Котлоагрегат

Полезная модель относится к судовым котельным установкам, и предназначена для повышения эффективности утилизации нефтесодержащих вод.
Известна полезная модель судового устройства для очистки нефтесодержащих вод, содержащего отстойные танки, фильтры грубой, тонкой очистки и систему контроля (см., например, Справочник судового механика по теплотехнике. / И.Ф. Кошелев, А.П. Пимошенко, Г.А. Попов, В.Я. Тарасов. - Л: Судостроение, 1987, - 480 с; стр. 412-413). Нефтесодержащие воды из сборного танка выдаются в отстойные танки. В процессе отстаивания происходит отделение нефтепродуктов от воды, они поднимаются вверх, а вода опускается в нижнюю часть танка, откуда подается на фильтры грубой и тонкой очистки и далее на систему контроля. При допустимой концентрации нефтепродуктов в очищенной воде она может сбрасываться за борт, а в противном случае происходит ее дальнейшая обработка.
Данная полезная модель обладает следующими недостатками.
Процесс очистки нефтесодержащих вод протекает достаточно медленно и трудно добиться низкой концентрации нефтепродуктов в воде. Поэтому подобная система очистки нефтесодержащих вод применяется в основном для выделения из их состава основной массы нефтепродуктов, с целью их дальнейшего использования, а вода с остатками нефтепродуктов обычно сдается на берег или специальные суда. А это требует определенных материальных и временных затрат.
Известна полезная модель устройства для очистки нефтесодержащих вод в виде нефтеводяных сепараторов типа СК, СКМ, УСКГ, сепараторы типа ОВ и др. (см., например, Справочник судового механика по теплотехнике. / И.Ф. Кошелев, А.П. Пимошенко, Г.А. Попов, В.Я. Тарасов. - Л: Судостроение, 1987, - 480 с: стр. 414-419). Подобные сепарационные установки дорогие, занимают значительное место в машинном отделении, требуют квалифицированного обслуживания и ремонта. Поэтому их установка не всегда целесообразна.
Также известна полезная модель котельной установки согласно патенту на полезную модель №148625 «Котельная установка» по заявке №2014127763 от 08.07.2014., авторы Мичурин А.Г., Садеков М.Х., Шураев О.П., Борисов Н.Н.
В данной полезной модели, отфильтрованные нефтесодержащие воды с низкой концентрацией нефтепродуктов через регулируемый клапан подаются в газоход котла через дополнительную форсунку нефтесодержащих вод. Распыленные нефтесодержащие воды вместе с продуктами сгорания котла идут по газоходу. При этом происходит нагрев нефтесодержащих вод продуктами сгорания и испарение из их состава воды. Поскольку продукты сгорания на выходе котла имеют достаточно высокую температуру (350-400°С), то в газоходе также происходит процесс испарения и последующего дожигания нефтеостатков из состава нефтесодержащих вод. Состав газов после газохода будет зависеть от содержания нефтепродуктов в нефтесодержащих водах, их состава и количества нефтесодержащих вод, подаваемых на дополнительную форсунку нефтесодержащих вод, и контролируется газоанализатором. По результатам контроля, получаемых с помощью газоанализатора, меняется подача нефтесодержащих вод на дополнительную форсунку нефтесодержащих вод. В результате происходит практически полная утилизация нефтесодержащих вод.
Как следует из выше сказанного, в данной полезной модели одним из этапов процесса утилизации нефтесодержащих вод является их нагрев продуктами сгорания до начала испарения и испарение. Очевидно, что чем меньше энергии будет затрачено на нагрев до начала испарения и испарение нефтесодержащих вод в газоходе, тем большее количество нефтесодержащих вод можно утилизировать в данной полезной модели.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель котлоагрегата, предназначенного для утилизации нефтесодержащих вод (см. Патент на полезную модель «Котлоагрегат» №199370, по заявке №2020110852/12(018163) от 13.03.2020 (Заявитель ФГБОУ ВО «ВГУВТ», авторы: А.Г. Мичурин, О.П. Шураев).
Котлоагрегат включает котел с топливной форсункой, форсункой нефтесодержащих вод, газоходом и газоанализатором, вход которого соединен с выходом газохода котла, а также дополнительную форсунку нефтесодержащих вод, установленную в газоходе, кроме того, содержит топливную система котла, выход которой соединен с входом топливной форсунки, а также включает последовательно соединенные систему нефтесодержащих вод и переключатель, а также регулируемый клапан, при этом первый выход переключателя соединен с входом форсунки нефтесодержащих вод котла, а второй выход подключен к регулируемому клапану, кроме того, содержит подогреватель нефтесодержащих вод, вход которого соединен с выходом регулируемого клапана, а выход подключен к входу дополнительной форсунки нефтесодержащих вод.
В данной полезной модели котлоагрегата нефтесодержащие воды с низкой концентрацией нефтепродуктов перед подачей в газоход котла подогреваются до температуры близкой к температуре кипения воды (90-99°С). В результате утилизируемые нефтесодержащие воды после распыления в газоходе котла практически сразу подвергаются процессу испарения, то есть нет затрат энергии от потока продуктов сгорания котла в газоходе на нагрев нефтесодержащих вод до кипения. Поэтому появляется возможность увеличить количество подаваемых нефтесодержащих вод в газоход для утилизации, то есть повышается эффективность утилизации нефтесодержащих вод.
Однако, здесь имеются значительные затраты на испарение нефтесодержащих вод подаваемых в газоход котла. Так, например, теплоемкость воды при 100°С равна 4.220 кДж/(кг⋅К), а удельная теплота парообразования 2256.8 кДж/кг (см., например, книгу Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи, М., «Энергия», 1973. 320 с, стр. 299-300). А это означает, что испарение 1 кг воды требует энергии более чем в 5 раз по сравнению с ее нагревом, например, от 0 до 100°С.
Задачей полезной модели является повышение эффективности утилизации нефтесодержащих вод, продуктами сгорания котла путем их перегрева перед подачей в газоход котла.
Поставленная задача достигается тем, что в известной полезной модели котлоагрегата, включающей последовательно соединенные котел с топливной форсункой, форсункой нефтесодержащих вод, газоход и газоанализатор, а также дополнительную форсунку нефтесодержащих вод, установленную в газоходе, кроме того содержит топливную система котла, выход которой соединен с входом топливной форсунки, также включает последовательно соединенные систему нефтесодержащих вод, переключатель, регулируемый клапан и подогреватель нефтесодержащих вод, при этом второй выход переключателя соединен с входом форсунки нефтесодержащих вод котла, дополнительно введен перегреватель нефтесодержащих вод, вход которого соединен с выходом подогревателя нефтесодержащих вод, а выход подключен к входу дополнительной форсунки нефтесодержащих вод.
Существо заявляемой полезной модели заключается в следующем.
В известной полезной модели нефтесодержащие воды перед подачей на дополнительную форсунку нефтесодержащих вод подогреваются до температуры, близкой к температуре кипения воды (90-99°С). В результате утилизируемые нефтесодержащие воды после распыления в газоходе котла практически сразу начинают испаряться. Однако на испарение требуется весьма значительная энергия.
В заявляемой полезной модели предлагается нагревать нефтесодержащие воды перед подачей в газоход котла до температуры выше 100°С, при этом можно использовать как «бросовую» теплоту самого котла, так и судовых дизелей, которой, как правило, на судне достаточно много (см., например, Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. - Л.: Судостроение, 1988, 296 с; стр. 231-232). Поскольку давление в трубопроводе перед форсункой выше атмосферного, закипания воды в составе нефтесодержащей воды не происходит. Давление в газоходе котла близко к атмосферному, поэтому после попадания порции нефтесодержащих вод в газоход вода в ее составе оказывается перегретой. При этом часть воды в составе нефтесодержащих вод практически моментально превратится в пар, причем количество пара определяется величиной перегрева воды относительно 100°С. Чем больше перегрев, тем больше образуется пара (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 затрат теплоты продуктов сгорания котла на утилизацию нефтесодержащих вод. Поэтому появляется возможность увеличить количество подаваемых нефтесодержащих вод в газоход котла для утилизации, то есть повышается эффективность утилизации нефтесодержащих вод.
Таким образом, в заявляемой полезной модели после впрыска нефтесодержащих вод в газоход котла уменьшаются затраты теплоты, необходимые на испарение воды в составе впрыснутой порции нефтесодержащей воды, что ведет к повышению эффективности утилизации нефтесодержащих вод продуктами сгорания котла.
При этом у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающиеся в применении перегрева воды в составе нефтесодержащей воды, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающее достижение нового положительного эффекта - повышение эффективности утилизации нефтесодержащих вод продуктами сгорания котла.
На фиг. приведена структурная схема котлоагрегата.
Котлоагрегат включает последовательно соединенные котел 1 с топливной форсункой 2, форсункой нефтесодержащих вод 3, газоход 4 и газоанализатор 5, а также дополнительную форсунку нефтесодержащих вод 6, установленную в газоходе 4, кроме того, содержит топливную система котла 7, выход которой соединен с входом топливной форсунки 2, также включает последовательно соединенные систему нефтесодержащих вод 8, переключатель 9, регулируемый клапан 10 и подогреватель нефтесодержащих вод 11, при этом второй выход переключателя 9 соединен с входом форсунки нефтесодержащих вод котла 3, а также перегреватель нефтесодержащих вод 6, вход которого соединен с выходом подогревателя нефтесодержащих вод 11, а выход подключен к входу дополнительной форсунки нефтесодержащих вод 6.
Котельная установка работает следующим образом.
В известной полезной модели котлоагрегата нефтесодержащие воды с низкой концентрацией нефтепродуктов перед подачей в газоход 4 котла 1 подогреваются в подогревателе нефтесодержащих вод 11 до температуры близкой к температуре кипения воды (90-99°С). В результате утилизируемые нефтесодержащие воды после распыления в газоходе 4 котла 1 практически сразу подвергаются процессу испарения. Однако, здесь имеются значительные затраты на испарение нефтесодержащих вод подаваемых в газоход котла. Так, например, теплоемкость воды при 100°С равна 4.220 кДж/(кг⋅К), а удельная теплота парообразования 2256.8 кДж/кг (см., например, книгу Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи, М., «Энергия», 1973. 320 с, стр. 299-300). А это означает, что испарение 1 кг воды требует энергии более чем в 5 раз по сравнению с ее нагревом, например, от 0 до 100.
В заявляемой полезной модели предлагается нагревать нефтесодержащие воды перед подачей в газоход 4 котла 1 до температуры выше 100°С. Для этого нефтесодержащие воды с выхода подогревателя нефтесодержащих вод 11 подаются на перегреватель нефтесодержащих вод 12 и далее на дополнительную форсунку нефтесодержащих вод 6, при этом можно использовать как «бросовую» теплоту самого котла, так и судовых дизелей, которой, как правило, на судне достаточно много (см., например, Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. - Л.: Судостроение, 1988, 296 с; стр. 231-232). Поскольку давление в трубопроводе перед дополнительной форсункой нефтесодержащих вод 6 выше атмосферного, закипания воды в составе нефтесодержащих вод не происходит. Давление в газоходе 4 котла 1 близко к атмосферному, поэтому после попадания порции нефтесодержащих вод в газоход 4 котла 1, вода в ее составе оказывается перегретой. При этом часть воды в составе нефтесодержащих вод практически моментально превратится в пар, причем количество пара определится величиной перегрева воды относительно 100°С. Чем больше перегрев, тем больше образуется пара (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 затрат теплоты продуктов сгорания котла 1 на утилизацию нефтесодержащих вод. Поэтому появляется возможность увеличить количество подаваемых нефтесодержащих вод в газоход 4 котла 1 для утилизации, то есть повышается эффективность утилизации нефтесодержащих вод.
Таким образом, в заявляемой полезной модели после впрыска нефтесодержащих вод в газоход котла уменьшаются затраты теплоты, необходимые на испарение воды в составе впрыснутой порции нефтесодержащей воды, что ведет к повышению эффективности утилизации нефтесодержащих вод сжиганием в топке котла.
При этом у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающиеся в применении перегрева воды в составе нефтесодержащей воды, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающее достижение нового положительного эффекта - повышение эффективности утилизации нефтесодержащих вод продуктами сгорания котла.