технологический нагреватель

Формула изобретения

1. Технологический нагреватель, содержащий горелочное устройство, кожухотрубный теплообменник, экранированный наружным поясом теплообменных труб, равнорасположенных относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, причем все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства, а с другого конца за пределами дымового короба рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены двумя съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды, отличающийся тем, что по всей длине теплообменника размещен дополнительный внутренний пояс экранирующих труб, коаксиальный наружному поясу труб таким образом, что одинаковые по конструкции, длине и числу трубы наружного и внутреннего поясов в пределах топочного объема со стороны горелочного устройства поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, закрепленной с внутренней стенкой кожуха, а с другого конца - в отверстиях заднего днища дымового короба, при этом трубы в радиальном направлении движения греющей среды расположены в шахматном порядке.

2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что в приосевой части заднего днища, не занятой трубами, установлен экран в виде конуса, соосного с кожухом теплообменника и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства, при этом протяженность топочного объема по оси теплообменника, ограниченного с одного конца горелочным устройством, а с другого - экраном, должна быть не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства, а внутренний диаметр кольцевой перегородки - не менее внутреннего диаметра дымовой трубы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для подогрева жидкостей, газов и их смесей в обеспечении эффективности технологических процессов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, - для подогрева природного газа на входе газораспределительных станций с целью предотвращения процесса гидратообразования.

Известен воздухоподогреватель (см. а.с. СССР N 567905, кл. F 24 H 3/08, F 23 D 15/04), содержащий горелку, кожухотрубный теплообменник с радиационной секцией, экранированной плотным пучком теплообменных труб, равнорасположенными относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемого воздуха.

Недостатком известного устройства является его низкая экономичность, связанная с недостаточным теплосъемом только в одной, радиационной секции, а также - низкая надежность и долговечность устройства в целом, так как плотность пучка экранных труб при реальной неравномерности их нагрева может вызвать значительные термические напряжения в стенках труб с последующим их прогаром, что влечет за собой необходимость полной замены теплообменника.

Известен технологический нагреватель (см. заявку N 98113211/06 от 06.07.98, по которой принято решение о выдаче патента РФ), содержащий горелочное устройство, кожухотрубный теплообменник, экранированный наружным поясом теплообменных труб, равнорасположенных относительно внутренней стенки кожуха, дымовую трубу, коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, причем все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства, а с другого конца, за пределами дымового короба, рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды (прототип).

Выявленные на практике недостатки известного технологического нагревателя заключались в следующем. Во-первых, перегрев стенки кожуха за счет ее "подсветки" от факела пламени через технологические зазоры между трубами в пределах радиационной секции, что приводило к необходимости применения дорогостоящих жаропрочного сплава и наружного теплоизоляционного материала. Во-вторых, ограничение протяженности топочного объема за счет размещения в приосевой зоне внутреннего конвективного пучка теплообменных труб не позволило увеличить тепловую нагрузку нагревателя, сопровождаемую увеличением дальнобойности факела, что приводило к недогоранию топливовоздушной смеси вблизи глухих концов труб конвективного пучка и увеличению выбросов сажи и оксида углерода сверх допустимых норм. И в - третьих, длина труб экранного и конвективного пучков существенно разная, что не позволяет унифицировать эти наиболее трудоемкие элементы теплообменника, а это также приводит к повышению затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности при расширении диапазона тепловых нагрузок, сохранении экологических норм вредных выбросов в уходящих газах и снижение затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.

Эта цель достигается тем, что по всей длине теплообменника размещен вместо внутреннего конвективного пучка теплоообменных труб дополнительный внутренний пояс экранирующих труб, коаксиальный наружному поясу труб таким образом, что одинаковые по конструкции, длине и числу трубы наружного и внутреннего поясов в пределах топочного объема, со стороны горелочного устройства поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки, закрепленной с внутренней стенкой кожуха, а с другого конца - в отверстиях заднего днища дымового короба, при этом трубы в радиальном направлении движения греющей среды расположены в шахматном порядке. Кроме того, в приосевой части заднего днища, не занятой трубами, установлен экран в виде конуса, соосного с кожухом теплообменника и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства. При этом протяженность топочного объема по оси теплообменника, ограниченного с одного конца горелочным устройством, с другого - экраном, должна быть не менее максимально возможной величины дальнобойности факела горелочного устройства, а внутренний диаметр кольцевой перегородки - не менее диаметра дымовой трубы.

На чертеже показан общий вид технологического нагревателя в виде продольного и поперечного разрезов.

Нагреватель, содержащий источник греющей среды, представляющий собой, например, горелочное устройство 1, кожухотрубный теплообменник, экранированный наружным поясом 2 теплообменных труб, равнорасположенных относительно внутренней стенки кожуха 3, дымовую трубу 4, коллектора входа 5 и выхода 6 нагреваемой среды. Теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую трубы, внешние 7 из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелочного устройства 1. С другого конца, за пределами дымового короба 8, рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены двумя съемными патрубками 9 и 10 с коллекторами входа 5 и выхода 6 соответственно. При этом по всей длине теплообменника размещен дополнительный внутренний пояс 11 экранирующих труб, коаксиальный наружному поясу 2 труб таким образом, что одинаковые по конструкции, длине и числу трубы наружного 2 и внутреннего 11 поясов в пределах топочного объема, со стороны горелочного устройства 1, поддержаны в отверстиях кольцевой перегородки 12, закрепленной с внутренней стенкой кожуха 3, а с другого конца - в отверстиях заднего днища 13 дымового короба 8, при этом трубы в радиальном направлении движения греющей среды расположены в шахматном порядке. В приосевой части заднего днища 13, не занятой трубами, установлен экран в виде конуса 14, соосного с кожухом 3 теплообменника и своей вершиной обращенного в сторону горелочного устройства 1. При этом протяженность топочного объема по оси теплообменника, ограниченного с одного конца горелочным устройством 1, с другого - экраном 14, должна быть не менее максимальной величины дальнобойности факела горелочного устройства 1, а внутренний диаметр кольцевой перегородки 12 - не менее внутреннего диаметра дымовой трубы 4.

Нагреватель работает следующим образом.

Нагреваемая среда, например, очищенный природный газ из магистрального трубопровода поступает во входной коллектор 5 по патрубкам 9 - в кольцевые зазоры теплообменных труб обоих поясов 2, 7, 11, где, двигаясь в направлении горелочного устройства 1, нагревается от внешних стенок труб, которые сложным образом омываются горячим встречным потоком продуктов сгорания, движущихся в сторону дымового короба 8. Таким образом, осуществляется наиболее оптимальная противоточная схема движения теплоносителей (греющего и нагреваемого газов). Нагретый в кольцевых зазорах теплообменных труб газ после разворота относительно глухого конца внешних труб поступает по внутренним трубам и далее по патрубкам 10 - в выходной коллектор 6, откуда транспортируется к блоку редуцирования газораспределительной станции.

Греющая среда (продукты сгорания) в виде высокотемпературного факела истекает из амбразуры горелочного устройства 1 и движется в сторону дымового короба 8. Общая картина течения продуктов сгорания сложная, тем не менее, условно последовательность процесса теплообмена можно представить следующим образом. В передней части трубного пучка, от амбразуры горелочного устройства 1 до кольцевой перегородки 12, часть горячих газов, двигаясь практически в радиальном направлении и, обтекая двойной ряд теплообменных труб, существенно охлаждается и достигает внутренней стенки кожуха 3 с температурой, исключающий ее перегрев, и, двигаясь далее вдоль трубного пучка, продолжает охлаждаться. При приближении к поперечной кольцевой перегородке 12 существенно охлажденный (например, до температуры 200^oС) поток изменяет направление движения за счет внезапного сужения в отверстии перегородки 12, где встречается с горячим приосевым потоком, температура которого снижена за счет поглощения его лучистой энергии стенками, преимущественно дополнительного внутреннего пояса 11 экранирующих труб. После смешения этих потоков температура греющих газов (во всяком случае, в приосевой зоне) остается достаточно высокой. Поэтому, чтобы не допустить перегрева, приосевая часть заднего днища 13, не занятая трубами, защищена конусным экраном 14, выполненного, например, из нержавеющей жаростойкой стали. Смешение потоков в пределах дымового короба 8 сопровождается разворотом и растеканием потока в радиальном направлении, преимущественно, в сторону устья дымовой трубы 4, при этом достаточно эффективно отдавая тепло при поперечном обтекании трубного пучка теплообменных труб 2, 7, 11, расположенных (как указывалось выше) в направлении потока в шахматном порядке.

Таким образом, установив по всей длине теплообменника дополнительный внутренний пояс экранирующих труб, коаксальный наружному и одинаковых по конструкции, освободив при этом приосевую зону от загромождающих ее элементов, в сочетании с торцевым защитным экраном, достигнута главная цель предлагаемого изобретения - повышена надежность и эффективность при расширении диапазона тепловых нагрузок, сохранены экологические нормы вредных выбросов в уходящих газах и снижены затраты на разработку и изготовление нагревателя в целом.