Теплогенератор Российский патент 2023 года по МПК F24H1/00 

Изобретение относится к теплообменным устройствам для подогрева жидких или газообразных сред и может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Известен теплогенератор (по патенту RU 2591759, выбран в качестве прототипа), содержащий металлический корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения. Корпус вертикальной части оснащен горелочным блоком, ниже которого расположены воздухозаборники, теплообменным блоком, блоком подачи воздуха. Теплообменный блок выполнен в виде змеевика для теплоносителя и кожуха. Змеевик установлен снаружи корпуса и закрыт упомянутым кожухом. Вгорелочномблоке использовано горелочное устройство диффузионно-инжекционного типа, установленное с возможностью перемещения вдоль оси корпуса посредством регулирующего механизма.

Его недостатками являются низкая тепловая мощность и низкий КПД, поскольку нагрев теплоносителя происходит через кожух горелочного блока, корпус теплогенератора, стенки змеевика; для увеличения мощности конструкция не позволяет установить более одного горелочного блока. Теплогенератор не позволяет производить разные виды теплоносителей: пар или жидкость. Для такой конструкции приемлемые значения КПД могут быть достигнуты в узком диапазоне сочетания параметров (геометрических, тепловых). Вместе с тем, разные производственные задачи, например, при добыче нефти требуют большой вариативности в типе теплоносителя (перегретый пар, жидкость), большого диапазона регулировки тепловой мощности теплогенератора с сохранением высокого КПД во всех режимах работы.

Технической задачей изобретения является создание универсального всепогодного теплогенератора, одинаково эффективного при работе в разных режимах. Техническим результатом является обеспечение высокого КПД в большом диапазоне рабочей тепловой мощности. Появляется возможность регулировать диапазон КПД аппарата при одном и том же расходе топлива (тепловой мощности) и теплообменных устройств. Кроме того, обеспечивается возможность последовательного или раздельного получения разных тепловых продуктов

Технический результат достигается в теплогенераторе, состоящем из основания, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус горизонтальной части и корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения, каждый из которых оснащен установленными последовательно: блоком подачи воздуха, горелочным блоком, теплообменным блоком. Теплообменный блок может быть выполнен в виде парогенератора. Внутри корпуса горизонтальной части установлен парогенератор, выполненный в виде змеевика. Выход для продуктов горения выполнен в виде корпуса дымовой трубы, установленного на корпусе вертикальной части, и снабженного блоками нейтрализатора сажи и нейтрализатора углекислого газа. Между корпусами горизонтальной части и вертикальной части установлена регулируемая заслонка. Горелочный блок горизонтальной части оснащен горизонтальной газонефтяной горелкой, горелочный блок вертикальной части оснащен горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой. Теплообменный блок выполнен в виде опоясывающей емкости, соединенной с расширителем, в которой расположен змеевик. В зоне выхода пламени из горелочного блока, установлен защитный экран, выполненный в виде цилиндрической трубы, с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности. Корпус вертикальной части снабжен воздухозаборником, расположенным ниже горелочного блока.

Изобретение поясняется рисунком: схема теплогенератора.

Теплогенератор состоит из основания 1, выполненного, например, в виде рамной металлической конструкции, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус 2 горизонтальной части и корпус 3 вертикальной части с выходом 4 для продуктов горения (с трубой 4). Указанные части выполняются в виде металлических секций, преимущественно осесимметричных (например, цилиндрических), которые соединяются между собой фланцевыми соединениями с помощью болтов (шпилек). Корпусы 2, 3 могут оснащаться наружными и/или внутренними теплоизоляционными слоями.

Выход 4 для продуктов горения может быть выполнен в виде корпуса 4 дымовой трубы, установленного на корпусе 3 вертикальной части, и снабженного блоками 13, 14 нейтрализатора сажи и нейтрализатора углекислого газа.

Корпус 2 горизонтальной части и корпус 3 вертикальной части оснащены каждый установленными последовательно: блоком 5, 6 подачи воздуха, горелочным блоком 7, 8, теплообменным блоком 9, 10, соответственно. Последовательная установка указанных частей обеспечивает работоспособность теплогенератора и обеспечивает высокий КПД, как показано ниже.

Указанные корпусы 2, 3 могут оснащаться несколькими теплообменными блоками. На рисунке показаны дополнительные теплообменные блоки 11, 12. Теплообменные блоки 9, 10, 11, 12 могут иметь разную конструкцию, например, могут быть выполнены в виде парогенераторов. Так, внутри корпуса 2 горизонтальной части может быть установлен парогенератор 12, выполненный в виде змеевика. Иначе, теплообменный блок 11 может быть выполнен в виде опоясывающей корпус емкости, в которой расположен змеевик 18, соединенный через циркуляционный насос 20 с расширителем 19.

Теплообменные блоки 9, 10, 11, имеющие опоясывающие емкости, заполненные жидкими теплоносителями, выступающих в качестве промежуточных теплоносителей 25 (вода, тосол, антифриз). Их змеевики 18, 21 заполнены нагреваемыми продуктами (нагреваемыми жидкостями, в качестве которых могут использоваться вода, нефть, водонефтяная эмульсия) и соединены с необходимой технологической обвязкой 22.

Между корпусами 2, 3 горизонтальной части и вертикальной части установлена регулируемая заслонка 15 в виде шибера, которая может отсекать корпус 2 горизонтальной части 16 для работы одной вертикальной части 17.

Горелочный блок 7 горизонтальной части 16 оснащен горизонтальной газонефтяной горелкой, горелочный блок 8 вертикальной части 17 оснащен горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой. Горелочные блоки 7, 8 оснащаются системами розжига и контроля пламени, запальными устройствами, датчиками 24 контроля пламени, тяги, температуры дымовых газов.

Корпус 2 горизонтальной части, выполненный в виде металлических секций, расположенных горизонтально (продольная ось находится в положении , близком к горизонтальному) с установленными последовательно блоком 5 подачи воздуха, горелочным блоком 7, оснащенным горизонтальной газонефтяной горелкой, опоясывающей емкостью теплообменного блока 9, образуют горизонтальную часть 16 теплогенератора. Аналогично, корпус 3 вертикальной части, с корпусом 4 дымовой трубы, выполненные в виде металлических секций, расположенных вертикально (продольная ось находится в положении , близком к вертикальному) с установленными последовательно блоком 6 подачи воздуха, горелочным блоком 8, оснащенным горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой, опоясывающей емкостью теплообменного блока 10, образуют вертикальную часть 17 теплогенератора.

Корпус 3 вертикальной части снабжен воздухозаборником 23, расположенным ниже горелочного блока 8. Таким образом, обеспечивается подача воздуха за счет естественной тяги, обеспечиваемой вертикальным расположением корпуса 3.

Кроме того, блоки 5, 6 подачи воздуха могут оснащаться вентиляторами для принудительной подачи воздуха. Это позволяет увеличить расход газа, повысить качество газовоздушной смеси, обеспечивает работу с более высоким КПД, позволяет протолкнуть дымовые газы, если не хватает естественной тяги.

В зоне выхода пламени из горелочного блока 8 может быть установлен защитный экран 26, выполненный в виде цилиндрической трубы из жаропрочной нержавеющей стали. Его длина зависит от высоты (длины) пламени, он предназначен для защиты корпуса 3 вертикальной части от перегрева, прогара и устанавливается в зоне выхода пламени от горелки, таким образом, перекрывает зону повышенной тепловой нагрузки и повышает надежность работы и продлевает срок эксплуатации. Заменить защитный экран 26 в случае прогара проще, чем заменить прогоревший корпус 3 вертикальной части. Защитный экран 26 дополнительно выполняется с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности, например в виде термостойкого лака, в виде керамического огнеупорного волокна (в виде матов, блоков, крепиться на специальные крепления, посадочные места, может применяться совместно с термостойким клеем).

Теплогенератор может оснащаться набором различных датчиков 24, обеспечивающих контроль всех параметров и позволяющих автоматизировать управление блоками 5, 6 подачи воздуха, горелочными блоками 7, 8, теплообменными блоком 9, 10, меняя режимы их работы. В числе таких датчиков могут использоваться: датчики контроля работы оборудования; датчики температуры дымовых газов; датчики температуры корпусов; датчики загазованности; датчики тяги; датчики СО, О2, NO2, СО2 в дымовых газах; датчики температуры нагреваемого продукта на входе и выходе змеевиков теплообменных блоков; датчики давления нагреваемого продукта на входе и выходе змеевиков теплообменных блоков; датчики температуры промежуточных теплоносителей; датчики уровня промежуточного теплоносителя; датчики протока через змеевики теплообменных блоков и пр.

Теплогенератор работает следующим образом.

Топливный газ при различных давлениях (от 0,01 до 3 кгс/см2) и расходах от источников снабжения по направлениям «линия газа 1», «линия газа 2», проходя через блоки 5, 6 подачи воздуха поступает в горелочные блоки 7, 8 соответственно, где, благодаря естественной тяге или с принудительной подачей воздуха происходит образование газовоздушной смеси, обеспечивающей эффективное и бездымное горение. Тепло через промежуточный теплоноситель 25 передается нагреваемым продуктам в змеевиках 18, 21, например, в диапазоне от +5 до +90 С°. Генерация и подача пара происходит в парогенераторе 12.

Нагретые продукты сгорания, проходя по горизонтальной части 16 отдают тепло расположенным последовательно по ходу теплообменным блокам 9-12, работа которых регулируется раздельно. Вертикальная часть 17 при этом обеспечивает сильную тягу, не препятствуя выходу дымовых газов. При необходимости, включается горелочный блок 8 вертикальной части 17, повышая общую тепловую производительность.

Примеры режимы работы оборудования:

1. Режим утилизации - режим низкого КПД теплогенератора (1-10%) при большом расходе газа (когда не требуется значительный нагрев среды, а объем подаваемого топливного газа, а значит и тепловая мощность оборудования намного больше, чем требуется технологически). В работе находится вертикальная часть 17 теплогенератора. Горизонтальная часть 16 - отсечена регулируемой заслонкой 15.

2. Режим эффективного использования топливного газа - режим работы оборудования на высоком, максимальном КПД (70% и более). В работе горизонтальная и вертикальная часть 16, 17 - задействованы все теплообменные блоки. Режим, при котором оборудование максимально нагревает среды для технологических нужд без переизбытка расхода газа. При данном режиме, за счет геометрии теплогенератора и последовательного прохождения дымовыми газами всех узлов, наиболее эффективно происходит теплосъем для нагрева сред и охлаждение дымовых газов, что невозможно при работе только вертикальной или горизонтальной частей 16, 17. Работающие блоки 6 подачи воздуха и горелочный блок 8 вертикальной части 17 подхватывают и ускоряют поток дымовых газов, выходящих из горизонтальной части 16. Появляется возможность регулировать раздельно параметры работы горизонтальной и вертикальной частей 16, 17 (расход газа, КПД, температуру нагреваемых продуктов в разных теплообменных блоках).

3. Смешанный режим - режим работы оборудования при КПД 30-50%. Режим, при котором может быть в работе как горизонтальная или вертикальная часть, как совместно, так и раздельно. Т.е. когда оборудование частично загружено от своей номинальной тепловой мощности, или часть теплообменных устройств не задействовано.

Таким образом использование описанной конструкции позволяет обеспечить высокий КПД теплогенератора в большом диапазоне рабочей тепловой мощности. Появляется возможность регулировать диапазон КПД аппарата при одном и том же расходе топлива (тепловой мощности) и теплообменных устройств. Кроме того, обеспечивается возможность последовательного или раздельного получения разных тепловых продуктов

Изобретение относится к теплообменным устройствам для подогрева жидких или газообразных сред и может быть использовано в нефтегазовой и других отраслях промышленности. Теплогенератор состоит из основания, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус горизонтальной части и корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения, каждый из которых оснащен установленными последовательно: блоком подачи воздуха, горелочным блоком, теплообменным блоком. Технический результат - обеспечение высокого КПД в большом диапазоне рабочей тепловой мощности, регулирования диапазона КПД аппарата при одном и том же расходе топлива (тепловой мощности) и теплообменных устройств. Кроме того, обеспечивается возможность последовательного или раздельного получения разных тепловых продуктов. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплогенератор, состоящий из основания, на котором установлены сообщающиеся внутренними полостями корпус горизонтальной части и корпус вертикальной части с выходом для продуктов горения, каждый из которых оснащен установленными последовательно: блоком подачи воздуха, горелочным блоком, теплообменным блоком.

2. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что теплообменный блок выполнен в виде парогенератора.

3. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что внутри корпуса горизонтальной части установлен парогенератор, выполненный в виде змеевика.

4. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что выход для продуктов горения выполнен в виде корпуса дымовой трубы, установленного на корпусе вертикальной части и снабженного блоками нейтрализатора сажи и нейтрализатора углекислого газа.

5. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что между корпусами горизонтальной части и вертикальной части установлена регулируемая заслонка.

6. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что горелочный блок горизонтальной части оснащен горизонтальной газонефтяной горелкой, горелочный блок вертикальной части оснащен горизонтально-вертикальной газонефтяной горелкой.

7. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что теплообменный блок выполнен в виде опоясывающей ёмкости, соединенной с расширителем, в которой расположен змеевик.

8. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что в зоне выхода пламени из горелочного блока установлен защитный экран, выполненный в виде цилиндрической трубы, с теплоизоляционным слоем на внутренней поверхности.

9. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что корпус вертикальной части снабжен воздухозаборником, расположенным ниже горелочного блока.

10. Теплогенератор по п.1, характеризующийся тем, что теплообменный блок снабжен наружным теплоизоляционным слоем.