НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
FLUID MEDIUM HEATER

Изобретение относится к энергетике, а именно к водогрейным и паровым котлам с агрегатами наддува, имеющим средства извлечения скрытого тепла из отходящих газов путем их конденсации. Нагреватель предназначен для использования главным образом для нагрева воды в системах центрального водяного отопления и горячего водоснабжения. Возможно использование нагревателя для получения насыщенного и перегретого водяного пара, а также для технологического нагрева жидкостей и газов в различных отраслях промышленности.
Одним из крупнейших неиспользованных ресурсов современной теплоэнергетики является скрытое тепло конденсации паров воды, образующихся при сжигании углеводородных топлив. Например, для природного газа (метана) это тепло равно 11 процентам от того тепла, которое выделяется в топке. В современных энергетических установках во всем мире образующиеся при сжигании топлива пары воды, как правило, полностью уходят в атмосферу в составе отходящих дымовых газов, а их скрытое тепло конденсации при этом теряется. Основная тому причина заключается в том, что для того чтобы это скрытое тепло выделилось в явном виде, пары воды надо сконденсировать, для чего их в свою очередь надо охладить до достаточно низкой температуры. Например, точка росы в продуктах сгорания, образующихся при сжигании чистого метана в воздухе, при коэффициенте избытка последнего 1,1 лишь немногим превышает 57°С, а для того чтобы сконденсировать половину паров воды, отходящие газы надо охладить до температуры чуть выше 45°С. Спрос на столь низкотемпературное тепло весьма ограничен, а многочисленные попытки использовать его для нагрева текучих сред с более высокими температурами, например воды в системах центрального отопления, со стандартной начальной температурой +70°С, с помощью различных холодильных машин, не дали коммерчески эффективных результатов.
Повысить температуру конденсации возможно, если отбирать тепло у дымовых газов при повышенном давлении последних, т.е. под наддувом. Известен паровой котел с агрегатом наддува (патент РФ №2056584, F02В 1/24, 17.11.1994). Котел содержит газоход, разделенный на две части, каждая из которых образована своей теплообменной поверхностью. Одна из частей газохода на входе подключена к горелочному устройству. Обе части газохода подключены последовательно с образованием газового тракта. При этом агрегат наддува выполнен в виде нагнетающего в горелочное устройство воздух компрессора с приводом от газовой турбины, которая подключена к газовому тракту между двумя частями газохода. Теплообменная поверхность каждой части газохода выполнена в виде цилиндрических обечаек с полыми стенками. Внутри обечаек выполнены спиральные каналы для прохода нагреваемой среды. Причем обечайки размещены одна относительно другой коаксиально с зазором и образованием в зазоре между ними упомянутого газохода и сообщены между собой. Теплообменные поверхности разных частей газохода подключены последовательно по потоку нагреваемой среды. В таких котлах процессы теплообмена идут намного более интенсивно, что позволяет значительно сократить габариты котла, его металлоемкость и стоимость. Первым недостатком таких котлов является снижение ресурса горячей части из-за более высоких температур и давлений греющего газа в горелочном устройстве. Вторым недостатком таких котлов является наличие второй низконапорной секции газохода с низкой интенсивностью процессов теплообмена, обусловленной низким, близким к атмосферному давлением греющего газа, что влечет за собой рост металлоемкости и стоимости как этой секции, так и котла в целом.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является парогенерирующая установка (Авторское свидетельство СССР №901720, F22В 1/24, 15.08.1978). Установка содержит высоконапорный парогенератор с агрегатом наддува, включающим компрессор с газовой турбиной, работающей на уходящих газах парогенератора, дополнительный привод и насосы питательной воды с приводами. Причем один из насосов питательной воды кинематически соединен с агрегатом наддува.
В таком котле компрессор агрегата наддува вращают газовой и паровой турбинами. Это позволяет снизить температуру на входе в турбину настолько, чтобы температура газов за турбиной снизилась так, чтобы прямой выброс газов в атмосферу не приводил бы к чрезмерным потерям тепла. Это делает вторую секцию газохода излишней. При этом уменьшение мощности газовой турбины, из-за уменьшения температуры на ее входе, компенсируется за счет мощности паровой турбины.
Недостатками прототипа являются:
- весь образующийся при горении углеводородных топлив водяной пар уходит с отходящими газами. При этом скрытое тепло конденсации пара полностью теряется;
- высокая температура в горелочном устройстве, обусловленная дополнительным нагревом воздуха при сжатии его в компрессоре, вместе с его повышенным давлением, приводят к высокой теплонапряженности горячей части змеевика и, как следствие, к сокращению его ресурса;
- нежелательным последствием повышения температуры в горелочном устройстве является также увеличение количества образующихся при горении топлива окислов азота и, как следствие, увеличение их эмиссии в атмосферу.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- повышение энергоэффективности нагревателя за счет утилизации скрытого тепла конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания;
- повышение ресурса нагревателя за счет снижения температуры газов в камере сгорания;
- удаление части окислов азота из отходящих газов, образовавшихся при работе камеры сгорания.
Поставленные задачи решаются тем, что нагреватель текучей среды содержит парогенератор, агрегат наддува, паровую турбину и насос питательной воды. Агрегат наддува состоит из газовой турбины и сопряженного с ней через силовую передачу, например вала, воздушного компрессора. Вход компрессора соединен с атмосферой.
Новым в изобретении является то, что нагреватель дополнительно содержит конденсатор, теплообменник, кран и турбовальный двигатель. Выходной вал двигателя связан с валами паровой турбины и полезной нагрузки, например электрогенератора. Двигатель состоит из компрессора, газовой турбины, соединяющей их силовой передачи, например вала, и камеры сгорания. Камера сгорания снабжена входами для подачи топлива, воздуха, водяного пара и выходом горячего газа. Вход подачи воздуха соединен с выходом компрессора двигателя. Вход подачи водяного пара соединен с выходом паровой турбины. Выход горячего газа соединен с входом газовой турбины двигателя. Парогенератор имеет каналы горячего и холодного теплоносителей соответственно с входами и выходами. Вход канала горячего теплоносителя парогенератора соединен с выходом газовой турбины двигателя. Вход канала холодного теплоносителя соединен с выходом насоса питательной воды, а выход канала соединен с входом паровой турбины. Конденсатор имеет каналы горячего и холодного теплоносителей соответственно с входами и выходам, а также отдельный выход для слива конденсата. При этом вход канала горячего теплоносителя конденсатора соединен с выходом канала горячего теплоносителя парогенератора. Выход канала горячего теплоносителя конденсатора соединен с входом газовой турбины агрегата наддува. Вход канала холодного теплоносителя конденсатора соединен с источником нагреваемой среды, а выход канала - с приемником нагреваемой среды. Выход конденсатора для слива конденсата соединен с входом насоса питательной воды и входом крана. Выход крана соединен с атмосферой. Теплообменник имеет каналы горячего и холодного теплоносителя с соответственно входами и выходами. Выход компрессора агрегата наддува соединен с входом канала горячего теплоносителя теплообменника, выход которого связан с входом компрессора двигателя. Турбина агрегата наддува имеет выход для газа и выход для конденсата. При этом выход для конденсата соединен прямо с атмосферой, а выход для газа соединен с входом канала холодного теплоносителя теплообменника, выход которого соединен с атмосферой.
При таком устройстве нагревателя текучей среды:
- включение в схему нагревателя конденсатора позволяет сконденсировать в его канале горячего теплоносителя часть паров воды, содержащихся в проходящих по этому каналу продуктах сгорания топлива, и передать скрытое тепло, выделившееся при конденсации паров воды нагревателю. Кроме того, процесс конденсации паров продолжается и в газовой турбине агрегата наддува. Выделившееся при этом тепло увеличивает работу, совершаемую турбиной, и повышает энергоэффективность нагревателя;
- включение в схему нагревателя крана позволяет регулировать баланс между количеством водяного пара, образуемого в камере сгорания при сжигании топлива, и общим количеством воды, выводимой из нагревателя в жидком и газообразном виде, а также выводить из нагревателя избыток конденсата и поддерживать его необходимый для нормальной работы уровень. Дальнейшее повышение энергоэффективности нагревателя осуществляют путем использования пара, подаваемого в камеру сгорания из паровой турбины;
- соединение входа насоса с выходом конденсатора для слива конденсата и выхода насоса - с входом горячего канала парогенератора позволяет обеспечить необходимую для нормальной работы турбины величину давления пара на выходе из парогенератора;
- включение в схему нагревателя теплообменника позволяет повысить температуру отходящих газов до экологически приемлемой за счет нагрева газов горячим воздухом с выхода компрессора агрегата наддува и уменьшить затраты работы на привод компрессора двигателя за счет снижения температуры воздуха на его входе, вследствие отбора тепла при нагреве отходящего газа;
- включение в схему нагревателя турбовального двигателя позволяет обеспечить величину давления на входе в турбину агрегата наддува, достаточную для его нормальной работы и работы нагревателя в целом, и выработать дополнительную механическую работу, которая может быть использована, например, для привода электрогенератора;
- дополнение камеры сгорания входом для подачи водяного пара, соединенным с выходом паровой турбины, обеспечивает снижение температуры газа в камере сгорания и в газовой турбине двигателя, что повышает ресурс конструктивных элементов нагревателя;
- дополнение нагревателя краном за конденсатором и выходом в турбине нагнетателя для слива жидкого конденсата позволяет уменьшить количество отводимых через теплообменник в атмосферу вместе с газом окислов азота на то их количество, которое растворено в конденсате.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- повышена энергоэффективность нагревателя за счет утилизации скрытого тепла конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгорания;
- повышен ресурс нагревателя за счет снижения температуры газов в камере сгорания;
- удалена часть окислов азота из отходящих газов, образовавшихся при работе камеры сгорания.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием конструкции нагревателя текучей среды и его работы со ссылкой на чертеж.
Нагреватель текучей среды содержит парогенератор 1, агрегат наддува 2, паровую турбину 3 и насос 4 питательной воды. Агрегат наддува 2 состоит из газовой турбины 5 и сопряженного с ней через вал 6 воздушного компрессора 7. Вход 8 компрессора 7 соединен с атмосферой. Нагреватель дополнительно содержит конденсатор 9, теплообменник 10, кран 11 и турбовальный двигатель 12, выходной вал 13 которого связан с валами паровой турбины 3 и электрогенератора 14. Двигатель 12 состоит из компрессора 15, газовой турбины 16, соединяющей их силовой передачи 17, например вала, и камеры сгорания 18. Камера 18 снабжена входами для подачи топлива 19, воздуха 20, водяного пара 21 и выходом горячего газа 22. Вход 20 подачи воздуха соединен с выходом 23 компрессора 15 двигателя 12. Вход 21 подачи водяного пара соединен с выходом 24 паровой турбины 3. Выход горячего газа 22 соединен с входом 25 газовой турбины 16 двигателя 12. Парогенератор 1 имеет каналы горячего и холодного теплоносителей с входами соответственно 26 и 27 и выходами 28 и 29. Вход 26 канала горячего теплоносителя соединен с выходом 30 газовой турбины 16 двигателя 12. Вход 27 канала холодного теплоносителя соединен с выходом 31 насоса 4 питательной воды, а выход 29 канала соединен с входом 32 паровой турбины 3. Конденсатор 9 имеет каналы горячего и холодного теплоносителей с входами соответственно 33 и 34 и выходам 35 и 36, а также отдельный выход 37 для слива конденсата. При этом вход 33 канала горячего теплоносителя конденсатора 9 соединен с выходом 28 канала горячего теплоносителя парогенератора 1. Выход 35 канала горячего теплоносителя конденсатора 9 соединен с входом 38 газовой турбины 6 агрегата наддува. Вход 34 канала холодного теплоносителя конденсатора 9 соединен с источником нагреваемой среды, а выход 36 канала - с приемником нагреваемой среды (не показано). Выход 37 конденсатора 9 для слива конденсата соединен с входом 39 насоса 4 питательной воды и входом 40 крана 11. Выход 41 крана 11 соединен с атмосферой. Теплообменник 10 имеет каналы горячего и холодного теплоносителя с входами соответственно 42 и 43 и выходам 44 и 45. Выход 46 компрессора 7 агрегата наддува 2 соединен с входом 42 канала горячего теплоносителя теплообменника 10, выход 44 которого связан с входом 47 компрессора 15 двигателя 12. Турбина 5 агрегата наддува 2 имеет выход 48 для газа и выход 49 для слива конденсата. При этом выход 49 для слива конденсата соединен прямо с атмосферой, а выход 48 для газа соединен с входом 43 канала холодного теплоносителя теплообменника 10, выход 45 которого соединен с атмосферой.
Работа нагревателя текучей среды осуществляют следующим образом.
Воздух из атмосферы сжимают в компрессоре 7 агрегата наддува 2, приводимом газовой турбиной 5 через вал 6, охлаждают в канале горячего теплоносителя теплообменника 10 и направляют на вход 47 компрессора 15 турбовального двигателя 12. Охлаждение воздуха в теплообменнике 10 приводит к уменьшению работы, затрачиваемой на его дополнительное сжатие в компрессоре 15. При этом вследствие уменьшения работы, затрачиваемой на сжатие, увеличивается полезная работа на валу 13 турбовального двигателя 12. Далее сжатый воздух с выхода 23 компрессора 15 турбовального двигателя 12 подают на вход 20 камеры сгорания 18. Одновременно на вход 19 камеры сгорания 18 подают топливо и сжигают его в сжатом воздухе. Температуру образующихся при этом горячих продуктов сгорания снижают, разбавляя их имеющим существенно меньшую температуру водяным паром, который подают на вход 21 камеры сгорания с выхода 24 паровой турбины 3. Охлажденный при смешении с водяным паром газ из камеры сгорания 18 подают с выхода 22 камеры на вход 25 газовой турбины 16 двигателя 12. В турбине 16 газ, расширяясь, совершает работу. С выхода 30 турбины 16 прошедший через нее газ поступает на вход 26 канала горячего теплоносителя парогенератора 1, в котором он, охлаждаясь, отдает тепло конденсату, подаваемому на вход 27 канала холодного теплоносителя парогенератора 1, а также полученному при испарении конденсата водяному пару. Полученный в парогенераторе 1 пар с выхода 29 канала его холодного теплоносителя подают на вход 32 паровой турбины 3. Паровая 3 и газовая 16 турбины, работая совместно, вращают вал 17 компрессора 16 и вал 13 электрогенератора 14. Охлажденный в парогенераторе 1 газ с выхода 28 канала горячего теплоносителя поступает далее на вход 33 канала горячего теплоносителя конденсатора 9, в котором он сначала охлаждается до температуры точки росы, которая в зависимости от величины давления в этом газе, температуры и давления на входе в газовую турбину 5 и ряда других параметров может лежать в пределах 120-190°С. Дальнейшее охлаждение газа, нагреваемого текучей средой, например водой из системы центрального отопления, сопровождается конденсацией паров воды в канале горячего теплоносителя конденсатора 9. Выделившееся при этом скрытое тепло конденсации передается нагреваемой текучей среде. Образующийся при этом конденсат сливают через выход 37 конденсатора 9. Часть этого конденсата подают на вход 39 насоса 4 питательной воды, в котором его сжимают до давления, несколько превышающего давление пара на входе 32 в паровую турбину 3 турбовального двигателя 12, и с выхода 31 насоса 4 подают на вход 27 канала холодного теплоносителя парогенератора 1. Избыток образующегося в конденсаторе 9 конденсата подают на вход 40 крана 11, с выхода 41 которого его выводят в атмосферу. Проходное сечение крана 11 регулируют, например, таким образом, чтобы уровень конденсата в конденсаторе 9 находился в заданных пределах.
Охлажденный до температуры, несколько более высокой, чем температура нагреваемой текучей среды на входе в нагреватель (при нагреве воды для систем центрального отопления до 80-90°С), газ подают на вход 38 газовой турбины 5 агрегата наддува 2. При расширении в турбине 5 газ совершает работу, температура его снижается, а конденсация содержащихся в нем паров воды продолжается. Выделившееся при этом тепло конденсации затрачивается на увеличение работы турбины 5 и, в конечном итоге, на привод компрессора 6 агрегата наддува 2 и не теряется, а возвращается в рабочий цикл. Конденсат, образующийся при работе турбины 5, сливают через выход 49. При наличии в составе газа окислов азота, образовавшихся при сжигании топлива, некоторая их часть растворяется в конденсате и в атмосферу не попадает.
Температура газа на выходе 48 из турбины 5 агрегата наддува 2 зависит от температуры и давления газа на ее входе 38. Расчеты показывают, что при 80°С и изменении давления на ее входе 38 от 0,5 до 1,0 МПа температура газа уменьшается от плюс 37 до минус 12°С. Доля утилизируемого тепла конденсации паров воды при этом возрастает с 70 почти до 100%. Поскольку газ с такой низкой температурой и содержанием кислорода немногим более 2% выбрасывать непосредственно в атмосферу нельзя, то его выбрасывают через канал для холодного теплоносителя теплообменника 10, в котором его нагревают до температуры 70-100°С. При работе нагревателя процесс подачи воздуха из атмосферы на вход 8 компрессора 7 агрегата наддува 2 непрерывен.