Котельная установка

Полезная модель относится к котлостроению и предназначена для повышения эффективности котельной установки, применяющей в качестве топлива тяжелые сорта топлива. Может быть использована при проектировании и изготовлении котлов, в том числе судовых.
Одним из направлений повышения эффективности такой котельной установки, является интенсификация процесса сгорания тяжелых сортов топлива. Дело в том, что сжигание тяжелого жидкого топлива в топках котлов с использованием традиционных методов и оборудования приводит к неполному выгоранию топлива и, как следствие, к усилению загрязнения поверхностей нагрева. Обусловлено это тем, что в малых по объему топках судовых котлов крупные частицы тяжелого жидкого топлива не успевают полностью сгореть. Например, время, необходимое для полного сгорания капли топлива размером 0,3-0,5 мм, составляет 0,5-1 с, а фактическое время нахождения этой капли в топке не превышает 0,2-0,3 с (см., например, Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993, 216 с., п. 3.3).
Известна полезная модель котельной установки, в которой для повышения интенсификации процесса сгорания тяжелых сортов топлива применяется процесс создания мономассы путем гомогенизации топлива, (см., например, Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993, 216 с., п. 3.3). Однако, реализация данной модели ведет к значительному удорожанию котельной установки. При этом повышение эффективности незначительно.
Известна также полезная модель котельной установки, в которой для повышения интенсификации процесса сгорания тяжелых сортов топлива применяются горелки новых типов (см., например, Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993, 216 с., п. 3.3). Однако "применение горелок новых типов обычно требует дополнительных капиталовложений и серьезных исследований. В то же время используемые форсунки и воздухонаправляющие устройства обеспечивают качественное сгорание стандартных топлив. Эти обстоятельства не стимулируют поиска новых конструктивных решений при проектировании горелок" (Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993, 216 с., п. 3.3).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель котельной установки, которая включает котел с топливной форсункой и газоходом, а также топливную систему котла, содержащую последовательно соединенные переключатель вида топлива, топливный насос, фильтр грубой очистки, подогреватель топлива, фильтр тонкой очистки, причем выход фильтра тонкой очистки соединен с входом топливной форсунки, а также последовательно соединенные цистерну нефтеостатков и систему приготовления водотопливной эмульсии, расходную цистерну, при этом один вход переключателя вида топлива подключен к расходной цистерне, а другой к выходу системы приготовления водотопливной эмульсии, котел также содержит форсунку нефтесодержащих вод, а топливная система котла систему нефтесодержащих вод, включающую последовательно соединенные цистерну нефтесодержащих вод, фильтр грубой очистки, насос, фильтр тонкой очистки, причем выход фильтра тонкой очистки подключен к входу форсунки нефтесодержащих вод котла (см. патент на полезную модель №138869 «Котельная установка» по заявке №2013136000 от 30 июля 2013 г., авторы Чичурин А.Г., Садеков М.Х.).
Данная полезная модель позволяет сжигать практически любые виды тяжелых топлив, в том числе и разного рода нефтеостатки, путем применения на их основе водотопливной эмульсии (см., например, Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993, 216 с., п. 3.3). Водотопливная эмульсия представляет собой смесь тяжелых сортов топлива с водой в определенной пропорции, подвергнутая тщательному перемешиванию. Перед подачей на форсунку водотопливная эмульсия подогревается до температуры, при которой обеспечивается заданная вязкость.
Эффект от применения водотопливной эмульсии заключается в том, что после распыливания топлива форсункой капли топлива начинают прогреваться и вместе с ним прогреваются частицы воды, находящиеся в капле топлива. При нагреве частиц воды в капле топлива до температуры кипения начинается процесс их испарения, давление паров растет и в какой-то момент времени пары воды вырываются наружу капли топлива, что ведет к разрыву капли топлива на более мелкие части. А это ведет к улучшению процесса испарения топлива и, следовательно, к уменьшению времени сгорания, впрыснутого форсункой топлива, в топке котла. При этом повышается эффективность котельной установки (см., например, Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993, 216 с., п. 3.3.).
Как следует из выше сказанного, в рассматриваемой полезной модели, требуется определенное время на нагрев в капле топлива частиц воды до определенной температуры, а также время необходимое на испарение части воды в этих водяных вкраплениях для создания давления в капле топлива, требуемого для ее разрыва. Очевидно, что с увеличением этих временных промежутков (время на нагрев и время на испарение) эффективность сжигания топлива снижается, а при уменьшении - повышается.
Задачей полезной модели является повышение эффективности котельной установки, путем применения водотопливной эмульсии с перегретой водой в ее составе.
Решение поставленной задачи достигается в полезной модели тем, что в известную полезную модель котельной установки, включающей котел с топливной форсункой и газоходом, а также топливную систему котла, содержащую последовательно соединенные переключатель вида топлива, топливный насос, фильтр грубой очистки, подогреватель топлива, фильтр тонкой очистки, а также последовательно соединенные цистерну нефтеостатков и систему приготовления водотопливной эмульсии, расходную цистерну, при этом один вход переключателя вида топлива подключен к расходной цистерне, а другой к выходу системы приготовления водотопливной эмульсии, в топливную систему дополнительно введен перегреватель топлива, причем вход перегревателя топлива подключен к выходу фильтра тонкой очистки, а выход соединен с входом топливной форсунки котла.
Существо заявляемой полезной модели заключается в следующем.
В известной полезной модели при применении водотопливной эмульсии после впрыска ее капли в топку котла требуется определенное время на нагрев частиц воды в капле топлива до определенной температуры, а также время необходимое на испарение части воды в этих вкраплениях для создания в капле топлива давления, требуемого для ее разрыва. Оба эти временных фактора ведут к снижению эффективности процесса сжигания водотопливной эмульсии и, следовательно, к снижению эффективности котельной установки в целом.
В заявляемой полезной модели предлагается нагревать водотопливную эмульсию перед подачей в топку котла до температуры выше 100°С. Поскольку давление в трубопроводе перед форсункой выше атмосферного, закипания воды в этом случае не происходит. Давление в топке котла близко к атмосферному, поэтому после попадания капли водотопливной эмульсии в топку, вода в составе капли топлива оказывается перегретой. При этом часть воды практически моментально превратится в пар, причем количество пара определится величиной перегрева воды относительно 100°С. Чем больше перегрев, тем больше образуется пара и, следовательно, выше давление пара в капле топлива (см., например, Павленко A.M., Климов Р.А. Особенности вскипания капель дисперсной фазы эмульсий при изменении температуры несущей среды // Журнал «Металлургия, теплотехника», вып. 2(17), 2010, с. 149-156.). Это в свою очередь, ведет к уменьшению времени на испарение воды, а, начиная с некоторой величины перегрева, капля топлива взрывается сразу после ее попадания в топку котла.
Таким образом, в заявляемой полезной модели после впрыска капли водотопливной эмульсии в топку котла не требуется время на нагрев воды в капле топлива до определенной температуры, а также время необходимое на испарение части воды в этих вкраплениях для создания давления в капле топлива, требуемого для ее разрыва. Оба эти фактора ведут к ускорению процесса сгорания топлива в топке котла и, следовательно, к повышению эффективности котельной установки.
При этом у заявляемой полезной модели появляются новое свойство, заключающееся в применении водотопливной эмульсии с перегретой водой в ее составе, не совпадающее со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающее достижение нового положительного эффекта - повышение эффективности котельной установки.
Краткое описание чертежей
На фигуре приведена схема полезной модели котельной установки.
Котельная установка, включает котел 1 с топливной форсункой 2 и газоходом 3, а также топливную систему котла 4, содержащую последовательно соединенные переключатель вида топлива 10, топливный насос 9, фильтр грубой очистки 8, подогреватель топлива 7, фильтр тонкой очистки 6, а также последовательно соединенные цистерну нефтеостатков 12 и систему приготовления водотопливной эмульсии 11, расходную цистерну 13, при этом один вход переключателя вида топлива подключен к расходной цистерне 13, а другой к выходу системы приготовления водотопливной эмульсии 11, кроме того топливная система котла 4 содержит перегреватель топлива 5, причем вход перегревателя топлива 5 подключен к выходу фильтра тонкой очистки 6, а выход соединен с входом топливной форсунки 2 котла 1.
Котельная установка работает следующим образом.
Для обеспечения работы котельной установки на водотопливной эмульсии переключатель вида топлива 10 ставится в положение А. Система приготовления водотопливной эмульсии 11 на основе содержимого цистерны нефтеостатков 12 формирует водотопливную эмульсию с заданными параметрами и через переключатель вида топлива 10 забирается топливным насосом 9 и выдается через фильтр грубой очистки 8, подогреватель топлива 7, фильтр тонкой очистки 6, и далее на вход топливной форсунки 2 котла 1. Топливная форсунка 2 распыляет водотопливную эмульсию в топке котла 1. После распыливания топлива форсункой капли топлива начинают прогреваться и вместе с ним прогреваются частицы воды, находящиеся в капле топлива. При нагреве частиц воды в капле топлива до температуры кипения начинается процесс их испарения, давление паров растет и в какой-то момент времени пары воды вырываются наружу капли топлива, что ведет к разрыву капли топлива на более мелкие части. А это ведет к улучшению процесса испарения топлива и, следовательно, к уменьшению времени сгорания, впрыснутого форсункой топлива, в топке котла. В этом заключается один из эффектов применения водотопливной эмульсии (см., например, Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: учеб. для вузов. М.: Транспорт, 1993, 216 с., п. 3.3.).
Однако, как следует из рассмотренного выше процесса, после впрыска капли водотопливной эмульсии в топку котла требуется определенное время на нагрев частиц воды в капле топлива до определенной температуры, а также время необходимое на испарение части воды в этих вкраплениях для создания давления в капле топлива, требуемого для ее разрыва. Оба эти временных фактора ведут к снижению эффективности процесса сжигания водотопливной эмульсии и, следовательно, к снижению эффективности котельной установки в целом.
В заявляемой полезной модели водотопливная эмульсия после фильтра тонкой очистки 6 поступает на перегреватель топлива 5, и далее на вход топливной форсунки 2 котла 1. В перегревателе топлива 5 водотопливная эмульсия нагревается перед подачей в топку котла 1 до температуры выше 100°С. Поскольку давление в трубопроводе перед форсункой выше атмосферного, закипания воды в этом случае не происходит. Давление в топке котла 1 близко к атмосферному, поэтому после попадания капли водотопливной эмульсии в топку, вода в составе капли топлива оказывается перегретой. При этом часть воды практически моментально превратится в пар, причем количество пара определится величиной перегрева воды относительно 100°С. Чем больше перегрев, тем больше образуется пара и, следовательно, выше давление пара в капле топлива (см., например, Павленко A.M., Климов Р.А. Особенности вскипания капель дисперсной фазы эмульсий при изменении температуры несущей среды // Журнал «Металлургия, теплотехника», вып. 2(17), 2010, с. 149-156., а также А.К. Ильин, Р.А. Ильин, Т.Р. Торбанов Об эффективности использования водотопливных эмульсий в теплоэнергетике. Вестник АГТУ. Сер.: Морская техника и технология. 2011. №1). Это, в свою очередь, ведет к уменьшению времени на испарение воды, а, начиная с некоторой величины перегрева, капля топлива взрывается сразу после ее попадания в топку котла.
Таким образом, в заявляемой полезной модели после впрыска капли водотопливной эмульсии в топку котла не требуется время на нагрев в капле топлива воды до определенной температуры, а также время необходимое на испарение части воды в этих вкраплениях для создания давления в капле топлива, требуемого для ее разрыва. Оба эти фактора ведут к ускорению процесса сгорания топлива в топке котла и, следовательно, к повышению эффективности котельной установки.
При этом у заявляемой полезной модели появляются новое свойство, заключающееся в применении водотопливной эмульсии с перегретой водой в ее составе, не совпадающее со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающее достижение нового положительного эффекта - повышение эффективности котельной установки.