УСТРОЙСТВО УТИЛИЗАЦИИ УТЕЧЕК ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам переработки утечек горючих газов, сопутствующих хранению жидких криогенных топлив в замкнутых емкостях и утечек горючих газов, возникающих в силовых установках, машинах и различных технологических процессах. Утилизация горючих газообразных утечек позволяет более полно использовать энергетику горючего газа и не нарушать экологию окружающей среды.
Известно устройство для сжигания топлива по патенту РФ на изобретение №2156935 от 08.07.1999 г. F26B 23/02. Устройство содержит емкость для топлива, органы управления, вентилятор и расположенную за ним по ходу потока камеру сгорания с огневым днищем, систему розжига топливовоздушной смеси (ТВС), наружную обечайку, образующую цилиндрическую полость вокруг камеры сгорания, двухкомпонентные горелки соплового типа, размещенные в огневом днище и соединенные по входу с выходом вентилятора, а по выходу совмещены с внутренней поверхностью огневого днища.
Устройство работает по принципу создания воздухом вентилятора разряжения при прохождении через двухкомпонентную горелку соплового типа. Благодаря этому происходит засасывание топлива в горелку через систему трубопроводов из топливной емкости. Горелки выполнены таким образом, что в них происходит смешение топлива с воздухом в стехиометрическом соотношении. Полученная смесь поступает в камеру сгорания, где поджигается системой розжига и сгорает. Выравнивание поля температур сгоревшей смеси происходит как в камере сгорания, так и за ее пределами путем смешения продуктов сгорания с вторичным воздухом.
Недостатком технического решения аналога является сложность конструкции из-за большого количества форсунок, разветвленной сети подводящих трубопроводов. В результате осложнена сборка и техническое обслуживание устройства, что приводит к удорожанию и снижению надежности в эксплуатации. Из-за увеличенной размерности устройства ограничен нижний уровень диапазона его мощности, что сужает пределы его применимости.
Известно малоразмерное теплогенераторное устройство по свидетельству на полезную модель №24268 от 27.07.2002 г. Устройство содержит емкость для топлива, вентилятор и расположенную за ним по ходу воздуха камеру сгорания с огневым днищем, систему поджига, двухкомпонентные горелки соплового типа, размещенные в огневом днище и соединенные по входу с выходом воздуха вентилятора, а по выходу совмещенные с внутренней поверхностью огневого днища, причем подвод топлива к горелкам осуществляется по единому трубопроводу. Недостатком такого технического решения является невозможность обеспечения относительно низкой величины температуры газа за устройством, что ограничивает область его применения.
Наиболее близким аналогом выбранным за прототип является устройство по свидетельству на полезную модель ПМ №41803 от 10.11.2004 г., которое решает задачу утилизации утечек криогенного горючего из его хранилища при работе системы стабилизации давления путем прямого использования подогретого воздуха повышенного давления для нагрева помещений.
Устройство содержит емкость для топлива, источник сжатого воздуха, камеру сгорания, двухкомпонентные горелки соплового типа, расположенные в камере сгорания и соединенные по входу с источником сжатого воздуха и емкостью для топлива, причем выход камеры сгорания соединен с активным соплом эжектора, вход которого соединен с атмосферой, а выход с потребителем тепла. Устройство сжигает газообразные утечки жидкого криогенного топлива, а продукты сгорания (выхлопной газ) непосредственно нагревают до заданной температуры атмосферный воздух, который поступает в обогреваемое помещение. Недостатком этого технического решения является трудность его использования с емкостями криогенного топлива умеренной величины. Применение устройства возможно при относительно большой величине утечек криогенного топлива, характерных для емкостей достаточно большой величины. При малых значениях утечек диаметральные размеры топливных каналов форсунок могут составлять лишь десятые доли миллиметра. При практически обеспечиваемой точности изготовления каналов форсунок их характеристики могут сильно отличаться, в том числе и по температуре горения, что увеличивает толщину фронта горения в камере сгорания и приводит к увеличенному образованию вредных веществ в продуктах сгорания. Кроме того, в помещение в смеси с воздухом поступают и продукты сгорания топлива, еще больше ухудшая экологичность атмосферы в помещении, где может находиться персонал.
Технической задачей заявляемого решения является утилизация утечек газообразного топлива посредством сжигания их в среде сжатого воздуха, с использованием выделяющегося при этом тепла, для надежного и экологически чистого обогрева помещения с заданной температурой или использования тепла в технологических процессах.
Поставленная задача решается тем, что устройство утилизации утечек горючих газов содержит источник утечек горючих газов, источник сжатого воздуха и камеру сгорания с горелками.
Новым в полезной модели является то, что устройство дополнительно включает генератор смеси с высоконапорным и низконапорным входами, редуктор давления, водогрейный агрегат с входом и выходом, теплообогреватель и кран. Горелки камеры сгорания - однокомпонентные. Емкость топлива через редуктор давления соединена с высоконапорным входом генератора смеси, низконапорный вход которого соединен с источником сжатого воздуха. Выходом генератор смеси соединен с горелками. Источник сжатого воздуха соединен также с входом камеры сгорания, которая выходом подключена к водогрейному агрегату. Вход и выход водогрейного агрегата соединены между собой через теплообогреватель и кран.
Генератор гомогенной смеси преобразует газообразную сверхзвуковую струю утечек жидкого криогенного топлива и выходящий из источника сжатый воздух в дозвуковой поток требуемого состава ТВС. Это позволяет подавать в горелки камеры сгорания ТВС одного состава, сделать равномерным поле температур во фронте горения и тем самым уменьшить толщину фронта пламени и время сжигания смеси, что позволяет понизить уровень содержания вредных примесей в выхлопном газе.
Редуктор давления позволяет, изменяя давление газа утечек перед высоконапорным входом эжектора, поддерживать его требуемый расход при изменении температурного режима в емкости криогенного топлива, обеспечивая выработку заданного количества тепла.
Использование водогрейного агрегата позволяет экологически чисто передавать тепло выхлопных газов для обогрева помещений или для использования его в технологических процессах.
Использование теплообогревателя позволяет передавать тепло из водогрейного агрегата для рационального распределения его по помещению.
Использование крана позволяет при необходимости регулировать величину температуры воздуха в помещении. Все это обеспечивает надежность работы устройства.
Использование однокомпонентных горелок, ставшее возможным из-за подачи генератором смеси в горелки подготовленной ТВС нужного состава позволяет упростить их конструкцию и конструкцию камеры сгорания, снизить стоимость их изготовления.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Использование источника сжатого воздуха позволяет обеспечить в генераторе смеси и камере сгорания избыточное (над атмосферным) давление, необходимое для работы камеры сгорания в условиях погруженного в воду ее выхода и для приготовления горючей смеси нужного состава.
Источником сжатого воздуха может быть вентилятор механически соединенный с приводом. Выход вентилятора соединен с входом камеры сгорания и низконапорным входом генератора ТВС, а вход вентилятора - с атмосферой. Это позволяет обеспечить непрерывную длительную работу устройства, ограниченную только наличием утечек жидкого криогенного топлива.
Приводом вентилятора может быть электродвигатель, что позволяет простейшим способом обеспечить подвод к вентилятору необходимой для его функционирования мощности.
Водогрейный агрегат в одном варианте может быть выполнен в виде резервуара с водой, при этом камера сгорания расположена вертикально и выходом погружена под уровень в воду резервуара, причем вода не полностью заполняет резервуар.
Использование резервуара с водой позволяет использовать так называемый «погружной нагрев» т.е. тепловую энергию выхлопного газа высокой температуры непосредственно передать промежуточному теплоносителю - воде, тепло которой подается в обогреваемое помещение. Этим обеспечивается экологически чистый подвод тепла в помещение.
Вход и выход резервуара позволяют производить подвод и отвод воды в элементы системы водяного подогрева. Подача охлажденной воды на вход резервуара в полость над уровнем воды охлаждает и конденсирует часть пара, образующегося из-за нагрева воды продуктами сгорания камеры. Отбор горячей воды из выхода резервуара под уровнем воды позволяет использовать в теплообогревателе «спокойную» воду без паровых включений, что увеличивает его срок службы.
Водогрейный агрегат в другом варианте может быть выполнен в виде теплообменника с раздельными газовым и водяным трактами, при этом камера сгорания выходом соединена с входом газового тракта теплообменника, выход которого связан с атмосферой.
Теплообменник с раздельными газовым и водяным трактами позволяет без непосредственного контакта отдавать часть тепла выхлопного газа камеры сгорания теплообогревателю.
Использование для этого варианта противоточной схемы работы теплообменника - направления потока воды навстречу потоку газа - позволяет повысить эффективность работы теплообменника.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания устройства утилизации газообразных утечек жидкого криогенного топлива со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1-3, где на фиг.1 изображена схема устройства, на фиг.2 - схема водогрейного агрегата при погружном нагреве воды и на фиг.3 - схема водогрейного агрегата при использовании теплообменника.
Устройство утилизации газообразных утечек горючих газов, например, из емкости 1 содержит (см. фиг.1) источник 2 сжатого воздуха, камеру сгорания 3 с горелками 4, расположенными в камере сгорания 3.
В соответствии с изобретением устройство дополнительно включает генератор смеси 5 с высоконапорным 6 и низконапорным 7 входами, редуктор давления 8 и водогрейный агрегат 9 с входом 10 и выходом 11. Горелки 4 камеры сгорания 3 - однокомпонентные. Емкость 1 через редуктор 8 давления соединена с высоконапорным входом 6 генератора смеси 5, низконапорный вход 7 которого соединен с источником 2 сжатого воздуха. Выходом генератор смеси 5 соединен с горелками 4 камеры сгорания 3. Источник 2 сжатого воздуха соединен также с входом камеры сгорания 3, которая выходом подключена к водогрейному агрегату 9. Вход 10 и выход 11 водогрейного агрегата 9 соединены через теплообогреватель 12 и кран 13.
Источником сжатого воздуха 2 может быть вентилятор 14, механически соединенный с приводом 15. Вход вентилятора 14 соединен с атмосферой.
Приводом 15 вентилятора 14 может быть электродвигатель.
Водогрейный агрегат 9 в одном варианте (см. фиг.2) выполнен в виде резервуара 16 с водой 17. Камера сгорания 3 выходом вертикально погружена в воду 17, заключенную в резервуаре 16, при том вода 17 не полностью заполняет резервуар 16.
Водогрейный агрегат 9 в другом варианте (см. фиг.3) выполнен в виде теплообменника 18 с газовым 19 и водяным 20 трактами, при этом камера сгорания 3 выходом соединена с входом газового тракта 19 теплообменника 18.
Работа устройства осуществляется следующим образом (см. фиг.1).
При повышении давления газообразных утечек в емкости 1 выше заданного уровня активируется источник сжатого воздуха 2 (включается привод 15 вентилятора 14) и открывается редуктор давления 8, газообразные утечки поступают через высоконапорный вход 6 в генератор смеси 5, где газ подсасывает воздух из источника сжатого воздуха 2 через низконапорный вход 6 генератора 5 - при этом образуется ТВС. ТВС из генератора смеси 5 поступает в горелки 4 камеры сгорания 3. В камере сгорания 3 ТВС поджигается воспламенителем, например электроискровой свечой (не показано) и сгорает с образованием выхлопного газа, который подается в водогрейный агрегат 9.
В водогрейном агрегате 9 (см. фиг.2) выхлопной газ с небольшим избыточным давлением поступает в частично наполненный водой 17 резервуар 16, где в процессе барботажа отдает тепло воде 17 и далее выходит в атмосферу. Нагретая в резервуаре 16 вода 17 через выход 11 резервуара 16 и кран 13 поступает в теплообогреватель 12, где отдает тепло, обогреваемому помещению (не показано).
Из теплообогревателя 12, охлажденная вода через вход 10 резервуара 16 подается в полость над свободной поверхностью воды 17 в резервуаре и частично конденсирует находящийся в ней пар. Циркуляция воды осуществляется насосом системы подогрева воды (не показан). Суфлирование полости над свободной поверхностью воды осуществляется отдельным устройством (не показано), обеспечивающим минимальный выход пара в атмосферу.
По другому варианту (см. фиг.3) в водогрейном агрегате 9 выхлопной газ поступает в газовый тракт 19 теплообменника 18, где отдает часть тепла газа водяному тракту 20 и выбрасывается в атмосферу. Водяной тракт 20 вместе с теплообогревателем 12, насосом (не показан) и краном 13 образуют циркуляционный контур воды, отдающий через теплообогреватель 12 тепло, обогреваемому помещению.
Целесообразность реализации вариантов предлагаемого устройства утилизации утечек жидкого криогенного топлива показана на примере серийно выпускаемой промышленностью автотранспортной водородной цистерны ЦТВ25/0.6.
3
Емкость цистерны - 25 м,
рабочее давление жидкого водорода в цистерне - 0.6 МПа,
утечка водорода из цистерны через систему поддержания давления в ней в среднем составляет 15 кг в сутки.
Г0
-3
Секундный расход жидкого водорода G=15/86400=0.174·10 кг/с или
Г0
Г0
В0
ВЭЖ
Г0
В
СМ
G=0.174 г/с. Для стехиометрического сжигания водорода расход воздуха должен составлять 34.3×G=6 г/с. Для обеспечения коэффициента избытка воздуха горючей смеси α=1.34 расход эжектируемого воздуха должен составлять G=8.0 г/с. Эти параметры обеспечиваются при величине полного давления водорода перед эжектором Р=0.6 МПа, расходе водорода G=0.174 г/с, избытке полного давления воздуха перед эжектором (обеспечиваемого вентилятором) ΔP=4 кПа и избытке статического давления смеси за эжектором ΔР=4.8 кПа. При этом параметры эжектора:
гэж
эж
ЭЖ
диаметр минимального сечения канала водорода d=0.77 мм, диаметр эжектора d=16.1 мм, скорость водородно-воздушной смеси за эжектором с=31.9 м/с (указанные параметры получены расчетом без учета трения топливовоздушной смеси о стенки камеры смешения эжектора).
Опыт показывает, что для обеспечения устойчивого горения камера сгорания должна иметь не менее трех однокомпонентных форсунок.
в
Для обеспечения работы камеры сгорания в условиях «погружного нагрева» (см. фиг.2) необходимо, чтобы на выходе камеры сгорания давление на 2-3 кПа превышало атмосферное давление, чтобы выхлопной газ имел возможность внедриться в толщу воды, находящейся в резервуаре и отдать большую часть своей тепловой энергии воде. Для этого давление поступающего в камеру сгорания воздуха должно быть больше атмосферного давления, что и обеспечивается вентилятором с Δр=4 кПа.
ВЫХ
В2
В
Для обеспечения меньшего уноса жидкости из-за испарения и барботажа, а также для возможности использования в газовом тракте теплообменника (см. фиг.3) выбирается умеренная величина температуры выхлопного газа при выходе из камеры сгорания T=780 K, что достигается введением в камеру сгорания вторичного воздуха с расходом М=26 г/с. Таким образом, вентилятором подается суммарно в камеру сгорания M=34 г/с воздуха. При этом обеспечиваются параметры камеры сгорания:
ГКС
минимальный диаметр каналов форсунок горючего d=8.7 мм,
ВЫХ
выходной диаметр форсунок газовоздушной смеси d=21.4 мм,
К
диаметр цилиндрической камеры сгорания D=69.1 мм,
см
скорость горючей смеси при выходе из горелки С=7.7 м/с,
вых
вых
скорость выхлопного газа при выходе из камеры сгорания С=17.7 м/с, превышение давления выхлопных газов над атмосферным давлением ΔP=3.65 кПа.
tкс
Тепловая мощность камеры сгорания приведенного устройства равна W=20.2 кВт.
t
2
Тепловая мощность системы подогрева должна быть меньше на величину тепла, уходящего в атмосферу охлажденного выхлопного газа. Однако к.п.д. отдачи тепла «погружным нагревом» выше, чем при использовании обычных теплообменных аппаратов и находится на уровне не ниже 90%. Тогда величина располагаемого для обогрева тепла составит W=18.2 кВт - этого тепла достаточно для обогрева, например, помещения с рабочей площадью около 180 м.
ГКС
Следует заметить, что без применения генератора ТВС минимальное сечение каналов водородных форсунок камеры сгорания имело бы слишком малый диаметр - d=0.45 мм, что при неизбежном разбросе размера в поле допуска приводило бы к существенному разбросу характеристик разных форсунок и соответствующей неравномерности температур в камере сгорания.
B
B
t
3
Оценим величину мощности, потребляемую вентилятором . При плотности воздуха ρ=1.2 кг/м и к.п.д. вентилятора η=0.4 величина мощности привода вентилятора равна , т.е. составляет всего 0.16% от полезной тепловой мощности W.
Использование заявляемого устройства позволяет сократить затраты на подогрев помещения. При рыночной стоимости дизельного топлива 20 руб./литр (Ц=25 руб./кг) стоимость дневного его потребления составит:
tc
t
тепло, производимое в течение суток W=W*86400=1728000 кДж;
U
тепло, выделяющееся при сгорании 1 кг дизельного топлива (д.т.) Н=44300 кДж;
T
tc
U
количество топлива необходимое для суточной работы устройства G=W/H=39 кг;
T
стоимость топлива, вырабатываемого устройством в сутки СТ=Ц*G=985 руб.
Таким образом, использование заявляемого устройства при хранении водорода в транспортной емкости ЦТВ25/0.6 позволяет уменьшить затраты на получение тепла, обеспечить экологическую чистоту и пожаробезопасность окружающей среды.
Приведенный фактический материал показывает, что применение заявляемого устройства позволяет экологически чисто и безопасно утилизировать утечки жидкого криогенного топлива из емкости с частичным полезным использованием их энергетического потенциала в виде тепла. Кроме того, реализация предложенного технического решения позволяет отказаться от системы подмешивания газообразного азота к периодически выпускаемому газообразному водороду из цистерны ЦТВ25/0.6, что упрощает и удешевляет ее эксплуатацию.
Предложение также может представлять интерес для транспортировки, например, сжиженного природного газа в больших емкостях типа используемых на морских танкерах.