Электронагреваемый теплообменник

 

Изобретение относится к нефте-, газодобывающей промышленности, но может быть использовано в любой другой области, где есть технологическая необходимость в теплообменных аппаратах и где особо остро стоят вопросы тепловой производительности, экономичности, компактности и малого веса аппарата и т. п. Техническим результатом является снижение энергозатрат на нагрев рабочей силы, улучшение условий передачи тепла от нагревателя рабочей среде, уменьшение габарита и веса корпуса, повышение безопасности и надежности конструкции. Устройство содержит корпус с тангенциальным входным и прямоточным выходным патрубками и электронагреватель, размещенный в его внутренней свободной полости, и пустотелые соосные коаксиальные цилиндры, закрытые с торцов и образующие три герметичные свободные концентрические внутренние полости, входной патрубок, установленный на боковой поверхности наружного цилиндра около одной из торцевых сторон, выходной прямоточный патрубок - на той же торцевой стороне внутреннего цилиндра, электронагревателя в виде спирали, размещенного в средней полости. Боковая поверхность среднего пустотелого цилиндра снабжена теплоотводящей пластинкой винтового профиля в направлении от входного патрубка к байпасу. 1 ил.

Изобретение относится к нефте-, газодобывающей промышленности, но может быть использовано в любой другой области, где есть технологическая необходимость в повышении температуры углеводородных сред и где особо остро стоят вопросы тепловой производительности, экономичности, компактности и малого веса теплообменных аппаратов и т.п.

Известен скважинный электронагреватель [1], содержащий корпус нагревателя, с размещенной поверх него спиралью, намотанной с переменным шагом намотки, который увеличивается при перемещении вдоль нагревателя снизу вверх. Такой способ намотки должен обеспечивать более равномерное распределение температуры в рабочей среде (нефть, газ) в процессе эксплуатации. Данное устройство по сути является рекуперативным теплообменником прямоточного типа [2], в котором корпусом служит непосредственно подъемная труба.

Недостатками этого устройства являются размещение электронагревателя непосредственно в отличающейся особой пожаро- и взрывоопасностью рабочей среде, прямоточностью течения этой среды вдоль нагревателя, а следовательно, существенным рассеянием тепла в окружающее пространство, большими габаритами и весом.

Недостатком данного решения следует считать также то, что при его реализации температура подъемной трубы повысится до 60-70^oС и несколько ниже у обсадной трубы. Указанное может явиться дополнительным источником травматизма обслуживающего персонала.

Известна также электронагревательная установка [3], которая наиболее близка к решению поставленной задачи и по технической сущности предлагаемого решения. Установка представляет собой рекуперативный электронагреваемый теплообменник прямоточного типа с устройством управления. Теплообменник содержит корпус с установленными на нем тангенциальным входным и прямоточным выходным патрубками, а также размещенный внутри корпуса электронагреватель, находящийся в его внутренней свободной полости.

Недостатками этой установки являются: - размещение электронагревателя в пожаро- и взрывоопасной среде, что увеличивает риск аварийной ситуации и появляется необходимость принятия особых мер безопасности; - несмотря на тангенциальный вход тангенциальная составляющая вектора скорости рабочей среды достаточно быстро затухает из-за вязкости самой среды и различного рода гидравлических потерь, т.е. траектория движения становится прямолинейной. При этом для нагрева рабочей среды до заданной температуры необходима большая длина электронагревателя, что влечет за собой увеличение длины корпуса теплообменника, а следовательно, поверхности, через которую тепло рассеивается в окружающее пространство. Увеличение количества рассеянного тепла уменьшает долю полезно используемой энергии, а потому увеличивает энергозатраты. При этом, чем выше температура рабочей среды, тем больше количество рассеянного тепла.

Задачей предлагаемого электронагреваемого теплообменника является снижение энергозатрат на нагрев рабочей среды, улучшение условий передачи тепла от электронагревателя рабочей среде, уменьшение габарита и веса, повышение безопасности и надежности конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в электронагреваемом теплообменнике, содержащем корпус с тангенциальным входным и прямоточным выходным патрубками, электронагреватель, размещенный в его внутренней свободной полости, корпус выполнен из трех пустотелых коаксиальных цилиндров, закрытых с торцевых сторон и образующих три герметичные свободные концентрические внутренние полости, входной патрубок установлен на боковой поверхности наружного пустотелого цилиндра около одной из торцевых сторон, а выходной патрубок установлен на той же торцевой стороне внутреннего пустотелого цилиндра, электронагреватель в виде спирали помещен в свободное пространство между средним и внутренним пустотелыми цилиндрами, наружная полость сообщается с внутренней полостью через байпас, установленным одним концом на боковой поверхности наружного пустотелого цилиндра, а другим - на торцевой стороне внутреннего пустотелого цилиндра, противолежащей выходному патрубку, боковая поверхность среднего пустотелого цилиндра снабжена теплоотводящей пластиной винтового профиля в направлении от входного патрубка к байпасу, одна сторона которой имеет тепловой контакт с поверхностью этого цилиндра, а вторая заострена, во внутреннем пустотелом цилиндре на оси корпуса жестко закреплен шнек в направлении от байпаса к выходному патрубку.

Предлагаемая конструкция корпуса делит его внутреннюю полость на две полости, находящихся одна в другой. Причем рабочая среда предварительно нагревается в наружной полости, а затем окончательно во внутренней. Обе полости имеют винтовой профиль, что при той же скорости движения многократно увеличивает время контакта и пройденный средой путь, позволяя заметно сократить длину устройства, а следовательно, и поверхность, через которую рассеивается тепло в окружающее пространство. Следует учитывать также, что в наружной полости, имеющей контакт с окружающей средой, температура не очень высока, что в свою очередь снижает количество рассеиваемого тепла, т.е. потери энергии. Еще одним фактором, способствующим экономии электроэнергии, является исполнение электронагревателя в виде спирали, что придает ему индуктивные свойства, а поэтому при протекании тока нагрева в теле среднего и внутреннего пустотелых цилиндров возбуждаются вихревые токи, дополнительно нагревая эти цилиндры (индукционный нагрев).

Таким образом, на основании изложенного следует, что предлагаемое решение позволяет резко уменьшить габариты и вес, снизить количество рассеиваемого в окружающее пространство тепла, использовать явление индукционного нагрева и за счет этого резко снизить энергозатраты на нагрев рабочей среды и увеличить долю полезно затраченной энергии. В предлагаемой конструкции электронагреватель отделен от рабочей среды стенками среднего и внутреннего пустотелых цилиндров, что резко повышает безопасность и надежность.

Предлагаемое устройство схематично представлено на чертеже, где 1 - наружний пустотелый цилиндр, 2 - средний пустотелый цилиндр, 3 - внутренний пустотельный цилиндр, 4 - входнои патрубок, 5 - байпас, 6 - выходнои патрубок, 7 - электронагреватель, 8 - теплоотводящая пластинка винтового профиля, 9 - шнек, 10 - торцевые крышки, 11 -песок, 12 - наружная полость, 13 - внутренняя полость.

В центре пустотелого наружного цилиндра 1, помещены коаксиально два пустотелых цилиндра: средний 2 и внутренний 3. На боковой поверхности наружного пустотелого цилиндра 1, у одной торцевой стороны, установлен тангенциальный входной патрубок 4, а у второй - байпас 5, второй конец которого соединен с одной торцовой стороной внутреннего пустотелого цилиндра 3. На второй торцевой стороне внутреннего пустотелого цилиндра 3 установлен выходной патрубок 6. В свободное пространство между средним 2 и внутренним 3 пустотелыми цилиндрами помещена спираль электронагревателя 7, а оставшееся свободное пространство, для повышения коэффициента теплопередачи от нагревателя стенкам цилиндров, заполнено периклазом или мелким кварцевым песком.

На боковой поверхности среднего пустотелого цилиндра 2 закреплена теплоотводящая пластинка винтового профиля 8 для обеспечения эффективного теплового контакта с цилиндром 2. Для лучшей отдачи тепла рабочей среде свободный верхний конец пластинки 8 заострен. Направление намотки винтового профиля - от входного патрубка 4 к байпасу 5. Во внутреннем цилиндре 3, по его центру, жестко закреплен шнек 9 в направлении от байпаса 5 к выходному патрубку 6. Для оптимизации гидравлических (аэродинамических) характеристик движения рабочей среды шаг винта теплоотводящей пластинки 8 и шнека 9 выбран из условия постоянства сечения потока на входе, внутри и на выходе электронагреваемого теплообменника. На торцевых сторонах пустотелых цилиндров заварены крышки 10, для обеспечения герметичности внутренних полостей корпуса.

Работает электронагреваемый теплообменник следующим образом. Для подачи и отвода рабочей среды сочленяются входной 4 и выходной 6 патрубки с соответствующими трубопроводами, а электронагреватель 7 подключают к электрической сети. Поступающей в электронагреваемый теплообменник рабочей среде с помощью тангенциального входного патрубка 4 придают вращательный характер движения, который в дальнейшем поддерживают за счет винтового профиля теплоотводящей пластинки 8. При прохождении рабочей среды в наружной полости 12 между наружным 1 и средним 2 цилиндрами ее предварительно нагревают за счет передачи тепла от нагревателя через боковую стенку среднего цилиндра 2 и теплоотводящую пластинку 8. Предварительно нагретую рабочую среду через байпас 5 направляют во внутреннюю полость 13 цилиндра 3, где ее температуру доводят до заданной величины. Вращательное движение (по винтовой траектории) рабочей среды способствует ее длительному контакту с теплопередающими поверхностями среднего 2 и внутреннего 3 цилиндров, а следовательно, более полному использованию выделяемого тепла.

Источники информации 1. Лаптек И.И. и др. Скважинный электронагреватель. А.с. СССР 1627671, БИ 6,1991.

2. Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок. М.: Энергия, 1970.

3. Электронагревательная установка конструкции АзНИПИнефть ЭНУ-30. Инструкция по монтажу и эксплуатации, с.5-7. Баку, 1979.

Формула изобретения

Электронагреваемый теплообменник, содержащий корпус с тангенциальным входным и прямоточным выходным патрубками, электронагреватель, размещенный в его внутренней свободной полости, отличающийся тем, что корпус выполнен из трех пустотелых коаксиальных цилиндров, закрытых с торцевых сторон и образующих три герметичные свободные концентрические внутренние полости, входной патрубок установлен на боковой поверхности наружного пустотелого цилиндра около одной из торцевых сторон, а выходной патрубок установлен на той же торцевой стороне внутреннего пустотелого цилиндра, электронагреватель в виде спирали помещен в свободное пространство между средним и внутренним пустотелыми цилиндрами, наружная полость сообщается с внутренней полостью через байпас, установленный одним концом на боковой поверхности наружного пустотелого цилиндра, а другим - на торцевой стороне внутреннего пустотелого цилиндра, противолежащей выходному патрубку, боковая поверхность среднего пустотелого цилиндра снабжена теплоотводящей пластинкой винтового профиля в направлении от входного патрубка к байпасу, одна сторона которой имеет тепловой контакт с поверхностью этого цилиндра, а вторая заострена, во внутреннем пустотелом цилиндре на оси корпуса жестко закреплен шнек в направлении от байпаса к выходному патрубку.

РИСУНКИ

Рисунок 1