ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ
WATER HEATER

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на мини-ТЭЦ, оснащенных газотурбоэлектрогенераторами.
Известны водонагреватели ТЭЦ, оснащенных газотурбоэлектрогенераторными установками для выработки электроэнергии и теплоты. Электроэнергия вырабатывается электрогенераторами, установленными на валу с газовыми турбинами, а перед турбинами размещают специальные камеры сгорания, сжигающие природный газ и вырабатывающие высокотемпературные продукты сгорания при высоком давлении. Эти продукты направляют на рабочие лопатки газовых турбин, обеспечивая вращение вала последних, а с ним и вала электрогенератора. Отработанные в турбине продукты сгорания при температуре 400-500°С направляют в водонагреватели подключенных систем отопления и горячего водоснабжения (Промышленные тепловые электростанции. Под ред. Е.Я.Соколова. М.: Энергия, 1979. - с.120-129).
Недостаток используемых водонагревателей заключается в несовершенстве их конструкций, неадаптированных к переменному характеру нагрузок теплопотребления, что ухудшает экологические и экономические параметры ТЭЦ.
Известен водонагреватель газотурбоэлектрогенератора, содержащий форкамеру для ввода и равномерного перераспределения параметров потока продуктов сгорания, газоход с трубами для нагрева потоков воды, патрубки ввода и отвода холодной и нагретой воды, посткамеру и выхлопную трубу (Я.И.Шнеэ. Газовые турбины. М.: Машгиз, 1960. - с.366-377).
Недостаток водонагревателя - неадаптированность к переменному графику теплопотребления, высокое сопротивление газового тракта, низкий КПД нагрева воды.
Известен водонагреватель, содержащий установленные последовательно вертикально и осесимметрично экранированные вертикальную форкамеру топочного типа с соплами для ввода воздуха, продуктов сгорания и природного газа, газоход с водотрубным теплообменником, имеющим посткамеру, выхлопную трубу, патрубки ввода и отвода холодной и нагретой воды (Котельные установки. Том II. Под общей редакцией Э.И.Ромма. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1946, с.109-116).
Недостаток водонагревателя - неадаптированность к переменному графику теплопотребления, низкий КПД нагрева воды, высокое сопротивление газового тракта.
Известен водонагреватель, содержащий форкамеру для организации зажигания газа, патрубки для ввода газа и воздуха, установленные в корпусе форкамеры, резервуар, имеющий цилиндрический корпус и боковые стены с отверстиями, параллельные корпусу проточные дымогарные трубы, установленные в отверстиях боковых стен, посткамеру и вертикальную выхлопную трубу (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. М.: Издательство литературы по строительству, 1968. - с.162-169).
Недостаток водонагревателя - неадаптированность к переменному графику теплопотребления, низкий КПД нагрева воды, высокое сопротивление газового тракта.
Наиболее близкий аналог предлагемому устройству - водонагреватель, содержащий резервуар, имеющий вертикальный цилиндрический корпус, размещенные внутри вертикальные проточные дымогарные трубы, подовое и потолочное перекрытия с отверстиями для прохода и крепления проточных дымогарных труб, патрубками подачи холодной и отвода нагретой воды, имеющими внутреннюю и внешнюю поверхности, многофункциональную форкамеру, имеющую собственный вертикальный цилиндрический корпус с внутренней и внешней поверхностями, тангенциальными соплами для ввода продуктов сгорания, воздуха и природного газа с вертикальными плоскостями симметрии и подовое перекрытие, вертикальную конфузорную посткамеру и установленную над ней выхлопную трубу, при этом резервуар, посткамера и выхлопная труба установлены осесимметрично и последовательно на форкамере с образованием газового тракта водонагревателя, имеют общую вертикальную ось (В.И.Панин. Котельные установки малой и средней мощности. М.: Издательство литературы по строительству, 1968. - с.169-172).
Недостаток водонагревателя - низкий КПД нагрева воды, большое сопротивление газового тракта, высокий выход оксидов азота с продуктами сгорания в атмосферу.
Задача изобретения - повышение КПД нагрева воды, снижение сопротивления газового тракта, уменьшение выхода оксидов азота с продуктами сгорания в атмосферу.
Для достижения поставленной задачи в водонагревателе, содержащем резервуар, имеющий вертикальный цилиндрический корпус, размещенные внутри вертикальные проточные дымогарные трубы, подовое и потолочное перекрытия с отверстиями для прохода и крепления проточных дымогарных труб, патрубками подачи холодной и отвода нагретой воды, имеющими внутреннюю и внешнюю поверхности, многофункциональную форкамеру, имеющую собственный вертикальный цилиндрический корпус с внутренней и внешней поверхностями, тангенциальными соплами для ввода продуктов сгорания, воздуха и природного газа с вертикальными плоскостями симметрии и подовое перекрытие, вертикальную конфузорную посткамеру и установленную над ней выхлопную трубу, при этом резервуар, посткамера и выхлопная труба установлены осесимметрично и последовательно на форкамере с образованием газового тракта водонагревателя, имеют общую вертикальную ось, согласно изобретению, патрубок подачи холодной воды встроен в резервуар через центральную часть его подового перекрытия, внутри резервуара равномерно перфорирован отверстиями, выведен наружу вдоль общей вертикальной оси через подовое перекрытие форкамеры с образованием внутри форкамеры кольцевого канала, а патрубок отвода нагретой воды установлен радиально в корпусе резервуара с примыканием к его потолочному перекрытию, тангенциальные сопла для ввода продуктов сгорания и воздуха имеют вертикальную щелевую форму и установлены по касательным к внутренней поверхности корпуса форкамеры со смещением друг относительно друга на 180°, сопла для ввода газа скомпонованы в вертикальные ряды и установлены в корпусе форкамеры по касательной к внешней поверхности патрубка подачи холодной воды, вертикальные плоскости симметрии сопл для ввода газа смещены относительно вертикальной плоскости симметрии воздушного сопла в направлении выхода воздушного потока на угол 80-100°, водонагреватель оснащен дополнительно газоходами рециркуляции, соединяющими посткамеру с соплами для ввода продуктов сгорания и воздуха.
Выполнением водонагревателя из сборной вертикальной осесимметричной последовательной конструкции с форкамерой, имеющей кольцевой канал, дымогарными трубами, резервуаром, посткамерой и дымовой трубой, образующими общий прямоточный газовый тракт, достигается снижение сопротивления последнего в сравнении с ближайшим аналогом; при встраивании патрубка подачи холодной воды в резервуар через центральную часть его подового перекрытия, с равномерным перфорированием внутри резервуара, выводом патрубка вдоль вертикальной оси водонагревателя через подовое перекрытие форкамеры с образованием внутри форкамеры кольцевого канала, установки патрубка отвода нагретой воды радиально в корпусе резервуара с примыканием к его потолочному перекрытию и установки газоходов рециркуляции между посткамерой и соплами ввода продуктов сгорания и воздуха при одновременном использовании вертикальных щелевых сопл для ввода продуктов сгорания и воздуха, установленных друг относительно друга на 180° по касательным к внутренней поверхности корпуса форкамеры, а также сопл ввода природного газа с размещением в вертикальных рядах с внешней стороны воздушного сопла под углом α=80-100° к его вертикальной плоскости симметрии по касательной к внешней поверхности патрубка подачи холодной воды обеспечивается минимизация теплового перекоса в форкамере, повышение КПД нагрева воды в резервуаре за счет снижения неравномерности обогрева водного объема, уменьшение концентрации оксидов азота в выводимых продуктах сгорания за счет растягивания воспламенения газа в кольцевом канале и балластирования факела газами рециркуляции. В диапазоне угла α=80-100° уровень концентрации оксидов азота минимален; при отклонении угла α<80° и α>100° концентрация оксидов азота резко скачкообразно увеличивается.
Водонагреватель представлен на чертеже, где на фиг.1 показан вид сбоку; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид В на фиг.1; на фиг.5 - вид Г на фиг.1; на фиг.6 - вид Д на фиг.3.
Водонагреватель на фиг.1-6 содержит резервуар 1, имеющий вертикальный цилиндрический корпус 2, размещенные внутри корпуса 2 вертикальные проточные дымогарные трубы 3, подовое и потолочное перекрытия 4, 5 соответственно с отверстиями 6, 7 для прохода и крепления сваркой проточных дымогарных труб 3, патрубок 8 подачи холодной воды с внутренней и внешней поверхностями 9, 10 и патрубок 11 отвода нагретой воды с внутренними и внешними поверхностями 12, 13 соответственно, многофункциональную форкамеру 14, имеющую собственный вертикальный цилиндрический корпус 15 с внутренней и внешней поверхностями 16, 17 соответственно, тангенциальными соплами 18, 19, 20 для ввода продуктов сгорания, воздуха и природного газа соответственно с вертикальными плоскостями симметрии 21, 22, 23 соответственно, а также подовое перекрытие 24; кроме того, водонагреватель оборудован вертикально-конфузорной посткамерой 25 и установленной над ней выхлопной трубой 26, при этом резервуар 1, посткамера 25 и выхлопная труба 26 установлены осесимметрично и последовательно на форкамере 14, имеющей кольцевой канал 30 с образованием общего газового тракта водонагревателя. Особенностью водонагревателя является то, что патрубок 8 подачи холодной воды встроен в резервуар 1 через центральную часть его подового перекрытия 4, внутри резервуара 1 патрубок 8 равномерно перфорирован отверстиями 29, выведен наружу вдоль общей вертикальной оси 27 через подовое перекрытие 24 форкамеры 14 с образованием внутри форкамеры 14 кольцевого канала 30, а патрубок 11 отвода нагретой воды установлен радиально в корпусе 15 резервуара 14 с примыканием к его потолочному перекрытию 5; тангенциальные сопла 18, 19 для ввода продуктов сгорания и воздуха имеют вертикально-щелевую форму и установлены по касательным 27, 28 к внутренней поверхности 16 корпуса 15 форкамеры 14 со смещением друг относительно друга на 180 град. сопла 20 для ввода газа размещены в вертикальный ряд вдоль собственной вертикальной плоскости симметрии 23 в корпусе 15 форкамеры 14 по касательной 31 наружной поверхности 10 патрубка 8; вертикальная плоскость симметрии 23 сопл 20 для ввода газа смещена относительно вертикальной плоскости симметрии 22 воздушного сопла 19 на угол α=80-100°. Водонагреватель дополнительно оснащен газоходами 32, 33 рециркуляции с вентиляторами 34, 35, соединяющими посткамеру 25 с соплами 18, 19 для ввода продуктов сгорания и воздуха.
Работа водонагревателя в основных режимах осуществляется путем подачи в резервуар 1 потока воды 36 через патрубок 8 и продуктов сгорания 37, поступающих от источника, в частности газотурбоэлектрогенератора (на фиг.1-6 источник не показан) через сопло 18, передачи теплоты от продуктов сгорания 36 воде 37 в резервуаре 1 и отвода нагретой воды 38 через патрубок 11 и охлажденных продуктов сгорания 39 через выхлопную трубу 26. При снижении на источнике расхода продуктов сгорания 37 включают сопло 19, в форкамеру 14 поступает воздух 40; вместе с воздухом 40 в форкамеру 14 через сопла 20 струями 41 подают природный газ; при поступлении воздуха 40 и газа 41 в форкамеру 14 происходит воспламенение и горение газа с выделением теплоты. Количество теплоты сгораемого газа компенсирует количество теплоты продуктов сгорания 37, выведенного из источника. Для регулирования температурного уровня в форкамере 14 и равномерности скоростного поля вентиляторами 34, 35 через газоходы 32, 33 из посткамеры 25 в сопла 18 и 19 вводят потоки газов рециркуляции 42, 43 соответственно.
Выполнением водонагревателя из сборной вертикальной осесимметричной последовательной конструкции с форкамерой 14, имеющей кольцевой канал 30, дымогарными трубами 3, резервуаром 1, посткамерой 25 и дымовой трубой 26, образующими общий прямоточный газовый тракт, достигается снижение сопротивления последнего в сравнении с ближайшим аналогом; при встраивании патрубка 8 подачи холодной воды в резервуар 1 через центральную часть его подового перекрытия 4, с равномерным перфорированием внутри резервуара, выводом патрубка 8 вдоль вертикальной оси водонагревателя через подовое перекрытие 24 форкамеры 14 с образованием внутри форкамеры 14 кольцевого канала 30, установки патрубка 11 отвода нагретой воды радиально в корпусе резервуара 1 с примыканием к его потолочному перекрытию 5 и установки газоходов 32, 33 рециркуляции между посткамерой 25 и соплами 18, 19 ввода продуктов сгорания и воздуха при одновременном использовании вертикальных щелевых сопл 18, 19 для ввода продуктов сгорания и воздуха, установленных друг относительно друга на 180° по касательным к внутренней поверхности 16 корпуса 15 форкамеры 14, а также сопл 20 ввода природного газа с размещением в вертикальных рядах с внешней стороны воздушного сопла 19 под углом α=80-100° к его вертикальной плоскости симметрии 22 по касательной 31 к внешней поверхности 10 патрубка 8 подачи холодной воды обеспечивается минимизация теплового перекоса в форкамере 14, повышение КПД нагрева воды в резервуаре 1 за счет снижения неравномерности обогрева водного объема, уменьшение концентрации оксидов азота в выводимых продуктах сгорания 39 за счет растягивания воспламенения газа в кольцевом канале 30 и балластирования факела газами рециркуляции. В диапазоне угла α=80-100° уровень концентрации оксидов азота минимален; при отклонении угла α<80° и α>100° концентрация оксидов азота резко скачкообразно увеличивается.
Возможна установка сопл 20 для ввода газа в несколько вертикальных рядов с рассредоточением установочных вертикальных плоскостей 23 в корпусе 15 форкамеры 14 в пределах угла α=80-100° (на чертежах не показано).
Использование водонагревателя связано с ТЭЦ, оборудуемых газотурбоэлектрогенераторами при его установке в газоходе сброса продуктов сгорания из газовой турбины. Регулированием расходов воздуха, природного газа и газов рециркуляции, вводимых в форкамеру, компенсируют дефицит выработки теплоты газотурбоэлектрогенераторами и потребления тепловой энергии системами отопления и горячего водоснабжения.