Трубчатый подогреватель Российский патент 2021 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 жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. В частности, трубчатый подогреватель может быть использован в технологиях деэмульсации и стабилизации нефтей на нефтепромыслах и для нагрева нефти при ее транспортировке по трубопроводам.

Известны трубчатые подогреватели с промежуточным теплоносителем [1, 2], где источником теплоты служат продукты сгорания топлива. Данные трубчатые подогреватели обеспечивают нагрев нефти без отложений кокса на внутренней поверхности продуктовых труб. Недостатком их является большая металлоемкость, громоздкость и трудность управления процессом нагрева продукта из-за большой тепловой инерционности промежуточного теплоносителя - воды, заполняющего корпус подогревателя.

Известны трубчатые печи, в которых продукты сгорания топлива передают теплоту нагреваемому продукту при прямом контакте с поверхностью продуктовых труб, размещенных в радиантной и конвекционной камерах печи [3]. Данные печи конструктивно сложны и громоздки. Характерные для них неоднородность распределения плотности теплового потока по площади поверхности теплопередачи и высокие локальные значения температуры стенки продуктовых труб приводят к образованию коксовых отложений на стенках труб при нагреве сред, склонных к термическому разложению.

Известен также блочный трубчатый подогреватель для нагрева нефтяных эмульсий с повышенной коррозионной активностью и склонностью к отложению солей и механических примесей [4]. Известный подогреватель состоит из нескольких блоков полного заводского изготовления и является транспортабельным. За счет внутренней циркуляции продуктов сгорания топлива в теплообменной камере и снижения при этом их максимальной температуры скорость образования коксовых отложений в продуктовых трубах уменьшается. Недостатком является неравномерное распределение плотности теплового потока по площади поверхности теплопередачи, обусловленное наличием застойных зон греющих газов в угловых областях теплообменной камеры. Это приводит к низкой эффективности использования поверхности теплопередачи продуктового змеевика, большой металлоемкости и габаритам устройства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство для нагрева текучих сред, содержащее теплообменную камеру, горелочное устройство, выполненные из прямых труб и размещенные в теплообменной камере продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и расположенный симметрично внутри него внутренний продуктовый змеевик, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков [5] - прототип.

В известном устройстве [5] поток греющих газов закручен в объеме теплообменной камеры, что в значительной мере устраняет угловые застойные зоны газов и способствует равномерности распределения плотности теплового потока на площади поверхности теплопередачи. Его недостатком является сложность конструкции, изготовления и ремонта подогревателя. В тех частях труб продуктовых змеевиков, которые расположены в зоне высоких температур греющих продуктов сгорания топлива с активным радиационным переносом тепла, возможно отложение кокса на стенках внутри труб при нагреве нефти и нефтяной эмульсии. Недостатком является и то, что продуктовые змеевики устройства не могут быть опорожнены путем самодренирования.

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

Сущность изобретения заключается в том, что в трубчатом подогревателе, содержащем теплообменную камеру, горелочное устройство, выполненные из прямых труб и размещенные в теплообменной камере продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и расположенный симметрично внутри него внутренний продуктовый змеевик, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков, теплообменная камера выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с плоскими боковыми, верхней, нижней, торцевыми фронтальной и задней стенками, горелочное устройство размещено на фронтальный стенке, к которой примыкает дымоотводящий канал, внутренний продуктовый змеевик выполнен двухрядным и размещен с зазорами относительно фронтальной и задней стенок теплообменной камеры, между рядами труб внутреннего продуктового змеевика размещены листы из жаростойкого материала, образующие стенки газового канала, продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и внутренний продуктовый змеевик выполнены из труб-шпилек, открытые торцы которых соединены между собой коллекторными трубами с дисковыми перегородками в диаметральных сечениях, на внешней поверхности труб-шпилек продуктовых змеевиков имеются элементы дискретной шероховатости, внутри труб-шпилек ряда внутреннего продуктового змеевика, расположенного в газовом канале, размещены скрученные ленты, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков имеют сальниковые уплотнения с фронтальной и задней стенками теплообменной камеры и резьбовые фланцы на концах.

В отличие от известного устройства, исполнение теплообменной камеры в форме прямоугольного параллелепипеда с плоскими боковыми, верхней, нижней, торцевыми фронтальной и задней стенками, размещение горелочного устройства на фронтальной стенке, к которой примыкает дымоотводящий канал, выполнение внутреннего продуктового змеевика двухрядным и размещение его с зазорами относительно фронтальной и задней стенок теплообменный камеры, наличие между рядами труб внутреннего продуктового змеевика листов из жаростойкого материала, которые образуют стенки газового канала, позволяет осуществлять организованную рециркуляцию греющих продуктов сгорания топлива в теплообменной камере. При этом снижается максимальная температура греющих продуктов сгорания до величины, исключающей активное образование коксовых отложений внутри продуктовых труб при нагреве нефти и нефтяной эмульсии. Эффективность и надежность работы трубчатого подогревателя при наличии организованной рециркуляции греющих газов существенно повышается.

Исполнение продуктового змеевика, примыкающего к стенкам теплообменный камеры, и внутреннего продуктового змеевика из труб-шпилек, открытые торцы которых соединены между собой коллекторными трубами с дисковыми перегородками в диаметральных сечениях (патент RU №2382973), обеспечивает малые габариты продуктовых змеевиков, упрощает конструкцию трубчатого подогревателя и позволяет достичь высокой его компактности.

Наличие на внешней поверхности труб-шпилек продуктовых змеевиков элементов дискретной шероховатости интенсифицирует теплоотдачу от греющих газов к стенкам труб-шпилек за счет турбулизации пристенного слоя газового потока, что позволяет уменьшить площадь поверхности теплопередачи продуктовых змеевиков и способствует большей компактности трубчатого подогревателя. Элементы дискретной шероховатости представляют собой нанесенный методом сварки на поверхность труб-шпилек металлический спиральный валик или же это может быть навитая по спирали проволока с определенными диаметром и шагом навивки.

Размещение скрученных лент внутри труб-шпилек ряда внутреннего продуктового змеевика, расположенного в газовом канале, где наибольшая температура греющих продуктов сгорания, интенсифицирует теплоотдачу от стенок труб-шпилек к нагреваемому продукту. Это приводит к снижению температуры стенок труб-шпилек при работе трубчатого подогревателя, что, в свою очередь, уменьшает вероятность коксования нагреваемого продукта на стенках труб-шпилек и способствует повышению эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя.

Использование сальниковых уплотнений в местах прохода трубчатых подводов и отводов продуктовых змеевиков через фронтальную и заднюю стенки теплообменной камеры и резьбовых фланцев на концах трубчатых подводов и отводов упрощает технологии сборки и разборки трубчатого подогревателя в процессах изготовления и ремонта.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом [5] показывает, что заявляемое решение соответствует критерию «новизна».

Известные технические решения [3, 4], реализующие прямой нагрев продукта, не обеспечивают интенсифицированный теплообмен. Их конструкции громоздки и сложны в изготовлении. Продуктовые змеевики подвержены закоксовыванию в процессе работы.

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 - вид слева на фиг. 1; фиг. 3 - разрез по А-А на фиг. 1; фиг. 4 - выносной элемент 7 на фиг. 1; фиг. 5 - выносной элемент на фиг. 1; фиг. 6 - схема продуктового змеевика, примыкающего к стенкам теплообменной камеры; фиг. 7 - выносной элемент III на фиг. 6.

Трубчатый подогреватель содержит теплообменную камеру 1, ограниченную плоскими боковыми 2, верхней 3, нижней 4 и торцевыми фронтальной 5 и задней 6 стенками. На фронтальной стенке 5 размещено горелочное устройство 7. Дымоотводящий канал 8 примыкает к фронтальной стенке 5. Внутренний продуктовый змеевик 9 состоит из двух рядов труб-шпилек 10 и с зазорами 11, относительно фронтальной стенки 5, и 12, относительно задней стенки 6, размещен внутри продуктового змеевика 13, примыкающего к стенкам 2, 3, 4 и 6 теплообменной камеры 1. Между рядами труб-шпилек 10 внутреннего продуктового змеевика 9 размещены листы 14 из жаростойкого материала, образующие стенки газового канала 15. Открытые торцы труб-шпилек 10 продуктовых змеевиков 9 и 13 соединены между собой коллекторными трубами 16 с дисковыми перегородками 17 в диаметральных сечениях. На внешней поверхности труб-шпилек 10 продуктовых змеевиков 9 и 13 имеются элементы дискретной шероховатости 18, а в трубах-шпильках 10 ряда внутреннего продуктового змеевика 9, расположенного в газовом канале 15, дополнительно имеются вставленные скрученные ленты 19. Трубчатые подводы 20 и отводы 21 продуктовых змеевиков 9 и 13 имеют сальниковые уплотнения 22 в местах прохода через фронтальную 5 и заднюю 6 стенки теплообменной камеры 1 и резьбовые фланцы 23 на концах.

Подогреватель может быть как однопоточным, так и многопоточным по нагреваемому продукту. При многопоточном движении продуктовые змеевики 9 и 13 разделяются на секции, количество которых равно числу потоков. На фиг. 1, 2 и 6 представлен вариант шестипоточного трубчатого подогревателя. Продуктовый змеевик 13 включает в себя две секции, первая из которых состоит из плоских панелей, образованных трубами-шпильками 10, примыкающими к верхней 3 и нижней 4 стенкам, а вторая - из труб, примыкающих к боковым стенкам 2 и задней стенке 6 теплообменной камеры 1. Каждый из двух рядов труб-шпилек 10 внутреннего продуктового змеевика 9 включает в себя также две секции, которые состоят из включенных последовательно по нагреваемому продукту двух смежных горизонтально и вертикально ориентированных своей плоскостью трубчатых панелей.

Трубчатый подогреватель работает следующим образом.

Нагреваемый продукт поступает через подводы 20 в продуктовые змеевики 9 и 13, где осуществляется его движение в трубах-шпильках 10, последовательно соединенных между собой с помощью коллекторных труб 16 и расположенных в них дисков 17. Топливо и воздух для горения подается в горелочное устройство 7, где они перемешиваются между собой. Топливовоздушная смесь с высокой скоростью выходит из сопла горелочного устройства 7 в пространство теплообменной камеры 1, ограниченное листами 14 из жаростойкого материала, образующими газовый канал 15. На выходе из горелочного устройства 7 с помощью запального устройства (на фиг. не показано) топливо поджигается. Горящая газовая струя расширяется и заполняет все сечение газового канала 15. Одновременно идет процесс подсоса охлажденных продуктов сгорания из окружающего пространства теплообменной камеры 1 к корню расширяющейся струи, обусловленный эжектирующим воздействием высокоскоростной струи. Подсос приводит к снижению температуры продуктов сгорания топлива, обтекающих в продольном направлении трубы-шпильки 10 ряда внутреннего продуктового змеевика 9, расположенные в газовом канале 15. При этом теплопередача от продуктов сгорания через стенку данных труб - шпилек нагреваемому продукту не сопровождается активным коксообразованием на внутренней поверхности этих труб. Исключению коксообразования способствует и закручивание потока нагреваемого продукта в трубах с помощью вставленных скрученных лент 19. При этом за счет интенсификации теплоотдачи закрученного потока снижается температура стенки труб и, как следствие, уменьшается скорость образования твердой фазы в пристенном слое нагреваемого продукта. При выходе из газового канала 15, продукты сгорания топлива натекают на трубы продуктового змеевика 13, примыкающие к задней стенке 6 греющей камеры 1 и защищающие стенку от теплового воздействия горячих газов, проходят через зазор 12 между внутренним продуктовым змеевиком 9 и задней стенкой 6, и далее, развернувшись, перемещаются к фронтальной стенке 5 в пространстве между листами 14 газового канала 15 и стенками 2, 3 и 4 теплообменной камеры 1. В этом своем перемещении продукты сгорания обтекают в продольном направлении трубы продуктовых змеевиков 9 и 13 и передают теплоту стенкам труб преимущественно конвективным механизмом. У фронтальной стенки 5 поток охлажденных продуктов сгорания раздваивается и частично направляется в дымоотводящий канал 8, а другая его часть через зазор 11 между внутренним продуктовым змеевиком 9 и фронтальной стенкой 5 поступает к корню газовой струи, создаваемой горелочным устройством 7. Таким образом, в теплообменной камере 1 осуществляется организованная и регулируемая рециркуляция продуктов сгорания, позволяющая интенсифицировать процесс передачи теплоты и обеспечивающая «мягкий» температурный режим нагрева продукта. При обтекании потоком продуктов сгорания труб-шпилек 10 продуктовых змеевиков 9 и 13 элементы дискретной шероховатости 18 турбулизируют поток, что интенсифицирует теплоотдачу потока и процесс теплопередачи в целом.

Нагретый в продуктовых змеевиках 9 и 13 продукт выводится из трубчатого подогревателя через отводы 21, имеющие, как и подводы 20, на концах резьбовые фланцы 23 для соединения с транспортными линиями продукта. Использование резьбовых, а не приварных, фланцев позволяет сравнительно легко проводить сборку и разборку трубчатого подогревателя. Этому же способствует и использование сальниковых уплотнений 22 в местах прохода подводов 20 и отводов 21 через фронтальную 5 и заднюю 6 стенки теплообменной камеры 1. При остановке работы трубчатого подогревателя продуктовые змеевики 9 и 13 при необходимости легко опорожняются путем самодренирования.

Пример исполнения предлагаемого устройства. Трубчатый подогреватель тепловой мощностью 5 МВт для нагрева нефтяной эмульсии от 10°С до 90°С имеет габариты поперечного сечения теплообменной камеры 2,2×2,2 м и длину 6,2 м. Продуктовые змеевики выполнены из труб диаметром 159×5 мм. Топливом является нефтяной газ. При равных количествах продуктов сгорания топлива отводимых на рециркуляцию в газовый канал и в дымоотводящий канал для удаления из трубчатого подогревателя, максимальная температура потока греющих газов составляет 1000°С. Температура уходящих из трубчатого подогревателя газов равна 250°С, а его тепловое к.п.д. - 88%. Удельный объемный показатель, определяемый как отношение тепловой мощности к объему подогревателя, составляет 0,17 МВт/м³. Названый показатель существенно выше, чем у аналогичных известных подогревателей прямого нагрева. Например, у трубчатого подогревателя прямого нагрева ПТБ-10-160 [4] тепловой мощностью 10 МВт он составляет 0,12 МВт/м³.

Преимуществами предлагаемого трубчатого подогревателя являются:

- конструктивная простота;

- технологичность изготовления и ремонта;

- малая металлоемкость и высокая компактность из-за интенсификации теплообмена потока греющих газов и использования продуктовых змеевиков коллекторного типа;

- «мягкий» температурный режим нагрева продуктов;

- повышенная надежность работы подогревателя;

- высокий тепловой КПД.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1561612, М. кл. F22B 7/00 от 05.10.1987.

2. Авторское свидетельство СССР №1668827, М. кл. F24P 1/14 от 10.05.1989.

3. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1982. с. 450-458.

4. Медведев В.Ф. Сбор и подготовка нефти и воды. М.: Недра, 1986. с. 181.

5. Патент РФ №20829225. М. кл. F27B 5/00 от 27.06.1997.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в трубчатых подогревателях для текучих сред в нефтяной, химической и других отраслях промышленности для термической обработки жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. В трубчатом подогревателе, содержащем теплообменную камеру, горелочное устройство, выполненные из прямых труб и размещенные в теплообменной камере продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и расположенный симметрично внутри него внутренний продуктовый змеевик, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков, теплообменная камера выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с плоскими боковыми, верхней, нижней, торцевыми фронтальной и задней стенками, горелочное устройство размещено на фронтальный стенке, к которой примыкает дымоотводящий канал, внутренний продуктовый змеевик выполнен двухрядным и размещен с зазорами относительно фронтальной и задней стенок теплообменной камеры, между рядами труб внутреннего продуктового змеевика размещены листы из жаростойкого материала, образующие стенки газового канала, продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и внутренний продуктовый змеевик выполнены из труб-шпилек, открытые торцы которых соединены между собой коллекторными трубами с дисковыми перегородками в диаметральных сечениях. Технический результат - упрощение конструкции, уменьшение металлоемкости, повышение эффективности и надежности работы трубчатого подогревателя. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Трубчатый подогреватель, содержащий теплообменную камеру, горелочное устройство, выполненные из прямых труб и размещенные в теплообменной камере продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и расположенный симметрично внутри него внутренний продуктовый змеевик, трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков, отличающийся тем, что теплообменная камера выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда с плоскими боковыми, верхней, нижней, торцевыми фронтальной и задней стенками, горелочное устройство размещено на фронтальной стенке, к которой примыкает дымоотводящий канал, внутренний продуктовый змеевик выполнен двухрядным и размещен с зазорами относительно фронтальной и задней стенок теплообменной камеры, между рядами труб внутреннего продуктового змеевика размещены листы из жаростойкого материала, образующие стенки газового канала.

2. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что продуктовый змеевик, примыкающий к стенкам теплообменной камеры, и внутренний продуктовый змеевик выполнены из труб-шпилек, открытые торцы которых соединены между собой коллекторными трубами с дисковыми перегородками в диаметральных сечениях.

3. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности труб-шпилек продуктовых змеевиков имеются элементы дискретной шероховатости.

4. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что внутри труб-шпилек ряда внутреннего продуктового змеевика, расположенного в газовом канале, размещены скрученные ленты.

5. Трубчатый подогреватель по п. 1, отличающийся тем, что трубчатые подводы и отводы продуктовых змеевиков имеют сальниковые уплотнения с фронтальной и задней стенками теплообменной камеры и резьбовые фланцы на концах.