ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2023 года по МПК F28D7/16 

Изобретение относится к теплообменным аппаратам с неподвижными трубчатыми каналами для двух теплоносителей, причем оба теплоносителя контактируют с разделяющими стенками канала, и может использоваться в нефтегазовой промышленности для отопления помещений в зимний сезон, в том числе производственных цехов, складских комплексов и других промышленных помещений большого размера.

Из уровня техники известно теплообменное устройство (RU 2160421 C1, МПК F28D 3/02, опубл. 10.12.2000). Устройство содержит топку, горелку и систему газоходов, состоящую из сообщающихся параллельных полых теплообменных труб, установленных несколькими горизонтальными сообщающимися рядами, расположенными по высоте. В полости каждой теплообменной трубы по ее продольной оси и с зазором относительно ее стенки установлены турбулизирующие вставки с равным шагом, величина которого не более двух ее диаметров, а последняя вставка расположена на расстоянии шага от выхода из нее.

Недостатком известного технического решения является его низкая технологичность, связанная со сложной конструкцией газоходов и вставок, обеспечивающих турбулентное течение дымовых газов. Наличие вставок также значительно снижает ремонтопригодность теплообменного устройства.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан теплообменник (RU 2059958 C1, МПК F28D 7/00, F28F 9/22, опубл. 10.05.1996). Устройство содержит кожух с пучком теплообменных труб и патрубками ввода и вывода межтрубной среды, коллекторную камеру, соединенную с одним из торцов кожуха и снабженную патрубками для ввода и вывода трубной среды, коллекторную трубную решетку и продольные перегородки, установленные по оси коллекторной камеры и кожуха.

Недостатком теплообменника является отсутствие в его конструкции верхнего и нижнего фланцев, что ограничивает его возможности при использовании для нагрева текучей среды в составе цилиндрических теплогенераторов, состоящих из корпуса и соединенных между собой фланцевыми соединениями, топочной частью, внутри которой установлено горелочное устройство, теплообменным устройством, закрепленным на цилиндрическом корпусе, и дымовой трубой с дефлектором.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности нагрева теплоносителя, циркулирующего в теплообменнике.

Указанная задача решена тем, что теплообменник содержит кожух, с установленным в нем теплообменным корпусом, при этом между внутренней поверхностью кожуха и внешней поверхностью корпуса образован дымовой канал, в который поступают продукты сгорания. Корпус теплообменника выполнен в виде трубы с дном и крышкой, при этом внутри него вертикально размещены полые трубки, сообщающиеся с дымовым каналом, концы которых закреплены в дне и крышке корпуса; дополнительно внутри корпуса на его дне вертикально закреплена перегородка для рассечения потока текучей среды, а на внешней поверхности крышки диаметрально противоположно закреплены строповочные петли; на боковой поверхности корпуса закреплены впускной и выпускной патрубки для подачи в корпус текучей среды, выведенные за пределы кожуха; на крышке корпуса закреплен спускной штуцер текучей среды, а на его дне - дренажный штуцер, при этом упомянутые штуцеры выведены за пределы кожуха.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью признаков устройства, является обеспечение эффективного нагрева текущей среды, поступающей в впускной патрубок корпуса теплообменника и выводящийся из его выпускного патрубка с помощью дымового канала нагрева, образуемого внутренней поверхностью кожуха и внешней поверхностью корпуса теплообменника, а также наличие полых трубок, размещенных внутри корпуса, и наличие перегородки, обеспечивающей перемешивание текучей среды внутри корпуса теплообменника. Под повышением эффективности нагрева текучей среды понимается повышение общей площади соприкосновения дымовых газов с площадью корпуса за счет упомянутой полости и обеспечения турбулентного перемешивания нагреваемой текучей среды с помощью перегородки. Дополнительно, с помощью применения в конструкции спускного штуцера, обеспечивается безопасность использования теплообменника, за счет возможности аварийного слива текучей среды, а за счет применения дренажного штуцера, обеспечивается длительный срок его работы, за счет возможности слива шлама, накапливающегося в нижней части корпуса.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид теплообменника в сборе в изометрической проекции; на фиг. 2 показан корпус теплообменника в изометрической проекции; на фиг. 3 показана схема монтажа теплообменника в составе системы путевого подогревателя нефтяных продуктов, транспортируемых от куста устьевых скважин нефтегазового промысла.

Теплообменник устроен следующим образом.

Его основой является кожух 1, с установленным в нем теплообменным корпусом 2, при этом между внутренней поверхностью кожуха 1 и внешней поверхностью корпуса 2 образован дымовой канал 3, в который поступают продукты сгорания. Корпус 2 выполнен в виде трубы с дном 4 и крышкой 5, при этом внутри него вертикально размещены полые трубки 6, сообщающиеся с дымовым каналом 3, концы которых закреплены в дне 4 и крышке 5 корпуса 2; дополнительно внутри корпуса на его дне 4 вертикально закреплена перегородка 7 для рассечения потока текучей среды, выполненная в виде пластины, а на внешней поверхности крышки 5 диаметрально противоположно закреплены строповочные петли 8. На боковой поверхности корпуса 2 закреплены впускной и выпускной патрубки 9 для подачи в корпус 2 текучей среды, снабженные фланцами 10 и выведенные за пределы кожуха 1; на крышке корпуса закреплен спускной 11 штуцер текучей среды, а на его дне - дренажный 12 штуцер, при этом упомянутые штуцеры выведены за пределы кожуха 1 и снабжены пробками резьбовыми или кранами (на фигурах условно не показаны).

Корпус теплообменника может быть выполнен из стальной трубы диаметром 800 мм с толщиной стенок 8 мм. Полые трубки 6 могут выполненными цилиндрическими диаметром 4 мм или шестигранными, штуцеры 11, 12 могут представлять собой трубы длиной 15 мм и диаметром 3 мм, строповочные петли 8 могут быть представлять собой пластины толщиной 5 мм, с выполненными в них крепежными отверстиями. Корпус 1 предпочтительно выполнить сварным. Упомянутые особенности конструкции теплообменника позволят повысить его надежность.

Во впускном и выпускном патрубках 9 на штуцерах могут быть установлены электромеханические или электронные манометры давления в линии подачи нагреваемой текучей среды, подключенной к упомянутым патрубкам, а в верхней и нижней части кожуха 1 могут быть дополнительно установлены температурные датчики, выполненные резистивными или в виде термопар.

В случае снабжения спускного 11 и дренажного 12 штуцеров кранами, последние могут быть выполнены управляемыми электромеханическими приводными, снабженными задвижками, при этом приводы задвижек могут приводиться в движение от асинхронных или шаговых электродвигателей.

Теплообменник используют следующим образом.

Первоначально его монтируют с помощью фланцев 13 и строповочных петель 8 в дымовой 14 трубе путевого подогревателя нефтяных продуктов, а к фланцам 10 патрубков 9 подключают входной 15 и выходной 16 патрубки линии емкости 17 с текучей средой, в качестве которой может применяться вода или нефтяная эмульсия.

Для осуществления контроля за температурой нагреваемой текучей среды и давлением в патрубках 15 и 16 линии подачи нагреваемой текучей среды емкости 17 теплообменник оснащают измерительными приборами, к которым относятся манометры, устанавливаемые на упомянутых патрубках и температурные датчики для измерения температуры дымовых газов, первый из которых устанавливают в нижней части кожуха 1, а второй - в его верхней части; дополнительно для измерения температуры нагреваемой текучей среды внутрь корпуса вводят третий температурный датчик (на фигурах условно не показаны). Затем перекрывают спускной 11 и дренажный 12 штуцеры резьбовыми пробками или кранами.

Выходы измерительных приборов подключают к измерительным входам блока управления теплообменником, а его силовой выход, выполненный, например, на основе реле, транзисторных или тирристорных ключей подключают к электродвигателю компрессора, обеспечивающего интенсификацию подачи текучей среды в корпус 2 теплообменника. Блок управления целесообразно выполнить на основе промышленного логического контроллера, например на основе контроллера малого класса блочно-модульного типа DVP-ES2/EX2¹ (¹ Программируемые контроллеры // Delta. URL: https://(deltronics.ru/catalog/p/programmiruemyie-kontrulleryi/ (дата обращения: 09.12.2022), имеющего в своем составе как модуль центрального процессора, снабженный интерфейсом RS-232 для подключения контроллера к удаленной системе управления технологическим процессом, так и достаточное количество аналоговых входов для подключения датчиков и цифровых выходов, снабженных реле, которые могут использоваться для управления электродвигателем компрессора и другими силовыми узлами, например приводами задвижек электромеханических кранов, в случае установки их на спускном 11 и дренажном 12 штуцерах, а также электромеханической мешалкой для перемешивания текучей среды, которая может быть установлена внутри корпуса 2.

При подготовке путевого подогревателя нефтяных продуктов к работе емкость 17 заполняют нагреваемой текучей средой (теплоносителем), затем подают топливо в газовую горелку (на фигурах условно не показана), расположенную в топочной части трубы подогревателя и зажигают ее, после чего обеспечивают непрерывную подачу текучей среды из емкости 7 в корпус 2 через впускной патрубок и перетекание ее из корпуса 2 в емкость через выпускной патрубок, например, регулируя скорость тока жидкости с помощью компрессора.

При горении горелки дымовые газы, поднимаясь по дымовой трубе 14, проходят через полость 3 и трубки 6, нагревая текучую среду, циркулирующую в корпусе 2, которая перемешивается за счет перегородки 7, что обеспечивает ее равномерный нагрев. Нагретая текучая среда может использоваться для подогрева магистральных нефтепроводов или отопления промышленных зданий и сооружений в зимний период. При превышении давления текучей среды, измеряемого манометрами, заданного предельного значения в ручном или автоматическом режиме может быть открыт спускной штуцер 11 для сброса давления, а в случае технического обслуживания теплообменника текучая среда может быть слита из корпуса 2 с помощью дренажного штуцера 12.

Во все время работы путевого подогревателя, блок управления опрашивает датчики и передает телеметрическую информацию по последовательному каналу связи через физический интерфейс RS-232, к которому может быть подключен радиомодуль, удаленной автоматизированной системе управления технологическим процессом и принимает от нее команды для управления узлами и агрегатами теплообменника и путевого подогревателя, например газовой горелки, система поджига которой и узел регулирования интенсивности подачи газа в зону горения, выполненный в виде электромеханического регулятора, могут быть подключены к свободным силовым выходам программируемого логического контроллера.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке теплообменник, является промышленно применимым устройством, обеспечивающим эффективный нагрев текучей среды (теплоносителя), например воды или нефтяной эмульсии, которое может быть использовано в зимний период на удаленных от сетей коммунальных ресурсов площадках нефтегазовых скважин и других объектах нефтегазодобывающей промышленности.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для нагрева текучей среды в теплообменных аппаратах для двух теплоносителей. Теплообменник содержит кожух, с установленным в нем теплообменным корпусом, при этом между внутренней поверхностью кожуха и внешней поверхностью корпуса образован дымовой канал, в который поступают продукты сгорания. Корпус теплообменника выполнен в виде трубы с дном и крышкой, при этом внутри него вертикально размещены полые трубки, сообщающиеся с дымовым каналом, концы которых закреплены в дне и крышке корпуса; дополнительно внутри корпуса на его дне вертикально закреплена перегородка для рассечения потока текучей среды, а на внешней поверхности крышки диаметрально противоположно закреплены строповочные петли; на боковой поверхности корпуса закреплены впускной и выпускной патрубки для подачи в корпус текучей среды, выведенные за пределы кожуха; на крышке корпуса закреплен спускной штуцер текучей среды, а на его дне - дренажный штуцер, при этом упомянутые штуцеры выведены за пределы кожуха. Технический результат – повышение эффективности нагрева теплоносителя, циркулирующего в теплообменнике. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Теплообменник, содержащий кожух, с установленным в нем теплообменным корпусом, при этом между внутренней поверхностью кожуха и внешней поверхностью корпуса образован дымовой канал, в который поступают продукты сгорания, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде трубы с дном и крышкой, при этом внутри него вертикально размещены полые трубки, сообщающиеся с дымовым каналом, концы которых закреплены в дне и крышке корпуса; дополнительно внутри корпуса на его дне вертикально закреплена перегородка для рассечения потока текучей среды, а на внешней поверхности крышки диаметрально противоположно закреплены строповочные петли; на боковой поверхности корпуса закреплены впускной и выпускной патрубки для подачи в корпус текучей среды, выведенные за пределы кожуха; на крышке корпуса закреплен спускной штуцер текучей среды, а на его дне - дренажный штуцер, при этом упомянутые штуцеры выведены за пределы кожуха.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что впускной и выпускной патрубки для подачи в корпус текучей среды снабжены фланцами.

3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что корпус теплообменника выполнен из стальной трубы диаметром 800 мм с толщиной стенок 8 мм.

4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен сварным.

5. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что он оснащен измерительными приборами, выходы которых подключены к измерительным входам блока управления теплообменником.

6. Теплообменник по п. 5, отличающийся тем, что измерительные приборы представляют собой манометры давления, установленные в впускном и выпускном патрубках на штуцерах в линии подачи нагреваемой текучей среды, выходы которых подключены к измерительным входам блока управления.

7. Теплообменник по п. 5, отличающийся тем, что измерительные приборы представляют собой температурные датчики, установленные в верхней и нижней части кожуха, выходы которых подключены к измерительным входам блока управления.

8. Теплообменник по п. 5, отличающийся тем, что спускной и дренажный штуцеры снабжены электромеханическими приводными кранами, приводы которых выполнены с возможностью управления ими с помощью цифровых выходов контроллера блока управления.