Способ нагрева текучих сред и устройство для его осуществления

Способ нагрева текучих сред и устройство для его осуществления относятся к способам и устройствам для нагрева текучих сред, преимущественно пожароопасных, использующих тепло сгорания топлива и уходящих газов от продуктов сгорания, например, в печах или в огневых подогревателях, и могут быть использованы для подогрева природных или нефтяных газов, углеводородных конденсатов или других горючих и пожароопасных технологических потоков и теплоносителей. Способ нагрева текучих сред включает: использование тепловой энергии горения топлива и дымовых газов для нагрева циркулируемого промежуточного теплоносителя, использование тепла дымовых газов при их противоточном течении с нагреваемой текучей средой, причем теплом продуктов сгорания топлива испаряют промежуточный теплоноситель, парами теплоносителя разбавляют газы продуктов горения, газовой смесью нагревают текучую среду, после чего газовую смесь охлаждают холодным потоком нагреваемой текучей среды, конденсируют из нее циркулируемый промежуточный теплоноситель и возвращают на испарение, а газовую смесь перед нагревом текучей среды пропускают через огнепреградительную насадку, к тому же возвращение промежуточного теплоносителя на испарение осуществляют самотеком столбом конденсата в рубашку и (или) на насадку, причем часть тепла промежуточного теплоносителя отбирают и используют на бытовые или технологические нужды, а теплом радиации горения топлива через теплообменную поверхность испаряют жидкий теплоноситель. Устройство для нагрева текучих сред включает корпус, разделенный полуглухой тарелкой на две камеры: первичная камера утилизации тепла отходящих газов, вторичная камера использования тепла радиации топочного пространства через теплообменную поверхность; насадку, стакан во вторичной камере, образующий с корпусом рубашку для промежуточного теплоносителя, соединенную по жидкости с полуглухой тарелкой, причем над полуглухой тарелкой установлен змеевик конденсации промежуточного теплоносителя с входом нагреваемой текучей среды в верхней части и выходом в нижней части змеевика, соединенным с верхним входом змеевика, расположенным под полуглухой тарелкой над насадкой, а под змеевиком съема тепла, размещенным в пространстве под полуглухой тарелкой, установлена испарительная насадка с распределителем жидкости, соединенным по жидкости через регулирующее устройство с полуглухой тарелкой, к тому же змеевики съема тепла выполнены диаметром 150 мм и менее. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам и устройствам для нагрева текучих сред, преимущественно пожароопасных, использующих тепло сгорания топлива и уходящих газов от продуктов сгорания, например, в печах или в огневых подогревателях, и может быть использовано для подогрева природных или нефтяных газов, углеводородных конденсатов или других горючих и пожароопасных технологических потоков и теплоносителей.

Известен способ для нагрева жидкости (текучей среды) и устройство для его осуществления по авторскому свидетельству СССР №1394005, кл. F 24 H 1/10; в этом техническом решении теплообменные поверхности змеевиков нагревают циркулируемой насосами по замкнутому контуру жидкостью, которую нагревают в прямотоке в двух контурах при прямом контакте с продуктами горения. В выходном контуре для повышения температуры нагрева теплообменной поверхности используется теплоноситель с высокой температурой кипения.

Недостатком этого способа нагрева жидкости является невозможность нагрева теплообменной поверхности выше температуры кипения циркулируемой насосами жидкости и низкий коэффициент эффективности нагрева жидкости продуктами горения в прямотоке. Для повышения температуры нагрева потоков необходимо применять высококипящие теплоносители (жидкости), у которых температура кипения ограничена, обычно не выше 200°С. Устройство для нагрева жидкости по авторскому свидетельству СССР №1394005, кл. F 24 Н 1/10 содержит последовательно установленные в газоходе два контура, каждый из которых орошается жидкостью, нагреваемой в прямотоке продуктами сгорания топлива. Недостатком устройства является то, что состав жидкости и насосы для каждого контура индивидуальные, а также необходимость применения дорогостоящих и пожароопасных высокотемпературных теплоносителей.

Недостатком способа и устройства является невозможность достижения температуры нагреваемого теплоносителя, близкой к температуре продуктов горения, из-за прямоточного контакта их с жидкостью; невозможность нагрева теплообменной поверхности текучих сред выше температуры кипения циркулирующей жидкости, наличие двух насосов и двух жидкостей разного состава, неразвитая поверхность контакта между продуктами сгорания топлива и жидкостью.

Известен способ нагрева воды и устройство по патенту РФ 2236650, кл. F 24 Н 1/10; указанное техническое решение состоит из корпуса с контактной камерой, сборника нагретой воды в нижней части и жаровой трубы, выполненной из двух соосных обечаек, соединенных по торцам кольцевыми вставками. Под жаровой трубой размещены распылители воды. В этом техническом решении частично устранены вышеуказанные недостатки за счет применения прямоточного в сочетании с противоточным контактом нагреваемой жидкости и дымовых газов.

Недостатком этого технического решения является ограниченность температуры нагрева теплоносителя с одной стороны соосных обечаек, зависящая от температуры нагрева воды, которая не может быть выше температуры ее кипения, т.е. 100°С, и температуры дымовых газов с другой стороны обечаек. Другим недостатком является ограниченность давления в соосных обечайках (не выше 0,07 МПа), т.к. при диаметре обечаек более 150 мм и при превышении указанного давления аппарат становится подведомственным Госгортехнадзору РФ и требует повышенных затрат на изготовление и эксплуатацию. Ограниченность давления в обечайках также ограничивает повышение температуры нагрева теплоносителя. Другим недостатком является то, что нагреваемая и рециркулируемая среды должны быть одинаковыми. Известен контактно-поверхностный водонагреватель по авторскому свидетельству №1395908, кл. F 24 Н 1/10 с двумя зонами контакта нагреваемой текучей среды теплом радиации и теплом отходящих дымовых газов, в котором недостатки аналогичны вышеизложенным - ограниченность температуры нагрева теплоносителя, зависящая от температуры нагрева воды, которая не может быть выше температуры ее кипения, т.е. 100°С.

Известен способ нагрева жидкости и устройство для осуществления по авторскому свидетельству СССР №1211536, кл. F 24 Н 1/10, (прототип). В указанном техническом решении нагрев жидкости производится в противотоке с продуктами сгорания топлива, в устройстве повышена поверхность теплообмена за счет применения теплообменной насадки в первой ступени нагрева, температура второй ступени нагрева повышена за счет применения в ней радиационного нагрева.

Однако основные недостатки по ограничению температуры нагрева теплоносителя из-за ограничения температуры нагрева жидкости при атмосферном давлении сохраняются.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса нагрева, увеличения температуры нагреваемой текучей среды, снижение эксплуатационных затрат, расширение функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе нагрева текучих сред, включающем использование тепловой энергии горения топлива и дымовых газов для нагрева циркулирующего промежуточного теплоносителя, при использование тепла дымовых газов в противоточном течении с нагреваемой текучей средой, теплом продуктов сгорания топлива испаряют промежуточный теплоноситель, парами теплоносителя разбавляют газы продуктов горения, газовой смесью нагревают текучую среду, после чего газовую смесь охлаждают холодным потоком нагреваемой текучей среды, конденсируют из смеси циркулируемый промежуточный теплоноситель и возвращают на испарение, а также тем, что газовую смесь перед нагревом текучей среды пропускают через насадку, являющуюся огнепреградителем, осуществляют возвращение промежуточного теплоносителя на испарение самотеком столбом конденсата (жидкостью промежуточного теплоносителя), часть тепла промежуточного теплоносителя отбирают и используют на бытовые или технологические нужды, а теплом радиации горения топлива через теплообменную поверхность испаряют жидкий теплоноситель.

В устройстве указанная цель достигается тем, что в подогревателе для нагрева текучих сред, включающем корпус, разделенный полуглухой тарелкой на две камеры - первичная камера утилизации тепла отходящих газов, вторичная камера использования тепла радиации топочного пространства через теплообменную поверхность, насадку, стакан во вторичной камере, образующий с корпусом рубашку для промежуточного теплоносителя, соединенную по жидкости с полуглухой тарелкой, над полуглухой тарелкой установлен змеевик конденсации промежуточного теплоносителя с входом нагреваемой текучей среды в верхней части и выходом в нижней части змеевика, соединенным с верхним входом змеевика, расположенного под полуглухой тарелкой над насадкой, что под змеевиком съема тепла, размещенным в пространстве под полуглухой тарелкой, установлена испарительная насадка с распределителем жидкости, соединенным по жидкости с полуглухой тарелкой, что змеевики съема тепла выполнены диаметром 150 мм и менее

Заявитель и авторы из патентной и информационной литературы не обнаружили аналогичную совокупность отличительных признаков, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемого способа и устройства для его осуществления.

На фиг.1 изображена схема реализации предложенного способа, включающая аппарат для его осуществления.

По предложенному способу жидкость - промежуточный теплоноситель подают по линии 1, заполняя рубашку 2 до регулируемого уровня 3, уровень жидкости поддерживают регулятором уровня 4 или переливным штуцером 5. Жидкость в рубашке 2 подогревают до температуры испарения, пары испарившейся жидкости 6 смешивают с газами продуктов горения 7 топочной камеры 8 на насадке 9 с образованием паровой негорючей смеси 10 насыщенной (увлажненной) жидкостью, которой нагревают насадку 9. Насадка выполняет одновременно роль смесителя, огневого преградителя и испарителя жидкости при подаче на нее конденсата жидкости 11 с вышележащей секции 12 охлаждения паров негорючей смеси 15. Паровой негорючей смесью 10 подогревают текучую среду 13 в змеевике 14 до требуемой температуры, охлаждая при этом смесь. Из предварительно охлажденной смеси 15 конденсируют жидкость холодной исходной текучей средой 16 на змеевике 17. Несконденсированные дымовые газы 18 отбирают через дымовую трубу 19, а конденсат жидкости 11 собирают на полуглухой тарелке 20, откуда подают в рубашку 2 и (или) в распределитель жидкости 21, расположенный над насадкой 9. Топливо на горелки подают по линии 22, а воздух по линии 23. Часть тепла нагретой жидкости из рубашки 2 может отбираться через штуцер 5 с возвратом охлажденной жидкости по линии 24 или при нагреве жидкости через стенку опоры 25, отбираться из наружной рубашки 26 через линию 27 и возвращаться по линии 28.

Подпитка жидкости производится по линии 1 по регулятору уровня 4.

Пример осуществления.

Нагреваемая текучая среда - природный газ.

Промежуточный циркулируемый теплоноситель - вода.

Состав газа: метан - 96,74%, этан - 1,51%, пропан_+в - 1,75 об.%.

Расход газа - 1200, кг/ч.

Давление газа - 0,5 МПа.

Температура газа - 20°С.

Температура продуктов горения ˜840°С.

Температура смеси газов из продуктов горения и паров воды - 520°С.

Температура нагретого газа - 360°С.

Тепловая мощность - 300 кВт.

Расход топливного газа - 0,01 м³/с.

Температура дымовых газов на выходе - (70-80)°С.

Топливо - природный газ.

Окислитель - воздух, коэффициент избытка воздуха - 1,1.

Коэффициент полезного действия >80%.

Устройство для нагрева текучей среды включает корпус 29, разделенный полуглухой тарелкой 20 на две ступени нагрева:

- первая ступень нагрева в змеевике 17, в которой нагрев осуществляется при атмосферном давлении смесью газов горения топлива насыщенных парами промежуточного теплоносителя - водой и предварительно охлажденных на змеевике 14, в результате чего конденсируют из смеси жидкий промежуточный теплоноситель - воду;

- вторая ступень нагрева в змеевике 14, в которой производится окончательный нагрев смесью газов горения разбавленных парами жидкости - воды.

На выходе дымовых газов с первой ступени нагрева над змеевиком 17 размещено сепарационное устройство 30 для улавливания капельной жидкости. Под змеевиком 17 размещена полуглухая тарелка 20, соединенная с рубашкой 2 линией 31 через регулирующее устройство 32 и с распределителем жидкости 21 линией 33.

В нижней части второй ступени нагрева размещена топочная камера 8. В топочной камере 8 размещена горелка 34 с линией подачи топлива 22 и линией подачи воздуха 23. Против внутренней рубашки 2 на корпусе 29 может быть размещена наружная рубашка 26.

Работает предложенное устройство следующим образом.

Жидкость подают по линии 1 в рубашку 2, где она нагревается теплом радиации от топочной камеры 8 и испаряется. Пары жидкости 6 на насадке 9 с развитой поверхностью контакта смешиваются с продуктами горения топлива 7, снижая их температуру, увеличивая при этом их влагосодержание, уменьшая процентное содержание кислорода в смеси, получая непожароопасную негорючую смесь 10, которой нагревают змеевик 14 с горючей пожароопасной текучей средой 13. Эффективность теплообмена между смесью 10 и текучей средой повышается за счет повышения влагосодержания смеси 10. Предварительно охлажденную негорючую смесь 15 дополнительно охлаждают на змеевике 17 до температуры конденсации промежуточного теплоносителя - жидкости 11 исходным холодным потоком текучей среды 16.

Часть тепла нагретой жидкости в рубашке 2 может частично отбираться. Регулирование расхода воды осуществляется регулятором.

Предложенное техническое решение позволяет:

- нагреть текучую среду до температуры выше температуры кипения циркулируемого жидкого теплоносителя, приближая ее к температуре продуктов горения топлива;

- повысить коэффициент полезного действия способа и устройства нагрева жидкости до 90%;

- получить жидкие теплоносители в одном аппарате, например, для отопления и для технологических нужд;

- исключить насос для рециркуляции промежуточного теплоносителя;

- повысить единичную теплопроизводительность;

- снизить капитальные и эксплуатационные затраты подогрева жидкости за счет применения не подведомственного органам Госгортехнадзора оборудования;

- обеспечить противоток с нагреваемой средой в обеих секциях нагрева;

- расширить функциональные возможности способа и устройства нагрева текучих сред, как газообразных, так и жидких до температур выше температур кипения промежуточных теплоносителей.

1. Способ нагрева текучих сред, преимущественно горючих и пожароопасных, включающий использование тепловой энергии горения топлива и дымовых газов для нагрева циркулируемого промежуточного теплоносителя, использование тепла дымовых газов при их противоточном течении с нагреваемой текучей средой, отличающийся тем, что теплом продуктов сгорания топлива испаряют промежуточный теплоноситель, парами теплоносителя разбавляют газы продуктов горения, газовой смесью нагревают текучую среду, после чего газовую смесь охлаждают холодным потоком нагреваемой текучей среды, конденсируют из нее циркулируемый промежуточный теплоноситель и возвращают на испарение.

2. Способ нагрева текучих сред по п.1, отличающийся тем, что газовую смесь перед нагревом текучей среды пропускают через огнепреградительную насадку.

3. Способ нагрева текучих сред по п.1, отличающийся тем, что возвращение промежуточного теплоносителя на испарение осуществляют самотеком столбом конденсата в рубашку и (или) на насадку.

4. Способ нагрева текучих сред по п.1, отличающийся тем, что часть тепла промежуточного теплоносителя отбирают и используют на бытовые или технологические нужды.

5. Способ нагрева текучих сред по п.1, отличающийся тем, что теплом радиации горения топлива через теплообменную поверхность испаряют жидкий теплоноситель.

6. Устройство для нагрева текучих сред, включающее корпус, разделенный полуглухой тарелкой на две камеры: первичную камеру утилизации тепла отходящих газов, вторичную камеру использования тепла радиации топочного пространства через теплообменную поверхность; насадку, стакан во вторичной камере, образующий с корпусом рубашку для промежуточного теплоносителя, соединенную по жидкости с полуглухой тарелкой, отличающееся тем, что над полуглухой тарелкой установлен змеевик конденсации промежуточного теплоносителя с входом нагреваемой текучей среды в верхней части и выходом в нижней части змеевика, соединенным с верхним входом змеевика, расположенного под полуглухой тарелкой над насадкой.

7. Устройство для нагрева текучих сред по п.6, отличающееся тем, что под змеевиком съема тепла, размещенным в пространстве под полуглухой тарелкой, установлена испарительная насадка с распределителем жидкости, соединенным по жидкости через регулирующее устройство с полуглухой тарелкой.

8. Устройство для нагрева текучих сред по п.6, отличающееся тем, что змеевики съема тепла выполнены диаметром 150 мм и менее.