Способ работы водонагревательного устройства
OPERATING METHOD OF WATER HEATING DEVICE

Изобретение относится к области энергетики, а именно к способу работы водонагревательного устройства, и может быть использовано в аппаратах с погружным горением при нагреве воды.
Для теплоснабжения с использованием воды могут быть использованы широко применяемые установки погружного горения с системами подачи воздуха и топлива, в качестве которого используют природный газ. Важным элементом таких установок является водонагревательное устройство, в котором осуществляется барботаж (пропускание через жидкость) продуктов сгорания, поступающих из горелок камер сгорания, выход которых погружен в жидкость на определенную глубину. Таким образом, осуществляется прямой контакт продуктов сгорания с водой без применения теплообменников.
Известен способ работы водонагревательного устройства, включающий подачу в камеру сгорания водонагревательного устройства топлива и воздуха, образование и сжигание в камере сгорания топливовоздушной смеси, нагрев воды путем пропускания продуктов сгорания топливовоздушной смеси через объем воды, охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси и отвод охлажденных продуктов сгорания в атмосферу (RU 22815, 2002 г.).
В известном техническом решении вода подается в водонагревательное устройство путем распыления, а продукты сгорания охлаждаются за счет обеспечения противотока в результате теплообмена между продуктами сгорания и каплями воды. Происходит смешивание потоков, что не позволяет существенно снизить температуру продуктов сгорания, температура продуктов сгорания определяется температурой нагретой воды. В процессе удаления продуктов сгорания осуществляют дополнительное охлаждение продуктов сгорания путем подачи наружного воздуха в направлении, перпендикулярном потоку продуктов сгорания. При этом часть воды в виде водяного пара уносится с продуктами сгорания в атмосферу.
Известен способ работы водонагревательного устройства, включающий подачу в камеру сгорания водонагревательного устройства топлива, в качестве которого используют газ (пропан-бутановую смесь), и воздуха, образование и сжигание в камере сгорания топливовоздушной смеси, нагрев воды в котле водонагревательного устройства путем пропускания продуктов сгорания топливовоздушной смеси через объем размещенной в котле воды, охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси и отвод охлажденных продуктов сгорания в атмосферу (RU 2659711, 2018 г.).
В известном техническом решении охлаждение продуктов сгорания осуществляется в процессе их отвода в атмосферу при помощи части воды, охлаждаемой за счет использования хладоресурса сжиженного газа и подаваемой разбрызгиванием в пространство над объемом нагреваемой воды в направлении, перпендикулярном направлению потока продуктов сгорания. При этом происходит смешивание потоков и часть воды в виде водяного пара уносится с продуктами сгорания в атмосферу.
Известен способ работы водонагревательного устройства, включающий подачу в камеру сгорания водонагревательного устройства топлива и воздуха, образование и сжигание в камере сгорания топливовоздушной смеси, нагрев воды в котле водонагревательного устройства путем пропускания продуктов сгорания топливовоздушной смеси через объем размещенной в котле воды, охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси и отвод охлажденных продуктов сгорания в атмосферу (RU 2680458, 2019 г.).
В известном техническом решении охлаждение отводимых продуктов сгорания осуществляется за счет интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и частью воды, которую используют для дополнительного охлаждения отводимых продуктов сгорания, что достигается за счет использования перфорированного теплообменника-рекуператора при условии обеспечения градиента степени перфорации таким образом, чтобы градиент был противоположен направлению потока продуктов сгорания. При этом над поверхностью нагреваемой в устройстве воды формируется водяная взвесь, которая уносится охлаждаемыми продуктами сгорания в атмосферу, причем в направлении, перпендикулярном противотоку продуктов сгорания и воды, используемой для охлаждения продуктов сгорания.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ работы водонагревательного устройства, включающий подачу в камеру сгорания водонагревательного устройства топлива, в качестве которого используют смесь природного газа и водорода, и воздуха, образование и сжигание в камере сгорания топливовоздушной смеси, нагрев воды в котле водонагревательного устройства путем пропускания продуктов сгорания топливовоздушной смеси через объем размещенной в котле воды, охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси и отвод охлажденных продуктов сгорания в атмосферу (RU 166945, 2016 г.).
В известном техническом решении использование водорода интенсифицирует процесс сжигания топливовоздушной смеси за счет повышения полноты ее сгорания. Однако соотношение объемных долей природного газа и водорода в топливе в известном техническом решении не раскрыто. Охлаждение продуктов сгорания в известном техническом решении осуществляется при их прохождении через проницаемый пакет с гранулами в результате чего происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания. При этом скрытая теплота, содержащаяся в продуктах сгорания, выделяется в виде капель воды, которые используются для дополнительного нагрева воды в котле водонагревательного устройства. При этом температура продуктов сгорания определяется температурой нагретой воды.
Таким образом, общим существенным недостатком известных технических решений является недостаточный уровень снижения неблагоприятного воздействия продуктов сгорания на окружающую среду, обусловленный низкой эффективностью охлаждения продуктов сгорания.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении эффективности способа работы водонагревательного устройства путем снижения неблагоприятного воздействия продуктов сгорания топливовоздушной смеси на окружающую среду.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в снижении выбросов оксидов углерода за счет декарбонизации природного газа при одновременном повышении КПД водонагревательного устройства за счет охлаждения продуктов сгорания топливовоздушной смеси до температуры, близкой к температуре окружающей среды, путем использования хладоресурса предварительно охлажденного воздуха.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа работы водонагревательного устройства, включающего подачу в камеру сгорания водонагревательного устройства топлива, в качестве которого используют смесь природного газа и водорода, и воздуха, образование и сжигание в камере сгорания топливовоздушной смеси, нагрев воды в котле водонагревательного устройства путем пропускания продуктов сгорания топливовоздушной смеси через объем размещенной в котле воды, охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси и отвод охлажденных продуктов сгорания в атмосферу, предварительно охлаждают воздух до температуры ниже температуры среды, окружающей водонагревательное устройство, объемная доля водорода в топливе составляет 20-25%, в камере сгорания создают давление топливовоздушной смеси не менее величины давления объема воды в котле водонагревательного устройства, а охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси осуществляют путем создания противотока потоков охлажденного воздуха и продуктов сгорания топливовоздушной смеси без их смешивания.
Существенные признаки способа работы водонагревательного устройства обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, а именно:
- предварительное охлаждение воздуха до температуры ниже температуры среды, окружающей водонагревательного устройство, и осуществление охлаждения продуктов сгорания топливовоздушной смеси путем создания противотока потоков охлажденного воздуха и продуктов сгорания топливовоздушной смеси без их смешивания обеспечивают охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси до температуры, близкой к температуре окружающей среды, путем использования хладоресурса охлажденного воздуха;
- использование водорода, объемная доля которого в топливе составляет 20-25%, обеспечивает снижение выбросов оксидов углерода за счет декарбонизации природного газа;
- создание в камере сгорания давления топливовоздушной смеси не менее величины давления объема воды в котле водонагревательного устройства обеспечивает повышение КПД водонагревательного устройства.
Способ работы водонагревательного устройства поясняется иллюстрацией, где на фигуре изображена схема водонагревательного устройства.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1 - камера сгорания;
2 - котел;
3 - вода;
4 - система теплообмена.
Способ работы водонагревательного устройства осуществляется следующим образом.
В камеру сгорания 1 водонагревательного устройства подают топливо, в качестве которого используют смесь природного газа и водорода, и воздух, образующих топливовоздушную смесь. В камере сгорания 1 производят воспламенение и сжигание топливовоздушной смеси. При этом объемная доля водорода в топливе составляет 20-25%. В этом случае происходит дополнительное повышение теплотворной способности топлива (по принципу аддитивности) и повышение экологических показателей водонагревательного устройства, обусловленное снижением содержания окислов углерода в продуктах сгорания топливовоздушной смеси (декарбонизация).
Результаты проекта «Амеланд» (Нидерланды) по закачиванию водорода в газораспределительные сети показали, что добавление в природный газ водорода с поэтапным увеличением его концентрации от 5% до 20% при применении смеси в бытовых приборах позволяет значительно снизить выбросы парниковых газов в атмосферу (см. Ежеквартальный отраслевой научно-технический и производственный журнал «Газ России», №4, Санкт-Петербург, 2011 г., с. 38-43; Ежеквартальный отраслевой научно-технический и производственный журнал «Газ России», №1, Санкт-Петербург, 2012 г., с. 28-36).
Камеру сгорания 1 при помощи системы автоматики (на чертеже не показана) выводят на заданный тепловой режим и заполняют котел 2 водой 3 до требуемого уровня. Затем перед образованием топливовоздушной смеси при помощи системы 4 теплообмена, включающей холодильник (на чертеже не показан), предварительно охлаждают воздух до температуры ниже температуры среды, окружающей водонагревательное устройство. В камере сгорания 1 создают давление топливовоздушной смеси не менее величины давления объема воды 3 в котле 2 водонагревательного устройства. Нагрев воды 3 в котле 2 водонагревательного устройства осуществляется путем пропускания продуктов сгорания топливовоздушной смеси через объем размещенной в котле 2 водонагревательного устройства воды 3. При сжигании топливовоздушной смеси возникает избыточное давление, под действием которого продукты сгорания пронизывают слой воды 3 в котле 2, разбиваются на пузырьки, образующие при всплытии межфазную поверхность теплообмена. При этом в результате непосредственного контакта продуктов сгорания с водой 3 процессы теплообмена протекают с заметным снижением тепловых потерь. В процессе нагрева охлаждают продукты сгорания топливовоздушной смеси при помощи системы 4 теплообмена. Для этого создают взаимный противоток потоков охлажденного воздуха и продуктов сгорания топливовоздушной смеси, причем без их взаимного смешивания. Затем осуществляют отвод охлажденных продуктов сгорания в атмосферу.
Использование воздуха, охлажденного до температуры ниже температуры среды, окружающей водонагревательное устройство, при взаимном противотоке охлажденного воздуха и продуктов сгорания топливовоздушной смеси повышает интенсивность теплообмена и уменьшает содержание паров воды в отходящих в атмосферу продуктах сгорания, что приводит к повышению экологических показателей и КПД водонагревательного устройства. При этом охлажденный воздух нагревается за счет утилизации тепла продуктов сгорания и подается нагретым в камеру сгорания, что в свою очередь интенсифицирует процесс сжигания топливовоздушной смеси.
x
Предложенный способ реализован на демонстраторе водонагревательного устройства мощностью 100 кВт. В качестве топлива использовали смесь из 77% природного газа (пропана, бутана и метана) и 23% водорода. Воздух предварительно охладили до температуры 273 К. При давлении топливовоздушной смеси в камере сгорания 2,5 кПа. Предложенный способ обеспечил повышение КПД водонагревательного устройства до 97% при температуре продуктов сгорания ниже 370 К с допустимыми значениями содержания оксидов (СО и NO) в продуктах сгорания 29,0 и 37,8 ppm соответственно.
Повышение объемной доли водорода свыше 25% требует дополнительных экспериментов, подтверждающих отсутствие повышения активности водорода, в частности усиления его проникающей способности, поскольку при распределении обогащенного водородом природного газа возможно его проникновение через стенки трубопровода (см. Ежеквартальный отраслевой научно-технический и производственный журнал «Газ России», №4, Санкт-Петербург, 2011 г., с. 38-43; Ежеквартальный отраслевой научно-технический и производственный журнал «Газ России», №1, Санкт-Петербург, 2012 г., с. 28-36).
Таким образом, предварительное охлаждение воздуха, определенная объемная доля (20-25%) водорода в топливе, заданное давление топливовоздушной смеси в камере сгорания и охлаждение продуктов сгорания топливовоздушной смеси путем создания противотока потоков охлажденного воздуха и продуктов сгорания топливовоздушной смеси без их смешивания обеспечивает улучшение экологических показателей путем снижения неблагоприятного воздействия продуктов сгорания на окружающую среду, что повышает эффективность водонагревательного устройства и его КПД.