RU2220382C1

RU2220382C1 - Heat generator

Info

Publication number: RU2220382C1
Application number: RU2002129041A
Authority: RU
Inventors: Р.В. Алтухов; Ф.А. Белогубец; Н.В. Дашунин; М.Л. Дроздов; В.А. Иванов; В.С. Рачук; И.Н. Сорокин; А.И. Сухов; А.П. Шевцов; Д.Н. Чурсинов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро химавтоматики; Общество с ограниченной ответственностью Промышленная корпорация Космос-Нефть-Газ
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2003-12-27

Abstract

FIELD: thermal engineering; oil and gas industries. SUBSTANCE: heat generator that can be used in oil and gas industries for heating gas, oil, and other hydrocarbon materials through intermediate heat-carrying agent has vertical housing accommodating combustion chamber mounted in its top part and made in the form of two concentrically positioned cylinders and heat-transfer apparatus with central channel formed by annular rows of vertical pipes equally spaced apart and used to provide communication between combustion chamber interior and exhaust pipe; central channel accommodates additional U-shaped heat-transfer apparatus with working medium inlet and outlet; housing inner space is filled with intermediate heat-carrying agent; annular partition with top and bottom channels passing intermediate heat-carrying agent is mounted around additional heat-transfer apparatus; heat line is passed through exhaust pipe for gas heating. New heat-transfer scheme uses enlarged range of hardware. EFFECT: enhanced reliability and manufacturability; facilitated maintenance. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, а конкретно к теплогенераторам, предназначенным для подогрева газа или нефти и других углеводородных веществ через промежуточный теплоноситель, и может быть использован в нефтяной и газовой отраслях промышленности. The invention relates to heat engineering, and specifically to heat generators designed to heat gas or oil and other hydrocarbon substances through an intermediate coolant, and can be used in the oil and gas industries.

Известным и наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является передвижной теплогенератор, содержащий закрепленный на тележке корпус с выхлопной трубой с шибером и каналами подвода и отвода нагреваемой среды, внутри которого расположены нагнетатель воздуха в виде осевого электровентилятора, камера сгорания с горелочным устройством, теплообменник с центральным каналом для подвода нагреваемой среды и топливную магистраль, корпус с выхлопной трубой установлен на тележке вертикально, центральный канал теплообменника образован кольцевыми рядами вертикально закрепленных равноотстоящих друг от друга труб, сообщающих полость камеры сгорания с выхлопной трубой, а камера сгорания в верхней части ограничена кольцевой полостью, образованной двумя концентрическими цилиндрами, установленными над горелочным устройством. Для компенсации температурного удлинения труб теплообменника и герметизации полости камеры сгорания от канала для отвода горячего воздуха внешний концентрический цилиндр соединен с корпусом посредством диафрагмы. Для организации устойчивого процесса горения топлива и высокой полноты сгорания топлива горелочное устройство выполнено тороидальной формы (патент РФ 2178119, МПК F 23 L 15/04 от 27.03.2001 - прототип). Known and closest in technical essence to the present invention is a mobile heat generator comprising a housing mounted on a cart with an exhaust pipe with a damper and channels for supplying and discharging a heated medium, inside of which there is an air blower in the form of an axial electric fan, a combustion chamber with a burner, a heat exchanger with a central channel for supplying a heated medium and a fuel line, a body with an exhaust pipe mounted vertically on the trolley, the central channel is warm bmennika formed annular rows vertically fixed equidistant pipes reporting combustion chamber cavity with the exhaust pipe and the combustion chamber is bounded in the upper part an annular cavity formed by two concentric cylinders mounted on the burner device. To compensate for the temperature extension of the heat exchanger tubes and sealing the cavity of the combustion chamber from the channel for removing hot air, the external concentric cylinder is connected to the housing via a diaphragm. For the organization of a stable process of fuel combustion and high completeness of fuel combustion, the burner device is made in a toroidal shape (RF patent 2178119, IPC F 23 L 15/04 of 03/27/2001 - prototype).

Недостатком известного решения является то, что в нем не представляется возможным осуществить подогрев природного газа или нефти, так как прямой подогрев с целью обеспечения безопасности недопустим. A disadvantage of the known solution is that it does not seem possible to heat natural gas or oil, since direct heating in order to ensure safety is unacceptable.

Технической задачей изобретения является расширение арсенала технических средств для обеспечения новой схемы теплообменника с высокими параметрами надежности и эксплуатационной технологичности. An object of the invention is to expand the arsenal of technical means to provide a new heat exchanger circuit with high reliability and operational manufacturability.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом теплогенераторе, содержащем корпус, камеру сгорания с горелочным устройством, топливную магистраль, теплообменник с центральным каналом, канал подвода воздуха из атмосферы, выхлопную трубу с шибером для выброса продуктов сгорания в атмосферу, при этом корпус с выхлопной трубой установлены вертикально, центральный канал образован кольцевыми рядами вертикально закрепленных и равностоящих друг от друга труб, сообщающих полость камеры сгорания с выхлопной трубой, а камера сгорания в верхней части выполнена в виде концентрично установленных цилиндров, смонтированных над горелочным устройством и образующих кольцевую полость, согласно изобретению в центральном канале смонтирован дополнительный теплообменник с патрубками подвода и отвода рабочего тела, а полость внутри корпуса заполнена промежуточным теплоносителем, при этом полость камеры сгорания сообщена с каналом подвода атмосферного воздуха с ветрозащитным устройством. Для компенсации тепловых расширений дополнительный теплообменник выполнен U-образной формы. Для формирования направления конвекционного течения промежуточного теплоносителя вокруг дополнительного теплообменника смонтирована кольцевая перегородка с каналами вверху и внизу. Для обеспечения надежной герметичности по линии промежуточного теплоносителя теплогенератор снабжен расширительным бачком, смонтированным на уровне верхней части дополнительного теплообменника. Для подогрева газа топливная магистраль пропущена через выхлопную трубу. The problem is achieved due to the fact that in the proposed heat generator comprising a housing, a combustion chamber with a burner, a fuel line, a heat exchanger with a central channel, an air supply channel from the atmosphere, an exhaust pipe with a damper to discharge combustion products into the atmosphere, the exhaust pipe is mounted vertically, the central channel is formed by annular rows of vertically fixed and equally spaced pipes communicating the cavity of the combustion chamber with the exhaust pipe, and the camera with The upper part is made in the form of concentrically mounted cylinders mounted above the burner device and forming an annular cavity, according to the invention, an additional heat exchanger with inlet and outlet pipes of the working fluid is mounted in the central channel, and the cavity inside the housing is filled with an intermediate coolant, while the cavity of the combustion chamber is communicated with a channel for supplying atmospheric air with a windproof device. To compensate for thermal expansions, an additional heat exchanger is made in a U-shape. To form the direction of the convection flow of the intermediate coolant around the additional heat exchanger, an annular partition with channels at the top and bottom is mounted. To ensure reliable tightness along the intermediate coolant line, the heat generator is equipped with an expansion tank mounted at the level of the upper part of the additional heat exchanger. To heat the gas, the fuel line is passed through the exhaust pipe.

Выполнение дополнительного теплообменника U-образной формы значительно уменьшает габариты и вес теплогенератора, а также обеспечивает свободное удлинение труб теплообменника при нагреве. Сочетание такого теплообменника с расположенной вокруг него кольцевой перегородкой с каналами в верхней и нижней части для прохода теплоносителя позволяет организовать конвективное течение промежуточного теплоносителя потоком торообразной формы, которое повышает коэффициент теплоотдачи. The implementation of an additional U-shaped heat exchanger significantly reduces the dimensions and weight of the heat generator, and also provides free elongation of the heat exchanger tubes during heating. The combination of such a heat exchanger with an annular partition located around it with channels in the upper and lower parts for the passage of the coolant allows you to organize the convective flow of the intermediate coolant flow toroidal shape, which increases the heat transfer coefficient.

Предлагаемый теплогенератор схематично представлен на чертеже. The proposed heat generator is schematically represented in the drawing.

Основными элементами теплогенератора являются:
1 - корпус;
2 - выхлопная труба;
3 - шибер;
4 - канал подвода атмосферного воздуха с ветрозащитным устройством;
5 - дополнительный теплообменник;
6 - патрубок подвода рабочего тела к дополнительному теплообменнику;
7 - патрубок отвода рабочего тела от дополнительного теплообменника;
8 - камера сгорания;
9 - теплообменник;
10 - промежуточный теплоноситель;
11 - горелочное устройство тороидальной формы, атмосферного типа;
12 - кольцевая полость - полость камеры сгорания;
13 - внутренний цилиндр;
14 - внешний цилиндр;
15 - центральный канал теплообменника;
16 - расширительный бачок;
17, 21 - топливная магистраль;
18 - кольцевая перегородка;
19 - канал внизу кольцевой перегородки;
20 - канал вверху кольцевой перегородки.The main elements of the heat generator are:
1 - case;
2 - an exhaust pipe;
3 - gate;
4 - channel for supplying atmospheric air with a windproof device;
5 - additional heat exchanger;
6 - pipe for supplying a working fluid to an additional heat exchanger;
7 - pipe outlet of the working fluid from the additional heat exchanger;
8 - combustion chamber;
9 - heat exchanger;
10 - intermediate heat carrier;
11 - burner device of a toroidal shape, atmospheric type;
12 - annular cavity - the cavity of the combustion chamber;
13 - the inner cylinder;
14 - an external cylinder;
15 - the Central channel of the heat exchanger;
16 - a broad tank;
17, 21 - fuel line;
18 - an annular partition;
19 - channel at the bottom of the annular partition;
20 - channel at the top of the annular partition.

Корпус 1 выполнен цилиндрическим, переходящим в выхлопную трубу 2. В выхлопной трубе 2 установлен шибер 3 для изменения расхода продуктов сгорания. В корпусе 1 выполнен канал с ветрозащитным устройством 4 для подвода атмосферного воздуха в теплогенератор. Внутри корпуса смонтирована камера сгорания 8 и теплообменник 9. В свою очередь камера сгорания сообщена с окружающей средой через канал 4. В полости камеры сгорания расположено горелочное устройство 11 атмосферного типа. Топливо к горелочному устройству подводится с помощью магистрали 17, которая участком 21 проложена через выхлопную трубу для подогрева газа. Над горелочным устройством выполнена кольцевая полость 12, образованная внутренним и внешним концентрично установленными цилиндрами 13 и 14, закрепленными на трубной доске теплообменника. Кольцевая полость служит для организации равномерного подвода воздуха в зону горелочного устройства с целью образования топливовоздушной смеси для горения и снижения температуры продуктов сгорания, поступающих в теплообменные трубы. Теплообменник 9 выполнен с центральным каналом 15, образованным вертикальными трубами, закрепленными своими концами в трубных досках на определенном расстоянии друг от друга. Для компенсации температурного удлинения труб теплообменника 9 они в верхней трубной доске закреплены с помощью подвижных уплотнительных элементов (для упрощения не показаны). В центральном канале 15 смонтирован дополнительный теплообменник 5 с патрубками подвода 6 и отвода 7 рабочего тела. Тепловые трубы теплообменника выполнены U-образными для обеспечения их свободного удлинения при нагреве. Полость центрального канала 15 и теплообменников залита промежуточным теплоносителем 10, который для подпитки и компенсации расширения находится также в расширительном бачке 16. Для исключения утечек промежуточного теплоносителя 10 через подвижные уплотнительные элементы расширительный бачок 16 смонтирован на уровне верхней части дополнительного теплообменника 5 (ниже верхней трубной доски теплообменника 9). Вокруг дополнительного теплообменника 5 смонтирована кольцевая перегородка 18 с каналами 19, 20 вверху и внизу для прохода промежуточного теплоносителя 10. Перегородка обеспечивает заданное направление конвекционного течения промежуточного теплоносителя 10, в качестве которого может быть использован раствор диэтиленгликоля. The housing 1 is made cylindrical, passing into the exhaust pipe 2. In the exhaust pipe 2, a gate 3 is installed to change the flow rate of the combustion products. In the housing 1, a channel is made with a windproof device 4 for supplying atmospheric air to the heat generator. A combustion chamber 8 and a heat exchanger 9 are mounted inside the housing. In turn, the combustion chamber is in communication with the environment through channel 4. A atmospheric-type burner device 11 is located in the cavity of the combustion chamber. Fuel is supplied to the burner via line 17, which, in section 21, is routed through the exhaust pipe to heat the gas. An annular cavity 12 is formed above the burner device, formed by internal and external concentrically mounted cylinders 13 and 14, mounted on the tube plate of the heat exchanger. The annular cavity serves to organize a uniform air supply to the zone of the burner device in order to form a fuel-air mixture for combustion and to lower the temperature of the combustion products entering the heat exchange pipes. The heat exchanger 9 is made with a central channel 15 formed by vertical pipes fixed at their ends to the tube boards at a certain distance from each other. To compensate for the temperature elongation of the tubes of the heat exchanger 9, they are fixed in the upper tube plate using movable sealing elements (not shown for simplicity). An additional heat exchanger 5 is mounted in the central channel 15 with nozzles for supply 6 and outlet 7 of the working fluid. The heat pipes of the heat exchanger are made U-shaped to ensure their free elongation when heated. The cavity of the central channel 15 and heat exchangers is filled with an intermediate heat carrier 10, which is also located in the expansion tank 16 to feed and compensate for the expansion. To prevent leakage of the intermediate heat carrier 10 through the movable sealing elements, the expansion tank 16 is mounted at the level of the upper part of the additional heat exchanger 5 (below the upper tube plate heat exchanger 9). Around the additional heat exchanger 5 is mounted an annular partition 18 with channels 19, 20 at the top and bottom for the passage of the intermediate coolant 10. The partition provides a given direction of convection flow of the intermediate coolant 10, which can be used as a solution of diethylene glycol.

Принцип работы теплогенератора заключается в следующем. The principle of operation of the heat generator is as follows.

Включается запальное устройство (не показано). При наличии пламени на запальном устройстве подается топливо на горелочное устройство 11. К данному горелочному устройству подводится первичный воздух за счет инжекции от энергии потока топливного газа и вторичный воздух за счет диффузионного смешивания выходящей топливовоздушной смеси из тороидального горелочного устройства. Для охлаждения продуктов сгорания воздух также подается по бокам горелочного устройства по кольцевой полости 12 за счет тяги выхлопной трубы. Для обеспечения равномерного подвода воздуха к горелочному устройству атмосферный воздух проходит через канал 4 с ветрозащитным устройством. Продукты сгорания, проходя по теплообменным трубам теплообменника, охлаждаются до заданной температуры, отдавая тепло промежуточному теплоносителю, и через выхлопную трубу 2 выбрасываются в окружающую среду. Для изменения температуры продуктов сгорания на входе в теплообменник необходимо регулировать проходное сечение выходной трубы шибером 3. Например, для уменьшения температуры шибером увеличивают проходное сечение, в этом случае возрастает расход вторичного воздуха через кольцевую полость 12 и температура продуктов сгорания падает. При необходимости повышения температуры продуктов сгорания перед теплообменником следует шибером уменьшить проходное сечение выхлопной трубы. The ignition device (not shown) turns on. If there is a flame on the ignition device, fuel is supplied to the burner 11. Primary air is supplied to this burner due to injection of fuel gas flow from the energy and secondary air due to diffusion mixing of the outgoing air-fuel mixture from the toroidal burner. To cool the combustion products, air is also supplied on the sides of the burner device along the annular cavity 12 due to the exhaust pipe draft. To ensure uniform air supply to the burner device, atmospheric air passes through channel 4 with a windproof device. The combustion products passing through the heat exchanger tubes of the heat exchanger are cooled to a predetermined temperature, transferring heat to the intermediate heat carrier, and are discharged through the exhaust pipe 2 into the environment. To change the temperature of the combustion products at the inlet to the heat exchanger, it is necessary to regulate the passage section of the outlet pipe with a gate 3. For example, to reduce the temperature of the gate, the passage section is increased, in this case the secondary air flow through the annular cavity 12 increases and the temperature of the combustion products drops. If it is necessary to increase the temperature of the combustion products in front of the heat exchanger, the gate area of the exhaust pipe should be reduced with a gate.

В свою очередь, изменение температуры продуктов сгорания, находящихся в трубках теплообменника 9, через промежуточный теплоноситель 10 приводит к изменению температуры рабочего тела дополнительного теплообменника 5. Для более эффективного движения (течения) промежуточного теплоносителя за счет конвекции установлена кольцевая перегородка 18. В качестве рабочего тела теплообменника 5 могут быть газ, нефть и другие пожаровзрывоопасные вещества, которые нельзя нагревать открытым огнем. In turn, a change in the temperature of the combustion products located in the tubes of the heat exchanger 9 through the intermediate heat carrier 10 leads to a change in the temperature of the working fluid of the additional heat exchanger 5. For a more efficient movement (flow) of the intermediate heat carrier due to convection, an annular partition 18 is installed. As a working fluid heat exchanger 5 may be gas, oil and other fire and explosion hazard substances that cannot be heated with an open flame.

Проектные работы показали, что предложенный теплогенератор по сравнению с подогревателями нефти или газа, находящимися в эксплуатации, позволяет снизить массу в 2-2,5 раза и соответственно габариты, исключить замечания по недостаточной полноте сгорания, воздействию паров воды на элементы конструкции, ветровому воздействию на процесс горения, а следовательно, повысить надежность и эксплуатационную технологичность. При этом представляется возможным расширить арсенал технических средств для обеспечения новой схемы теплообменника. Design work showed that the proposed heat generator, compared with oil or gas heaters in operation, allows to reduce the mass by 2-2.5 times and accordingly the dimensions, to eliminate comments on the insufficient completeness of combustion, the effects of water vapor on structural elements, and wind exposure to the combustion process, and therefore, to increase the reliability and operational manufacturability. At the same time, it seems possible to expand the arsenal of technical means to provide a new heat exchanger circuit.

Claims

A heat generator comprising a housing, a combustion chamber with a burner, a fuel line, a heat exchanger with a central channel, an air supply channel from the atmosphere, an exhaust pipe with a damper for discharging combustion products into the atmosphere, while the housing with an exhaust pipe is mounted vertically, the central channel is formed by ring rows vertically fixed and equally spaced pipes communicating the cavity of the combustion chamber with the exhaust pipe, and the combustion chamber in the upper part is made in the form of two concentric installation flanged cylinders mounted above the burner and forming an annular cavity - a cavity of the combustion chamber, characterized in that an additional U-shaped heat exchanger with inlet and outlet pipes of the working fluid is mounted in the central channel, and the cavity inside the housing is filled with an intermediate heat carrier, around the additional heat exchanger is installed an annular partition with channels in the upper and lower parts for the passage of the intermediate coolant, and the fuel line is passed through the exhaust pipe.