Трубчатая печь

 

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым печам, и может быть использовано в нефтяной, химической промышленностях и других отраслях техники для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева. Цель изобретения - повышение эффективности работы трубчатой печи за счет интенсификации теплообмена между поверхностью теплопередачи и продуктами горения топлива, достижение большей равномерности распределения температуры в газовом объеме теплообменной камеры и плотности теплового потока по поверхности теплопередачи. Трубчатая печь содержит цилиндрическую теплообменную камеру, горелочные устройства, змеевик, состоящий из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, размещенный в камере у боковой стены. Новым в трубчатой печи является то, что змеевик дополнительно снабжен прямыми участками продуктовых труб, размещенными на торцевых стенах камеры, установлен внутренний змеевик с ленточными приварными проставками между соседними прямыми участками продуктовых труб, который выполнен в виде цилиндра с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика, и размещен внутри пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной своей стороной он примыкает к трубам на торцовой стене, а другая сторона образует со смежной торцовой стеной зазор, горелочные устройства размещены диаметрально противоположно на боковой стене теплообменной камеры, причем осевые линии выходных каналов диаметрально расположенных горелочных устройств проходят по касательным к диаметрально противоположным сторонам поверхности условного цилиндра, концентричного змеевикам и расположенного в кольцевом пространстве между ними. 3 ил.

Изобретение относится к нагревательным устройствам для текучих сред, а именно к трубчатым печам, и может быть использовано в нефтяной, химической промышленностях и других отраслях техники для термической обработки термолабильных и термически неустойчивых жидкостей, имеющих технологические и иные ограничения по максимальной температуре нагрева.

Известны трубчатые печи, в которых источником теплоты служат продукты горения топлива, а продуктовые трубы размещены в радиантной и конвенционной камерах печи.

Высокая неравномерность распределения температуры продуктов горения топлива в теплопередающих камерах таких печей и различные условия обтекания греющими газами отдельных участков продуктовых труб приводят к значительной неоднородности плотности теплового потока на площади поверхности теплопередачи и высоким локальным значениям температуры стенки труб, что осложняет нагрев сред, склонных к термическому разложению и образующих при перегреве твердые коксовые отложения на стенках труб.

Известна также трубчатая печь, включающая камеру радиации с источниками теплового излучения, нагревательные продуктовые трубы и тепловые трубки, которые выполнены в виде кольца овальной формы, часть которого расположена снаружи нагревательной трубы со стороны источника теплоты, а другая часть - внутри нагревательной трубы.

В печи при работе возможен местный перегрев стенок продуктовых труб и как следствие их закоксовывание при обработке нефтей и нефтепродуктов и пережог стенки. Печь отличается большими удельными затратами металла на изготовление.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является трубчатая печь с теплообменной камерой цилиндрической формы на одном из торцов которой размещены горелочные устройства, а поверхность теплопередачи выполнена в виде змеевика из прямых отрезков продуктовых труб соединенных калачами, размещенного в камере концентрически с ней у боковой цилиндрической стены.

В известном устройстве обеспечивается относительно равномерное распределение плотности теплового потока падающего на поверхность теплопередачи в диаметральных плоскостях камеры, но в осевом направлении плотность теплового потока сначала растет, достигает максимума, а затем сильно снижается вместе с температурой греющих газов по ходу их движения. На участке поверхности теплопередачи с максимумом плотности теплового потока возможно закоксовывание труб и пережог их стенки. Зоны змеевика, примыкающие к торцовым стенкам камеры, работают неэффективно, так как имеют низкую интенсивность теплообмена. Продольное обтекание продуктовых труб дымовыми газами не способствует повышению конвективной составляющей передаваемого теплового потока, что дает основание заключить о наличии неиспользованных возможностей в известном устройстве.

Задача изобретения повышение эффективности работы трубчатой печи за счет интенсификации теплообмена между поверхностью теплопередачи и продуктами горения топлива, достижения большей равномерности распределения температуры в газовом объеме теплообменной камеры и плотности теплового потока по поверхности теплопередачи.

Цель достигается тем, что в трубчатой печи включающей цилиндрическую теплообменную камеру, горелочные устройства, змеевик, состоящий из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, размещенный в камере у боковой ее стены, змеевик дополнительно снабжен прямыми участками продуктовых труб, размещенными на торцовых стенах камеры, установлен внутренний змеевик с ленточными приварными проставками между соседними прямыми участками продуктовых труб, который выполнен в виде цилиндра с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика и размещен внутри пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной своей стороной он примыкает к трубам на торцовой стене, а другая сторона образует со смежной торцовой стеной зазор, горелочные устройства размещены диаметрально противоположно на боковой стене теплообменной камеры, причем осевые линии выходных каналов диаметрально расположенных горелочных устройств проходят по касательным к диаметрально противоположным сторонам поверхности условного цилиндра, концентричного змеевикам и расположенного в кольцевом пространстве между ними.

В отличие от известного устройства включение в состав пристенного змеевика дополнительных прямых участков продуктовых труб, размещенных на торцовых стенах камеры, позволяет упростить изготовление змеевика, увеличить степень экранирования стен печи.

Установка в печи дополнительного змеевика с ленточными приварными проставками между соседними прямыми участками продуктовых труб, который выполнен в виде цилиндра с открытыми торцами диаметром меньшим, чем диаметр пристенного змеевика, и размещенного внутри пристенного змеевика концентрично с ним так, что одной своей стороной он примыкает к трубам на торцовой стене, а другая сторона со смежной торцовой стеной образует зазор, а также размещение горелочных устройств диаметрально противоположно на боковой стене теплообменной камеры таким образом, чтобы осевые линии выходных каналов диаметрально расположенных горелочных устройств проходили по касательным к диаметрально противоположным сторонам поверхности условного цилиндра, концентричного змеевикам и расположенного в кольцевом пространстве между ними, обеспечивают следующие новые качества и преимущества.

В печи реализуется циклонный принцип нагрева, когда теплота от вращающегося вихря продуктов горения передается с высокой интенсивностью ограничивающей поверхности. Истекающие из сопел высокоскоростных горелочных устройств высокотемпературные продукты горения оказывают инжектирующее воздействие на охлажденный окружающий газ. В кольцевом пространстве между змеевиками создается сложное поле течения газа с интенсивным перемешиванием и преимущественно тангенциально-винтовым направлением движения. Сравнительно легко достигается кратность инжекции, обеспечивающая максимальную температуру смеси газов в кольцевом пространстве не больше 700 800^oC и высокую равномерность распределения температуры в объеме вращающегося газового вихря. При этом резко снижается опасность закоксовывания и пережога продуктовых труб. Большая скорость движения газов и поперечное обтекание ими труб обеспечивает высокую интенсивность теплообмена. Достигается также повышенная степень равномерности распределения плотности теплового потока по поверхности теплопередачи.

Приварные проставки между трубами внутреннего змеевика служат как тепловые ребра и препятствуют перетечкам газов из кольцевого пространства в цилиндрический объем через трубную поверхность змеевика.

Сопоставленный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемое изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Известные технические решения с однонаправленным движением продуктов горения в теплообменной камере трубчатой печи и прямым или косвенным, через промежуточный теплоноситель, нагревом продукта имеют повышенную удельную металлоемкость и габариты. Конструктивное исполнение данных печей не обеспечивает интенсифицированный теплообмен и в достаточной мере равномерное распределение плотности теплового потока по поверхности теплопередачи.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 приведен продольный разрез предлагаемой трубчатой печи; на фиг. 2 поперечный разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 схема продуктовых змеевиков (половинное изображение).

Трубчатая печь содержит теплообменную камеру 1, ограниченную торцевыми стенами 2 и 3 и цилиндрической боковой стеной 4, на которой размещены горелочные устройства 5. В теплообменной камере 1 установлены пристенный змеевик 6, имеющий прямые участки продуктовых труб 7 на торцовых стенах 2 и 3, и внутренний змеевик 8, снабженный ленточными приварными проставками 9 между соседними прямыми участками продуктовых труб.

Трубчатая печь работает следующим образом.

Образующиеся при сжигании топлива в горелочных устройствах 5 продукты сгорания поступают в кольцевое пространство между змеевиками 6 и 8, где за счет инжектирующего воздействия на газовую среду создают сложное вихреобразное ее движение. Свойственное такому виду движения интенсивное перемещение отдельных элементов объема среды по всем пространственным направлениям способствует быстрому снижению высокой температуры истекающих из горелочных устройств высокоскоростных струй продуктов горения и обеспечивает высокую степень равномерности распределения температуры в газовом объеме. Преимущественное осредненное движение греющего газа в кольцевом пространстве является винтовым с перемещением от торцевой стены 3 к торцевой стене 2, возле которой газы через кольцевой зазор между змеевиками 6 и 8 перетекают в цилиндрическое пространство внутри змеевика 8, где постепенно утрачивая свою крутку перемещаются в направлении к торцовой стене 3. Удаление охлажденных газов из печи осуществляется через дымовую трубу 10.

Поперечное обтекание продуктовых труб змеевиков 6 и 8 высокоскоростным газовым вихрем позволяет значительно интенсифицировать теплообмен в печи. Тепловая эффективность печи дополнительно повышается путем развития поверхности теплопередачи за счет включения в пристенный змеевик 6 прямых участков продуктовых труб 7 и оребрения труб змеевика 8 ленточными приварными проставками 9. Последние служат, кроме того, препятствием перетоку газов из кольцевого пространства образованного змеевиками 6 и 8 в цилиндрическое пространство внутри змеевика 8 между его трубами.

Конструктивное решение печи с размещением горелочных устройств 5 на боковой стене 4 для возможности тангенциального ввода продуктов горения топлива в теплообменную камеру 1 обеспечивает многократное превышение расхода циркулирующих в кольцевом пространстве газов над вводимым через горелки, что способствует равномерности распределения плотности теплового потока на поверхности теплопередачи.

Движение обрабатываемого в печи текучего продукта удобно проследить по фиг. 3. Продукт поступает в печь по трубе 11 и пройдя последовательно витки половины пристенного змеевика 6 по переточной трубе 12 перетекает в смежную половину внутреннего змеевика 8 из которого выходит по трубе 13. Труба 13 служит для вывода продукта из печи, если печь двухпоточная по продукту. В этом случае другие две половины змеевиков 6 и 8 включены по продукту аналогично. Схема движения продукта в них соответствует зеркальному отображению представленной на фиг. 3. Для однопоточной печи продукт из трубы 13 направляют во встречные половины сначала внутреннего змеевика, а затем пристенного, откуда он выводится из печи.

Использование предлагаемой трубчатой печи обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества: включение в состав пристенного змеевика дополнительных прямых участков продуктовых труб, размещенных на торцевых стенах теплообменной камеры, упрощает изготовление змеевика, обеспечивает развитие поверхности теплопередачи без увеличения габаритов печи, экранирует стены ограждения печи, защищая их от воздействия продуктов горения; размещение горелочных устройств тангенциально на боковой стене цилиндрической теплообменной камеры и наличие внутреннего змеевика с проставками между продуктовыми трубами обеспечивают снижение максимальной температуры греющих газов, высокую кратность циркуляции газов и высокую их скорость движения у поверхности теплопередачи, а следовательно, и интенсивный конвекционный теплообмен, высокую равномерность распределения плотности теплового потока по поверхности теплопередачи, что исключает местные перегревы продуктовых труб и их закоксовывание при нагреве органических сред, в частности водонефтяных эмульсий; снижение удельной металлоемкости и габаритов печи, повышение ее надежности и увеличение срока межремонтного пробега.

Формула изобретения

Трубчатая печь, содержащая цилиндрическую теплообменную камеру, горелочные устройства, размещенный у боковой стены камеры змеевик из прямых и изогнутых участков продуктовых труб, отличающаяся тем, что змеевик у боковой стены камеры выполнен с дополнительными прямыми участками продуктовых труб, размещенными на торцевых стенках камеры, при этом печь дополнительно снабжена внутренним змеевиком, выполненным в форме цилиндра с ленточными проставками между соседними прямыми участками продуктовых труб, причем внутренний змеевик размещен внутри змеевика у боковой стены камеры, концентрично ему, при этом внутренний змеевик одной своей стороной примыкает к трубам на торцевой стене, а другая сторона образует со смежной торцевой стеной зазор, горелочные устройства размещены диаметрально противоположно на боковой стене теплообменной камеры, причем осевые линии выходных каналов диаметрально расположенных горелочных устройств проходят по касательным к диаметрально противоположным сторонам поверхности условного цилиндра, концентричного змеевикам и расположенного в кольцевом пространстве между ними.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3