевые зазоры 20 труб 3 радиационной секции, где, двигаясь в сторону горелочного устройства, нагревается преимущественно под воздействием все возрастающего лучистого теплового потока от факела горелочного устройства. Далее, после разворота относительно заглушенного конца труб радиационной секции нагретый газ по внутренним трубам 19 по патрубкам 18’ удаляется в коллектор 14’. Таким образом, осуществляется наиболее оптимальная схема движения теплоносителей (греющего и нагреваемого газов), обеспечивая в широком диапазоне тепловых нагрузок эффективность процесса передачи тепла от греющего газа нагреваемому и снижение температуры "огневой" стенки внешних труб 17 до приемлемого уровня. На практике нередко встречается ситуация, когда в пусковой период сдачи газораспределительной станции потребность в природном газе находится на минимальном уровне, например на порядок меньше проектного значения. И соответственно, при работе известного нагревателя на минимальном режиме по тепловой нагрузке по причине значительной температурной неравномерности греющего газа перед дымоходом в районе нижнего ряда теплообменных труб практически неизбежно температура "огневой" стенки нижних труб приближается к температуре точки росы паров воды, содержащихся в продуктах сгорания, например плюс 60°С. Что приводит к интенсивной конденсации паров воды и, как следствие, к интенсивной коррозии кожуха теплообменника, что существенно снижает надежность нагревателя в целом. В предложенной конструкции нагревателя за счет уклона кожухов в сторону движения греющей среды в случае образования конденсата в верхней, конвективной секции будет происходить стекание конденсата вниз и далее в сторону горелочного устройства с возможным его полным испарением. Таким образом, предложенная конструктивная схема 2-секционного "двухэтажного" нагревателя обеспечивает достижение главной цели предлагаемого изобретения: повышение эксплуатационной надежности и эффективности при расширении диапазона тепловых нагрузок, сохранении экологических норм вредных выбросов в уходящих газах и снижении затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.

Следует отметить также, что при одинаковой с прототипом суммарной поверхностью теплообмена осевой габарит теплообменника предлагаемого нагревателя практически вдвое меньше известного.

Технологический нагреватель предназначен для применения в устройствах, предназначенных для подогрева жидкостей, газов и их смесей, а также может быть использован в различных отраслях промышленности, например для подогрева природного газа на входе газораспределительных станций с целью предотвращения процесса гидратообразования. Технологический нагреватель содержит источник греющей среды, кожухотрубный теплообменник с радиационной секцией, экранированной теплообменными трубами, равнорасположенными относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, причем при использовании в качестве источника греющей среды горелочного устройства за радиационной секцией, образующей топочный объем, размещена конвективная секция теплообменных труб, при этом все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства, а с противоположного конца, за пределами нагревателя рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды, причем трубы конвективной секции размещены в отдельном верхнем кожухе, установленном над кожухом радиационной секции, полости которых соединены между собой дымоходом таким образом, что одинаковые по конструкции, длине и числу трубы конвективной секции глухим концом обращены в сторону дымовой трубы, где поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, закрепленной с внутренней стенкой верхнего кожуха за пределами входа в дымовую трубу, а с другого конца - в отверстиях днища верхнего кожуха со стороны коллекторов, причем трубы радиационной секции поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, зафиксированной относительно внутренней стенки нижнего кожуха, возле переднего съемного днища, на котором закреплено горелочное устройство, а с другого конца - в отверстиях заднего днища кожуха, со стороны коллекторов. Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационной надежности и эффективности технологического нагревателя при расширении диапазона тепловых нагрузок, сохранении экологических норм вредных выбросов в уходящих газах и снижение затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Технологический нагреватель, содержащий источник греющей среды, кожухотрубный теплообменник с радиационной секцией, экранированной теплообменными трубами, равнорасположенными относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, причем при использовании в качестве источника греющей среды горелочного устройства за радиационной секцией, образующей топочный объем, размещена конвективная секция теплообменных труб, при этом все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства, а с противоположного конца, за пределами нагревателя рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды, отличающийся тем, что трубы конвективной секции размещены в отдельном верхнем кожухе, установленном над кожухом радиационной секции, полости которых соединены между собой дымоходом таким образом, что одинаковые по конструкции, длине и числу трубы конвективной секции глухим концом обращены в сторону дымовой трубы, где поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, закрепленной с внутренней стенкой верхнего кожуха за пределами входа в дымовую трубу, а с другого конца - в отверстиях днища верхнего кожуха со стороны коллекторов, причем трубы радиационной секции поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, зафиксированной относительно внутренней стенки нижнего кожуха, возле переднего съемного днища, на котором закреплено горелочное устройство, а с другого конца - в отверстиях заднего днища кожуха, со стороны коллекторов.2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что в приосевой части заднего днища нижнего кожуха, не занятой трубами, установлен экран в виде конуса, соосного с кожухом и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства, при этом протяженность топочного объема по оси радиационной секции, ограниченного с одного конца горелочным устройством, а с другого - экраном, должна быть не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства.3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что коллектор входа нагреваемой среды сообщен патрубками с внутренними трубами теплообменных труб конвективной секции, а выход нагреваемой среды из кольцевого зазора, образованного внешней и внутренней трубами каждой теплообменной трубы конвективной секции, сообщен перепускным патрубком с входом в соответствующий кольцевой зазор каждой теплообменной трубы радиационной секции таким образом, что выход нагретой среды из внутренних труб каждой теплообменной трубы радиационной секции подключен патрубками к коллектору выхода.4. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что пучок теплообменных труб радиационной секции охвачен тонкостенным экраном из жаростойкой стали, передний торец которого по всему периметру жестко соединен с кольцевой перегородкой, установленной вблизи горелочного устройства, а задний торец экрана косо срезан таким образом, что верхняя точка среза примыкает к дымоходу, нижняя - к заднему днищу нижнего кожуха.5. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что кожуха с размещенным в них теплообменными трубами радиационной и конвективной секций имеют уклон, направленный навстречу движения греющей среды, причем эквивалентный диаметр дымохода должен быть не менее внутреннего диаметра дымовой трубы.