подогреватель жидких и газообразных сред

Формула изобретения

1. Подогреватель жидких и газообразных сред, содержащий корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, в котором размещен теплообменник и горизонтально ориентированный теплогенераторный блок, в состав которого входят горелочное устройство, жаровая труба, пучок дымогарных труб и камера поворота, а также выведенная за пределы корпуса дымовая труба, соединенная с пучком дымогарных труб, отличающийся тем, что он имеет, по крайней мере, второй, ориентированный горизонтально, теплогенераторный блок с составом узлов, аналогичному первому теплогенераторному блоку, причем размещение теплогенераторных блоков в корпусе осуществлено по принципу левой и правой частей подогревателя, выполненных с возможностью подключения каждого из теплогенераторов как автономно, так и одновременно всех вместе.

2. Подогреватель по п.1, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в своей рабочей части в виде тела горизонтально вытянутой U-образной формы из пучка теплообменных труб, разделенных на две зоны - левую и правую, соответствуя теплогенераторам в левой и правой частях подогревателя, и имеет два штуцера на входном и выходном концах пучка трубок.

3. Подогреватель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он имеет обтекатель потока теплоносителя, помещенный в пространстве между пучками трубок теплообменника на всем протяжении их, и форма которого представляет собой разомкнутый треугольник с вершиной в сторону дымогарных труб и основанием в сторону верхней зоны корпуса.

4. Подогреватель по п.1, отличающийся тем, что в каждую из жаровых труб введены сквозные патрубки для теплоносителя, установленные вертикально с наклоном по отношению к корпусу с ориентацией верхних концов патрубков противолежащих жаровых труб навстречу друг другу, а нижних - друг от друга.

5. Подогреватель по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно имеет два змеевика для нагрева топливного газа, соответствующих каждому из теплогенераторов в левой и правой частях и размещенных каждый в образовавшихся пространствах слева и справа между стенками корпуса и теплогенераторами и посаженных на базовых элементах, одновременно служащих ограничителями сдвига теплогенераторов.

6. Подогреватель по п.1, отличающийся тем, что теплогенераторы выполнены с возможностью выдвижения за пределы корпуса с помощью роликов, размещенных под ними.

7. Подогреватель по п.1, отличающийся тем, что внутри дымогарной трубки установлен турбулизатор в виде протяженной пластины, в теле которой выполнен ряд прорезей и лепестков, отогнутых поперек и вертикально пластины.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, к оборудованию газораспределительных пунктов и станций - ГРП и ГРС, и может быть использовано в схемах подогрева жидких и газообразных продуктов, пожароопасных и чувствительных к перегреву.

Известен подогреватель газа [авт.св. СССР №265906], содержащий двустенный корпус с размещенной в межстенном пространстве трубчатой поверхностью нагрева, омываемой промежуточным жидким теплоносителем, и внутреннюю топку с газоходом, в котором установлена заглушенная с торца кольцевая камера с размещенной в ней трубчатой поверхностью нагрева, соединенная при помощи патрубков с корпусом для перехода промежуточного теплоносителя, причем внутри кольцевой камеры по ее оси размещена трубчатая поверхность нагрева, например, для подогрева топливного газа.

Недостатком приведенного подогревателя газа является то, что корпус его выполнен из двух горизонтальных коаксиальных цилиндров, что вызывает увеличение металлоемкости изделия и, следовательно, утяжеление и удорожание конструкции.

Известен также трубчатый подогреватель газа [авт. св. СССР №377604] для нагрева жидких или газообразных сред, содержащий заполненный жидким промежуточным теплоносителем корпус, расположенную внутри корпуса жаровую трубу и размещенный между корпусом и жаровой трубой трубчатый змеевик для пропуска нагреваемой среды, в котором жаровая труба выполнена в виде вертикального прямоугольного короба, отношение высоты которого к ширине составляет не менее восьми, а трубы змеевика расположены в плоскостях, параллельных вертикальным стенкам короба, причем корпус имеет форму, подобную форме короба, а между змеевиком и стенками короба установлена термосифонная перегородка.

Недостатком трубчатого подогревателя является то, что движение нагретых потоков промежуточного теплоносителя вдоль трубчатого змеевика происходит сверху вниз, что вызывает температурные потери и, как следствие, снижает процесс интенсификации теплообмена.

Известен также подогреватель газа [патент RU №2064123], содержащий бак-расширитель, снабженный нагревателем газа горизонтальный корпус, заполненный жидким теплоносителем и разделенный профильными листами, установленными с сужением в верхней части на наружный опускной отсек между боковыми стенками корпуса и листами, и внутренний подъемный отсек, в котором размещены жаровая труба, подключенная к горелочному устройству, и установленный под ней дымогарный пучок труб, подключенный к дымовой трубе, в котором нагреватель газа выполнен в виде двух модулей, установленных в опускном отсеке в зоне сужения профильных листов по обе стороны оси подъемного отсека, а жаровая труба вдоль нижней и верхней образующей снабжена соответственно натекателями и стекателями потока теплоносителя.

К недостаткам этого подогревателя газа следует отнести: подведение топливного газа к горелочному устройству без предварительного подогрева; усложнение конструкции, обусловленное наличием подвесок и расчалок для удержания профильных листов в необходимом пространственном положении, а следовательно, увеличение соответствующих материальных затрат.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является подогреватель жидких и газообразных сред [патент RU №2182679]. Данный подогреватель содержит корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, расположенный внутри него трубный пучок нагреваемого продукта, змеевик подогрева топливного газа и теплогенератор, состоящий из жаровой трубы, подключенной к горелочному устройству, камеру поворота и установленный над жаровой трубой пучок дымогарных труб, соединенных с дымовой трубой. Жаровая труба в нижней части снабжена двумя прямоугольными листами, расположенными по касательной к ее поверхности, а дымогарные трубы выполнены в виде овальных обечаек и снабжены пластинчатыми элементами, прикрепленными под углом к их поверхности.

Рассмотренные аналоги, в том числе наиболее близкий, не имеют возможности расширить диапазон производительностей при сохранении устойчивой работы подогревателя, так как ограничены диапазоном устойчивой работы горелочного устройства, который не превышает 30% от номинального значения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. В случае необходимости изменения режима эксплуатации возможности подогревателей в сторону увеличения производительности резко ограничены, поскольку из-за перегрева может быть пережег составных узлов.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение количества возможных режимов устойчивой работы подогревателя и возможность варьирования режимов в зависимости от сезонности и климатических условий при одновременной интенсификации теплообмена и повышении технологичности изготовления подогревателя.

Сущность изобретения заключается в том, что подогреватель жидких и газообразных сред, содержащий корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем, в котором размещен теплообменник и горизонтально ориентированный теплогенераторный блок, в состав которого входят: горелочное устройство, жаровая труба, пучок дымогарных трубок и камера поворота, а также выведенная за пределы корпуса дымовая труба, соединенная с пучком дымогарных трубок, имеет, по крайней мере, второй, ориентированный горизонтально, теплогенераторный блок с составом узлов, аналогичным первому теплогенераторному блоку, причем размещение теплогенераторных блоков в корпусе осуществлено по принципу левой и правой частей подогревателя, выполненных с возможностью подключения каждого из теплогенераторов как автономно, так и одновременно всех вместе.

Кроме того, в каждую из жаровых труб введены сквозные патрубки для теплоносителя, установленные вертикально с наклоном по отношению к корпусу с ориентацией верхних концов патрубков противолежащих жаровых труб навстречу друг другу, а нижних - друг от друга.

Заявляется также подогреватель, в котором, кроме вышеописанных признаков, теплообменник имеет в своей рабочей части тело горизонтально вытянутой U-образной формы из пучка теплообменных трубок, разделенное на две зоны - левую и правую, соответствуя теплогенераторам в левой и правой частях подогревателя, и имеет два штуцера на входном и выходном концах пучка трубок.

Кроме того, подогреватель имеет обтекатель потока теплоносителя, помещенный в пространстве между пучками трубок теплообменника на всем протяжении их, форма которого представляет собой разомкнутый треугольник с вершиной в сторону дымогарных труб и основанием в сторону верхней зоны корпуса.

Заявляется также подогреватель, который, кроме вышеописанных признаков, дополнительно имеет два змеевика для нагрева топливного газа, соответствующие каждому из теплогенераторов в левой и правой частях и размещенные каждый в образовавшихся пространствах слева и справа между стенками корпуса и теплогенераторами и посаженные на базовых элементах, одновременно служащих ограничителями сдвига теплогенераторов.

Кроме того, теплогенераторы выполнены с возможностью выдвижения за пределы корпуса с помощью роликов, размещенных под ними.

Кроме того, внутри дымогарной трубки установлен турбулизатор в виде протяженной пластины, в теле которой выполнен ряд прорезей и лепестков, отогнутых поперек и вертикально пластины.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез подогревателя, на фиг.2 - его поперечный разрез, на фиг.3 - турбулизатор, на фиг.4 - теплообменник.

Подогреватель содержит корпус 1, горелочные устройства 2, жаровые трубы 3, две дымогарные трубки 4, внутри которых располагаются турбулизаторы 5, патрубки, установленные в жаровых трубах 6, змеевик для нагрева топливного газа 7, теплообменник 8, теплообменные трубки 9, трубные решетки 10, трубные доски 11, штуцер входа подогреваемого продукта 12, штуцер выхода подогреваемого продукта 13, обтекатель 14, ролики 15, дымовые трубы 16, поворотные коробы 17, промежуточный теплоноситель 18. Комплект из одного горелочного устройства 2, одной жаровой трубы 3, одного пучка дымогарных трубок и одной камеры поворота с левой стороны подогревателя образует один теплогенераторный блок. Аналогично второй комплект с правой стороны образует второй теплогенератор. При необходимости можно ввести, размещая под первым и вторым, третий и четвертый теплогенераторы.

Работа подогревателя проходит следующим образом. В каждом из горелочных устройств 2 сжигается энергоноситель, в качестве которого используется газообразное или жидкое топливо. Образовавшиеся продукты сгорания проходят последовательно жаровую трубу 3, обтекая установленные в ней патрубки 6, поворотные коробы 17 и дымогарные трубы 4, где передают свое тепло промежуточному теплоносителю 18. Теплоноситель, находящийся в патрубках жаровых труб 6, нагревается быстрее основной массы теплоносителя, располагающегося в корпусе подогревателя, и истекает струями в пространство между жаровыми трубами 3, где встречается со встречными струями, истекающими из обращенных к нему патрубков соседней жаровой трубы, после чего потоки теплоносителя, имеющие более высокую температуру, устремляются вверх, где, встретив обтекатель 14, распределяются на два потока, обтекают пучки труб теплообменника, отдавая им, а затем и топливному газу, протекающему в тубах змеевиков 7, свое тепло, после чего опускаются вниз в зонах, граничащих с корпусом подогревателя. Таким образом, происходит устойчивая и активная циркуляция теплоносителя внутри корпуса подогревателя.

Расположенный в верхней части корпуса теплообменник 8 включает штуцер ввода подогреваемого газа 12 с укрепленной в нем трубной решеткой 10, в которой укреплены концы теплообменных трубок 9, изогнутые в форме буквы U. Другие концы теплообменных трубок укреплены в другой трубной решетке 10, укрепленной в штуцере вывода подогреваемого газа 13 из теплообменника 8.

С целью интенсификации процесса передачи тепла от дымовых газов, протекающих внутри дымогарных труб 4, промежуточному теплоносителю 18, внутрь каждой дымогарной трубы введен турбулизатор 5, позволяющий увеличить скорость движения продуктов сгорания при одновременной дополнительной их турбулизации, чем достигается существенное (на 15-20%) увеличение коэффициента теплопередачи от продуктов сгорания промежуточному теплоносителю.

Теплота, полученная промежуточным теплоносителем 18, передается подогреваемому газу, протекающему в теплообменнике 8.

Экспериментально установлено, что наиболее эффективно расположение патрубков на расстоянии от горелочного устройства не ближе 1/3 длины жаровой трубы, то есть непосредственно после зоны стабилизации горения. Кроме того, экспериментально доказано, что диаметр патрубков не должен быть меньше 1/6 внутреннего диаметра жаровой трубы. При этом отсутствует опасность пережогов стенок патрубков, с одной стороны, а также достигается режим наиболее эффективного с точки зрения теплопереноса «пузырчатого» кипения промежуточного теплоносителя внутри патрубков - с другой стороны.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в следующем. Введение в подогреватель двух или более, но четного количества автономно работающих теплогенераторов позволяет расширить диапазон устойчивой работы подогревателя, так как возможна работа подогревателя как при одном включенном теплогенераторе, так и при двух, а при необходимости при четырех и более. Это особенно актуально при работе подогревателя с составе, например, газораспределительных станций, где значительны сезонные и даже суточные колебания производительности по подогреваемому газу.

Повышение тепловой эффективности достигается организацией устойчивой и активной циркуляции промежуточного теплоносителя в корпусе подогревателя, охватывающей весь его объем путем установки в жаровых трубах патрубков, а в теплообменнике - обтекателя.

Замена продуктовой камеры, объединяющей в одном объеме, разделенном перегородкой, два штуцера - входа и выхода продукта из теплообменника, двумя раздельными штуцерами позволила минимизировать диаметры входных и выходных трубопроводов и таким образом использовать для изготовления теплообменника стандартные элементы общепромышленного назначения, что особенно важно при нагреве продукта, находящегося под высоким давлением.

Использование предлагаемого изобретения позволит расширить арсенал технических средств, применяемых в нефтяной и газовой промышленности для нагрева газа, а также термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и другие ограничения при максимальной температуре нагрева.

Пример. Заявляемое изобретение собрано, апробировано на ООО «Завод «Газпроммаш» г.Саратова и подтвердило работоспособность и высокие результаты. Подогреватель заявляемой конструкции тепловой мощностью 2,7 МВт, предназначенный для нагрева природного газа от -20° до +70°С, имеет удельную металлоемкость - 7400 кг/МВт, а удельный расход топлива сокращен на 20-25%, что значительно ниже достигнутого уровня в существующих изделиях того же назначения. Тепловой КПД нагревателя 87% и не имеет аналогов в отечественной практике по достигаемым показателям.