Теплогенерирующая установка
HEAT GENERATING UNIT

Изобретение относится к области котлостроения, в частности к теплогенерирующим установкам конденсационного типа для получения горячей воды или насыщенного водяного пара.
Известны конструкции теплогенерирующих установок компании ООО «Валдекс Теплотехника» (котлы, выпускаемые под торговой маркой «Valdex»), компании «Боргазоаппарат» (котлы КВа), котлы производства СТМ-Оскол, паровые котлы серии MODERNO, паровой котел Viessmann Vitomax.
Недостатком известных конструкций является то, что конвективная часть их выполнена газотрубной и теплообмен осуществляется через поверхность дымогарных труб. Интенсивность такого теплообмена низкая и, следовательно, металлоемкость конвективной части высокая (наличие дымогарных труб).
Известна также конструкция котла водогрейного для осуществления способа контактного теплообмена [Патент RU 2619429 «Способ контактного теплообмена и устройство для его осуществления», опубл. 15.05.2017], включающего горелочное устройство, камеру сгорания, содержащую камеру смешения, завихритель, камеру орошения, сепаратор-водоотделитель.
Недостатком известного устройства является то, что он предназначен для получения горячей воды с температурой не более 90°С.
Наиболее близким к предложенному устройству является теплогенерирующая установка, включающая котёл водогрейный, контактного теплообмена конденсационного типа, питательный насос, циркуляционный насос, гидрораспределитель, дозатор комплексоната, водошламосборник, отличающаяся тем, что гидрораспределитель устанавливается на уровне водошламосборника в горизонтальном положении и подключается через обратный клапан к водошламосборнику [Патент № 2662757 «Теплогенерирующая установка», опубл. 30.07.18].
Недостатком известного устройства является то, что оно предназначено для получения горячей воды с температурой не более 90°С.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение температуры получаемой воды, а именно возможность получения горячей воды с температурой до 150°С или насыщенного водяного пара.
Указанный технический результат достигается за счет применения теплогенерирующей установки, включающей котёл, центробежный питательный насос, гидрораспределитель, дозатор комплексоната, обратный клапан, в которой котел выполнен с камерой сгорания в виде жаровой трубы с водяной рубашкой водогрейного или испарительного типа, а его конвективная часть, в виде камеры орошения конденсационного типа с сепаратором-водоотделителем и цилиндрическим экраном с перераспределением тепловой нагрузки между жаровой трубой с водяной рубашкой водогрейного или испарительного типа и камерой орошения конденсационного типа.
Появляется возможность получения горячей воды с температурой до 150°С или насыщенного водяного пара.
На фиг. 1 показана схема теплогенерирующей установки. Схема включает в себя следующие элементы: 1 - камера сгорания в виде жаровой трубы с водяной рубашкой водогрейного или испарительного типа, 2 – водяная рубашка, 3 – камера орошения конденсационного типа, 4 – горелочное устройство, 5 – подвод топлива, 6 – подвод воздуха, 7 – факел пламени, 8 – гидрораспределитель, 9 – поток орошающих нагреваемых капель, 10 – центробежный питательный насос, 11 – распылительные форсунки, 12 – обратная сетевая вода или конденсат (штриховая линия), 13 – дозатор комплексоната, 14 – сепаратор-водоотделитель, 15 – водошламосборник, 16 – теплоноситель (горячая сетевая вода или насыщенный водяной пар) (штрих-пунктирная линия), 17 – продувка шлама (штриховая линия), 18 – отходящие дымовые газы, 19 – обратный клапан, 20 - цилиндрический экран, 21 – центробежный циркуляционно-питательный  насос, 22 – теплоноситель (горячая сетевая вода) (штрих-пунктирная линия).
Теплогенерирующая установка включает в себя котёл, центробежный питательный насос, гидрораспределитель, дозатор комплексоната, обратный клапан.
Котел включает горелочное устройство 4; камеру сгорания 1 в виде жаровой трубы с водяной рубашкой водогрейного или испарительного типа; распылительные форсунки 11; сепаратор-водоотделитель 14; цилиндрический экран 20 и камеру орошения 3 конденсационного типа.
Топливо 5 (жидкое или газообразное) подается в горелочное устройство 4, в котором смешивается с подаваемым воздухом 6 (избыток воздуха определяется характеристиками горелки, в зависимости от вида сжигаемого топлива) и сжигается факельным способом. Обратная сетевая вода или конденсат 12 поступает от потребителя в наиболее холодную часть гидрораспределителя 8. Циркуляционная вода из наиболее холодной части гидрораспределителя 8 подается в камеру орошения  конденсационного типа 3 через распылительные форсунки 11 с помощью центробежного питательного насоса 10 потоком орошающих нагреваемых капель 9. Ввод распылённой питательной воды осуществляется конусообразно, с омыванием стенок камеры орошения конденсационного типа 3 и цилиндрического экрана 20 для предотвращения их перегрева. Процесс тепло-массообмена протекает интенсивно, т.к. продукты сгорания интенсивно контактирует с более холодной капельной жидкостью находящейся в мелкодисперсном состоянии. Камера сгорания в виде жаровой трубы с водяной рубашкой водогрейного или испарительного типа 1 выполнена тупиковой, посредством установки цилиндрического экрана 20 вокруг факела пламени 7 в камере орошения конденсационного типа 3, что приводит к увеличению времени контакта парогазовой смеси и способствует более полной конденсации водяных паров. Нагретая вода стекает в водошламосборник 15, который является гидрозатвором и шламоотделителем. Нагретая вода из водошламосборника через обратный клапан 19 самотеком поступает в наиболее горячую часть гидрораспределителя 8. Обратный клапан предохраняет котел от переполнения водой при изменениях нагрузки котла. Питательная вода из наиболее горячей части гидрораспределителя 8 центробежным циркуляционно-питательным насосом 21 с температурой до 95°С подается в водяную рубашку 2 с расходом, равным производительности котла и нагревается до температуры 150°С или получения насыщенного пара (теплоноситель 16 (горячая сетевая вода или насыщенный водяной пар)), а остальная часть теплоносителя при получении насыщенного пара направляется в теплосеть (теплоноситель 22 – (горячая сетевая вода)).
Пример работы теплогенерирующей установки
.
Теплогенерирующая установка предназначена для получения горячей воды и насыщенного пара для нужд теплоснабжения, а также эффективна для систем с невозвратом теплоносителя, например, при закачке теплоносителя в нефтяные пласты для увеличения их нефтеотдачи, т.к. в случае применения обычных теплогенераторов (с теплопередающими поверхностями: водотрубными, жаротрубными и газотрубными) требуется водоподготовительная установка большой производительности, что в условиях транспортабельной установки не приемлемо. Температура обратной сети нижним пределом не лимитируется (в обычных теплогенерирующих установках температура обратной сетевой воды ограничивается температурой 70°С, что связано с предотвращением образования конденсата на хвостовых поверхностях нагрева). В предлагаемой теплогенерирующей установке температура обратной сетевой воды может быть ниже 70°С, в зависимости от потребителя.
2
Теплогенерирующая установка предназначена для работы на газообразном или жидком топливе и, соответственно, включает горелочное устройство 4, к которому подводится топливо 5 и воздух 6. При сжигании топлива образуется факел пламени 7 в камере сгорания и производится теплообмен излучением с водой, находящейся в водяной рубашке 2 жаровой трубы 1. Из камеры сгорания в виде жаровой трубы с водяной рубашкой водогрейного или испарительного типа 1 продукты сгорания (дымовые газы) направляются в камеру орошения конденсационного типа 3, где смешиваются с распыляемой распылительными форсунками циркуляционной водой в виде потока орошающих нагреваемых капель 9, т.е. происходит перераспределение тепловой нагрузки между жаровой трубой и камерой орошения.  Центробежный питательный насос 10 обеспечивает подвод циркуляционной воды на распылительные форсунки 11 потоком орошающих нагреваемых капель 9 встречно образующемуся газопотоку в обхват факела пламени 7 камеры сгорания, выполненной в виде жаровой трубы с водяной рубашкой водогрейного или испарительного типа 1, в результате чего происходит интенсивный теплообмен между теплоносителем и дымовыми газами. При этом,  дымовые газы охлаждаются ниже температуры точки росы, отдавая скрытую теплоту парообразования водяных паров. При непосредственном соприкосновении капель жидкости и потока газов, коэффициент теплопередачи достигает 20...50 кВт/(м*К), а поверхность теплообмена зависит от необходимой степени распыления (параметров факела), определяемой конструкцией распылительной форсунки 11. Время пребывания частиц в зоне контакта увеличивается за счет применения цилиндрического экрана 20 вокруг факела пламени 7 в камере орошения конденсационного типа 3, который образует «тупиковую» камеру.
Дымовые газы удаляются через дымовую трубу, проходя предварительно через сепаратор-водоотделитель 14, расположенный на выходе из камеры сгорания. В сепараторе-водоотделителе 14 в результате встречного движения дымовых газов и циркуляционной воды, подаваемой с расходом ~1% от общего расхода циркуляционной воды, в частности, на дырчатый (перфорированный) лист, происходит отделение уносимой капельной влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах. Высота дымовой трубы может быть снижена, вследствие повышения экологичности газовых выбросов.
Обратная сетевая вода или конденсат  поступает от потребителя в наиболее холодную часть гидрораспределителя 8. Циркуляционная вода из наиболее холодной части гидрораспределителя 8 к распылительным форсункам 11 камеры орошения конденсационного типа 3 подается центробежным питательным насосом 10 под нормируемым распределительными форсунками 11 давлением 0,15-0,5 МПа (например, форсунки www.spray-expert.ru) с расходом, устанавливаемым регулятором температуры,  нагревается до температуры не более 95°С. Питательная вода из наиболее горячей части гидрораспределителя 8 центробежным циркуляционно-питательным насосом 21 с температурой около 95°С подается в водяную рубашку 2 водогрейного или испарительного типа камеры сгорания 1 с расходом, равным производительности котла и нагревается до температуры 150°С (или получения насыщенного пара), обеспечивая перераспределение тепловой нагрузки между жаровой трубой 1 с водяной рубашкой 2 водогрейного или испарительного типа и камерой орошения 3 конденсационного типа, а остальная часть теплоносителя направляется в теплосеть (22 – теплоноситель (горячая сетевая вода с температурой до 95°С)). Уходящие газы имеют температуру ниже 70°С, что ниже температуры уходящих газов для обычных котлов (рекомендуется 110-140°С, в зависимости от характеристик топлива и мощности котла). В связи с этим снижаются потери тепла с уходящими газами и, соответственно, повышается КПД (снижение температуры уходящих газов на 12-15°С повышает КПД примерно на 1%). Также возможно повышение КПД котла за счет утилизации тепла конденсации водяных паров дымовых газов с использованием высшей теплотворной способности топлива, что дополнительно может повысить КПД котла на 5-6%.
2
Отходящие дымовые газы 18 очищаются от капелек влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах в сепараторе-водоотделителе 14, расположенном на выходе из камеры сгорания, и удаляются в атмосферу. Вредные газовые выбросы (СО, СО,оксиды азота) поглощаются водой.
Расчет камеры орошения конденсационного типа может быть выполнен по методу НИИ Сантехники, предложенному Е.Е. Карписом [Баркалов Б.В., Карпис Е.Е. Кондиционирование в промышленных общественных и жилых зданиях. М.: Стройиздат, 1971].
При этом используются следующие характерные температуры и коэффициенты эффективности работы камеры орошения конденсационного типа:
t
t
c
1
с2
-  и  – температура дымовых газов по сухому термометру до и после камеры орошения конденсационного типа;
t
t
м1
м2
-  и   - тоже по мокрому термометру;
I
I
1
2
-  и - энтальпии дымовых газов до и после камеры орошения конденсационного типа, кДж/кг;
t
t
w
н
w
к
-  и  – начальная и конечная температуры воды на входе и выходе из камеры орошения конденсационного типа;
- универсальный коэффициент эффективности полного теплообмена в камере орошения конденсационного типа
;
(1)
- коэффициент эффективности полного теплообмена в камере орошения конденсационного типа для политропного процесса обработки воздуха
.
(2)
Кроме приведенных выше коэффициентов эффективности, для расчета камеры орошения конденсационного типа используется уравнение теплового баланса
,
(4)
-
где коэффициент орошения, кг/кг;
W
ко
- расход воды через форсунки, кг/с;
L
ко
- расход дымовых газов через камеру орошения конденсационного типа, кг/с.
Из уравнения (2) определяем, требуемую начальную температуру воды перед форсунками
,
(5)
Из уравнения (4) определяем требуемую конечную температуру воды после разбрызгивания на выходе из камеры орошения конденсационного типа.
,
(6)
Решая совместно уравнения (5) и (6), получим
(7)
Уровень воды в водяной рубашке испарительного типа поддерживается с помощью регулятора уровня, как и у аналогов.
Скопившийся в нижней части водяной рубашки 2 и водошламосборника 15 шлам (интенсификация образования которого осуществляется за счет добавляемого в циркуляционную воду комплексоната, например, ОЭДФ-Zn, НТФ-Zn) удаляется с продувкой, а также удаляется часть воды, накопляющаяся в результате конденсации водяных паров из дымовых газов.
Для надежности циркуляции сетевой и циркуляционной воды гидрораспределитель 8 подключается наиболее горячей частью через обратный клапан 19 к водошламосборнику 15 на уровне водошламосборника 15 в горизонтальном положении, и таким образом предотвращается осушение, что может привести к срыву работы центробежного циркуляционного насоса, или переполнение контура циркуляции, что может привести к затоплению камеры орошения, при изменении нагрузки на установку.
2
Также как и в прототипе снижаются требования к качеству питательной воды с точки зрения накипеобразования на поверхностях нагрева, т.к. поверхностью нагрева являются капельки воды, и накипь образуется  в виде шлама, удаляемого с продувкой; повышается экологичность, за счет промывки каплями орошающей воды дымовых газов, поглощающими вредные газовые выбросы (СО, СО,оксиды азота).