СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ПАРА
STEAM GENERATION METHOD

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для получения пара в технологических целях в различных отраслях промышленности и в жилищно-коммунальном комплексе, например в электрификации и теплоснабжении малых населенных пунктов.
По своей производительности паровые котлы разделяются на агрегаты высокой, средней и малой мощности. Паровые котлы высокой и средней мощности являются водотрубными котлами, в которых парогенерация осуществляется во множестве трубок, обтекаемых горячими газообразными продуктами сгорания
Современной тенденцией развития энергетики является диверсификация теплоснабжения путем строительства мини-ТЭЦ. Небольшие энергоустановки для комбинированного производства тепловой и электрической энергии могут создаваться в небольших поселках, на промышленных предприятиях, в агропромышленных комплексах и даже в отдельно стоящих больших домах и общественных зданиях. Типичная мини-ТЭЦ может иметь номинальную мощность порядка 10-15 МВт. Паровые котлы таких мини-ТЭЦ могут работать на местных горючих материалах по схемам с псевдоожиженным слоем, обеспечивающим высокую полноту сгорания и экологическую чистоту (Труды Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы», Оренбург, ИПГ ГОУ ОГУ, 2010, стр.47-50).
Исторически парогенераторы малой мощности изготовляли по типу жаротрубных или дымогарных котлов. В 20 веке они получили широкое распространение на паровых локомобилях, паровозах и судовых установках. Так как в водяном объеме котла невозможно расположить большое число жаровых труб и дымогарных труб, то максимальная единичная мощность таких агрегатов была крайне ограниченной, что в основном и вызвало сокращение их производства (А.П. Ковалев, Н.С. Лелеев, Т.В. Виленский. Парогенераторы. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 376 с.).
Известны котлы вертикального исполнения, содержащие корпус с водяным и паровым объемами, охватывающими жаровую камеру преимущественно с опускными дымогарными трубами, расположенными в водяном объеме корпуса [1]. Для увеличения длины пути газообразных продуктов сгорания внутри водяного объема котла применяли дымогарные трубы с нисходящим и восходящими потоками [2].
Использованные возможности повышения удельной паропроизводительности включали применение гофрированных дымовых труб [3] и дымовых труб с турбулизирующими вставками или спиральными намотками, повышающими коэффициент теплоотдачи от газообразных продуктов сгорания к стенке трубы [4].
Общим недостатком известных конструкций котлов с дымогарными или жаровыми трубами является низкая удельная паропроизводительность, высокий удельный расход металла (1 кг металла на 1 кг пара) и большое число различных соединений, что сказывалось на общей надежности и ресурсе конструкций.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ парогенерации, в соответствии с которым внутри котла в виде вертикальной водяной емкости размещают транспортную жаровую трубу для продуктов сгорания из источника тепла в форме верхней огневой коробки, проходящую вертикально в нижнюю придонную часть котла до раздаточного коллектора горячих продуктов сгорания. Раздаточный коллектор газовой связью соединяют с вертикальными жаровыми трубами, образующими поверхности нагрева внутри котла, с восходящими потоками и свободным истечением на верхней стенке котла. Раздаточный коллектор снабжают регулятором-распределителем потока горячих продуктов сгорания по поверхностям нагрева вертикальных жаровых труб и перепуска доли продуктов сгорания с начальной температурой в средние по высоте части этих труб. Стенки вертикальных жаровых труб, образующие границы раздела между потоками продуктов сгорания и водой в паровом котле, выполнены из гофрированных листов для увеличения площади поверхностей нагрева [3].
2
3
Недостатком способа и реализованной конструкции являются сложная форма поверхностей нагрева, необходимость экранирования поверхностей нагрева в верхней части от перегрева горячими газами, перепуск доли горячего газа на участках каналов вниз по потоку для повышения температуры частично остывших газов. Необходимость иметь развитую поверхность нагрева обусловлена низким коэффициентом теплоотдачи от газа как теплоносителя к поверхностям нагрева, порядка 5-10 Вт/м °С, и низкой объемной плотностью энергии продуктов сгорания при атмосферном давлении, порядка 0,2-0,5 МДж/м. Опасность перегрева или прогара стенки в верхней части котла, где осуществляется теплообмен с паровой фазой, может быть связана с высокой начальной температурой продуктов сгорания с избытком окислителя. Отсутствие поджатия теплоносителя на выходе из вертикальных труб снижает тепловой к.п.д
Решаемой технической задачей является способ генерации пара в котле малой мощности с упрощенной конструкцией, уменьшенными габаритами за счет повышения коэффициента теплоотдачи, без тепловых потерь с отводимым теплоносителем и без опасности перегрева или прогара.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в способе генерации пара в котле в виде вертикальной водяной емкости путем нагрева и испарения воды за счет подвода тепла через стенки жаровых труб от теплоносителя, поступающего из внешнего источника тепла, включающий пропускание потока теплоносителя вниз по жаровым трубам с развитыми тепловоспринимающими поверхностями до придонного в котле регулятора расхода теплоносителя и подачу водного потока в вертикальную водяную емкость с последующим отводом образовавшегося пара через верхний патрубок, применяют циркулирующий нагретый сыпучий твердый материал в качестве теплоносителя, который извлекают из внешнего источника тепла и через верхний распределитель над котлом подают в расширенные входы сквозных радиально сходящихся к выходу вертикальных жаровых труб с возникновением гомогенизирующихся гравитационных течений сыпучего твердого теплоносителя, регулируют скорости гравитационных течений сыпучего твердого теплоносителя в трубах после выхода из вертикальных жаровых труб с помощью общего шибера, собирают охлажденный вследствие теплообмена с водой сыпучий твердый теплоноситель и возвращают сыпучий твердый теплоноситель во внешний источник тепла по схеме рециркуляции. Внешним источником тепла является топочное устройство с псевдоожиженным слоем твердого сыпучего теплоносителя. Сыпучим твердым теплоносителем является природный песок.
Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого способа показывает, что отличительным признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:
- в качестве теплоносителя применяют циркулирующий нагретый сыпучий твердый материал;
- направляют нагретый сыпучий твердый теплоноситель в режиме гравитационного течения в вертикальные сквозные жаровые трубы;
- используют вертикальные сквозные жаровые трубы, радиально сходящиеся к выходу;
- регулируют скорость гравитационного течения сыпучего твердого теплоносителя по вертикальным жаровым трубам после выхода из жаровых труб с помощью шибера;
- собирают охлажденный сыпучий твердый теплоноситель для рециркуляции.
Сущность настоящего изобретения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где фиг.1 представляет схему устройства для реализации способа, и следующего примера выполнения способа.
Как показано на фиг.1, парогенератор содержит цилиндрический корпус 1 с верхней и нижней трубными досками 2 и 3, патрубок подвода питательной воды 4 и патрубок отвода пара 5 с предохранительным и запорными клапанами (не показаны). Внутри корпуса 1 смонтированы жаровые трубы 6, имеющие сверху вход 7 и снизу выход 8. Жаровые трубы располагают предпочтительно равномерно по площади поперечного сечения корпуса 1. Над верхней трубной доской 2 расположен распределитель 9, обеспечивающий равномерное поступление нагретого сыпучего твердого теплоносителя (А) во все жаровые трубы. В распределитель 9 нагретый твердый сыпучий теплоноситель отбирают из внешнего источника тепла, например, из аккумулятора тепла солнечного коллектора (WO 2009/1291170), или из накопителя сыпучего твердого теплоносителя, отводимого из топки с псевдоожиженным слоем (US 6554061). Ниже трубной доски 3 устанавливают регулятор 10 общего расхода охлажденного сыпучего твердого теплоносителя (В), например, типа шибера со скользящим запорным элементом. Жаровые трубы 6 выполняют круглого сечения с радиальным схождением к выходу 8.
2
3
При работе нагретый сыпучий твердый теплоноситель с температурой 800-850°С непрерывно поступает под действием гравитационных сил через распределитель 9 на входы 7 жаровых труб. Внутри жаровой трубы течение определяется механикой сыпучей среды, а теплоотдача к стенке жаровой трубы зависит от типа сыпучего материала, размера частиц, скорости течения, диаметра трубы. Показано, что в канале диаметром 13,8 мм при скорости течения 13,7 см/с материала с размером частиц 177-250 мкм может быть получен коэффициент теплоотдачи более 800 Вт/м °С (Nietert R.E., Abdel-Khalik S.I. Heat-Transfer Characteristics of Flowing and Stationary Particle-Bed - Type Fusion-Reactor Blankets. Vol.2. (Nietert Thesis of PhD. Nuclear Engineering. 1982. University of Visconsin, 1983, 282 pp.). Объемная плотность тепловой энергии в засыпках сыпучих твердых теплоносителей составляет 1,5-3 ГДж/м, что позволяет иметь жаровые трубы малого диаметра с высоким запасом передаваемого воде тепла.
Общий коэффициент теплопередачи (k) в системе сыпучий твердый теплоноситель - стенка жаровой трубы - вода определяется
,
1
где α - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде;
δ - толщина стенки;
ст
λ - коэффициент теплопроводности материала стенки;
2
α - коэффициент теплоотдачи от сыпучего твердого теплоносителя к стенке.
При расчете парогенератора как теплообменника с противоположно направленными потоками воды и сыпучего твердого теплоносителя находят среднелогарифмический температурный напор при заданных температурах обменивающихся теплом сред на входе и на выходе, и при заданной полезной тепловой мощности твердого сыпучего теплоносителя и водяного пара находят необходимую площадь поверхности нагрева.
,
где Q - полезная тепловая мощность, кВт;
k - коэффициент теплопередачи в теплообменнике;
- среднелогарифмический температурный напор (Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М. - Л.: Машгиз, 1957, стр.335-337).
2
Малые значения α, как и в случае использования газообразного теплоносителя, будут приводить к малым значениям коэффициента k и, как следствие, к повышенным значениям площади поверхности нагрева.
В расчетном случае твердый сыпучий теплоноситель отдает заданное количество тепловой энергии внутри парогенератора. Это может быть достигнуто в случае равномерного распределения по сечению температур внутри гравитационного потока сыпучего твердого теплоносителя в жаровой трубе. Вследствие сравнительно низкой теплопроводности сыпучего твердого теплоносителя и недостаточного перемешивания в цилиндрической трубе возникает нерасчетная теплоотдача теплоносителя.
Проведенные исследования показывают, что коническая или клинообразная часть бункера обеспечивает гомогенизацию содержащегося в них сыпучего материала при истечении. Вывод сделан на основании исследования гидродинамики и процесса усреднения высококонцентрированной гранулированной хорошо сыпучей среды в вертикальном сужающемся канале на основе модели степенной жидкости. учитывающий скольжение частиц по твердой поверхности. Достоверность предложенной модели была проверена сопоставлением расчетного распределения скорости среды с опытными данными (Шваб А.В., Марценко М.С. Исследование движения плотного слоя гранулированной среды и процесса смешения в сужающемся канале // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, 2010, №4(12), стр.123-130).
Численные эксперименты показали, что в начале гравитационного выпуска сыпучего материала происходит деформация материала без образования линий скольжения. Далее, в процессе движения материала, локализация деформаций происходит по дискретной схеме, образуя глобальные линии скольжения, разбивающие материал на отдельные блоки. Линии скольжения проявляются сначала в нижней части канала, а затем распространяются выше и выходят на свободную поверхность. На конечных стадиях выпуска материал сильно перемешивается вблизи выпускного отверстия (Лавриков С.В., Микенина О.А. О расчете течения сыпучей среды в сходящихся каналах. 22-я Всероссийская конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, 4-7 июля 2011 г., Барнаул).
Выполнение сквозных жаровых труб с круговыми радиально сходящимися к выходу проточными трактами обеспечивает перемешивание зернистой среды в трубе и снижение нерасчетности по теплоотдаче.
Генерируемый пар с повышенными характеристиками получают с помощью дополнительной установки в паровом объеме котла наружных кольцевых ребер на жаровых трубах (не показаны) для увеличения поверхности теплообмена и каплеотбойника в нижней части парового объеме (не показан).
Компактные паровые котлы малой мощности упрощенной конструкции предназначены для мини-ТЭЦ, применяющих топки с псевдоожиженным слоем зернистого теплоносителя, обеспечивающие высокую полноту сгорания местных топлив, температуру на уровне 800-850°С и экологическую чистоту эксплуатации. При такой температуре образуется незначительное количество оксидов азота. Уже получили распространение котлоагрегаты с кипящим слоем, предназначенные для сжигания разнообразных древесных отходов. Котлоагрегат с предтопком кипящего слоя обеспечивает эффективное, экономичное и экологически безопасное сжигание высоковлажного и низкокалорийного топлива, обладает высоким КПД (85-90%).
Котлоагрегаты с кипящим слоем (псевдоожиженным слоем) и погруженными в этот слой парогенерирующими трубками или тепловоспринимающими мембранными устройствами с трубками характеризуются повышенным эрозионным износом материала этих узлов, поскольку эрозионный износ пропорционален квадрату скорости частиц в псевдоожиженном слое (Шманев В.А., Шулепов А.П., Мещеряков А.В. Струйная гидроабразивная обработка деталей ГТД. М.: Машиностроение, 1995. - 144 с., стр.8-9). В зависимости от режима и размеров частиц, скорости течения в псевдоожиженном слое могут составлять 1-10 м/с. В предлагаемом способе парогенерации с гравитационным течением сыпучего твердого теплоносителя скорости течения составляют 0,01-0,3 м/с. Поэтому целесообразна конструкция котлоагрегата с отводом сыпучего твердого теплоносителя из псевдоожиженного слоя по схеме с циркуляцией его через парогенератор или котел в режиме гравитационного течения с последующим возвратом в псевдоожиженный слой (US 5014552. 1991).
Компактные паровые котлы малой мощности упрощенной конструкции также рассчитаны на применение в установках утилизации горючих и взрывчатых материалов для извлечения энергетических ресурсов. Процесс парогенерации является заключительной стадией циркуляции твердого сыпучего теплоносителя в замкнутом контуре системы массовой утилизации артиллерийских боеприпасов путем выжигания взрывчатого снаряжения с использованием технологий псевдоожижения и с извлечением энергетических ресурсов взрывчатого снаряжения в виде генерации пара для питания малой паротурбинной ТЭЦ или для получения синтезгаза из биоотходов.
Источники, принятые во внимание
1. Авт. свид. SU 1250770. С.Е. Морозов. Котел. 1986.
2. RU 2032852. Владимиров Р.А., Сергеенко А.П., Бищук В.Н., Лариошин В.В. Устройство для удаления шлама из вертикального котла. 1995.
3. US 6076518. Klouda J., Botman M.J. Steam Generator. Rational GmbH, 2000.
4. RU 2197683. Петриков С.А., Серов Н.Б., Хованов Н.Н., Петров В.В. Дымогарная труба теплообменного аппарата. 2003.