СИСТЕМА ВОДОПОДОГРЕВА АВТОНОМНОЙ КОГЕНЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Решение относится к области теплоэнергетики - утилизации теплоты уходящих газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), котлов и печей; предназначено для подогрева воды в условиях различных уровней теплопотребления (горячего водоснабжения - ГВС) потребителей.
В часы наибольшего потребления горячей воды ее расход может превышать среднесуточное значение в 2…3 раза //Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства, ч.1/Под ред. И.Г.Староверова - М.: Стройиздат, 1975, стр.176. Для решения этой проблемы обычно устанавливают дополнительный теплоизолированный бак-аккумулятор горячей воды достаточно большой емкости, куда теплоноситель, нагреваемый в теплообменных аппаратах, закачивается в периоды наименьшего потребления, и откуда затем забирается в периоды пиковых нагрузок. Вода в систему ГВС из баков-аккумуляторов, как правило, подается автоматически насосами с регулируемой подачей в зависимости от водоразбора.
В качестве прототипа принята система водоподогрева автономной когенерационной установки, описанная патентом РФ на полезную модель №75454, F22B 33/18, опуб. 10.08.2008. Система включает низкотемпературный теплообменник для утилизации тепла отходящих газов от высокотемпературного котла-утилизатора ДВС с патрубками подвода и отвода нагреваемой воды и газопроводом подвода греющего потока. Низкотемпературный теплообменник выполнен в виде расположенной выше газопровода подвода греющего потока герметичной камеры, образованной наружной стенкой дымовой трубы и соосно ей установленным теплоизолированным кожухом, состоящим из обечайки с верхней и нижней крышками, при этом патрубок подвода подогреваемой воды расположен в нижней части камеры тангенциально ее стенкам, а патрубок отвода воды - в верхней части камеры, также тангенциально стенкам и диаметрально противоположно патрубку подвода воды.
Недостаток этой системы состоит в том, что при постоянстве теплового режима работы двигателя (постоянстве электрической нагрузки когенерационной установки) подвод тепловой энергии нагреваемой воде также постоянен, и в периоды повышенного водопотребления нагрев воды может оказаться недостаточным для нужд потребителей (требуемая температура составляет 60…70°C).
Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.
Решаемая задача - повышение эффективности и надежности функционирования системы ГВС.
Технический результат - дополнительная возможность аккумулирования тепловой энергии в период пониженного водопотребления и ее отдачи в часы «пик» в конструкции с минимальными для когенерационной установки габаритами.
Этот технический результат достигается тем, что в системе водоподогрева автономной когенерационной установки, включающей низкотемпературный теплообменник для утилизации тепла отходящих газов от высокотемпературного котла-утилизатора ДВС с патрубками подвода и отвода нагреваемой воды и газопроводом подвода греющего потока от котла-утилизатора к дымовой трубе, между низкотемпературным теплообменником, выполненным в виде расположенной выше газопровода подвода греющего потока герметичной камеры, образованной с внешней стороны теплоизолированным кожухом, состоящим из обечайки с верхней и нижней крышками, где патрубок подвода подогреваемой воды расположен в нижней части камеры тангенциально ее стенкам, а патрубок отвода воды - в верхней части камеры, также тангенциально стенкам и диаметрально противоположно патрубку подвода воды, и дымовой трубой, расположенной соосно теплоизолированному кожуху, установлен тепловой аккумулятор фазового перехода (ТАФП), образованный с внутренней стороны наружной стенкой дымовой трубы, а с внешней стороны - соосно ей установленной обечайкой, являющейся внутренней стенкой низкотемпературного теплообменника, заполненной теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), в качестве которого предлагается парафин с температурой фазового перехода 60°C и теплотой фазового перехода 183 кДж/кг.
При работе когенерационной установки на основе газопоршневых агрегатов температура уходящих газов после утилизационного котла на входе в дымовую трубу составляет порядка 180°C (дальнейшее снижение температуры приводит к существенному росту массогабаритных показателей установки).
ТАФП позволяет эффективно отбирать тепло от дымовой трубы, сохранять его, и при повышенном водопотреблении горячей воды отдавать дополнительно тепловую энергию фазового перехода для подогрева воды до требуемой температуры.
Предлагаемая конструкция системы водоподогрева с ТАФП приведена на рисунке фиг.1, на фиг.2 - вид сверху. Система водоподогрева включает низкотемпературный теплообменник 1 для утилизации тепла отходящих газов от высокотемпературного котла - утилизатора (например, парового). Теплообменник 1 выполнен в виде герметичной камеры, расположенной выше газопровода 2 подвода греющего потока от высокотемпературного котла - утилизатора к дымовой трубе 3. Теплообменник 1 снабжен патрубком 4 подвода нагреваемой воды, который расположен в нижней части камеры тангенциально стенкам камеры. Камера имеет теплоизолированный (например, пенополиуретаном) кожух 5, состоящий из стальной обечайки, установленной соосно дымовой трубе, с верхней 6 и нижней 7 кольцевыми крышками, приваренными к дымовой трубе и обечайке кожуха. Патрубок 8 отвода нагретой воды расположен в верхней части камеры также тангенциально стенкам и диаметрально противоположно патрубку 4. Для удаления из дымовой трубы образующегося конденсата в ее нижней части выполнен сливной патрубок 9. Обечайка 10 расположена соосно дымовой трубе и теплоизолированному кожуху 5, и разделяет замкнутую полость ТАМ 11 и теплообменник 1 с нагреваемой водой 12.
Система водоподогрева работает следующим образом. Отходящие газы греющего потока от котла-утилизатора через газопровод 2 поступают в дымовую трубу 3, нагревают ее стенку, через нее нагревают и расплавляют ТАМ в полости 11, нагревают обечайку 10. Нагреваемая вода поступает под избыточным давлением в теплообменник 1, поток воды 12 закручивается внутри камеры, движется вверх, от стенки обечайки 10 нагревается и отводится тангенциально через патрубок 8 в сеть горячего водоснабжения. При работе с пониженным расходом воды (водопотреблением ГВС) ТАМ находится в жидкой фазе, при повышенном водопотреблении ТАМ постепенно переходит в твердое состояние, и при этом выделяется дополнительная теплота фазового перехода, позволяющая поддерживать температуру нагреваемой воды на нужном уровне в течение требуемого времени. При снижении водопотребления ТАМ вновь переходит в жидкое состояние, аккумулируя тепловую энергию как емкостную, так и фазового перехода.
Предлагаемая конструкция системы водоподогрева характеризуется уменьшенными массогабаритными показателями и меньшими потерями от наружного охлаждения изоляции поверхностей.