Топка для путевого подогревателя Российский патент 2019 года по МПК F23C3/00 F22B7/00 

Изобретение относится к подогревателям жидких сред, в частности к топкам для путевых подогревателей с жидким теплоносителем, например, в виде водного раствора деэтиленгликоля, и может быть использовано в химической и нефтеперерабатывающей промышленности для подогрева нефтяной эмульсии или нефти.

Из А.с. №1744406 (СССР МПК⁵ 28Д 1/02, опубл. 30.06.1992, Бюл. №24) известна топка (жаровая труба) трубчатого подогревателя жидких или газообразных сред, которая внутри имеет полую осесимметрично расположенную вставку, сообщенную со стороны верхнего и нижнего торцов с полостью корпуса. Жаровая труба снабжена сквозными патрубками. В процессе работы подогревателя включение жаровой трубы приводит к перемещению теплоносителя в верхнюю часть вставки и его растеканию по патрубкам.

Общими признаками известной и патентуемой топки является форма в виде трубы, а также размещение в топках патрубков, предназначенных для перетока теплоносителя.

В А.с. №1561612, (СССР М. кл. F22B 7/00, опубл. 05.10.1987.) описана топка (горизонтальный газоход). В газоходе продукты сгорания топлива (источник теплоты) перемещаются по прямому и обратному ходам. Теплообменные трубки выполнены закрепленными концами в нижней и верхней плоских стенках газохода.

Общими признаками известной и патентуемой топки является форма в виде трубы и содержание в топках теплообменных (переточных) трубок.

В патенте №2655096 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 23.05.2018, Бюл. №15) описана топка (жаровая труба) трубчатого подогревателя для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей. В жаровой трубе размещенны кольца-турбулизаторы, а под углом к горизонтали дополнительно размещены трубки, которые открытыми концами входят в рубашку с промежуточным теплоносителем.

Общими признаками известной и патентуемой топки является форма в виде трубы, а также размещение в топках трубок для перетока теплоносителя.

Из патента №2380611 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 27.01.2010, Бюл. №3) известна топка (топочная камера) подогревателя нефти, которая имеет U-образную форму и содержит поперечные переточные трубки.

Общими признаками известной и патентуемой топки является U-образная форма и наличие в топках трубок для перетока теплоносителя.

Из патента №2613008 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 14.03.2017, Бюл. №8, см. описание патента 7-й абзац) известна топка U-образной формы для путевого подогревателя нефти серий ПП-1,6 / ПП-4. Топка установлена во внутренней полости (в нижней части) подогревателя, представляющего собой цилиндрическую горизонтальную емкость с плоским днищем.

Емкость заполняют жидким теплоносителем (диэтиленгликолем).

Топочные устройства оборудованы горелками:

- газовыми в модели ПП-1,6; ПП-4; ПП-4В;

- жидкотопливными в модели ПП-1,6Ж;

- комбинированными в модели ПП-1,6-К.

Узлы подготовки и подачи топлива к горелочным устройствам смонтированы снаружи подогревателя, который оборудован также указателем уровня теплоносителя, лестницей и площадкой обслуживания.

Подогреватель работает следующим образом. Продукт подают в змеевики для нагревания до +70°С от теплоносителя. Температуру теплоносителя поддерживают автоматикой +95°С путем регулирования мощности горелок. Система автоматизации подогревателя ПП-1,6/-4 обеспечивает:

- регулирование давления топлива перед горелками;

- розжиг горелок;

- поддержание температуры продукта за счет автоматического изменения режима горелок с большого на малое горение и наоборот;

- автоматическое отключение подачи топлива к горелкам с расшифровкой и запоминанием первопричины в случае:

- повышения давления газообразного топлива перед горелками;

- понижения давления топлива перед горелками;

- погасания факелов горелок;

- повышения температуры теплоносителя;

- повышения давления в продуктовом змеевике.

Общими признаками известной и патентуемой топки является U-образная форма.

Недостатками данного аналога являются:

- малые габариты конвективной зоны;

- передача тепловой энергии в радиантной зоне значительно превышает количество тепла, переданное в конвективной зоне топки;

- повышение температуры дымовых газов при высоких нагрузках;

- более низкий тепловой коэффициент полезного действия (КПД) путевого подогревателя, оборудованного известной топкой.

В патенте №74190 (RU МПК F22B 7/00, опубл. 20.06.2008 Бюл. №17) описана наиболее близкая (прототип) по технической сущности топка для путевого подогревателя в виде U-образной трубы, в конвективной зоне которой под углом к горизонтали вварены сквозные поперечные переточные трубы. При этом переточные трубы имеют максимальный диаметр и расположены таким образом, что образуют спираль внутри топочного пространства, а в U-образном переходе радиационной-конвективной камеры в конвективную также вварены переточные трубы максимального возможного диаметра, с линейно угловым шагом образуя спираль.

Недостатками прототипа являются:

- наличие труб в радиантной части топки может привести к локальному перегреву и разгерметизации поперечных переточных труб;

- не оптимальный диаметр труб;

- наличие поперечных переточных труб в U-образном переходе приводит к возрастанию гидравлического сопротивления топки.

Техническая задача заявляемого изобретения состоит в расширении ассортимента средств подогрева нефти и нефтепродуктов при их транспортировке путем передачи тепловой энергии от топки теплоносителю, а от последнего продукту.

Совокупность существенных признаков в заявляемом изобретении позволяет получить следующий технический результат:

- снижение температуры дымовых газов на выходе из дымовой трубы;

- увеличение поверхности теплообмена конвективной зоны;

- увеличение теплового коэффициента полезного действия (КПД);

- улучшение технико-экономических показателей путевого подогревателя, оборудованного патентуемой топкой.

Устранение указанных недостатков прототипа и технический результат от реализации топки для путевого подогревателя нефтяной эмульсии или нефти, представляющей собой U-образную трубу и оборудованную сквозными переточными трубками, размещенными в конвективной зоне топки под углом к горизонтали, достигают за счет того, что топка оборудована сквозными переточными трубками, внешний диаметр которых составляет 36-70 мм. При этом трубки размещены в конвективной зоне топки в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 25-90°.

Сопоставительный анализ прототипа и заявляемой топки показывает, что обе топки представляют собой U-образную трубу, оборудованную сквозными переточными трубками, размещенными в конвективной зоне топки под углом к горизонтали.

Отличительной особенностью заявляемой топки для путевого подогревателя является то, что топка оборудована сквозными переточными трубками, внешний диаметр которых составляет 36-70 мм. При этом трубки размещены в конвективной зоне топки в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 25-90°.

Сущность изобретения поясняет фиг. 1.

На фиг. 1. представлен общий вид патентуемой топки для путевого подогревателя типа ПП-4В, где позициями 1-6 обозначены:

1 - радиантная зона;

2 - конвективная зона;

3 - отвод;

4 - дымовая труба;

5 - горелочное устройство;

6 - сквозные переточные трубки.

Радиантной зоной 1 является пространство внутри топки от фланца горелочного устройства 5 до отвода 3, а конвективной зоной 2 - от отвода 3 до фланца дымовой трубы 4. Отводом 3 является U-образный переход. Топка оборудована дымовой трубой 4 и горелочным устройством 5. Сквозные переточные трубки 6, внешний диаметр которых составляет 57 мм, размещены в конвективной зоне топки. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 50°.

Топка представляет собой U-образную трубу, имеющую с двух сторон фланцевые соединения для крепления горелочного устройства 5 дымовой трубы 4. В радиантной зоне топки 1 (от фланца горелочного устройства 5 до отвода 3) основная передача тепла происходит за счет передачи тепловой энергии (излучение) при сгорании топлива. В конвективной зоне топки 2 (от отвода 3 до фланца дымовой трубы 4) передача тепла обусловлена конвективным теплообменом за счет передачи тепловой энергии дымовыми газами.

На фиг. 2. представлен общий вид стандартной топки для путевого подогревателя типа ПП-4В (аналог) с аналогичным фиг. 1 перечнем фигур (за исключением позиции 6 - сквозные переточные трубки).

Топка представляет собой U-образную трубу, имеющую с двух сторон фланцевые соединения для крепления горелочного устройства 5 дымовой трубы 4. В радиантной зоне топки 1 (от фланца горелочного устройства 5 до отвода 3) основная передача тепла происходит за счет передачи тепловой энергии (излучение) при сгорании топлива. В конвективной зоне топки 2 (от отвода 3 до фланца дымовой трубы 4) передача тепла обусловлена конвективным теплообменом за счет передачи тепловой энергии дымовыми газами.

На фиг. 3. представлен продольный разрез подогревателя. Конструкционно путевой подогреватель представляет собой цилиндрическую горизонтальную емкость объемом 100 м³ с плоским днищем. В верхней части подогревателя установлен продуктовый трубчатый змеевик, в который подают нефть. В нижней части подогревателя установлены две стандартные топки (фиг. 2. аналог), имеющие с двух сторон фланцевые соединения. К одному фланцу топки подогревателя крепится горелочное устройство, а к другому - дымовая труба.

Нагрев нефти осуществляют следующим образом. Внутреннюю часть емкости заполняют жидким промежуточным теплоносителем, в качестве которого используют водный раствор этиленгликоля. Осуществляют подачу топлива (товарная нефть) к горелочному устройству топки подогревателя. Топка предназначена для передачи тепла от продуктов сгорания нагреваемому продукту посредством промежуточного теплоносителя. При сжигании топлива в горелочном устройстве нагревается топка и жидкий промежуточный теплоноситель. Нефть в количестве 422 т/ч нагревается в продуктовом змеевике от промежуточного теплоносителя, после чего выводится из подогревателя. Продукты сгорания выводятся из топки при помощи дымовой трубы.

Сущность настоящего изобретения дополнительно описана с помощью следующих примеров реализации.

Пример 1 (для сравнения). Нагрев нефти осуществляют в путевом подогревателе типа ПП-4В, оборудованном стандартной топкой (аналог).

Пример 2 (для сравнения). Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя топками по прототипу.

Пример 3 Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя патентуемыми топками (фиг. 1), в конвективных зонах которых размещены сквозные переточные трубки с внешним диаметром 70 мм. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 25°.

Пример 4 Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя патентуемыми топками (фиг. 1), в конвективных зонах которых размещены сквозные переточные трубки с внешним диаметром 50 мм. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 45°.

Пример 5 Нагрев нефти в путевом подогревателе по примеру 1 с тем отличием, что подогреватель оборудован двумя патентуемыми топками (фиг. 1), в конвективных зонах которых размещены сквозные переточные трубки с внешним диаметром 36 мм. Трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали (к оси топки). Угол наклона составляет 90°.

В таблице представлены сопоставительные результаты нагрева нефти в путевом подогревателе, оборудованном топками по аналогу (пример 1), по прототипу (пример 2) и топками по предлагаемому изобретению (пример 3-5).

Приведенные в таблице данные подтверждает эффективность разработанного технического решения. Размещение переточных трубок в конвективной зоне обеспечивает понижение температуры дымовых газов и увеличение поверхности теплоообмена конвективной зоны более чем в два раза. Расположение переточных трубок в шахматном порядке позволяет предотвратить образование застойных зон и «пристеночного» эффекта. При реализации изобретения значительно увеличен коэффициент полезного действия, повышена тепловая мощность путевого подогревателя и перепад температур начальной и конечной нефти.

Устранены недостатки прототипа. При использовании патентуемой топки показано отсутствие локального перегрева и разгерметизации свозных переточных трубок, уменьшено гидравлическое сопротивление топки.

Подобран оптимальный внешний диаметр свозных переточных трубок и их угол наклона к горизонтали.

Шаг сквозных переточных трубок принят с учетом сохранения гидравлического сопротивления конвективной части топки. Внешний диаметр свозных переточных трубок обусловлен конструктивными особенностями конвективной части топки. Увеличение внешнего диаметра свозных переточных трубок свыше 70 мм приведет к уменьшению их количества и, как следствие, к снижению полезной площади теплообмена и ухудшению технического результата. Уменьшение диаметра свозных переточных трубок (меньше 36 мм) приведет к резкому росту гидравлического сопротивления конвективной зоны топки.

Угол наклона свозных переточных трубок к горизонтали в заявляемых интервалах обеспечивает эффективный конвекционный процесс движения теплоносителя и достижение оптимальных значений теплопередачи.

При этом заявляемый технический результат получен не за счет аддитивного вклада каждого компонента, а за счет суммарного синергетического эффекта.

Изобретение относится к подогревателям жидких сред, в частности к топкам для путевых подогревателей с жидким теплоносителем. Топка для путевого подогревателя представляет собой U-образную трубу и оборудована сквозными переточными трубками, размещенными в конвективной зоне топки под углом к горизонтали. Сквозные переточные трубки расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали 25-90°, а внешний диаметр сквозных переточных трубок составляет 36-70 мм. Изобретение позволяет понизить температуру дымовых газов, увеличить поверхность теплоообмена конвективной зоны более чем в два раза, увеличить коэффициент полезного действия, повысить тепловую мощность путевого подогревателя. 3 ил., 1 табл.

Топка для путевого подогревателя, представляющая собой U-образную трубу и оборудованная сквозными переточными трубками, размещенными в конвективной зоне топки под углом к горизонтали, отличающаяся тем, что сквозные переточные трубки, размещенные в конвективной зоне топки, расположены в шахматном порядке под углом к горизонтали 25-90°, а внешний диаметр сквозных переточных трубок составляет 36-70 мм.