устройство для подогрева жидких и газообразных сред

Формула изобретения

Устройство для подогрева жидких и газообразных сред, выполненное в виде корпуса с заполненным промежуточным теплоносителем с помещенными в нем продуктовыми трубами и изогнутой П-образной жаровой трубой, вытянутой горизонтально, на одном конце которой установлено горелочное устройство, на выходном конце - дымовая труба, причем каждая ветвь жаровой трубы, помещенная одна над другой, выполняет роль газоходов: высокотемпературного - с входной стороны, где помещено горелочное устройство, и низкотемпературного - с выходной стороны, отличающееся тем, что внутрь низкотемпературного газохода жаровой трубы помещен пучок продуктовых труб, ориентированных в одном направлении с газоходами жаровой трубы, а продуктовые трубы, находящиеся непосредственно в корпусе, в среде промежуточного теплоносителя, разнесены относительно газоходов как в левую и правую, так и в центральную части пространства между газоходами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для нагрева жидких и газообразных продуктов, пожароопасных и чувствительных к перегреву.

Известен подогреватель [авт. свид. SU №1744406], содержащий заполненный промежуточным теплоносителем корпус, расположенную в нем жаровую трубу и трубчатый продуктовый змеевик для нагреваемой среды, размещенный между корпусом и жаровой трубой.

Однако подогреватель имеет высокую металлоемкость и большое количество сварных швов, что обуславливает трудоемкость изготовления.

Кроме того, вышеизложенное техническое решение не обеспечивает в полной мере технологические требования при нагреве термически неустойчивых сред.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является подогреватель [авт. свид. SU 1714291], содержащий корпус, заполненный жидким промежуточным теплоносителем. Он имеет жаровую трубу с формой, напоминающей букву П, в виде двух газоходов, и продуктовые трубы, горизонтально расположенные в корпусе, причем газоходы расположены один над другим, а продуктовые трубы размещены как над газоходами, так и между ними. Кроме того, газоходы снабжены теплообменными трубками, внутри которых находится промежуточный теплоноситель. В данной конструкции продукты сгорания, проходя через газоходы между стенками теплообменных трубок, передают тепло промежуточному теплоносителю, который, в свою очередь, омывая продуктовые трубы, нагревает проходящий по последним продукт. Увеличение поверхности нагрева достигнуто путем установки теплообменных труб, внутри которых проходит промежуточный теплоноситель, что значительно повышает металлоемкость подогревателя, количество сварных соединений и, следовательно, трудоемкость изготовления. Недостатком данного подогревателя является и неупорядоченное движение промежуточного теплоносителя в корпусе подогревателя. Области подъемного движения нагретых объемов теплоносителя и опускного движения охлажденных объемов совмещены. Поэтому одно движение будет тормозить другое и надежной циркуляции теплоносителя в корпусе достичь не удастся. Данное обстоятельство может приводить к перегреву стенки жаровой трубы и ее пережогам. Кроме того, подогреватель имеет повышенное гидравлическое сопротивление по тракту продуктов сгорания топлива из-за большого количества рядов поперечно омываемых трубок, установленных в сечении газоходов.

Недостатком наиболее близкого аналога, таким образом, является недостаточная эффективность подогревателя.

Задача изобретения состоит в повышении тепловой эффективности устройства при сохранении пожаробезопасности и снижении удельной металлоемкости, а также трудоемкости изготовления.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для подогрева жидких и газообразных сред, выполненном в виде корпуса с заполненным промежуточным теплоносителем, с помещенными в нем продуктовыми трубами и изогнутой П-образной жаровой трубой, вытянутой горизонтально, на одном конце которой установлено горелочное устройство, на выходном конце - дымовая труба, причем каждая ветвь жаровой трубы, помещенная одна над другой, выполняет роль газоходов: высокотемпературного - с входной стороны, где помещено горелочное устройство, и низкотемпературного - с выходной стороны, внутрь низкотемпературного газохода жаровой трубы помещен пучок продуктовых труб, ориентированных в одном направлении с газоходами жаровой трубы, а продуктовые трубы, находящиеся непосредственно в корпусе, в среде промежуточного теплоносителя, разнесены относительно газоходов как в левую и правую, так и в центральную части пространства между газоходами.

Технический результат. Предлагаемое устройство для нагрева жидких и газообразных сред имеет высокие теплотехнические показатели, что обеспечивается размещением высокотемпературного и низкотемпературного газоходов в центральной части корпуса, одного над другим, и тем, что жидкий теплоноситель перемещается вверх в центральной части корпуса, обтекая газоходы, а затем опускается вниз по сторонам корпуса в областях размещения продуктовых труб. Тем самым организуется циркуляция теплоносителя внутри корпуса и, следовательно, интенсифицируется процесс теплопередачи. Технический результат усиливается совмещением в предлагаемой конструкции двух видов теплопереноса:

1 - с использованием промежуточного теплоносителя и

2 - с использованием наиболее эффективного прямого нагрева продукта.

Первый вид теплопереноса проявляется в зоне, где температура дымовых газов наиболее высокая, «прямой» нагрев термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих ограничение по максимальной температуре нагрева, опасен в связи с вероятностью образования коксовых отложений на внутренних поверхностях труб по причине повышения пожароопасности при сравнительно низкой тепловой эффективности.

Второй вид теплопереноса проявляется в заявляемом устройстве в зоне, где температура дымовых газов снижена до значений, при которых отсутствуют ограничения по максимальной температуре нагрева для повышения тепловой эффективности при обеспечении пожаробезопасности. Преимуществами предлагаемого устройства для нагрева жидких и газообразных сред являются:

- высокая тепловая эффективность, достигаемая вышеназванными конструктивными приемами;

- высокая пожаробезопасность, которая является следствием нескольких конструктивных преимуществ устройства, в основном размещением основной части труб продуктового змеевика непосредственно в среду безопасного в пожарном отношении теплоносителя, а части продуктовых труб - в зону низкотемпературного газохода, где температура дымовых газов снижена до безопасного значения.

Размещение продуктовых труб по всем сторонам от газоходов позволяет организовать устойчивую циркуляцию промежуточного теплоносителя и за счет этого интенсифицировать теплообмен и обеспечить большую надежность работы устройства.

Размещение части продуктовых труб в низкотемпературном газоходе дает возможность уменьшить на 15-20% удельную металлоемкость устройства, отнесенную к единице его теплопроизводительности.

На фиг.1 приведен продольный разрез предлагаемого устройства для подогрева жидких и газообразных сред; на фиг.2 - поперечный разрез А-А фиг.1.

Устройство содержит корпус 1, выполненный в виде горизонтального цилиндра. Внутри корпуса помещена изогнутая П-образная жаровая труба, вытянутая горизонтально, ветви которой - высокотемпературный газоход 2, снабженный горелочным устройством 3, и низкотемпературный газоход 4, соединенный с дымовой трубой 9. Оба газохода расположены в центральной части корпуса и соединены между собой поворотной камерой 5. В низкотемпературном газоходе 4 жаровой трубы расположен пучок продуктовых труб 6, связанных между собой в змеевик посредством печных двойников 10, обладающих небольшим гидравлическим сопротивлением и ориентированных в одном направлении с газоходами жаровой трубы. Другая часть продуктовых труб 7 размещена как между газоходами 2, 4, так и по всему объему корпуса 1 непосредственно в среде промежуточного теплоносителя 8 слева, справа и в центре, желательно равномерно рассредоточено внутри корпуса.

Устройство для подогрева жидких и газообразных сред работает следующим образом. Продукты сгорания топлива, подаваемого в горелочное устройство 3, передают теплоту путем радиации и конвекции на стенки газохода 2 и поворотной камеры 5. Далее охлажденные до определенной температуры продукты сгорания передают теплоту на стенку низкотемпературного газохода 4 и путем непосредственного контакта, а не через слой промежуточного теплоносителя, обогревают пучок продуктовых труб 6, расположенных в низкотемпературном газоходе 4. Охлажденные дымовые газы удаляются через дымовую трубу 9. От стенок газоходов 2, 4, поворотной камеры 5 теплота передается промежуточному теплоносителю 8 и от него путем естественной конвекции - к продуктовым трубам 7. При этом жидкий промежуточный теплоноситель перемещается вверх, обтекая газоходы в центральной части корпуса, и опускается вниз по сторонам корпуса в областях размещения продуктовых труб 7. Тем самым обеспечивается устойчивая циркуляция промежуточного теплоносителя в корпусе заявляемого устройства. Нагреваемый продукт последовательно проходит через продуктовые трубы 6 и 7.

Представленное согласно изобретению устройство отличается по достигнутым конструктивным и экономическим показателям: простотой изготовления, высокой ремонтопригодностью, так как устройство выполняется, в основном, из простых элементов с высокой степенью унификации, с широким использованием стандартных соединительных элементов в конструкции змеевика, жаровой трубы, при меньшем количестве сварных соединений. В нем предусмотрена возможность разборки и ремонта наиболее ответственных элементов - продуктового змеевика и жаровой трубы. Заявляемое устройство отличается, кроме того:

- большой компактностью и меньшей металлоемкостью, поскольку исключение из конструкции жаровой трубы большого количества теплообменных трубок позволило уменьшить горизонтальный размер устройства и сократить расход труб, и тем самым снизить металлоемкость на 10-15%;

- снижением по сравнению с наиболее близким аналогом аэродинамического сопротивления по тракту продуктов сгорания и, как следствие, уменьшением высоты дымовой трубы.

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

Пример. Заявляемое устройство собрано, апробировано на заводе «Газпроммаш» г.Саратова и подтвердило работоспособность и высокие результаты. Подогреватель заявляемой конструкции тепловой мощностью 0,63 МВт, предназначенный для нагрева нефти до 70°С, имеет удельную металлоемкость - 1200 кг/МВт, что значительно ниже достигнутого уровня в существующих изделиях того же назначения. Тепловой КПД нагревателя не менее 0,86.