DE102013222059A1

DE102013222059A1 - Wärmeübertragungsrohr und Cracking-Ofen, der das Wärmeübertragungsrohr verwendet

Info

Publication number: DE102013222059A1
Application number: DE201310222059
Authority: DE
Inventors: Guoqing Wang; Lijun Zhang; Xianfeng Zhou; Junjie Liu; Zhiguo Du; Yonggang Zhang; Zhaobin Zhang; Cong Zhou
Original assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2014-04-30
Also published as: JP6317091B2; US9359560B2; CN103791753B; FR2997488A1; RU2654766C2; BR102013027961A2; CA2831755A1; JP2014112024A; GB201319549D0; CA2831755C; FR2997488B1; BE1022111B1; CN103791753A; SG2013080528A; US20140127091A1; GB2510025A; RU2013148373A; KR102143480B1; NL2011704B1; GB2510025B

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr und einen Cracking-Ofen, der das Wärmeübertragungsrohr verwendet. Das Wärmeübertragungsrohr umfasst ein verdrilltes Umlenkelement, das in einer Innenwand des Rohrs angeordnet ist, wobei sich das verdrillte Umlenkelement spiralförmig entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs erstreckt. Das verdrillte Umlenkelement definiert von einem Ende des Wärmeübertragungsrohrs betrachtet einen geschlossenen Kreis. Entlang der Trajektorie des Kreises ist ein Gehäuse angeordnet, das fest an einem Radialinnenende des verdrillten Umlenkelements angeordnet ist. Das verdrillte Umlenkelement ist mit einer Vielzahl von Ausnehmungen versehen. Das Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Offenbarung hat eine gute Wärmeübertragungswirkung und einen geringen Druckverlust.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr, das insbesondere für einen Heizofen geeignet ist. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner einen Cracking-Ofen, der das Wärmeübertragungsrohr verwendet.
Stand der Technik
Cracking-Öfen, die Hauptausstattung in der petrochemischen Industrie, werden hauptsächlich zum Erwärmen von Kohlenwasserstoffmaterial verwendet, um eine Cracking-Reaktion zu erreichen, was eine große Energiemenge benötigt. Die Fourier-Gleichung besagt q / A = –k dt / dy wobei q die übertragene Wärme ist, A das Wärmeübertragungsgebiet darstellt, k für den Wärmeübertragungskoeffizienten steht und dt/dy der Temperaturgradient ist. Unter Betrachtung eines in der petrochemischen Industrie verwendeten Cracking-Ofens als ein Beispiel, wenn das Wärmeübertragungsgebiet A (welches durch die Kapazität des Cracking-Ofens bestimmt wird) und der Temperaturgradient dt/dy bestimmt werden, ist die einzige Möglichkeit zum Verbessern der pro Gebietseinheit übertragenen Wärme q/A den Wert des Wärmeübertragungskoeffizienten k zu verbessern, welcher Einflüssen der thermischen Beständigkeit des Hauptfluids, der thermischen Beständigkeit der Grenzschicht, usw., ausgesetzt ist.
Gemäß der Grenzschichttheorie von Prandtl würde, wenn eine bestimmte Flüssigkeit entlang einer festen Wand strömt, eine extrem dünne Schicht des Fluids nahe zur Wandoberfläche an der Wand ohne Bewegung angebracht sein. Mit anderen Worten ist die Geschwindigkeit des an der Wandfläche angebrachten Fluids, welches die Grenzschicht bildet, Null. Obwohl diese Grenzschicht sehr dünn ist, ist die Wärmebeständigkeit hiervon ungewöhnlich groß. Wenn Wärme durch die Grenzschicht gelangt, kann sie schnell auf das Hauptfluid übertragen werden. Deshalb könnte, falls die Grenzschicht auf irgendeine Weise dünner gemacht werden kann, die übertragene Wärme effektiv erhöht werden.
Im Stand der Technik ist ein Ofenrohr eines in der petrochemischen Industrie allgemein verwendeten Cracking-Ofens üblicherweise wie folgt aufgebaut. Auf der einen Seite ist eine Rippe an der Innenfläche einer, mehrerer oder aller Regionen vom Einlassende zum Auslassende entlang der Axialrichtung der Ofenschlange im Cracking-Ofen vorgesehen, und erstreckt sich spiralförmig an der Innenfläche der Ofenschlange entlang einer Axialrichtung hiervon. Obwohl die Rippe das Fluid verwirbeln kann, um die Dicke der Grenzschicht zu minimieren, würde die Verkokung, die an der Innenfläche hiervon ausgebildet wird, kontinuierlich die Rolle der Rippe im Laufe der Zeit schwächen, so dass die Funktion zum Reduzieren der Grenzschicht hiervon kleiner wird. Auf der anderen Seite sind eine Vielzahl von Rippen, die voneinander beabstandet sind, an der Innenfläche des Ofenrohrs vorgesehen. Diese Rippen können ebenso die Dicke der Grenzschicht reduzieren. Allerdings, nachdem die Verkokung an der Innenfläche des Ofenrohrs erhöht wird, werden diese Rippen in ähnlicher Weise weniger effektiv werden.
Demnach ist es in diesem technischen Gebiet wichtig, die Wärmeübertragungselemente zu verbessern, um die Wärmeübertragungswirkung der Ofenschlange zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung
Um das obige technische Problem im Stand der Technik zu lösen, stellt die vorliegende Offenbarung ein Wärmeübertragungsrohr bereit, das gute Übertragungswirkungen besitzt. Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner einen das Wärmeübertragungsrohr verwendenden Cracking-Ofen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung offenbart sie ein Wärmeübertragungsrohr, umfassend ein verdrilltes Umlenkelement, das an einer Innenwand des Rohrs angeordnet ist, wobei sich das verdrillte Umlenkelement spiralförmig entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs erstreckt.
Beim Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Offenbarung strömt unter der Einwirkung des verdrillten Umlenkelements ein Fluid entlang des verdrillten Umlenkelements und wird zu einer sich drehenden Strömung. Eine Tangentialgeschwindigkeit des Fluids zerstört die Grenzschicht, um den Zweck der Verbesserung der Wärmeübertragung zu erreichen.
In einer Ausführungsform ist das verdrillte Umlenkelement mit einer Vielzahl von Ausnehmungen versehen. Sowohl die axial als auch radial strömenden Fluide können durch die Ausnehmungen strömen, d. h., diese Ausnehmungen können die Strömungsrichtungen der Fluide ändern, um die Turbulenz im Wärmeübertragungsrohr zu verbessern, wodurch die Grenzschicht zerstört wird und der Zweck der Verbesserung der Wärmeübertragung erreicht wird. Zusätzlich können Fluide von unterschiedlichen Richtungen einfach durch diese Ausnehmungen gelangen und stromabwärts strömen, wodurch der Strömungswiderstand der Fluide weiter reduziert wird und ein Druckverlust reduziert wird. Koksstücke, die in den Fluiden getragen werden, können ebenso durch diese Ausnehmungen gelangen, um sich stromabwärts zu bewegen, was den Ausstoß der Koksstücke erleichtert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis des Summengebiets der Vielzahl der Ausnehmungen zum Gebiet des verdrillten Umlenkelements in einem Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1. Wenn das Verhältnis im obigen Bereich ein geringer Wert ist, hat das Wärmeübertragungsrohr eine hohe Kapazität, jedoch ist der Druckabfall des Fluids groß. Wenn der Wert des Verhältnisses größer wird, würde das Wärmeübertragungsrohr eine geringere Kapazität aufweisen, jedoch wird der Druckverlust des Fluids entsprechend kleiner. Wenn das Verhältnis von 0,6:1 bis 0,8:1 erreicht, fällt die Kapazität von sowohl dem Wärmeübertragungsrohr als auch dem Druckabfall des Fluids in einen geeigneten Bereich. Das Verhältnis eines Axialabstands zwischen den Mittenlinien der zwei benachbarten Ausnehmungen zu einer axialen Länge des verdrillten Umlenkelements reicht von 0,2:1 bis 0,8:1.
In einer Ausführungsform hat das verdrillte Umlenkelement einen Verdrillwinkel von zwischen 90° bis 1080°. Wenn der Verdrillwinkel relativ klein ist, sind sowohl der Druck des Fluids als auch die Tangentialgeschwindigkeit des drehenden Fluids klein. Deshalb hat das Wärmeübertragungsrohr eine geringe Wirkung. Sobald der Verdrillwinkel größer wird, würde sich die Tangentialgeschwindigkeit der sich drehenden Strömung erhöhen, so dass die Wirkung des Wärmeübertragungsrohrs verbessert würde, jedoch wird der Druckabfall des Fluids erhöht. Wenn der Verdrillwinkel von 120°–360° reicht, fällt sowohl die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs als auch der Druckabfall des Fluids in einen geeigneten Bereich. Eine einzelne Region des Wärmeübertragungsrohrs kann mit einer Vielzahl von verdrillten Umlenkelementen parallel zueinander versehen sein, welche vom einen Ende des Wärmeübertragungsrohrs betrachtet einen geschlossenen Kreis definieren. In einer bevorzugten Ausführungsform fällt das Durchmesserverhältnis des Kreises zum Wärmeübertragungsrohr in einen Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1. Wenn dieses Verhältnis relativ klein ist, hat das Wärmeübertragungsrohr eine hohe Kapazität, jedoch ist der Druckabfall des Fluids groß. Wenn sich der Wert des Verhältnisses schrittweise erhöht, würde die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs verringert werden, jedoch würde der Druckabfall des Fluids entsprechend klein werden. Wenn dieses Verhältnis von 0,6:1 bis 0,8:1 reicht, würde die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs und der Druckabfall des Fluids innerhalb entsprechende geeignete Bereiche fallen. Diese Anordnung gewährleistet, dass lediglich der zur Wärmeübertragungsrohrwand geschlossene Abschnitt mit einem verdrillten Umlenkelement versehen ist, während der mittige Abschnitt des Wärmeübertragungsrohrs eigentlich einen Kanal ausbildet. Auf diese Weise kann, wenn das Fluid durch das Wärmeübertragungsrohr strömt, ein Teil des Fluids direkt aus dem Rohr durch den Kanal strömen, so dass nicht nur eine bessere Wärmeübertragungswirkung erreicht werden kann, sondern auch der Druckverlust klein ist. Darüber hinaus stellt der Kanal ebenso sicher, dass Koksstücke schnell hiervon ausgestoßen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis der axialen Länge des verdrillten Umlenkelements zu einem Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs ein Bereich von 1:1 bis 10:1. Wenn dieses Verhältnis relativ klein ist, ist die Tangentialgeschwindigkeit der sich drehenden Strömung relativ groß, so dass das Wärmeübertragungsrohr eine hohe Kapazität aufweist, jedoch der Druckverlust des Fluids relativ groß ist. Wenn sich der Wert des Verhältnisses schrittweise erhöht, würde die Tangentialgeschwindigkeit der sich drehenden Strömung kleiner werden, und somit wäre die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs verringert, jedoch würde der Druckabfall des Fluids kleiner werden. Wenn dieses Verhältnis von 2:1 bis 4:1 reicht, würde sowohl die Kapazität des Wärmeübertragungsrohrs als auch der Druckabfall des Fluids in entsprechende geeignete Bereiche fallen. Das verdrillte Umlenkelement mit einer solchen Größe versieht ferner das Fluid im Wärmeübertragungsrohr mit einer ausreichenden Tangentialgeschwindigkeit, um die Grenzschicht zu zerstören, so dass eine bessere Wärmeübertragungswirkung erreicht werden kann, und es wäre eine kleinere Tendenz, dass Koks an der Wärmeübertragungswand ausgebildet wird.
In einer Ausführungsform ist entlang der Trajektorie des Kreises ein Gehäuse angeordnet und fest mit einem radialen Innenende des verdrillten Umlenkelements verbunden. Mit dieser Anordnung des Gehäuses würde die sich drehende Strömung des Fluids nicht durch die Strömung innerhalb des Gehäuses beeinflusst, was weiter die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids verbessert, die Wärmeübertragung erhöht und Koks an der Wärmeübertragungswand reduziert. Darüber hinaus verbessert das Gehäuse ebenso die Festigkeit des verdrillten Umlenkelements. Zum Beispiel kann das Gehäuse effektiv das verdrillte Umlenkelement stützen, wodurch die Stabilität und ein Auftreffwiderstand hiervon verbessert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung offenbart sie einen Cracking-Ofen, von dem eine Strahlerschlange zumindest ein, bevorzugt 2 bis 10 Wärmeübertragungsrohre gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst.
In einer Ausführungsform sind die Vielzahl der Wärmeübertragungsrohre in der Strahlerschlange entlang einer Axialrichtung hiervon derart angeordnet, dass sie voneinander beabstandet sind. Das Verhältnis des Beabstandungsabstands zum Durchmesser des Wärmeübertragungsrohrs ist in einem Bereich von 15:1 bis 75:1, bevorzugt von 25:1 bis 50:1. Die Vielzahl der Wärmeübertragungsrohre, die voneinander beabstandet sind, können das Fluid in der Strahlerschlange kontinuierlich von der Kolbenströmung in die sich drehende Strömung ändern, wodurch die Wärmeübertragungswirkung verbessert wird.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung bedeutet der Begriff „Kolbenströmung” idealerweise, dass sich die Fluide miteinander in der Strömungsrichtung mischen, jedoch keineswegs in der Radialrichtung. In der Praxis kann allerdings lediglich eher eine annähernde Kolbenströmung als eine absolute Kolbenströmung erreicht werden.
Verglichen mit dem Stand der Technik stellt die vorliegende Offenbarung die folgenden Aspekte bereit. Zunächst wandelt die Anordnung des verdrillten Umlenkelements im Wärmeübertragungsrohr das entlang dem verdrillten Umlenkelement strömende Fluid in ein sich drehendes Fluid, wodurch die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids verbessert wird, die Grenzschicht zerstört wird und der Zweck der Verbesserung der Wärmeübertragung erreicht wird. Als nächstes kann die Vielzahl der am verdrillten Umlenkelement vorgesehenen Ausnehmungen die Strömungsrichtung des Fluids verändern, um die Turbulenz im Wärmeübertragungsrohr zu verstärken und das Ziel der Verbesserung der Wärmeübertragung zu erreichen. Ferner können diese Ausnehmungen weiter den Widerstand in der Strömung des Fluids reduzieren, so dass der Druckverlust weiter abgesenkt wird. Darüber hinaus können sich Koksstücke, die im Fluid getragen werden, ebenso durch diese Ausnehmungen stromabwärts bewegen, was den Ausstoß der Koksstücke fördert. Wenn eine einzelne Region des Wärmeübertragungsrohrs mit einer Vielzahl von verdrillten Umlenkelementen parallel zueinander versehen ist, welche von einem Ende des Wärmeübertragungsrohrs betrachtet einen geschlossenen Kreis definieren, bildet ein Mittenabschnitt des Wärmeübertragungsrohrs eigentlich einen Kanal, was einen Druckverlust verringern kann und für einen schnellen Ausstoß der Koksstücke geeignet ist. Darüber hinaus ist entlang der Trajektorie des Kreises ein Gehäuse angeordnet. Deshalb bilden das Gehäuse, das verdrillte Umlenkelement und die Innenwand des Wärmeübertragungsrohrs zusammen einen Spiralhohlraum, in dem das Fluid in eine sich vollständig drehende Strömung gewandelt wird, was weiter die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids verbessert, wodurch die Wärmeübertragung weiter erhöht wird und eine Ausbildung von Koks an der Wand des Wärmeübertragungsrohrs reduziert wird. Zusätzlich kann das Gehäuse das verdrillte Umlenkelement tragen, wodurch die Stabilität und ein Auftreffwiderstand des verdrillten Umlenkelements verbessert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung im Detail mit Blick auf spezifische Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt, von denen
1 schematisch eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
2 und 3 schematisch perspektivische Ansichten einer zweiten Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen,
4 schematisch eine Querschnittansicht der zweiten Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
5 schematisch einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
6 schematisch eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt,
7 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragungsrohrs gemäß dem Stand der Technik zeigt, und
8 schematisch eine Strahlerschlange eines Cracking-Ofens zeigt, welcher das Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet.
In den Zeichnungen wird die gleiche Komponente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Zeichnungen sind nicht im tatsächlichen Maßstab gezeichnet.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die vorliegende Offenbarung wird nachfolgend mit Blick auf die Zeichnungen weiter dargestellt.
1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Wärmeübertragungsrohrs 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Wärmeübertragungsrohr 10 ist mit zwei verdrillten Umlenkelementen 11 und 11' zum Einführen eines Fluids versehen, um ein drehendes Strömen eines Fluids auszulösen. Die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' sind parallel zueinander und erstrecken sich spiralförmig entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10, dessen Struktur ähnlich einer Doppelhelixstruktur von DNA-Molekülen ist. Die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' haben einen Verdrillwinkel zwischen 90 und 1080°, so dass sie einen vertikalen Durchgang 12 (d. h., einen Kreis 12, wie in 4 gezeigt) entlang der Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10 definieren. Allerdings können die verdrillten Umlenkelemente ebenso Scheibenkörper sein, anstatt den vertikalen Durchgang 12 zu definieren, was nachfolgend beschrieben wird.
Die verdrillten Umlenkelemente, die nicht den vertikalen Durchgang definieren, können als eine Trajektorienfläche verstanden werden, welche durch Drehen einer Durchmesserlinie des Wärmeübertragungsrohrs 10 um einen Mittelpunkt hiervon und zur gleichen Zeit Verschieben dieses entlang der Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs 10 nach oben oder nach unten erhalten wird. Im Gegensatz hierzu können die verdrillten Umlenkelemente, die den vertikalen Durchgang definieren, durch Entfernen von einer Zylinderkoaxialen mit dem Wärmeübertragungsrohr 10 ausgebildet werden, wobei ein Mittenabschnitt der verdrillten Umlenkelemente nicht den vertikalen Durchgang definiert, wodurch zwei identische parallele verdrillte Umlenkelemente, wie in 1 gezeigt, ausgebildet werden können. Auf diese Weise umfassen die zwei verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' eine Oberkante und eine Unterkante, die parallel zueinander sind, sowie ein Paar verdrillter Seitenkanten, die stets mit einer Innenwand des Wärmeübertragungsrohrs 10 in Kontakt sind.
Eine Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements, wie in 1 gezeigt, wird mit dem verdrillten Umlenkelement 11 als ein Beispiel nachfolgend beschrieben. Das Verhältnis der axialen Länge des verdrillten Umlenkelements 11 zu einem Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 10 liegt in einem Bereich von 1:1 bis 10:1. Die axiale Länge des verdrillten Umlenkelements 11 kann als ein „Abstand” bezeichnet werden, und das Verhältnis des „Abstands” zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 10 kann als ein „Verdrillverhältnis” bezeichnet werden. Der Verdrillwinkel und das Verdrillverhältnis würden beide den Drehgrad des Fluids im Wärmeübertragungsrohr 10 beeinflussen. Wenn das Verdrillverhältnis bestimmt ist, wird, je größer der Verdrillwinkel ist, die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids höher, jedoch wäre der Druckabfall des Fluids ebenso entsprechend höher. Das verdrillte Umlenkelement 11 wird mit einem Verdrillverhältnis von einem Verdrillwinkel ausgewählt, welche es dem Fluid im Wärmeübertragungsrohr 10 ermöglichen, eine ausreichend hohe Tangentialgeschwindigkeit zu haben, um die Grenzschicht zu zerstören, so dass eine gute Wärmeübertragungswirkung erreicht werden kann. In diesem Fall kann eine geringere Tendenz dafür, dass Koks an der Innenwand des Wärmeübertragungsrohrs ausgebildet wird, erhalten werden, und der Druckabfall des Fluids kann in einen akzeptablen Bereichs geführt werden.
Nachdem sich die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' spiralförmig erstrecken, würde sich das Fluid von einer Kolbenströmung in eine sich drehende Strömung unter der Führung der verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' wandeln. Mit einer Tangentialgeschwindigkeit würde das Fluid die Grenzschicht zerstören, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Darüber hinaus gebe es eine kleinere Tendenz dafür, dass Koks an der Innenwand des Wärmeübertragungsrohrs 10 ausgebildet wird, und zwar mit Blick auf die Tangentialgeschwindigkeit des Fluids. Neben einem Verbessern der Wärmeübertragungswirkung kann der durch die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' definierte Kanal (d. h., der zuvor erwähnte vertikale Durchgang oder der Kreis 12, wie in 4 gezeigt) ebenso den Widerstand zum Fluid reduzieren, das durch das Wärmeübertragungsrohr 10 strömt. Zusätzlich ist der Kanal ebenso hilfreich für den Ausstoß der abgeblätterten Koksstücke.
2 und 3 zeigen schematisch eine zweite Ausführungsform des verdrillten Umlenkelements. In dieser Ausführungsform sind die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' beide mit Ausnehmungen 41 versehen. Wenn man das verdrillte Umlenkelement 11 als ein Beispiel nimmt, können Fluide, die axial oder radial strömen, beide durch die Ausnehmungen 41 strömen. Auf diese Weise kann sich unter der Führung des verdrillten Umlenkelements 11 das Fluid nicht nur in eine sich drehende Strömung wandeln, um die Dicke der Grenzschicht zu reduzieren, sondern es gelangt auch sanft durch die Ausnehmungen 41, um stromabwärts zu strömen, was den Druckverlust des Fluids deutlich reduziert. Darüber hinaus können Koksstücke im Fluid ebenso durch die Ausnehmung 41 gelangen, was den Betrieb der mechanischen Entkokung oder der hydraulischen Entkokung erleichtert. 4 ist eine Querschnittansicht der 2 und 3, welche explizit den Aufbau des Wärmeübertragungsrohrs 10 zeigt.
5 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs 10. Der Aufbau der dritten Ausführungsform ist im Wesentlichen der Gleiche wie derjenige der zweiten Ausführungsform. Die Unterschiede dazwischen liegen in den folgenden Punkten. Zunächst ist in der dritten Ausführungsform entlang der Trajektorie des vertikalen Durchgangs (d. h., dem Kreis 12 in 4) ein Gehäuse 20 angeordnet, das fest mit radialen Innenenden der verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' verbunden ist, um die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' zu tragen und ebenso die Stabilität und den Auftreffwiderstand hiervon zu verbessern. Darüber hinaus schließen das Gehäuse 20, die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' und eine Innenwand des Wärmeübertragungsrohrs 10 zusammen spiralförmige Hohlräume 21 und 21' ein. Wenn ein Fluid in die spiralförmigen Hohlräume 21 und 21' eintritt, würde es sich von einer Kolbenströmung in eine sich drehende Strömung wandeln, und getrennt durch das Gehäuse 20 würde die sich drehende Strömung nicht durch die Kolbenströmung im Gehäuse beeinflusst, so dass die sich drehende Strömung eine höhere Tangentialgeschwindigkeit haben würde, wodurch die Wärmeübertragung verbessert wird und ein Verkoken an der Wand des Wärmeübertragungsrohrs reduziert wird. Wenn die sich drehenden Strömungen aus den spiralförmigen Hohlräumen 21 und 21' ausströmen, können sie die Turbulenz des Fluids im Wärmeübertragungsrohr 10 unter der Trägheitswirkung hiervon verbessern, wodurch die Wärmeübertragungswirkung weiter verbessert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Innendurchmesserverhältnis des Gehäuses 20 zum Wärmeübertragungsrohr 10 in einem Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1, so dass Koksblättchen durch das Gehäuse 20 gelangen können, was den Ausstoß der Koksblättchen erleichtert.
Es ist ersichtlich, dass, obwohl die verdrillten Umlenkelemente 11 und 11' in der in 5 angezeigten Ausführungsform mit Ausnehmungen 41 versehen sind, die verdrillten Umlenkelemente in einigen Ausführungsformen auch eigentlich ohne Ausnehmungen versehen sein können, was hier der Einfachheit halber nicht erklärt wird.
6 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform des Wärmeübertragungsrohrs 10. Es ist anzumerken, dass das verdrillte Umlenkelement 40 in 6 darin verschieden von jedem der verdrillten Umlenkelemente in 1 bis 5 ist, dass das verdrillte Umlenkelement 40 keinen vertikalen Durchgang einschließt, wie in 1 bis 5 gezeigt. Das spiralförmige, verdrillte Umlenkelement 40 kann die Dicke der Grenzschicht reduzieren, und zur gleichen Zeit verringern Ausnehmungen 42, die am verdrillten Umlenkelement 40 vorgesehen sind, den Widerstand des entlang der Axialrichtung strömenden Fluids, um einen Druckverlust hiervon zu reduzieren. In einer spezifischen Ausführungsform reicht das Verhältnis des Summengebiets der Vielzahl der Ausnehmungen 42 zum Gebiet des verdrillten Umlenkelements 40 von 0,05:1 bis 0,95:1. Und das Verhältnis eines axialen Abstands zwischen den Mittenlinien der zwei benachbarten Ausnehmungen 42 zu einer axialen Länge des verdrillten Umlenkelements 40 reicht von 0,2:1 bis 0,8:1.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ferner einen Cracking-Ofen (in den Figuren nicht gezeigt), der das zuvor erwähnte Wärmeübertragungsrohr 10 verwendet. Ein Cracking-Ofen ist dem Fachmann wohl bekannt, und wird deshalb hier nicht weiter diskutiert. Eine Strahlerschlange 50 des Cracking-Ofens ist mit zumindest einem zuvor beschriebenen Wärmeübertragungsrohr 10 versehen. 8 zeigt schematisch drei Wärmeübertragungsrohre 10. Bevorzugt sind diese Wärmeübertragungsrohre 10 entlang der Axialrichtung in der Strahlerschlange derart vorgesehen, dass sie voneinander beabstandet sind. Zum Beispiel ist das Verhältnis eines axialen Abstands von zwei benachbarten Wärmeübertragungsrohren 10 zum Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 10 in einem Bereich von 15:1 bis 75:1, bevorzugt von 25:1 bis 50:1, so dass sich das Fluid in der Strahlerschlange kontinuierlich von einer Kolbenströmung in eine sich drehende Strömung wandeln würde, wodurch die Wärmeübertragungswirkung verbessert wird. Es ist anzumerken, dass, wenn es eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren gibt, diese Wärmeübertragungsrohre derart angeordnet sein können, wie in einer der 1 bis 6 gezeigt.
Nachfolgend werden spezifische Beispiele verwendet, um die Wärmeübertragungseffizienz und einen Druckabfall einer Strahlerschlange eines Cracking-Ofens zu erklären, wenn das Wärmeübertragungsrohr 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet wird.
Beispiel 1
Die Strahlerschlange des Cracking-Ofens ist mit 6 Wärmeübertragungsrohren 10, wie in 1 angezeigt, versehen. Der Innendurchmesser jedes der Wärmeübertragungsrohre 10 beträgt 51 mm. Das Durchmesserverhältnis des geschlossenen Kreises zum Wärmeübertragungsrohr beträgt 0,6:1. Das verdrillte Umlenkelement weist einen Verdrillwinkel von 180° und ein Verdrillverhältnis von 2,5 auf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsrohren 10 ist 50 Mal größer als der Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs. Experimente haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungslast der Strahlerschlange 1.270,13 KW beträgt und der Druckabfall 70.180,7 Pa beträgt.
Beispiel 2
Die Strahlerschlange des Cracking-Ofens ist mit 6 Wärmeübertragungsrohren 10, wie in 2 angezeigt, ausgestattet. Der Innendurchmesser jeder der Wärmeübertragungsrohre 10 beträgt 51 mm. Das Durchmesserverhältnis des geschlossenen Kreises zum Wärmeübertragungsrohr beträgt 0,6:1. Das verdrillte Umlenkelement weist einen Verdrillwinkel von 180° und ein Verdrillverhältnis von 2,5 auf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsrohren 10 ist 50 Mal größer als der Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs. Experimente haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungslast der Stahlerschlange 1.267,59 KW beträgt und der Druckverlust 70.110,5 Pa beträgt.
Vergleichsbeispiel 1
Die Strahlerschlange des Cracking-Ofens ist mit 6 Wärmeübertragungsrohren 50' gemäß dem Stand der Technik versehen. Das Wärmeübertragungsrohr 50' ist mit einem verdrillten Umlenkelement 51' in einem Gehäuse des Wärmeübertragungsrohrs 50' versehen aufgebaut, wobei das verdrillte Umlenkelement 51' das Wärmeübertragungsrohr 50 in zwei Materialdurchgänge teilt, die nicht miteinander kommunizieren, wie in 7 gezeigt. Der Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs 50' beträgt 51 mm. Das verdrillte Umlenkelement 51' hat einen Verdrillwinkel von 180° und ein Verdrillverhältnis von 2,5. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsrohren 50' ist 50 Mal größer als der Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs. Experimente haben gezeigt, dass die Wärmeübertragungslast der Strahlerschlange 1.264,08 KW beträgt und der Druckabfall 71.140 Pa beträgt.
Mit Blick auf die obigen Beispiele und das Vergleichsbeispiel kann hergeleitet werden, dass verglichen mit der Wärmeübertragungseffizienz der Strahlerschlange im Cracking-Ofen, der das Wärmeübertragungsrohr gemäß dem Stand der Technik verwendet, die Wärmeübertragungseffizienz der Strahlerschlange im Cracking-Ofen, der das Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet, deutlich verbessert ist. Die Wärmeübertragungslast der Strahlerschlange ist bis auf 1.270,13 KW verbessert und der Druckabfall ist ebenso derart gut geführt, dass lediglich 6.573,8 Pa gering ist. Die obigen Merkmale sind sehr geeignet für eine Kohlenstoffwasserstoff-Cracking-Reaktion.
Obwohl diese Offenbarung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Beispiele diskutiert wurde, erstreckt sie sich über die speziell offenbarten Beispiele zu anderen alternativen Beispielen und/oder Verwendung der Offenbarung und ersichtlichen Modifikationen und Äquivalente hiervon hinaus. Solange es keine baulichen Kollisionen gibt, können insbesondere die technischen Merkmale, die in jedem Beispiel der vorliegenden Offenbarung offenbart sind, miteinander auf jegliche Art kombiniert werden. Der Bereich der vorliegenden Offenbarung, die hier offenbart ist, sollte nicht durch die zuvor beschriebenen, besonderen offenbarten Beispiele beschränkt sein, sondern umfasst alle technische Lösungen, die dem Bereich der folgenden Ansprüche folgen.

Claims

Wärmeübertragungsrohr mit einem an einer Innenwand des Rohrs angeordneten verdrillten Umlenkelement, wobei sich das verdrillte Umlenkelement spiralförmig entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs erstreckt.
Wärmeübertragungsrohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verdrillte Umlenkelement mit einer Vielzahl von Ausnehmungen versehen ist.
Wärmeübertragungsrohr gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Summengebiets der Vielzahl der Ausnehmungen zum Gebiet des verdrillten Umlenkelements in einem Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1 liegt, bevorzugt von 0,6:1 bis 0,8:1.
Wärmeübertragungsrohr gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis eines axialen Abstands zwischen den Mittenlinien der zwei benachbarten Ausnehmungen zu einer axialen Länge des verdrillten Umlenkelements von 0,2:1 bis 0,8:1 reicht.
Wärmeübertragungsrohr gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verdrillte Umlenkelement einen Verdrillwinkel von zwischen 90° bis 1080° aufweist, bevorzugt 120° bis 360°.
Wärmeübertragungsrohr gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzelne Region des Wärmeübertragungsrohrs mit einer Vielzahl von parallel zueinander befindlichen verdrillten Umlenkelementen versehen ist, welche von einem Ende des Wärmeübertragungsrohr betrachtet einen geschlossenen Kreis definieren.
Wärmeübertragungsrohr gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmesserverhältnis des Kreises zum Wärmeübertragungsrohr in einen Bereich von 0,05:1 bis 0,95:1 fällt, bevorzugt von 0,6:1 bis 0,8:1.
Wärmeübertragungsrohr gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Trajektorie des Kreises ein Gehäuse angeordnet ist, das fest mit einem Radialinnenende des verdrillten Umlenkelements verbunden ist.
Wärmeübertragungsrohr gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der axialen Länge des verdrillten Umlenkelements zu einem Innendurchmesser des Wärmeübertragungsrohrs in einem Bereich von 1:1 bis 10:1 liegt, bevorzugt von 2:1 bis 4:1.
Cracking-Ofen mit einer Strahlerschlange, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerschlange ein, bevorzugt 2 bis 10 Wärmeübertragungsrohre gemäß Anspruch 1 aufweist.
Cracking-Ofen gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Wärmeübertragungsrohre in der Strahlerschlange entlang einer Axialrichtung hiervon derart angeordnet ist, dass sie voneinander beabstandet sind, wobei das Verhältnis eines Beabstandungsabstandes zum Durchmesser des Wärmeübertragungsrohrs in einem Bereich von 15:1 bis 75:1 liegt, bevorzugt von 25:1 bis 50:1.