НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, преимущественно к системам нагрева различных жидкостей, в частности, к системам нагрева воды и может быть использована для эффективного мобильного обеспечения теплом жилых и производственных комплексов.
Известно устройство для контактно-поверхностного способа нагрева жидкого теплоносителя (см. патент РФ №2178125 кл. F 24 Н 1/10, 2002.01.10.), содержащее установленные в корпусе источник тепла, выполненный в виде горелки, и теплообменное устройство с трубопроводами подвода холодного теплоносителя и отвода горячего теплоносителя. Теплообменное устройство выполнено в виде установленной с возможностью вращения открытой сверху цилиндрической обечайки с днищем, при этом со стороны днища обечайка снабжена кольцевым полым выступом, источник тепла размещен внутри обечайки, выход трубопровода подвода теплоносителя размещен сверху со стороны внутренней поверхности обечайки, входной участок трубопровода отвода горячего теплоносителя размещен в кольцевой полости выступа обечайки, последняя установлена с формированием со стенками корпуса газоотводного канала с выходом продуктов сгорания со стороны наружной поверхности выступа, причем на выступе обечайки установлены лопатки, образующие со стенками корпуса в зоне выхода продуктов сгорания центробежный компрессор.
Данное устройство позволяет повысить экономичность нагрева жидкого теплоносителя за счет непосредственной передачи тепла от сжигания топлива теплоносителю, однако нагревательная установка имеет высокие массогабаритные показатели.
Известно устройство для нагрева воды, с помощью которого при сжигании газа в топочной камере проводят нагрев воды продуктами сгорания (см. а.с. СССР №1643887, кл. F 24 Н 1/10, 23.04.91). Устройство для нагрева воды содержит снабженный патрубками подвода холодной и отвода горячей воды цилиндрический корпус с установленной в нем топочной камерой с газовой горелкой для сжигания топлива, соединенной с вертикальной жаровой трубой. Жаровая труба охвачена в нижней части змеевиком. После розжига газовой горелки происходит нагрев воды в цилиндрическом корпусе и змеевике.
Существенным недостатком данного газового водонагревателя является низкий КПД, а также высокие массогабаритные показатели устройства.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является нагреватель жидкости дымовыми газами, заключающийся в сжигании топлива в топке и нагреве теплоносителя, который подают в теплообменное устройство, (см. патент РФ №2117878, кл. F 24 Н 1/10, 20.08.1998). Нагревательная установка, содержит топку с жаровой трубой, которая расположена по центру теплообменника, имеющего вертикальный корпус с размещенным в нем змеевиком с трубопроводами подвода холодного теплоносителя и отвода горячего теплоносителя. Топка через жаровую трубу и корпус теплообменника соединена с выхлопной трубой. Топка внутри имеет футеровку, снабжена системами подачи топлива и воздуха.
Основным недостатком изобретения по патенту РФ №2117878 являются высокие массогабаритные характеристики нагревателя, а следовательно невозможность мобильного использования нагревательной установки.
Все рассмотренные выше аналоги имеют характерную для них особенность. Сжигание топлива для получения продуктов сгорания и процессы теплообмена рабочего тела в теплообменных устройствах с
нагреваемым жидким теплоносителем реализуются при атмосферном давлении. При этом нагревательная установка представляет единую конструкцию, объединяющую одновременно и агрегат для получения продуктов сгорания и теплообменное устройство для передачи энергии от продуктов сгорания теплоносителю. Следовательно, достижение высоких температур и высоких тепловых напоров в рассмотренных выше установках принципиально не возможно. При этом теплообмен носит лучистый характер, поэтому для передачи тепла теплоносителю необходима большая поверхность теплообмена, что существенно увеличивает массу и габариты устройства.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является уменьшение массы и габаритов нагревательного устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что нагревательная установка включает камеру сгорания с выходным отверстием, патрубок для подачи горючего и патрубок для подачи воздуха, запальное устройство и теплообменник к которому присоединены трубопроводы для подвода и отвода жидкого теплоносителя, при этом камера сгорания выполнена в виде прямоточного реактора к выходному отверстию которого теплообменник пристыкован соосно, патрубки для подачи в реактор горючего и воздуха подсоединены к форсункам, установленным на входе в реактор, а патрубок для подачи горючего дополнительно снабжен регулятором расхода горючего.
Нагревательная установка может быть дополнительно снабжена газовой турбиной, при этом вход в сопловой аппарат газовой турбины связан с выходом теплообменника.
Нагревательная установка может быть снабжена центробежным компрессором, который связан с патрубком для подачи сжатого воздуха в прямоточный реактор, а вал центробежного компрессора присоединен к валу газовой турбины.
Трубопровод подвода к теплообменнику холодного теплоносителя может быть снабжен регулятором расхода теплоносителя.
Для улучшения массогабаритных характеристик нагревательной установки ее разделяют на агрегат для получения высокотемпературных продуктов сгорания при повышенном давлении и теплообменник, работающий в режиме конвективной теплопередачи. Сжигание топлива производят при повышенном давлении (3-бат) в камере сгорания, представляющей небольшой по размеру и массе прямоточный высокотемпературный реактор (ВТР), в котором организация процесса сжигания топлива позволяет увеличить температуру продуктов сгорания свыше 2000 К и одновременно уменьшить массогабаритные параметры камеры сгорания.
Процессы теплообмена при больших скоростях и тепловых напорах теплоносителей позволяют на порядки увеличить коэффициент теплоотдачи и соответственно снизить поверхность необходимого теплообмена. Все это существенно снижает массогабаритные характеристики нагревательного устройства. Эффективную передачу тепла от продуктов сгорания к теплоносителю достигают за счет использования кожухотрубного теплообменника, работающего при больших (до 1900 К) температурных напорах между продуктами сгорания и внешним теплоносителем.
Повышение давления в прямоточном ВТР производят компрессором, который приводится в действие соосно на валу расположенной газовой турбиной, рабочим телом которой служат продукты сгорания, предварительно охлажденные в кожухотрубном теплообменнике.
Технический результат, полученный при использовании нагревательной установки, заключается в том, что применение прямоточного высокотемпературного реактора обеспечивает работу установки при высоких температурных напорах теплоносителей, что повышает эффективность процессов теплопередачи и приводит к уменьшению массы и габаритов нагревательной установки.
На чертеже представлена схема предлагаемой нагревательной установки.
Устройство содержит соединенные по ходу воздуха центробежный компрессор 1, патрубок 2 с подсоединенными форсунками 3 для подачи сжатого воздуха в прямоточный ВТР 4 к выходному отверстию которого соосно пристыкован кожухотрубный теплообменник 5, газовую турбину 6 с сопловым аппаратом 7 газовой турбины 6, присоединенного к выходу теплообменника 5. Вал центробежного компрессора 1 присоединен к валу 8 газовой турбины 6. Прямоточный ВТР 4 снабжен патрубком 9 с подсоединенными форсунками 10 для подачи горючего в реактор и регулятором расхода горючего 11, а также запальным устройством 12. Теплообменник 5 соединен с трубопроводом 13 подвода холодного теплоносителя, снабженного регулятором расхода теплоносителя 14 и трубопроводом 15 отвода горячего теплоносителя.
Работа нагревательной установки осуществляется следующим образом.
Воздух из атмосферы поступает в компрессор 1, где в результате адиабатного сжатия компримированный воздух из компрессора 1 по патрубку 2 подают через форсунки 3 в прямоточный ВТР 4. Затем через запальное устройство 12 часть горючего подают в ВТР 4 и проводят зажигание горючей смеси. Время работы запального устройства около 10 секунд. После зажигания горючей смеси, горючее в ВТР 4 подают по патрубку 9 подачи горючего, соединенного с форсунками 10 и снабженного регулятором расхода горючего 11. ВТР 4 работает при давлении 3-6 атмосфер. В результате сжигания топлива в ВТР 4 образуются газообразные высокотемпературные продукты сгорания при температуре не менее 1500 К. Образовавшиеся в ВТР 4 высокотемпературные продукты сгорания направляют в кожухотрубный теплообменник 5, В теплообменнике 5 тепло продуктов сгорания снимают жидким теплоносителем. Теплоноситель подают в теплообменник 5 по трубопроводу 13 подвода холодного теплоносителя, снабженного регулятором расхода 14, а отводят
теплоноситель по трубопроводу 15 отвода горячего теплоносителя. Охлажденные в кожухотрубном теплообменнике 5 газообразные продукты сгорания направляют через сопловой аппарат 7 в газовую турбину 6, в которой производят работу на валу 8, передаваемую на центробежный компрессор 1, и далее охлажденные газы выбрасывают в атмосферу. Мощность газовой турбины 6 на валу 8 равна потребляемой мощности центробежного компрессора 1, что обеспечивает повышение давления воздуха для подачи в ВТР 4 без использования других внешних компрессоров и воздуходувок.
Технический результат, полученный при использовании нагревательной установки заключается в том, что применение прямоточного высокотемпературного реактора обеспечивает работу установки при высоких температурных напорах теплоносителей, что повышает эффективность процессов теплопередачи и приводит к уменьшению массы и габаритов нагревательной установки.
Настоящая полезная модель может быть использована везде, где требуется нагрев различных жидких сред, в частности, в системах отопления и горячего водоснабжения, а также в различных технологических процессах. Возможно изготовление на основе данного нагревательного устройства мобильных установок, размещенных на автомобильных шасси и предназначенных для использования в чрезвычайных ситуациях и в полевых условиях работы строителей, геологов, воинских частей.
Настоящая полезная модель имеет ряд преимуществ перед ныне существующими установками:
1. Высокие КПД, значение реального теплового КПД не менее 90%. Реальный КПД нагревательной установки определяется из отношения количества тепла, поступающего к тепловоспринимающей жидкости, к количеству тепла, выделяющегося при сжигании топлива.
2. Время выхода установки на тепловой режим порядка одной минуты.
3. Малые габариты: металлоемкость прямоточного ВТР в сто раз меньше, чем у паровых котлов той же производительности.
4. Удельная масса нагревательной установки мощностью 1 МВт на порядок меньше аналогичных установок той же мощности - 1 кг/кВт и 10-20 кг/кВт соответственно.
5. Возможность использования практически любого газообразного или жидкого горючего.
5. Плавное автоматическое регулирование мощности установки в пределах 0,25-1,2 от номинальной.
В таблице представлены общие технические параметры нагревательной установки мощностью 1 МВт (мобильный вариант)
Общие технические параметры нагревательной установки
1.
Мощность на выходе установки
1.1 МВт(0.95 Гкалч)
2.
КПД
0,92
3.
Расход газообразного топлива
93м<sup>3</sup>/4
4.
Удельный расход газообразного топлива
84.5 м<sup>3</sup>/(МВт ч)
5.
Расход жидкого топлива
81 кг/ч
6.
Удельный расход жидкого топлива
74 кг(МВт ч)
7.
Масса установки
1.5 т
8.
Длина
5 м
9.
Высота
2 м
10.
Ширина
1.8 м
11.
Расход воды
12-16 л/с
КПД установки определяется из отношения количества тепла, поступающего к тепловоспринимающей жидкости, к количеству тепла, выделяющегося при сжигании топлива