RU2082925C1

RU2082925C1 - Tube-type furnace

Info

Publication number: RU2082925C1
Application number: RU95105788A
Authority: RU
Inventors: Ю.Я. Печенегов; О.Ю. Печенегова
Original assignee: Технологический институт Саратовского государственного технического университета
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1997-06-27
Also published as: RU95105788A

Abstract

FIELD: heating appliances for fluid media; oil, chemical and other industries for heat treatment of thermolable and thermally unstable liquids having technological and other limitations pertaining to maximum heating temperature. SUBSTANCE: furnace has cylindrical heat exchange chamber, burner devices and coil consisting of straight and bent sections of tubes; coil is located in chamber near side wall. Innovation of invention consists in availability of straight sections of additional product tubes in coils at end walls of chamber; inner coil with band welded spacers between adjacent straight sections of product tubes is made in form of cylinder with open ends whose diameter is lesser than that of near-wall coil; it is located inside near-wall coil concentrically relative to it; one side of it adjoins tubes on end wall and other side forms clearance with adjacent end wall. Burner devices are diametrically opposite; they are located on side wall of heat exchange chamber; axial lines of outlet passages of diametrically opposite burner devices pass tangentially relative to diametrically opposite sides of conventional cylinder which is concentric to coils and is located in circular space between them. EFFECT: enhanced efficiency due to intensification of heat exchanger between heat transfer surface and fuel combustion products; smooth distribution of temperature in gas volume of heat exchanger chamber and density of thermal flow over heat transfer surface. 3 dwg

Description

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. The invention relates to heating devices for fluids, namely to tube furnaces, and can be used in the oil, chemical industries and other industries for the heat treatment of thermolabile and thermally unstable liquids having technological and other restrictions on the maximum heating temperature.

Известны трубчатые печи, в которых источником теплоты служат продукты горения топлива, а продуктовые трубы размещены в радиантной и конвенционной камерах печи. Tubular furnaces are known in which the products of fuel combustion serve as a source of heat, and the product pipes are placed in the radiant and conventional chambers of the furnace.

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. The high non-uniformity of the temperature distribution of the products of fuel combustion in the heat transfer chambers of such furnaces and the different conditions of heating gas flowing around individual sections of the product pipes lead to a significant heterogeneity of the heat flux density on the heat transfer surface area and high local values of the pipe wall temperature, which complicates the heating of media prone to thermal decomposition and forming, when overheated, solid coke deposits on the pipe walls.

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. A tube furnace is also known, including a radiation chamber with sources of thermal radiation, heating product pipes and heat pipes, which are made in the form of an oval ring, part of which is located outside the heating pipe from the side of the heat source, and the other part inside the heating pipe.

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. In the furnace during operation, local overheating of the walls of the product pipes is possible and, as a consequence, their coking during the processing of oils and oil products and burnout of the wall. The furnace is characterized by high specific metal costs for manufacturing.

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. Closest to the proposed invention in technical essence is a tubular furnace with a cylindrical heat exchange chamber at one of the ends of which there are burner devices, and the heat transfer surface is made in the form of a coil from straight sections of product pipes connected by cocks, placed in a chamber concentrically with it near the side cylindrical wall .

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. In the known device, a relatively uniform distribution of the heat flux density incident on the heat transfer surface in the diametrical planes of the chamber is ensured, but in the axial direction, the heat flux density first increases, reaches a maximum, and then decreases significantly along with the temperature of the heating gases in the direction of their movement. On a portion of the heat transfer surface with a maximum heat flux density, coking of the pipes and burning out of their walls is possible. Zones of the coil adjacent to the end walls of the chamber are inefficient because they have a low heat transfer rate. The longitudinal flue gas flow around the product pipes does not increase the convective component of the transmitted heat flow, which gives reason to conclude that there are unused opportunities in the known device.

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. The objective of the invention is to increase the efficiency of a tubular furnace due to the intensification of heat transfer between the heat transfer surface and the combustion products of the fuel, to achieve a more uniform temperature distribution in the gas volume of the heat exchange chamber and the density of the heat flux over the heat transfer surface.

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. The goal is achieved in that in a tubular furnace including a cylindrical heat exchange chamber, burner devices, a coil consisting of straight and curved sections of the product pipes located in the chamber near its side wall, the coil is additionally provided with straight sections of the product pipes placed on the end walls of the chamber, inner coil with tape welded spacers between adjacent straight sections of the product pipes, which is made in the form of a cylinder with open ends with a diameter smaller than the diameter of the wall coil and placed inside the wall coil concentrically with it so that with one side it adjoins the pipes on the end wall, and the other side forms a gap with the adjacent end wall, the burner devices are placed diametrically opposite on the side wall of the heat exchange chamber, and the axial lines of the outlet channels diametrically located burner devices are tangent to diametrically opposite sides of the surface of the conditional cylinder, concentric coils and located in the ring m space between them.

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. In contrast to the known device, the inclusion in the wall coil of additional direct sections of the product pipes located on the end walls of the chamber makes it possible to simplify the manufacture of the coil and increase the degree of screening of the furnace walls.

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. Installation in the furnace of an additional coil with tape welded spacers between adjacent straight sections of the product pipes, which is made in the form of a cylinder with open ends with a diameter smaller than the diameter of the wall coil, and placed inside the wall coil concentrically with it so that it is adjacent to the pipes on one side on the end wall, and the other side with the adjacent end wall forms a gap, as well as the placement of the burner devices diametrically opposite on the side wall of the heat exchange chamber so in such a way that the axial lines of the outlet channels of the diametrically located burner devices extend tangentially to the diametrically opposite sides of the surface of the conditional cylinder concentric with the coils and located in the annular space between them, provide the following new qualities and advantages.

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.The cyclone heating principle is realized in the furnace when heat from a rotating vortex of combustion products is transferred with a high intensity of the confining surface. High-temperature combustion products flowing out of the nozzles of high-speed burner devices have an injection effect on the cooled ambient gas. In the annular space between the coils, a complex gas flow field is created with intense mixing and a mainly tangentially helical direction of motion. The injection ratio is relatively easily achieved, ensuring the maximum temperature of the gas mixture in the annular space is not more than 700 800 ^o C and a high uniformity of temperature distribution in the volume of the rotating gas vortex. At the same time, the risk of coking and burning of food pipes is sharply reduced. The high velocity of the gases and the transverse flow around them ensures high heat transfer rates. An increased degree of uniformity of the distribution of heat flux density over the heat transfer surface is also achieved.

Приварные проставки между трубами внутреннего змеевика служат как тепловые ребра и препятствуют перетечкам газов из кольцевого пространства в цилиндрический объем через трубную поверхность змеевика. The welded spacers between the pipes of the internal coil serve as thermal fins and prevent the flow of gases from the annular space into the cylindrical volume through the pipe surface of the coil.

Сопоставленный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что предлагаемое изобретение соответствует критерию изобретения "новизна". A comparative analysis of the proposed technical solution with the prototype shows that the invention meets the criteria of the invention of "novelty."

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. Known technical solutions with the unidirectional movement of combustion products in the heat exchange chamber of a tubular furnace and direct or indirect, through an intermediate heat carrier, by heating the product, have an increased specific metal consumption and dimensions. The design of these furnaces does not provide intensified heat transfer and a sufficiently uniform distribution of the heat flux density over the heat transfer surface.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию изобретения "существенные отличия". All this allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criteria of the invention "significant differences".

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). In FIG. 1 shows a longitudinal section of the proposed tubular furnace; in FIG. 2 cross section AA in FIG. one; in FIG. 3 diagram of grocery coils (half image).

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. The tube furnace includes a heat exchange chamber 1, bounded by end walls 2 and 3 and a cylindrical side wall 4, on which the burner devices are placed 5. In the heat exchange chamber 1, a wall coil 6 is installed, having straight sections of food pipes 7 on the end walls 2 and 3, and an internal a coil 8 equipped with tape welded spacers 9 between adjacent straight sections of the product pipes.

Трубчатая печь работает следующим образом. Tube furnace operates as follows.

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. The combustion products resulting from the combustion of fuel in burner devices 5 enter the annular space between the coils 6 and 8, where they create a complex vortex-like motion due to the injecting effect on the gaseous medium. Intensive movement of individual elements of the medium volume in all spatial directions, characteristic of this kind of movement, contributes to a rapid decrease in the high temperature of high-speed jets of combustion products flowing from the burner devices and provides a high degree of uniformity of temperature distribution in the gas volume. The predominant averaged movement of the heating gas in the annular space is screw with the movement from the end wall 3 to the end wall 2, near which the gases flow through the annular gap between the coils 6 and 8 into the cylindrical space inside the coil 8, where they gradually lose their twist and move towards the end wall 3. The removal of cooled gases from the furnace is carried out through the chimney 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. The transverse flow around the product pipes of coils 6 and 8 with a high-speed gas vortex can significantly intensify the heat transfer in the furnace. The thermal efficiency of the furnace is further enhanced by developing a heat transfer surface by including straight sections of the product pipes 7 in the wall coil 6 and fins of the coil pipe 8 with welded-on strip spacers 9. The latter also serve as an obstacle to the flow of gases from the annular space formed by the coils 6 and 8 into the cylindrical the space inside the coil 8 between its pipes.

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. The design of the furnace with the placement of burner devices 5 on the side wall 4 for the possibility of tangential entry of the fuel combustion products into the heat exchange chamber 1 provides a multiple excess of the flow of gases circulating in the annular space over the introduced through the burner, which contributes to the uniform distribution of the heat flux density on the heat transfer surface.

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. The movement of the fluid product to be processed in the furnace is conveniently traced in FIG. 3. The product enters the furnace through the pipe 11 and after passing successively turns of half of the wall coil 6 through the transfer pipe 12 flows into the adjacent half of the internal coil 8 from which exits through the pipe 13. The pipe 13 serves to output the product from the furnace if the furnace is dual-flow by product. In this case, the other two halves of the coils 6 and 8 are included in the product similarly. The pattern of product movement in them corresponds to the mirror image shown in FIG. 3. For a single-threaded furnace, the product from the pipe 13 is sent to the opposite halves, first of the inner coil, and then the wall coil, from where it is removed from the furnace.

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.Using the proposed tube furnace provides, in comparison with existing devices, the following advantages:
the inclusion in the wall coil of additional direct sections of the product pipes located on the end walls of the heat exchange chamber simplifies the manufacture of the coil, ensures the development of a heat transfer surface without increasing the dimensions of the furnace, screens the walls of the furnace fencing, protecting them from the effects of combustion products;
placement of burner devices tangentially on the side wall of the cylindrical heat exchange chamber and the presence of an internal coil with spacers between the product pipes reduce the maximum temperature of the heating gases, the high rate of gas circulation and their high velocity at the heat transfer surface, and consequently, intense convection heat transfer, high uniformity of distribution heat flux density over the heat transfer surface, which eliminates local overheating of the product pipes and their akoksovyvanie during heating of organic media, particularly water emulsions;
reduction of specific metal consumption and dimensions of the furnace, increasing its reliability and increasing the period of overhaul mileage.

Claims

A tubular furnace containing a cylindrical heat exchange chamber, burner devices, a coil placed at the side wall of the chamber from straight and curved sections of the product pipes, characterized in that the coil at the side wall of the camera is made with additional straight sections of the product pipes placed on the end walls of the camera, the furnace is additionally equipped with an internal coil made in the form of a cylinder with tape spacers between adjacent straight sections of the product pipes, and the internal coil is placed in the inside of the coil at the side wall of the chamber concentrically to it, while the inner coil adjoins one side of the pipes on the end wall and the other side forms a gap with the adjacent end wall, the burner devices are diametrically opposed to the side wall of the heat exchange chamber, and the axial lines of the outlet channels diametrically located burner devices run tangentially to diametrically opposite sides of the surface of the conditional cylinder, concentric coils and located in the rings om the space between them.