Технологический нагреватель
Изобретение предназначено для подогрева жидкостей, газов и их смесей и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Нагреватель содержит горелку, вертикально установленный кожухотрубный теплообменник, экранированный, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб с кольцевыми зазорами и внутренними трубами, которые сообщены съемными патрубками с установленными в нижней части нагревателя коллекторами выхода и входа нагреваемой среды. В кольцевом зазоре установлен завихритель. Непосредственно за кольцевой, поддерживающей штыковые трубы и ограничивающей топочную зону перегородкой, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами, установлен обтекатель в виде пустотелого цилиндра, соосного с кожухом теплообменника и дымовой трубой, и своей конусной вершиной обращенный в сторону горелки так, что кольцевое пространство между обтекателем и кожухом, заполненное трубами, образует полость конвективной секции. При этом указанная секция заканчивается перед входом в дымовую трубу равнорасположенными по диаметру обтекателя отверстиями, ориентированными против промежутков между штыковыми трубами внутреннего пояса трубного пучка теплообменника. Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и эффективности нагревателя. 1 ил.
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для подогрева жидкостей, газов и их смесей в обеспечение эффективности технологических процессов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например для подогрева природного газа на входе газораспределительных станций с целью предотвращения отрицательных последствий разложения газовых гидратов, сопутствующего процессу дросселирования газа.
Известен технологический нагреватель (см. патент РФ №2168121, кл. 7 F 24 Н 3/08 от 14.09.1999), содержащий горизонтально установленный кожухотрубный теплообменник, экранированный двумя поясами теплообменных труб, равнорасположенных относительно внутренней стенки кожуха и коаксиальных между собой 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, причем все теплообменные трубы представляют собой вставленные одна в другую так называемые штыковые трубы, внешние из которых выполнены с глухим концом, обращенным в сторону горелки, а с другого конца, за пределами дымового короба, рабочие полости каждой из теплообменных труб сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды.
Выявленный на практике основной недостаток известного технологического нагревателя заключался в следующем.
Зачастую в реальной действительности потребный диапазон расхода нагреваемого природного газа (и соответственно тепловой мощности горелки) может изменяться (уменьшаться) в 20 раз относительно номинального значения. Это обстоятельство приводит к тому, что при очень малых скоростях истечения газовоздушной смеси из горелки, установленной горизонтально в топочной камере, факел может искривляться под действием подъемных сил, что приводит к существенной неравномерности температурного поля в поперечном сечении греющих газов. Причем до такой степени, что в нижней части трубного пучка происходила конденсация водяных паров, содержащихся в греющем газе, что приводило к коррозии кожуха теплообменника и, как следствие, - снижению ресурса и эффективности (КПД) технологического нагревателя в целом.
Указанный недостаток, по крайней мере, в части снижения КПД, в значительной степени устранен в технологическом нагревателе (из патента РФ №2189476, кл.7 F 02 С 7/20 от 08.11.2000 г), выполненном в виде вертикально установленного кожухотрубного теплообменника, экранированного, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб, кольцевые зазоры и внутренние трубы которых сообщены съемными патрубками с коллекторами входа и выхода нагреваемой среды, причем в кольцевом зазоре штыковых труб установлен завихритель, выполненный в виде проволоки, спирально навитой по всей длине внутренних труб, кроме того, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами, установлено плохообтекаемое тело в виде конуса, соосного с кожухом и дымовой трубой и своей вершиной обращенного в сторону горелки так, что протяженность топочного объема по оси теплообменника, ограниченного с одного конца амбразурой горелки, с другого - плохообтекаемым телом, не менее максимальной величины дальнобойности факела горелки (прототип).
Недостатки известного нагревателя заключаются в следующем. Во первых, отсутствие поперечной перегородки, препятствующей прогибам и вибрациям труб и обеспечивающей движение греющего газа в межтрубном пространстве поперек пучка труб с целью интенсификации теплоотдачи, что снижает надежность и эффективность теплообменника соответственно. Во-вторых, применение одиночного плохообтекаемого тела недостаточно для обеспечения требуемой эффективности нагревателя, что придется компенсировать увеличением его тепловоспринимающей поверхности.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности и эффективности при существенном расширении диапазона тепловых нагрузок, сохранении экологических норм вредных выбросов в уходящих газах и снижение затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.
Этот результат достигается в технологическом нагревателе, выполненном в виде вертикально установленного кожухотрубного теплообменника, экранированного, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб, кольцевые зазоры и внутренние трубы которых сообщены съемными патрубками с установленными в нижней части нагревателя коллекторами входа и выхода нагреваемой среды, при этом в кольцевом зазоре штыковых труб установлен завихритель, выполненный в виде проволоки, спирально навитой по всей длине внутренних труб, причем согласно изобретению непосредственно за кольцевой поддерживающей трубы перегородкой, ограничивающей топочную зону, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами, установлен обтекатель в виде пустотелого цилиндра, соосного с кожухом и дымовой трубой, своей вершиной обращенной в сторону горелки так, что кольцевое пространство между наружным диаметром обтекателя и внутренним диаметром кожуха, заполненного трубами, образует конвективную секцию теплообменника, которая заканчивается перед входом в дымовую трубу равнорасположенными по диаметру обтекателя отверстиями, ориентированными против промежутков между трубами внутреннего пояса, при этом суммарная площадь сечения отверстий должна быть не менее площади сечения дымовой трубы.
На чертеже показан общий вид технологического нагревателя в виде продольного разреза в сечении А-А.
Нагреватель содержит источник греющей среды, представляющий собой, например, многопоточную инжекционную горелку 1 (см. патент РФ №2163325 от 19.07.1999 г.), обращенную факелом в сторону топочной зоны 2 вертикально установленного кожухотрубного теплообменника 3, экранированного, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб 4 и 5, кольцевые зазоры 6 и внутренние трубы 7 которых сообщены съемными патрубками 8 с установленными в нижней части нагревателя коллекторами выхода 9 и входа 10 нагреваемой среды соответственно. При этом в кольцевом зазоре 6 установлен завихритель 11, выполненный, например, в виде проволоки, спирально навитой по всей длине внутренних труб 7.
За кольцевой поддерживающей трубы перегородкой 12, ограничивающей топочную зону 2, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами, установлен обтекатель 13 в виде пустотелого цилиндра, соосного с кожухом и дымовой трубой 14 и своей конусной вершиной 15 обращенного в сторону горелки так, что кольцевое пространство между наружным диаметром обтекателя и внутренним диаметром кожуха образует полость конвективной секции 16 теплообменника, которая заканчивается перед входом в дымовую трубу равнорасположенными по диаметру обтекателя отверстиями (например, прямоугольного сечения) 17, ориентированными против промежутков между трубами внутреннего 4 пояса трубного пучка теплообменника. При этом суммарная площадь сечения отверстий 17 должна быть не менее площади сечения дымовой трубы. При назначении размеров (диаметра и протяженности топочной зоны 2) рекомендуем руководствоваться данными, приведенными в информационно-справочном каталоге фирмы Вайсхаупт.
Нагреватель работает следующим образом.
Нагреваемая среда, например очищенный природный газ из магистрального трубопровода, поступает во входной коллектор 10 по патрубкам 8 во внутренние трубы 7 обоих поясов штыковых труб 4 и 5. После разворота относительно глухого конца внешних труб, в конце конвективной секции 16, газ поступает в кольцевые зазоры 6, где, двигаясь в направлении горелки 1, нагревается от внешних стенок труб, которые сложным образом омываются горячим встречным потоком продуктов сгорания, движущихся вверх в сторону дымовой трубы 14. Таким образом осуществляется наиболее оптимальная противоточная схема движения теплоносителей (греющего и нагреваемого газов). Нагретый в кольцевых зазорах теплообменных труб газ по патрубкам 8 поступает в выходной коллектор 9, откуда транспортируется к блоку редуцирования газораспределительной станции.
Греющая среда (продукты сгорания) в виде высокотемпературного факела истекает из амбразуры горелки 1 в топочную зону 2. Общая картина течения продуктов сгорания сложная, тем не менее, условно последовательность процесса теплообмена можно представить следующим образом. В передней части трубного пучка, от амбразуры горелки до кольцевой перегородки 12, часть горячих газов, двигаясь практически в радиальном направлении и обтекая двойной ряд теплообменных труб, образует относительно медленно текущий так называемый байпасный поток, где существенно охлаждается и достигает внутренней стенки кожуха 3 топочной зоны с температурой, исключающий ее перегрев, и, двигаясь далее вдоль трубного пучка, продолжает охлаждаться.
При приближении к перегородке 12 существенно охлажденный (например, до температуры 300°С) поток изменяет направление движения за счет внезапного сужения в отверстии перегородки, где встречается с горячим приосевым потоком, температура которого снижена за счет поглощения его лучистой энергии стенками преимущественно внутреннего пояса экранирующих труб. Огибая конусную вершину 15 обтекателя 13, приосевой горячий поток (например, с температурой 700-900°С) взаимодействует с «холодным» байпасным. После смешения этих потоков температура греющих газов остается достаточно высокой для обеспечения эффективной теплоотдачи в пределах конвективной секции 16 теплообменника. Смешение указанных потоков в кольцевом канале, образованном перегородкой и конусной вершиной обтекателя, сопровождается разворотом и растеканием потока в радиальном направлении, при этом достаточно эффективно отдавая тепло при поперечном обтекании трубного пучка труб, во всяком случае на начальном и конечном участках конвективной секции. В конце участка конвективной секции охлажденные продукты сгорания через отверстия 17 поступают на вход дымовой трубы.
Таким образом, вертикально установив кожухотрубный теплообменник, экранированный, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб, и дополнив трубный пучок перегородкой в сочетании с обтекателем, тем самым существенно повысив эффективность конвективной секции, оказалось возможным достигнуть главный технический результат предлагаемого изобретения: повышение эксплуатационной надежности и эффективности при существенном расширении тепловых нагрузок, сохранении экологических норм вредных выбросов в уходящих газах и снижение затрат на разработку и изготовление нагревателя в целом.
Технологический нагреватель, содержащий источник греющей среды, например горелку, вертикально установленный кожухотрубный теплообменник, экранированный, по меньшей мере, двумя поясами штыковых труб с кольцевыми зазорами и внутренними трубами, которые сообщены съемными патрубками с установленными в нижней части нагревателя коллекторами выхода и входа нагреваемой среды соответственно при этом в кольцевом зазоре установлен завихритель, выполненный, например, в виде проволоки, спирально навитой по всей длине внутренних труб, отличающийся тем, что непосредственно за кольцевой, поддерживающей штыковые трубы и ограничивающей топочную зону перегородкой, в приосевой части нагревателя, не занятой трубами, установлен обтекатель в виде пустотелого цилиндра, соосного с кожухом теплообменника и дымовой трубой и своей конусной вершиной, обращенный в сторону горелки так, что кольцевое пространство между обтекателем и кожухом, заполненное трубами, образует полость конвективной секции, при этом указанная секция заканчивается перед входом в дымовую трубу равнорасположенными по диаметру обтекателя отверстиями, ориентированными против промежутков между трубами внутреннего пояса трубного пучка теплообменника, при этом суммарная площадь сечения отверстий должна быть не менее площади сечения дымовой трубы.
