ТРУБЧАТЫЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК F22B7/00 

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым подогревателям, и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности для термической обработки термолабильных, термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. В частности, подогреватель может быть использован в технологиях деэмульсации и стабилизации нефтей на нефтепромыслах.

Известен подогреватель [1], где источником теплоты служат продукты сгорания топлива, перемещающиеся в горизонтальном газоходе по прямому и обратному ходам, а нагреваемый жидкий продукт подается в пучок продуктовых труб, размещенный над газоходом. Пучок продуктовых труб и газоход расположены в корпусе, заполненном промежуточным жидким теплоносителем. Подогреватель содержит теплообменные трубки закрепленные концами в нижней и верхней плоских стенках газохода. Большое количество теплообменных трубок усложняет и удорожает конструкцию подогревателя. Наличие сварных швов, соединяющих теплообменные трубки со стенками газохода, снижает надежность подогревателя. Кроме того, нижняя плоская стенка газохода может прогорать из-за образования устойчивой паровой пленки в возможных локальных вогнутостях 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 крайней мере с одним вертикальным каналом, стенки которого скреплены кромкой с трубой. Подогреватель сложен в изготовлении. Высокое давление нагреваемого продукта приводит к необходимости выполнять стенки вертикальных каналов толстыми. Велики удельные затраты металла на единицу передаваемой тепловой мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является трубчатый подогреватель для нагрева жидких и газообразных сред, содержащий заполненный жидким промежуточным теплоносителем корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу и размещенный между корпусом и жаровой трубой трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды [3], - прототип.

В известном устройстве [3] объем занимаемый промежуточным теплоносителем сравнительно невелик, что уменьшает тепловую инерционность подогревателя. Его недостатком является то, что корпус и жаровая труба выполнены в виде вертикальных промежуточных коробов. При этом под действием повышенного по отношению к атмосферному давления внутри корпуса и гидростатического давления жидкого промежуточного теплоносителя возможны прогибы и изменение формы коробов. Для создания необходимой жесткости корпуса и жаровой трубы потребуется увеличивать толщину их стенок или укреплять стенки ребрами, что усложнит конструкцию подогревателя и увеличит его металлоемкость. Так как жаровая труба выполнена U-образной и при движении в ней поток продуктов сгорания поворачивает на 180°, то это приводит к повышенному гидравлическому сопротивлению дымового тракта. Недостатком является и то, что между трубчатым змеевиком и жаровой трубой установлена термосифонная перегородка. Наличие перегородки может привести к образованию паровой пленки на стенке жаровой трубы при кипении жидкого теплоносителя и, в связи с этим, - к пережогу стенки из-за недостаточного ее охлаждения. Образование пара увеличит давление в корпусе, в верхней части корпуса могут создаваться паровые пробки, что приведет к прерыванию циркуляции промежуточного жидкого теплоносителя и, как следствие, - к прекращению функционирования подогревателя.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в трубчатом подогревателе, содержащем корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу, размещенные между корпусом и жаровой трубой промежуточный жидкий теплоноситель и трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды, жаровая труба и корпус выполнены в виде прямых цилиндров и имеют одну общую ось, в жаровой трубе концентрично с ней размещен цилиндрический вторичный излучатель с вставленным в него обтекаемым телом, трубчатый змеевик состоит из одного или нескольких соосных рядов закрученных спиралью труб или же он выполнен одно- или многорядным из труб-шпилек, расположенных параллельно оси корпуса и соединенных между собой коллекторным трубами, в диаметральных сечениях которых имеются дисковые перегородки, на внутренней поверхности жаровой трубы и на внешней поверхности цилиндрического вторичного излучателя размещены кольца-турбулизаторы, подогреватель дополнительно оборудован укрытием и примыкающей к укрытию оболочкой, размещенной с зазором вокруг корпуса.

В отличие от известного устройства исполнение жаровой трубы и корпуса в виде прямых цилиндров с одной общей осью обеспечивает необходимую жесткость данных элементов трубчатого подогревателя и способствует уменьшению его металлоемкости. Уменьшается гидравлическое сопротивление движению продуктов сгорания топлива в жаровой трубе. Наличие цилиндрического вторичного излучателя в жаровой трубе интенсифицирует радиационный теплообмен в зоне пониженных температур продуктов сгорания топлива и обеспечивает близкое к равномерному распределение плотности теплового потока по площади стенки жаровой трубы. Вставленное во вторичный излучатель обтекаемое тело имеет возможность перемещаться вдоль оси трубчатого подогревателя и тем самым регулировать и перераспределять расходы потоков продуктов сгорания топлива, протекающих снаружи и внутри вторичного излучателя. При этом становится возможным обеспечивать наиболее эффективный теплообмен в системе «продукты сгорания - вторичный излучатель - жаровая труба».

Исполнение трубчатого змеевика в виде одного или нескольких соосных рядов закрученных спиралью труб обеспечивает высокую его компактность, обусловленную малым шагом труб в змеевике и интенсивным теплообменом закрученного потока нагреваемой среды. Другим вариантом является исполнение трубчатого змеевика одно- или многорядным из труб-шпилек, расположенных параллельно оси корпуса и соединенных между собой коллекторным трубами, в диаметральных сечениях которых имеются дисковые перегородки (патент RU №2382973).

Размещение колец-турбулизаторов на внутренней поверхности жаровой трубы и на внешней поверхности цилиндрического вторичного излучателя интенсифицирует конвективный теплообмен продуктов сгорания топлива, что способствует повышению компактности и уменьшению металлоемкости подогревателя.

Дополнительное оснащение трубчатого подогревателя укрытием и примыкающей к укрытию оболочкой, размещенной с зазором вокруг корпуса, обеспечивает защищенность трубчатого подогревателя и обслуживающего его персонала от атмосферных воздействий и позволяет повысить тепловую эффективность трубчатого подогревателя за счет подогрева воздуха, подаваемого на сжигание топлива в горелочное устройство, при опускном движении воздуха в зазоре между корпусом и оболочкой. Кроме того, при этом минимизируются потери теплоты от наружной поверхности трубчатого подогревателя в окружающую среду.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Известные технические решения [1, 2], реализующие нагрев текучих сред с помощью промежуточного жидкого теплоносителя, не обеспечивают интенсифицированный теплообмен. Их конструкции сложны в изготовлении. Большее число сварочных швов обусловливает пониженную надежность. Велико гидравлическое сопротивление потоку продуктов сгорания топлива.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг. 1 приведен схематичный разрез предлагаемого трубчатого подогревателя; на фиг. 2 - выносной элемент I на фиг. 1; на фиг. 3 - трубчатый змеевик из двух соосных рядов закрученных спиралью труб; на фиг. 4 - трубчатый змеевик из одного ряда труб - шпилек; на фиг. 5 - вид по А на фиг. 4; на фиг. 6 - выносной элемент II на фиг. 4; на фиг. 7 - выносной элемент III на фиг. 4.

Трубчатый подогреватель содержит жаровую трубу 1 и корпус 2, которые выполнены в виде прямых цилиндров и имеют одну общую ось. Кольцевое пространство между жаровой трубой 1 и корпусом 2 заполнено промежуточным жидким теплоносителем, в котором находится трубчатый змеевик 3 для пропуска нагреваемой среды и трубчатый змеевик 4 для пропуска топлива, сжигаемого в трубчатом подогревателе. Имеется расширительный сосуд 5, обеспечивающий гарантированное заполнение промежуточным теплоносителем кольцевого пространства между жаровой трубой 1 и корпусом 2. В низкотемпературной части жаровой трубы 1, концентрично с ней, размещен цилиндрический вторичный излучатель 6, внутри которого имеется обтекаемое тело 7. На поверхностях жаровой трубы 1 и цилиндрического вторичного излучателя 6 расположены кольца-турбулизаторы 8. Жаровая труба 1 оснащена горелочным устройством 9 и газоотводом 10 для выхода продуктов горения. С зазором вокруг корпуса 2 размещена оболочка 11, которая примыкает к укрытию 12, служащему для размещения в нем вспомогательного оборудования, средств контроля и автоматики.

Трубчатый змеевик 3 выполнен из одного или нескольких соосных рядов закрученных спиралью труб. Например, при двух рядах труб змеевик содержит внутренний ряд 13, который расположен внутри внешнего ряда 14. Входные и выходные патрубки внутреннего 13 и внешнего 14 рядов закрученных спиралью труб проходят через фланцевое кольцо 15. При исполнении трубчатого змеевика 3 по другому варианту он выполнен одно- или многорядным из труб-шпилек 16, расположенных параллельно оси корпуса и соединенных между собой коллекторными трубами 17. В диаметральных сечениях коллекторных труб 17 имеются дисковые перегородки 18, назначение которых состоит в создании поворотных камер 19 для потока нагреваемой среды. Фиксирование дисковых перегородок 18 по длине коллекторных труб 17 осуществляется с помощью стержней 20, прошивающих дисковые перегородки 18 по их оси.

Жаровая труба 1, корпус 2 и фланцевое кольцо 15 имеют разъемные соединения между собой, что создает технологические удобства при сборке трубчатого подогревателя и дает возможность при необходимости извлекать трубчатый змеевик 3 для проведения ремонтных работ.

Трубчатый подогреватель работает следующим образом. Подогретое в трубчатом змеевике 4 топливо поступает в горелочное устройство 9, где сжигается. Образующиеся высокотемпературные продукты сгорания топлива поступают в жаровую трубу 1 и, перемещаясь в направлении к газоотводу 10, в процессе радиационного и конвективного теплообмена со стенкой жаровой трубы 1 понижают свою температуру. Установленный в зоне пониженной температуры продуктов сгорания топлива цилиндрический вторичный излучатель 6 интенсифицирует передачу тепла на стенку жаровой трубы 1.

Интенсификация передачи тепла достигается за счет радиации нагретой стенки вторичного излучателя 6 и за счет увеличения скорости движения продуктов сгорания топлива возле стенки жаровой трубы 1. Последнее обусловлено наличием обтекаемого тела 7 внутри цилиндрического вторичного излучателя 6, что ограничивает проточность внутреннего пространства излучателя. Повышению интенсивности конвективного теплообмена потока продуктов сгорания топлива способствует наличие на стенках жаровой трубы 1 и цилиндрического вторичного излучателя 6 колец-турбулизаторов 8. При этом в пристенной зоне потока образуются микровихри, повышающие его турбулентность и снижающие термическое сопротивление теплопереносу от продуктов сгорания к твердой стенке. Охлажденные в жаровой трубе 1 продукты сгорания топлива через газоотвод 10 выводятся в атмосферу. Теплота охлаждения продуктов сгорания топлива через стенку жаровой трубы 1 передается промежуточному жидкому теплоносителю, заполняющему кольцевое пространство между жаровой трубой 1 и корпусом 2, и далее через стенки трубчатого змеевика 3 - нагреваемой среде. Трубчатый змеевик 3 может быть выполнен одно- или многопоточным по нагреваемой среде за счет соответствующей обвязки входных и выходных патрубков рядов труб.

Обогрев укрытия 12 осуществляется за счет подачи в него теплого воздуха, который предварительно нагревается в зазоре между корпусом 2 и оболочкой 11, воспринимая теплоту от стенки корпуса 2. Вход атмосферного воздуха под оболочку 11 происходит со стороны газоотвода 10. Перемещение воздуха от его входа до укрытия 12 в зазоре между корпусом 2 и оболочкой 11 осуществляется за счет работы вентилятора горелочного устройства 9. Из укрытия 12 теплый воздух поступает в горелочное устройство 9, где используется при сжигании топлива.

Преимуществами предлагаемого трубчатого подогревателя являются:

- компактность и малая металлоемкость, что обусловлено использованием приемов и средств интенсификации теплообмена продуктов сгорания топлива со стенками жаровой трубы и цилиндрического вторичного излучателя;

- меньшее гидравлическое сопротивление по тракту продуктов сгорания топлива, так как отсутствуют повороты, изменяющие направление движения потока;

- меньшие потери тепла в окружающую среду от поверхности трубчатого подогревателя;

- конструктивная простота, технологичность изготовления и ремонта;

- малый объем используемого промежуточного жидкого теплоносителя, что обеспечивает низкую тепловую инерционность подогревателя;

- высокая надежность из-за того, что жаровая труба и корпус выполнены в виде прямых цилиндров, обладающих необходимой жесткостью и имеющих минимальное количество сварных соединений, а также из-за относительно низких рабочих температур конструктивных элементов трубчатого подогревателя и практически полной компенсации термических расширений, возникающих в элементах устройства.

Например, трубчатый подогреватель тепловой мощностью 2 МВт, предназначенный для нагрева нефтяной эмульсии до температуры 90°С, имеет диаметр жаровой трубы 630 мм, ее длину 9,6 м, диаметр корпуса 1050 мм. Тепловой к.п.д. составляет 89% при номинальной тепловой мощности. В качестве промежуточного жидкого теплоносителя используется вода.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1561612, М. кл. F22В 7/00, от 05.10.1987.

2. Авторское свидетельство СССР №1668827, М. кл. F24Р 1/14, от 10.05.1989.

3. Авторское свидетельство СССР №377604, М. кл. F28d 1/02, от 17.04.1973.

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым подогревателям, и может быть использовано в нефтяной, химической и других отраслях промышленности для термической обработки термолабильных термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. В частности, подогреватель может быть использован в технологиях деэмульсации и стабилизации нефтей на нефтепромыслах. Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя. Трубчатый подогреватель содержит корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу, размещенные между корпусом и жаровой трубой промежуточный жидкий теплоноситель и трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды. Жаровая труба и корпус выполнены в виде прямых цилиндров и имеют одну общую ось. В жаровой трубе концентрично с ней размещен цилиндрический вторичный излучатель с вставленным в него обтекаемым телом. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Трубчатый подогреватель, содержащий корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу, размещенные между корпусом и жаровой трубой промежуточный жидкий теплоноситель и трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды, отличающийся тем, что жаровая труба и корпус выполнены в виде прямых цилиндров и имеют одну общую ось, в жаровой трубе концентрично с ней размещен цилиндрический вторичный излучатель с вставленным в него обтекаемым телом.

2. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что трубчатый змеевик состоит из одного или нескольких соосных рядов закрученных спиралью труб.

3. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что трубчатый змеевик выполнен одно- или многорядным из труб-шпилек, расположенных параллельно оси корпуса и соединенных между собой коллекторными трубами, в диаметральных сечениях которых имеются дисковые перегородки.

4. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности жаровой трубы и на внешней поверхности цилиндрического вторичного излучателя размещены кольца-турбулизаторы.

5. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно оборудован укрытием и примыкающей к укрытию оболочкой, размещенной с зазором вокруг корпуса.