RU2842834C1

RU2842834C1 - Modular thermal oil heat generator of vertical type

Info

Publication number: RU2842834C1
Application number: RU2024139739A
Authority: RU
Inventors: Максим Николаевич Никитин; Василий Константинович Ткачев; Артем Сергеевич Доронин; Лев Михайлович Заверяев; Анна Владимировна Швынденкова
Filing date: 2024-12-26
Publication date: 2025-07-02

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: in a heat generator comprising a cylindrical housing with heat insulation, a two-way coil and a burner unit mounted on the housing cover, between the heat-insulating layer and the housing an air jacket is formed for the blowing air heating for the burner with suction through the perforated bottom wall; deflector is arranged at combustion chamber bottom. Inner spiral of the coil has a rarefied pitch in the lower part and an outer spiral of the coil – in the upper part; in lower part of heat generator there located is horizontal header for collection of cooled flue gases, and for supply and removal of heat carrier the heat generator is equipped with horizontal headers arranged above it.

EFFECT: invention can be used in heat generators for heating high-temperature organic heat carrier (HOH).

2 cl, 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к теплогенераторам малой мощности и может использоваться в качестве самостоятельной установки, либо в качестве модуля для нагрева высокотемпературного органического теплоносителя (ВОТ).The invention relates to low-power heat generators and can be used as a stand-alone unit or as a module for heating a high-temperature organic heat carrier (HTOC).

Областями применения данного изобретения в промышленности являются: малотоннажное химическое производство полиэтиленгликоля, полипропиленгликоля, аминоспиртов и пр; нефтехимические производства (подогрев и обезвоживание сырца или тяжелых фракций нефтепродуктов, разогрев мазута и битума в нефтехранилищах, ускорение химических реакций); бумажная и деревообрабатывающая промышленность (сушилки бумаги и древесины, горячие прессы и цилиндры); асфальто-бетонные минизаводы (асфальтосмесительные установки, обогрев оборудования битумохранилища, разогрев перед наливом в автогудронаторы и автобитумовозы); нанесение защитных покрытий и другие виды погружной обработки изделий; строительство (производство вязких кровельных материалов и гипса, термическая обработка кирпичей, нагрев бетона и смесей); медицинская и фармацевтическая промышленность (стерилизация); отопление и технологические нужды (мобильные котельные в условиях Крайнего севера, термические процессы, печи, автоклавы).The fields of application of this invention in industry are: small-tonnage chemical production of polyethylene glycol, polypropylene glycol, amino alcohols, etc.; petrochemical production (heating and dehydration of crude or heavy fractions of petroleum products, heating of fuel oil and bitumen in oil storage facilities, acceleration of chemical reactions); paper and woodworking industry (paper and wood dryers, hot presses and cylinders); asphalt and concrete mini-plants (asphalt mixing plants, heating of bitumen storage equipment, heating before pouring into asphalt distributors and bitumen trucks); application of protective coatings and other types of immersion processing of products; construction (production of viscous roofing materials and gypsum, heat treatment of bricks, heating of concrete and mixtures); medical and pharmaceutical industry (sterilization); heating and technological needs (mobile boiler houses in the Far North, thermal processes, furnaces, autoclaves).

Уровень техникиState of the art

Известны конструкции теплогенераторов, в которых используют пассивные средства управления потоками дымовых газов с целью продления времени их контакта с тепловоспринимающей поверхностью змеевика, а также с целью уменьшения гидравлического сопротивления газового тракта. В первом случае (патент США US10495343B2 – 2019 г.) на змеевик навинчивают два экрана (внутренний и внешний), увеличивая площадь поверхности теплообмена, во втором (патент США US10724762B2 – 2020 г.) – используют направляющее устройство, располагаемое в нижней части камеры сгорания.There are known designs of heat generators that use passive means of controlling flue gas flows in order to extend the time of their contact with the heat-absorbing surface of the coil, as well as to reduce the hydraulic resistance of the gas path. In the first case (US patent US10495343B2 - 2019), two screens (internal and external) are screwed onto the coil, increasing the heat exchange surface area, in the second (US patent US10724762B2 - 2020), a guide device located in the lower part of the combustion chamber is used.

Известна конструкция теплогенератора змеевикового типа (патент США US8955467B1 – 2015 г.), в камере сгорания которого размещен вторичный излучатель в форме перфорированного конуса. Нагретая до температуры, близкой к температуре факела, поверхность конуса является более интенсивными излучателем нежели сам факел за счет большего коэффициента излучения.A coil-type heat generator design is known (US patent US8955467B1 – 2015), in the combustion chamber of which a secondary emitter in the form of a perforated cone is placed. Heated to a temperature close to the torch temperature, the cone surface is a more intense emitter than the torch itself due to a higher emissivity.

Известна конструкция теплогенератора змеевикового типа (патент США US8656867B2 – 2014 г.) в нижней части камеры сгорания которого размещен накопительный бак для вторичного подогрева теплоносителя, который также выполняет роль теплового экрана для нижней стенки камеры сгорания.A design of a coil-type heat generator is known (US patent US8656867B2 – 2014) in the lower part of the combustion chamber of which a storage tank is placed for secondary heating of the coolant, which also acts as a heat screen for the lower wall of the combustion chamber.

Недостатками этих изобретений являются пассивная теплоизоляция корпуса теплогенератора и необходимость использования внешнего рекуператора для подогрева дутьевого воздуха с целью повышения эффективности теплогенератора. The disadvantages of these inventions are the passive thermal insulation of the heat generator body and the need to use an external recuperator to heat the blast air in order to increase the efficiency of the heat generator.

Известны конструкции теплогенераторов с одно- и двухконтурными водяными рубашками, предназначенные для снижения теплопотерь через корпус и предварительного подогрева теплоносителя. В теплогенераторе с одноконтурной водяной рубашкой (патент РФ RU89623U1 – 2009 г.) нагрев теплоносителя осуществляют последовательно в едином контуре высокого давления: предварительный нагрев в рубашке и основной нагрев в змеевике. В теплогенераторе с двухконтурной водяной рубашкой (патент РФ RU2515877C2 – 2014 г.) возможен как двухступенчатый нагрев теплоносителя, так и раздельный нагрев двух различных теплоносителей под различными давлениями.There are known designs of heat generators with single- and double-circuit water jackets, intended to reduce heat loss through the body and preheat the coolant. In a heat generator with a single-circuit water jacket (RU patent RU89623U1 - 2009), the coolant is heated sequentially in a single high-pressure circuit: preheating in the jacket and main heating in the coil. In a heat generator with a double-circuit water jacket (RU patent RU2515877C2 - 2014), both two-stage heating of the coolant and separate heating of two different coolants under different pressures are possible.

Недостатком этих изобретений является необходимость использования внешнего рекуператора для подогрева дутьевого воздуха с целью повышения эффективности теплогенератора.The disadvantage of these inventions is the need to use an external recuperator to heat the blast air in order to increase the efficiency of the heat generator.

Известен модульный принцип построения теплотехнического оборудования (патент США US11015854B2 – 2021 г.), который позволяет объединить преимущества стандартизации элементов (модулей) и возможности гибкой конфигурации (компоновки и общей мощности установки).The modular principle of constructing heat engineering equipment is known (US patent US11015854B2 – 2021), which allows combining the advantages of standardization of elements (modules) and the possibilities of flexible configuration (layout and total capacity of the installation).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является вертикальный термомасляный теплогенератор змеевикового типа, состоящий из цилиндрического корпуса и двухходового змеевика из гладких труб, образующих единый контур для движения нагреваемого ВОТ. Для снижения тепловой нагрузки на верхнюю крышку котла, на которой устанавливают горелочный блок, радиус закрутки внутренней спирали змеевика сокращают в верхней его части, образуя конический экран (патент Китая CN103727670A – 2014 г.) – принято за прототип.The closest to the proposed technical solution is a vertical thermal oil heat generator of the coil type, consisting of a cylindrical body and a two-way coil of smooth pipes, forming a single circuit for the movement of the heated HOT. To reduce the heat load on the upper cover of the boiler, on which the burner unit is installed, the twist radius of the internal spiral of the coil is reduced in its upper part, forming a conical screen (Chinese patent CN103727670A - 2014) - adopted as a prototype.

Недостатком этого устройства является пассивное охлаждение корпуса за счет теплоизоляционного слоя. Это снижает эффективность теплогенератора, т.к. исключается возможность подогрева дутьевого воздуха.The disadvantage of this device is the passive cooling of the body due to the heat-insulating layer. This reduces the efficiency of the heat generator, since the possibility of heating the blast air is excluded.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Техническим результатом изобретения является повышение энергетической эффективности и обеспечение гибкости конфигурации теплогенератора, позволяющей изменять его мощностные возможности при использовании.The technical result of the invention is to increase energy efficiency and ensure flexibility in the configuration of the heat generator, allowing its power capabilities to be changed during use.

Указанный результат достигается тем, что известный теплогенератор с тремя ходами дымовых газов, включающий вертикальный цилиндрический корпус с теплоизоляцией, двухходовой змеевик из гладких или продольно-оребренных труб и горелочный блок с факелом направленным вертикально вниз, установленный на крышке цилиндрического корпуса, и теплоизоляцию, отличающийся тем, что он снабжён воздушной рубашкой, расположенной между теплоизоляционным слоем и цилиндрическим корпусом и предназначенной для подогрева дутьевого воздуха для горелки с присосом через перфорированную нижнюю стенку; на дне камеры сгорания расположен сменный отражатель конической или сегментной формы; внутренняя спираль змеевика имеет разреженный шаг в нижней своей части, наружная спираль змеевика имеет разреженный шаг в верхней своей части; в нижней части теплогенератора расположен горизонтальный коллектор для сбора охлажденных дымовых газов, а для подвода и отвода теплоносителя теплогенератор снабжён горизонтальными коллекторами, расположенными над ним. При этом к каждому коллектору может быть подключено более одного теплогенератора.The specified result is achieved in that the known heat generator with three flue gas passes includes a vertical cylindrical body with thermal insulation, a two-pass coil made of smooth or longitudinally finned pipes and a burner unit with a torch directed vertically downwards, installed on the cover of the cylindrical body, and thermal insulation, characterized in that it is equipped with an air jacket located between the thermal insulation layer and the cylindrical body and intended for heating the blast air for the burner with a suction through a perforated lower wall; a replaceable reflector of a conical or segmental shape is located at the bottom of the combustion chamber; the inner spiral of the coil has a rarefied pitch in its lower part, the outer spiral of the coil has a rarefied pitch in its upper part; a horizontal collector for collecting cooled flue gases is located in the lower part of the heat generator, and for supplying and removing the coolant, the heat generator is equipped with horizontal collectors located above it. Moreover, more than one heat generator can be connected to each collector.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На фиг. 1 представлен разрез теплогенератора, где 1 – коллектор отбора; 2 – коллектор подачи; 3 – теплоизоляционный слой; 4 – цилиндрическая стенка корпуса; 5 – коллектор дымовых газов; 6 – воздушная рубашка; 7 – перфорация; 8 – сменный отражатель; 9 – основание корпуса; 10 – кольцевые газоходы; 11 – наружная спираль змеевика; 12 – внутренняя спираль змеевика; 13 – горелочный блок; 14 – воздушный коллектор.Fig. 1 shows a section of the heat generator, where 1 is the selection manifold; 2 is the feed manifold; 3 is the heat-insulating layer; 4 is the cylindrical wall of the housing; 5 is the flue gas collector; 6 is the air jacket; 7 is the perforation; 8 is the replaceable reflector; 9 is the base of the housing; 10 is the annular gas ducts; 11 is the outer spiral of the coil; 12 is the inner spiral of the coil; 13 is the burner block; 14 is the air collector.

На фиг. 2 представлен комплекс из двух теплогенераторов, подключенных параллельно, где 1 – коллектор отбора; 2 – коллектор подачи; 5 – коллектор дымовых газов; 14 – воздушный коллектор; 15 – нагнетатель.Fig. 2 shows a complex of two heat generators connected in parallel, where 1 is the extraction manifold; 2 is the supply manifold; 5 is the flue gas manifold; 14 is the air manifold; 15 is the blower.

Модульный термомасляный теплогенератор вертикального типа содержит корпус, состоящий из герметично сваренных между собой цилиндрической стенки корпуса 4, крышки (на фигуре не показана) и основания корпуса 9. В корпусе расположен змеевик, состоящий из сваренных наружной спирали змеевика 11 и внутренней спирали змеевика 12. Внутренняя спираль змеевика 12 имеет разреженный шаг в нижней своей части и соединительным патрубком приварена к коллектору отбора 1, а наружная спираль змеевика 11, имеющая разреженный шаг в верхней своей части, – к коллетору подачи 2. На основании корпуса 9 расположен сменный отражатель 8, удерживаемый на месте силой тяжести и ограниченный в перемещении внутренней спиралью змеевика 12. Корпус теплогенератора обнесен теплоизоляционным слоем 3 с образованием зазора – воздушной рубашки 6 между корпусом и теплоизоляционным слоем 3 для движения подогреваемого дутьевого воздуха. Воздух нагнетают через перфорацию 7, выполненную в основании теплоизоляционного слоя 3. Подогретый воздух подается в воздушный коллектор 14, представляющий собой кольцевой воздуховод круглого сечения, а затем в горелочный блок 13. Факел горелки расположен концентрично по отношению к змеевику и направлен вертикально вниз. Продукты сгорания, выполнив три хода по кольцевым каналам, образованным спиралями змеевика и цилиндрической стенкой корпуса 4, отводятся из теплогенератора через коллектор дымовых газов 5.The modular thermal oil heat generator of vertical type comprises a housing consisting of a cylindrical housing wall 4, a cover (not shown in the figure) and a housing base 9, which are hermetically welded together. A coil is located in the housing, consisting of an outer coil spiral 11 and an inner coil spiral 12, which are welded together. The inner coil spiral 12 has a rarefied pitch in its lower part and is welded to the extraction manifold 1 by a connecting pipe, and the outer coil spiral 11, which has a rarefied pitch in its upper part, is welded to the supply manifold 2. A replaceable reflector 8 is located on the base of the housing 9, held in place by gravity and limited in movement by the inner coil spiral 12. The housing of the heat generator is surrounded by a heat-insulating layer 3 with the formation of a gap - an air jacket 6 between the housing and the heat-insulating layer 3 for the movement of the heated blast air. Air is pumped through perforation 7, made in the base of heat-insulating layer 3. Heated air is fed into air collector 14, which is an annular air duct of circular cross-section, and then into burner unit 13. The burner torch is located concentrically with respect to the coil and is directed vertically downwards. Combustion products, having made three passes along the annular channels formed by the spirals of the coil and the cylindrical wall of the housing 4, are discharged from the heat generator through the flue gas collector 5.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

В коллектор подачи 2 нагнетают нагреваемый ВОТ, из которого он сначала спускается по наружной спирали змеевика 11, а затем поднимается по внутренней спирали змеевика 12 после чего поступает в коллектор отбора 1. По мере движения по змеевику ВОТ нагревается за счет конвективного теплообмена с дымовыми газами, двигающимися по кольцевым газоходам 10, а также за счет первичного излучения от факела и вторичного излучения сменного отражателя 8.Heated HOT is pumped into the feed manifold 2, from which it first descends along the outer spiral of the coil 11, and then rises along the inner spiral of the coil 12, after which it enters the selection manifold 1. As it moves along the coil, the HOT is heated due to convective heat exchange with the flue gases moving along the annular gas ducts 10, as well as due to the primary radiation from the torch and the secondary radiation of the replaceable reflector 8.

Нагнетатель 15, являющийся частью горелочного блока 13, создает разрежение в воздушном коллекторе 14 и воздушной рубашке 6. В результате атмосферный воздух через перфорацию 7 в теплоизоляционном слое 3 затягивается в воздушный коллектор 14 и, нагреваясь от цилиндрической стенки корпуса 4 и основания корпуса 9, поступает через воздушный коллектор 14 и нагнетатель 15 в горелочный блок 13. По мере движения по воздушной рубашке 6 атмосферный воздух охлаждает контактные поверхности, снимая термические напряжения в них и сокращая теплопотери через теплоизоляционный слой 3.The blower 15, which is part of the burner unit 13, creates a vacuum in the air manifold 14 and the air jacket 6. As a result, atmospheric air is drawn through the perforation 7 in the heat-insulating layer 3 into the air manifold 14 and, heating up from the cylindrical wall of the housing 4 and the base of the housing 9, enters through the air manifold 14 and the blower 15 into the burner unit 13. As it moves along the air jacket 6, the atmospheric air cools the contact surfaces, relieving thermal stresses in them and reducing heat loss through the heat-insulating layer 3.

Дымовые газы, образующиеся в камере сгорания теплогенератора, поступают в кольцевые газоходы 10 через участки внутренней спирали змеевика 12 и наружной спирали змеевика 11 с разреженным шагом, а затем в коллектор дымовых газов 5, через который отводятся на глубокую рекуперацию, либо в атмосферу. Движение дымовых газов по кольцевым газоходам 10 в три хода обеспечивает достаточное время их контакта с тепловоспринимающими поверхностями змеевика и корпуса.The flue gases formed in the combustion chamber of the heat generator enter the annular flues 10 through sections of the internal spiral of the coil 12 and the external spiral of the coil 11 with a rarefied pitch, and then into the flue gas collector 5, through which they are discharged for deep recuperation, or into the atmosphere. The movement of the flue gases along the annular flues 10 in three passes ensures sufficient time of their contact with the heat-absorbing surfaces of the coil and the body.

Высокая энергетическая эффективность теплогенератора определяется полнотой использования теплоты продуктов сгорания и достигается тем, что у теплогенератора имеется воздушная рубашка для подогрева дутьевого воздуха для горелки с присосом через перфорированную нижнюю стенку, на дне камеры сгорания расположен сменный отражатель конической или сегментной формы. Высокий уровень рекуперации достигается в том числе за счет ряда конструктивных решений, обеспечивающих эффективную реализацию трехходовой схемы движения проуктов сгорания в теплогенераторе, а именно: внутренняя спираль змеевика имеет разреженный шаг в нижней своей части, наружная спираль змеевика имеет разреженный шаг в верхней своей части, охлажденные дымовые газы собирают в горизонтальном коллекторе, расположенном в нижней части теплогенератора. Модульность теплогенератора обеспечивается за счет подвода и отвода теплоносителя через горизонтальные коллекторы, расположенные над теплогенератором так, что к каждому коллектору может быть подключено более одного теплогенератора.High energy efficiency of the heat generator is determined by the completeness of the use of heat of combustion products and is achieved by the fact that the heat generator has an air jacket for heating the blast air for the burner with a suction through a perforated lower wall, at the bottom of the combustion chamber there is a replaceable reflector of a conical or segmental shape. A high level of recuperation is achieved, among other things, due to a number of design solutions that ensure the effective implementation of a three-pass scheme for the movement of combustion products in the heat generator, namely: the inner spiral of the coil has a rarefied pitch in its lower part, the outer spiral of the coil has a rarefied pitch in its upper part, cooled flue gases are collected in a horizontal collector located in the lower part of the heat generator. The modularity of the heat generator is ensured by supplying and removing the coolant through horizontal collectors located above the heat generator so that more than one heat generator can be connected to each collector.

Claims

1. A heat generator with three flue gas passes, comprising a vertical cylindrical body with thermal insulation, a two-pass coil made of smooth or longitudinally finned pipes and a burner unit with a torch directed vertically downwards, mounted on the cover of the cylindrical body, and thermal insulation, characterized in that it is provided with an air jacket located between the thermal insulation layer and the cylindrical body and intended for heating the blast air for the burner with a suction through a perforated lower wall; a replaceable reflector of a conical or segmental shape is located at the bottom of the combustion chamber; the inner spiral of the coil has a rarefied pitch in its lower part, the outer spiral of the coil has a rarefied pitch in its upper part; a horizontal collector for collecting cooled flue gases is located in the lower part of the heat generator, and for the supply and removal of the coolant, the heat generator is provided with horizontal collectors located above it.

2. A heat generator according to paragraph 1, characterized in that more than one heat generator can be connected to each collector.