Теплогенератор

 

Изобретение относится к теплотехнике, а конкретно к теплогенераторам, и может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности для подогрева газа, нефти и других углеводородных веществ через промежуточный теплоноситель. Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств для обеспечения новой схемы теплообмена и повышение надежности и эксплуатационной технологичности. Суть изобретения: в теплогенераторе, содержащем вертикальный корпус с камерой сгорания, выполненной в верхней части в виде двух концентрично установленных цилиндров, и теплообменник с центральным каналом, образованным кольцевыми рядами вертикально закрепленных и равноотстоящих друг от друга труб, сообщающих полость камеры сгорания с выхлопной трубой, в центральном канале смонтирован дополнительный теплообменник U-образной формы с подводом и отводом рабочего тела, а полость внутри корпуса заполнена промежуточным теплоносителем, при этом вокруг дополнительного теплообменника смонтирована кольцевая перегородка с каналами вверху и внизу для прохода промежуточного теплоносителя, а для подогрева газа топливная магистраль пропущена через выхлопную трубу. 1 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, а конкретно к теплогенераторам, предназначенным для подогрева газа или нефти и других углеводородных веществ через промежуточный теплоноситель, и может быть использован в нефтяной и газовой отраслях промышленности.

Известным и наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является передвижной теплогенератор, содержащий закрепленный на тележке корпус с выхлопной трубой с шибером и каналами подвода и отвода нагреваемой среды, внутри которого расположены нагнетатель воздуха в виде осевого электровентилятора, камера сгорания с горелочным устройством, теплообменник с центральным каналом для подвода нагреваемой среды и топливную магистраль, корпус с выхлопной трубой установлен на тележке вертикально, центральный канал теплообменника образован кольцевыми рядами вертикально закрепленных равноотстоящих друг от друга труб, сообщающих полость камеры сгорания с выхлопной трубой, а камера сгорания в верхней части ограничена кольцевой полостью, образованной двумя концентрическими цилиндрами, установленными над горелочным устройством. Для компенсации температурного удлинения труб теплообменника и герметизации полости камеры сгорания от канала для отвода горячего воздуха внешний концентрический цилиндр соединен с корпусом посредством диафрагмы. Для организации устойчивого процесса горения топлива и высокой полноты сгорания топлива горелочное устройство выполнено тороидальной формы (патент РФ 2178119, МПК F 23 L 15/04 от 27.03.2001 - прототип).

Недостатком известного решения является то, что в нем не представляется возможным осуществить подогрев природного газа или нефти, так как прямой подогрев с целью обеспечения безопасности недопустим.

Технической задачей изобретения является расширение арсенала технических средств для обеспечения новой схемы теплообменника с высокими параметрами надежности и эксплуатационной технологичности.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом теплогенераторе, содержащем корпус, камеру сгорания с горелочным устройством, топливную магистраль, теплообменник с центральным каналом, канал подвода воздуха из атмосферы, выхлопную трубу с шибером для выброса продуктов сгорания в атмосферу, при этом корпус с выхлопной трубой установлены вертикально, центральный канал образован кольцевыми рядами вертикально закрепленных и равностоящих друг от друга труб, сообщающих полость камеры сгорания с выхлопной трубой, а камера сгорания в верхней части выполнена в виде концентрично установленных цилиндров, смонтированных над горелочным устройством и образующих кольцевую полость, согласно изобретению в центральном канале смонтирован дополнительный теплообменник с патрубками подвода и отвода рабочего тела, а полость внутри корпуса заполнена промежуточным теплоносителем, при этом полость камеры сгорания сообщена с каналом подвода атмосферного воздуха с ветрозащитным устройством. Для компенсации тепловых расширений дополнительный теплообменник выполнен U-образной формы. Для формирования направления конвекционного течения промежуточного теплоносителя вокруг дополнительного теплообменника смонтирована кольцевая перегородка с каналами вверху и внизу. Для обеспечения надежной герметичности по линии промежуточного теплоносителя теплогенератор снабжен расширительным бачком, смонтированным на уровне верхней части дополнительного теплообменника. Для подогрева газа топливная магистраль пропущена через выхлопную трубу.

Выполнение дополнительного теплообменника U-образной формы значительно уменьшает габариты и вес теплогенератора, а также обеспечивает свободное удлинение труб теплообменника при нагреве. Сочетание такого теплообменника с расположенной вокруг него кольцевой перегородкой с каналами в верхней и нижней части для прохода теплоносителя позволяет организовать конвективное течение промежуточного теплоносителя потоком торообразной формы, которое повышает коэффициент теплоотдачи.

Предлагаемый теплогенератор схематично представлен на чертеже.

Основными элементами теплогенератора являются: 1 - корпус; 2 - выхлопная труба; 3 - шибер; 4 - канал подвода атмосферного воздуха с ветрозащитным устройством; 5 - дополнительный теплообменник; 6 - патрубок подвода рабочего тела к дополнительному теплообменнику; 7 - патрубок отвода рабочего тела от дополнительного теплообменника; 8 - камера сгорания; 9 - теплообменник;
10 - промежуточный теплоноситель;
11 - горелочное устройство тороидальной формы, атмосферного типа;
12 - кольцевая полость - полость камеры сгорания;
13 - внутренний цилиндр;
14 - внешний цилиндр;
15 - центральный канал теплообменника;
16 - расширительный бачок;
17, 21 - топливная магистраль;
18 - кольцевая перегородка;
19 - канал внизу кольцевой перегородки;
20 - канал вверху кольцевой перегородки.

Корпус 1 выполнен цилиндрическим, переходящим в выхлопную трубу 2. В выхлопной трубе 2 установлен шибер 3 для изменения расхода продуктов сгорания. В корпусе 1 выполнен канал с ветрозащитным устройством 4 для подвода атмосферного воздуха в теплогенератор. Внутри корпуса смонтирована камера сгорания 8 и теплообменник 9. В свою очередь камера сгорания сообщена с окружающей средой через канал 4. В полости камеры сгорания расположено горелочное устройство 11 атмосферного типа. Топливо к горелочному устройству подводится с помощью магистрали 17, которая участком 21 проложена через выхлопную трубу для подогрева газа. Над горелочным устройством выполнена кольцевая полость 12, образованная внутренним и внешним концентрично установленными цилиндрами 13 и 14, закрепленными на трубной доске теплообменника. Кольцевая полость служит для организации равномерного подвода воздуха в зону горелочного устройства с целью образования топливовоздушной смеси для горения и снижения температуры продуктов сгорания, поступающих в теплообменные трубы. Теплообменник 9 выполнен с центральным каналом 15, образованным вертикальными трубами, закрепленными своими концами в трубных досках на определенном расстоянии друг от друга. Для компенсации температурного удлинения труб теплообменника 9 они в верхней трубной доске закреплены с помощью подвижных уплотнительных элементов (для упрощения не показаны). В центральном канале 15 смонтирован дополнительный теплообменник 5 с патрубками подвода 6 и отвода 7 рабочего тела. Тепловые трубы теплообменника выполнены U-образными для обеспечения их свободного удлинения при нагреве. Полость центрального канала 15 и теплообменников залита промежуточным теплоносителем 10, который для подпитки и компенсации расширения находится также в расширительном бачке 16. Для исключения утечек промежуточного теплоносителя 10 через подвижные уплотнительные элементы расширительный бачок 16 смонтирован на уровне верхней части дополнительного теплообменника 5 (ниже верхней трубной доски теплообменника 9). Вокруг дополнительного теплообменника 5 смонтирована кольцевая перегородка 18 с каналами 19, 20 вверху и внизу для прохода промежуточного теплоносителя 10. Перегородка обеспечивает заданное направление конвекционного течения промежуточного теплоносителя 10, в качестве которого может быть использован раствор диэтиленгликоля.

Принцип работы теплогенератора заключается в следующем.

Включается запальное устройство (не показано). При наличии пламени на запальном устройстве подается топливо на горелочное устройство 11. К данному горелочному устройству подводится первичный воздух за счет инжекции от энергии потока топливного газа и вторичный воздух за счет диффузионного смешивания выходящей топливовоздушной смеси из тороидального горелочного устройства. Для охлаждения продуктов сгорания воздух также подается по бокам горелочного устройства по кольцевой полости 12 за счет тяги выхлопной трубы. Для обеспечения равномерного подвода воздуха к горелочному устройству атмосферный воздух проходит через канал 4 с ветрозащитным устройством. Продукты сгорания, проходя по теплообменным трубам теплообменника, охлаждаются до заданной температуры, отдавая тепло промежуточному теплоносителю, и через выхлопную трубу 2 выбрасываются в окружающую среду. Для изменения температуры продуктов сгорания на входе в теплообменник необходимо регулировать проходное сечение выходной трубы шибером 3. Например, для уменьшения температуры шибером увеличивают проходное сечение, в этом случае возрастает расход вторичного воздуха через кольцевую полость 12 и температура продуктов сгорания падает. При необходимости повышения температуры продуктов сгорания перед теплообменником следует шибером уменьшить проходное сечение выхлопной трубы.

В свою очередь, изменение температуры продуктов сгорания, находящихся в трубках теплообменника 9, через промежуточный теплоноситель 10 приводит к изменению температуры рабочего тела дополнительного теплообменника 5. Для более эффективного движения (течения) промежуточного теплоносителя за счет конвекции установлена кольцевая перегородка 18. В качестве рабочего тела теплообменника 5 могут быть газ, нефть и другие пожаровзрывоопасные вещества, которые нельзя нагревать открытым огнем.

Проектные работы показали, что предложенный теплогенератор по сравнению с подогревателями нефти или газа, находящимися в эксплуатации, позволяет снизить массу в 2-2,5 раза и соответственно габариты, исключить замечания по недостаточной полноте сгорания, воздействию паров воды на элементы конструкции, ветровому воздействию на процесс горения, а следовательно, повысить надежность и эксплуатационную технологичность. При этом представляется возможным расширить арсенал технических средств для обеспечения новой схемы теплообменника.

Формула изобретения

Теплогенератор, содержащий корпус, камеру сгорания с горелочным устройством, топливную магистраль, теплообменник с центральным каналом, канал подвода воздуха из атмосферы, выхлопную трубу с шибером для выброса продуктов сгорания в атмосферу, при этом корпус с выхлопной трубой установлены вертикально, центральный канал образован кольцевыми рядами вертикально закрепленных и равностоящих друг от друга труб, сообщающих полость камеры сгорания с выхлопной трубой, а камера сгорания в верхней части выполнена в виде двух концентрично установленных цилиндров, смонтированных над горелочным устройством и образующих кольцевую полость - полость камеры сгорания, отличающийся тем, что в центральном канале смонтирован дополнительный теплообменник U-образной формы с патрубками подвода и отвода рабочего тела, а полость внутри корпуса заполнена промежуточным теплоносителем, вокруг дополнительного теплообменника установлена кольцевая перегородка с каналами в верхней и нижней части для прохода промежуточного теплоносителя, а топливная магистраль пропущена через выхлопную трубу.

РИСУНКИ

Рисунок 1