Способ контактного нагрева жидкости
METHOD OF CONTACT LIQUID HEATING

Область техники
Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к контактному нагреву жидкости газообразной средой, преимущественно к нагреву воды газообразными продуктами сгорания топлива для технологического или коммунально-бытового теплоснабжения, и может найти применение в различных областях народного хозяйства.
Предшествующий уровень техники
Известен способ нагрева текучих сред, преимущественно горючих и пожароопасных, включающий использование тепловой энергии горения топлива и дымовых газов для нагрева циркулирующего промежуточного теплоносителя, использование тепла дымовых газов при их противоточном течении в поверхностном теплообменнике с нагреваемой текучей средой, при этом теплом продуктов сгорания топлива испаряют промежуточный теплоноситель, парами теплоносителя разбавляют газы продуктов горения, газовой смесью нагревают в поверхностном теплообменнике текучую среду, после чего газовую смесь охлаждают в поверхностном теплообменнике холодным потоком нагреваемой текучей среды, конденсируют из нее циркулирующий промежуточный теплоноситель и возвращают на испарение. Газовую смесь перед нагревом текучей среды в поверхностном теплообменнике пропускают через огнепреградительную насадку. Возвращение промежуточного теплоносителя на испарение осуществляют самотеком столбом конденсата в рубашку и (или) на насадку. Часть тепла промежуточного теплоносителя отбирают и используют на бытовые или технологические нужды. Теплом радиации горения топлива через теплообменную поверхность испаряют жидкий теплоноситель (см. патент РФ на изобретение № 2295095, МПК F24H1/10, опубл. 10.03.2007 г.).
Недостатком известного способа нагрева текучих сред является то, что использование поверхностного теплообменника создает дополнительные термические сопротивления теплоотдачи и теплопроводности теплообменной поверхности, снижающие интенсивность теплообмена, вызывает необходимость обслуживания и периодического ремонта поверхностного теплообменника, приводит к низкой надёжности работы, значительному увеличению габаритных размеров и металлоёмкости теплообменной системы.
Известен способ контактного нагрева жидкости, включающий подвод холодной жидкости в контактный нагреватель, подачу газа и воздуха в погружную горелку, при этом давление воздуха выбирается больше суммы гидравлических сопротивлений собственно камеры сгорания подводящего воздуховода, гидростатического сопротивления слоя воды и сопротивления воды, которое вызывается силами поверхностного натяжения, смешение газа с воздухом в камере смешения, подачу газовоздушной смеси в камеру сгорания, подачу с помощью погружной горелки греющей газообразной среды в нагреваемую жидкость, с последующим выводом греющей газообразной среды из объёма жидкости через её поверхность, и отводом нагретой жидкости потребителю из контактного нагревателя (см. кн.: Соснин Ю.П. Контактные нагреватели. - М.: Стройиздат, 1974, с. 247, рис. 103).
Недостатками известного способа контактного нагрева жидкости являются низкие скорости движения сред в зоне теплообмена, снижающие интенсивность теплообмена, малая поверхность контакта греющей и нагреваемой среды, высокое аэродинамическое сопротивление устройства, что приводит к значительному увеличению габаритных размеров, металлоёмкости и перерасходу энергии на создание избыточного давления воздуха перед горелкой.
Известен способ работы теплогенерирующей установки, включающий нагрев жидкой среды выхлопными газами с последующей передачей нагретой жидкой средой тепловой энергии потребителю тепла, при этом выхлопные газы направляют в газожидкостный струйный аппарат, где выхлопные газы сначала разгоняют в сопле с формированием за выходным сечением сопла газовой струи, далее организуют смешение жидкой охлажденной среды и выхлопных газов с частичной передачей жидкой среде тепловой и кинетической энергии струи выхлопных газов и формированием газожидкостного сверхзвукового потока смеси сред, затем организуют торможение потока смеси сред с формированием скачка давления, сопровождаемого интенсивным ростом давления газожидкостной смеси и завершением процесса теплообмена между жидкой средой и выхлопными газами, после чего газожидкостную смесь нагретой жидкой среды и выхлопных газов направляют в сепаратор, где выхлопные газы отделяют от нагретой жидкой среды и последнюю подают из сепаратора в систему потребления тепла, из которой охлажденная жидкая среда поступает в газожидкостный струйный аппарат с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды. При этом выхлопные газы из сепаратора откачивают и поддерживают в последнем давление ниже атмосферного (см. патент РФ на изобретение № 2144145, МПК F04F 5/54, F02C 6/18, опубл. 10.01.2000 г.).
Недостатками известного способа работы теплогенерирующей установки являются большие затраты энергии на создание избыточного давления выхлопных газов, значительные габаритные размеры и металлоёмкость из-за сложности конструкции.
Известен способ ректификации, абсорбции и подобных процессов при движении жидкости в тонком слое, увлекаемом трением быстродвижущегося газа, при восходящем прямоточном движении в каждом отдельном элементе, путем контакта жидкости с газом или паром внутри трубок произвольного сечения, в которых протекает газ или пар со скоростью, позволяющей увлекать жидкость по стенке трубки силою трения в направлении движения газа или пара (см.  авторское свидетельство СССР № 118487, кл. B 01 D 53/14, опубл. 1959).
Недостатками известного способа является то, что при частичных нагрузках возникает режим захлебывания или пузырьковый режим с перекрытием жидкостью сечения трубок. По мере увеличения скорости газ выталкивает жидкую пробку из трубки. Такая гидравлическая и аэродинамическая неустойчивость может вызвать нарушение работы подключенных к контактному теплообменнику устройств и создать аварийные ситуации. Например, в случае нагрева жидкости продуктами сгорания из горелки, аэродинамическая неустойчивость и пульсация греющего газа может вызвать срыв пламени горелки с последующим взрывом. Кроме этого, жидкость может залить подводящий нижний газоход. Указанные недостатки снижают надёжность и безопасность теплообмена, препятствуют применению высокотемпературных греющих газов, требуют для повышения безопасности дополнительных технических решений, избыточной массы и габаритов устройств, создаваемых на основе данного способа.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является известный способ тепло- и массообмена между газом и жидкостью, включающий контактирование газа и жидкости на поверхности плёнки жидкости, стекающей по внутренним стенкам вертикальных рабочих труб, подачу газа в нижнюю часть этих труб и подачу жидкости в верхнюю часть труб, при этом процесс ведут в три или более стадии, причем первую и последнюю по ходу газа стадии осуществляют в режиме устойчивого противотока, а средние, одну или несколько стадий, осуществляют в режиме захлебывания (см. патент РФ на изобретение № 2164441, МПК B01D 53/18; B01J 10/02, опубл. 27.03.2001 г.).
Недостатками известного способа контактного нагрева жидкости газом является то, что использование пониженной скорости газов от 2,1 до 5,42 м/с, т.е. ламинарного или переходного режима движения (с целью поддержания желаемого режима захлебывания - неустойчивого противотока, т.е. режима зависания жидкости в виде неспокойной пленки на внутренних стенках трубы) по сравнению с обычной для газоходов скоростью (от 8 до 25 м/с) снижает турбулентность потока, коэффициент теплоотдачи от газов к жидкости, брызгообразование, исключает возникновение мелкодисперсного потока, ограничивает площадь контакта газа с жидкостью, интенсивность теплообмена и тем самым требует повышенных диаметров и массы рабочих труб. В данном способе работа в режиме захлебывания в случае увеличения скорости газа приводит к торможению вытекающей снизу жидкости, она перекрывает сечение трубы и препятствует газовому потоку, газ выталкивает жидкость как поршень и выбрасывает ее из трубы в беспорядочной форме. Такая гидравлическая и аэродинамическая неустойчивость влияет на функционирование подключенных к контактному теплообменнику других технологических устройств и может вызвать нарушение их работы и аварийные ситуации. Например, в случае использования в качестве греющего потока газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих из горелки, аэродинамическая неустойчивость и пульсация давления греющего потока может вызвать срыв пламени горелки и спровоцировать образование гремучей смеси с последующим взрывом.
Кроме этого, при подаче газа в нижнюю часть рабочих труб, жидкость может залить подводящий газоход (что особенно нежелательно, например, при использовании, в качестве греющего потока газов, выходящих из электрооборудования, газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих из горелки, а также в других случаях отрицательного воздействия нагреваемой жидкости на элементы или материал подводящего газохода, особенно в условиях применения высокотемпературных греющих газов). Указанные недостатки снижают надёжность и безопасность теплообмена, препятствуют применению высокотемпературных греющих газов, вызывают избыточную массу и значительные габариты устройства, ограничивают область эффективного использования контактного нагрева жидкости газом.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности контактного нагрева жидкости газом при снижении материальных и эксплуатационных расходов за счет улучшения условий нагрева, повышения надёжности и безопасности работы.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является увеличение интенсивности нагрева жидкости за счёт расширения температурного диапазона греющих газов и увеличения температурного напора, повышения скорости движения и турбулентности газов с возникновением мелкодисперсного потока из газа и жидкости, повышения коэффициента теплоотдачи от газов к жидкости, увеличения площади контакта газа с жидкостью.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе контактного нагрева жидкости, включающем контактирование потока греющего газа и слоя нагреваемой жидкости, стекающей вниз по внутренней поверхности газохода, согласно изобретению греющий газ подают в газоход сверху, при этом количество подаваемого греющего газа выбирается меньше, а нагреваемой жидкости - больше величин, вызывающих увеличение температуры внутренней поверхности газохода до температуры образования на ней накипи.
Целесообразно, чтобы в качестве греющего газа были использованы продукты сгорания органического топлива, выходящие непосредственно из горелки.
Жидкость может подаваться в газоход несколькими потоками на разной высоте.
Нагрев жидкости может осуществляться в газоходе переменного сечения.
Нагрев жидкости может осуществляться в газоходе, на внутренней поверхности которого имеются неровности, и/или шероховатости, и/или иные гидравлические сопротивления, уменьшающие скорость стекания слоя нагреваемой жидкости.
Нагрев жидкости может осуществляться в газоходе, внутренняя поверхность которого обладает свойством смачиваемости нагреваемой жидкостью.
Подача греющего газового потока в газоход сверху, с нагревом жидкости в режиме прямотока, позволяет избежать:
- работы в неустойчивом режиме захлебывания;
- торможения вытекающей снизу жидкости и перекрытия ею сечения канала (при увеличении скорости газа), препятствующего движению газового потока;
- гидравлической и аэродинамической неустойчивости контактного теплообмена и тем самым соответствующего отрицательного влияния на функционирование подключенных к контактному теплообменнику других технологических устройств (например, срыва пламени газовой горелки и образования гремучей смеси с последующим взрывом);
- залива нагреваемой жидкостью подводящего газохода (что особенно нежелательно, например, при использовании, в качестве греющего потока, газов, выходящих из электрооборудования, газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих из горелки, а также в других случаях отрицательного воздействия нагреваемой жидкости на элементы или материал подводящего газохода, особенно в условиях применения высокотемпературных греющих газов), обеспечивая повышение надёжности и безопасности нагрева, возможность увеличения скорости и температуры греющей газообразной среды, возможность создания миниатюрных контактных теплообменников с повышенным объёмным теплонапряжением.
Перемещение греющей газообразной среды в газоходе преимущественно со скоростью, обеспечивающей образование мелкодисперсного газо-жидкостного потока внутри газохода, но не превышающей предельную скорость, вызывающую недопустимую степень разрушения слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода и соответствующее недопустимое повышение температуры стенки газохода из-за разрушения газовым потоком слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода и ухудшения охлаждения стенки газохода жидкостью, приводит к повышению коэффициента теплоотдачи от газов к жидкости, увеличению площади контакта газа с жидкостью, а также сокращению объёма зоны теплообмена, габаритов и массы теплообменника.
Распределение потока нагреваемой жидкости в виде плёнки по внутренней поверхности газохода обеспечивает низкую температуру стенки газохода и сокращение тепловых потерь через ограждающие поверхности, отсутствие пристенного кипения жидкости и накипеобразования на стенке газохода, снижение материальных и эксплуатационных расходов и увеличение ресурса работы за счет отсутствия высокотемпературного износа стенок газохода, использования дешёвой теплоизоляции и отсутствия затрат на удаление накипи, надёжную и безопасную работу.
Скорость, обеспечивающую образование мелкодисперсного газо-жидкостного потока внутри газохода определяют экспериментально по возрастанию скорости изменения выходных температур газа и жидкости при повышении скорости движения газов в газоходе.
При этом недопустимую степень разрушения слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода определяют по превышению предельно допустимого значения температуры стенки газохода.
Массовый расход греющего газового потока, вызывающий повышение температуры внутренней поверхности газохода до температуры образования на ней накипи, определяется в процессе режимных испытаний установки, реализующей данный способ нагрева. Например, по замеренному расходу топлива рассчитывается массовый расход продуктов сгорания (греющего газового потока) при замеряемой термопарой температуре внутренней поверхности газохода, равной  температуре образования на ней накипи, а появление накипи контролируется визуально по мере увеличения расхода топлива.
Стандартная методика подобных испытаний изложена в книге Теплотехнические испытания котельных установок/В. И. Трембовля, Е. Д. Фингер, А. А. Авдеева. — М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 7–83, 147–261, 333–399.
Массовый расход жидкости, вызывающий повышение температуры внутренней поверхности газохода, определяется в процессе режимных испытаний установки, реализующей данный способ нагрева. Например, массовый расход жидкости меняется регулирующим клапаном и замеряется стандартным расходомером при одновременном замере с помощью термопар температуры внутренней поверхности газохода до достижения ею заданной температуры.
Предложенный способ контактного нагрева жидкости греющей газообразной средой осуществляют следующим образом.
В зону контактного теплообмена газохода, со свободно стекающим вниз по его внутренним стенкам слоем нагреваемой жидкости, сверху подают греющий газовый поток, например, выходящие из горелки продукты сгорания топлива. В качестве греющей газообразной среды также могут быть использованы либо горячий воздух, либо горячие газы технологических процессов, либо иной горячий газ, допускающий контактный теплообмен с жидкостью. При этом количество подаваемого греющего газа выбирается меньше, а нагреваемой жидкости - больше величин, вызывающих увеличение температуры внутренней поверхности газохода до температуры образования на ней накипи.
Движение греющей газообразной среды в зоне контактного теплообмена газохода осуществляют преимущественно при скорости, обеспечивающей турбулентный режим её движения с образованием мелкодисперсного газожидкостного потока внутри газохода, но не превышающей предельную скорость, вызывающую недопустимую степень разрушения слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода и соответствующее недопустимое повышение температуры стенки газохода из-за ухудшения её охлаждения жидкостью. Затем, из нижней части зоны контактного теплообмена, отдельными потоками отводят греющую газообразную среду и нагретую жидкость, например, в соответствии с патентом РФ на изобретение № 2533591 (МПК F24H 1/10, опубл. 20.11.2014 г.) или иными известными способами.
Для подтверждения работоспособности и эффективности предложенного способа нагрева потока жидкости была изготовлена экспериментальная установка, содержащая:
- экспериментальный образец контактного газо-водяного нагревателя (КГВН) из тонкостенной меди массой 150 г с габаритными размерами 0,4×0,037×0,037 м, с патрубками подачи греющей газообразной среды (воздуха) и подвода холодной воды, с выходом нагретой воды и отводом греющей газообразной среды;
- электрический нагреватель воздуха со встроенным вентилятором, цифровым дисплеем с выводом текущего значения температуры горячего воздуха;
- цифровой термометр для измерения температуры выходящей греющей газообразной среды и температуры нагретой воды;
- сборный и мерный сосуды.
Для нагрева воздуха был использован электрический нагреватель воздуха марки LEISTER TRIAC AT напряжением 220 В, мощностью 1600 Вт, с плавной регулировкой температуры нагрева воздуха в диапазоне 40…700°С и расходом воздуха 120…240 л/мин. Для измерения температуры выходящего из КГВН воздуха и воды применялся цифровой термометр марки МЕГЕОН 26300 с диапазоном измеряемой температуры от –50 до 300°C с разрешением 0,1°С.
Через патрубки экспериментального образца КГВН подводились греющий горячий воздух и холодная вода. На нагревателе воздуха выставлялась максимальная подача воздуха и начальная температура нагрева воздуха 40°С. Включалась подача холодной воды и с помощью мерного сосуда и секундомера выставлялся её расход в пределах 0,008…0,009 кг/с. В процессе замеров значение температуры горячего воздуха увеличивалось и считывалось с дисплея электрического нагревателя воздуха. С помощью сборного сосуда собиралась нагретая вода в течение 30…60 с. Температура нагретой воды замерялась в сборном сосуде с помощью цифрового термометра. С помощью мерного сосуда замерялась масса собранной нагретой воды. Сборный сосуд подводился под выход воздуха из экспериментального образца КГВН. С помощью цифрового термометра через каждые 5 мин производились замеры температуры воздуха, проходящего через сборный сосуд.
При выводе установки на рабочий (установившийся) режим нагревателем воздуха задавалась температура нагрева воздуха в пределах 550…600°С и контролировалась по показаниям дисплея нагревателя, затем через каждые 5 мин с помощью сборного сосуда и цифрового термометра производились замеры температуры нагретой воды до достижения её постоянства. После достижения постоянства температуры воздуха, проходящего через сборный сосуд, с помощью цифрового термометра снималось значение температуры воздуха, выходящего из экспериментального образца КГВН. Также с помощью цифрового термометра замерялась температура холодной воды.
В результате эксперимента были получены следующие результаты замеров: продолжительность сбора воды 38 с; масса собранной нагретой воды 0,33 кг; температура нагретой воды 36,4°С; температура горячего воздуха 570°С; температура выходящего воздуха 182 °С; температура холодной воды 13,7°С.
Для оценки эффективности предложенного способа нагрева жидкости по результату эксперимента в качестве примера были рассчитаны значения удельной массы и удельного объём КГВН, скорректированные на температурные условия работы топки водогрейного котла (0,0478 кг/кВт и 0,000137 м³/кВт). Полученные показатели многократно превосходят аналогичные показатели топок существующих конструкций водогрейных котлов (см. таблицу).
Марка водогрейного котла
Массогабаритные характеристикитопок водогрейных котлов
Удельная масса, кг/кВт
Удельная масса относительно КГВН
Удельный объём, мі/кВт
Удельный объём относительно КГВН
Водотрубный котёл ПТВМ-50 (Россия)
1,44
30,13
0,00375
27,37
Жаротрубный котёл ViessmannVitomax 200 LW тип М 64А (Германия)
2,00
41,84
0,004838
35,31
Контактный котёл ФНКВ-2 (Россия)
1,77
37,03
0,00752
54,89
Конденсационный поверхностно–контактный котёл ВПКГ-2,5 (Россия)
1,72
35,98
0,01064
77,66
Конденсационный котёл LAARS MagnaTherm MGH4000 (США)
0,88
18,41
0,00246
17,96
Конденсационный котёл BAXI POWER HT-A 1.650 (Италия)
1,03
21,55
0,00336
24,53
Конденсационный котёл Wessex Modumax mk2 250/750с (Англия)
0,904
18,91
0,00198
14,45
В ходе эксперимента была выявлена стабильность работы КГВН. Пульсации греющего и нагреваемого потоков отсутствуют. После прекращения работы КГВН следов накипи на стенках газохода не обнаружено.
Из таблицы видно, что использование предложенного способа контактного нагрева жидкости позволяет на его основе создать, например, водогрейные котельные агрегаты, превосходящие по массогабаритным характеристикам известные типы конструкций.
Использование предложенного способа контактного нагрева жидкости позволяет:
- повысить энергоэффективность нагрева жидкости греющей газообразной средой при снижении материальных, эксплуатационных расходов и уровня техногенного загрязнения окружающей среды, многократно сократить габаритные размеры, металлоёмкость и одновременно увеличить ресурс работы, надёжность и безопасность нагревателей при использовании высокотемпературных греющих газов;
- за счёт расширения температурного диапазона греющих газов сократить их расход и снизить мощность тягодутьевых устройств, благодаря умешенным потерям давления нагреваемой жидкости в зоне прямоточного контактного теплообмена сократить мощность насосного оборудования;
- многократно повысить соотношение КПД теплообменника и затраченного на теплообменное устройство металла, в частности при использовании предлагаемого способа контактного теплообмена в качестве первой высокотемпературной ступени нагрева жидкости, например, в соответствии с патентом РФ на изобретение № 2533591 (МПК F24H 1/10, опубл. 20.11.2014 г.), а также сократить себестоимость тепловой энергии и значительно расширить область эффективного применения контактного нагрева.