Конденсационный теплоутилизатор
CONDENSATION HEAT RECOVERY UNIT

КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР
Изобретение относится к области энергосбережения и может использоваться в теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности с топливо-использующими энергоустановками для утилизации тепла и мокрой очистки уходящих дымовых газов (ДГ) путем глубокого охлаждения, с конденсацией из них паров влаги и регенерацией этого тепла.
Известен (патент РФ №2449224) конденсационный теплоутилизатор (КТ), установленный за газовым котлом (энергоустановкой) в цилиндрической части коаксиального дымохода. КТ выполнен в виде противоточного теплообменника, спирально-закрученной трубы с холодной водой. КТ регенерирует тепло охлаждения и конденсации паров влаги из ДГ. Теплоутилизатор является орошаемым, с естественным орошением – поверхность нагрева смачивается выпадающим конденсатом из паров влаги ДГ, причем капли конденсата поглощают тепло, пыль и оксиды, что позволяет повысить и экологические характеристики, и несколько поднять экономичность энергоустановок.
Недостатками этого КТ является его низкая эффективность.
- Для восприятия теплоты конденсации водяных паров нужна холодная вода с температурой не выше 35-50°С, температуры точки росы ДГ. Обратная сетевая вода типично имеет температуру 60-70°С, и поэтому КТ неэффективен. Он эффективен только при нагреве холодной воды, например, воды для горячего водоснабжения или при использовании сложных систем отопления типа «тёплый пол».
- В теплообменниках КТ не используются трубы с оребрением и/или калориферы, повышающие эффективность его работы.
- ДГ насыщены мелкими каплями конденсата, которые являются коррозионно-активными, поэтому в конструкции дымоходов и дымовой трубы требуются коррозионностойкие материалы и специальное оборудование, конденсатоотводчики и др.
Известен наиболее близкий по технической сущности КТ (патент РФ № 2659644), который имеет орошаемые конденсатом, подаваемым через оросители, теплообменники: воздухоподогреватель испарительного типа и утилизационный теплообменник конденсационного типа. Эти теплообменники контактные (заполненные насадкой) подключены между собой водопроводами подачи и циркуляции конденсата с блоком обработки конденсата, где конденсат очищается и отводится для дальнейшего использования. На выходе из этих теплообменников установлены каплеуловители и поверхностные подогреватели выходящей среды, влажного воздуха и влажных уходящих ДГ, что устраняет коррозионную активность этих сред. Поверхностные подогреватели обогреваются горячим теплоносителем.
Тепло, выделяющееся при охлаждении ДГ в утилизационном конденсационном теплообменнике, переносится в схеме КТ циркулирующим конденсатом, причем конденсат используется для увлажнения воздуха и орошения, с созданием дополнительной поверхности контакта сред и как теплоноситель. Сначала нагретый конденсат передает тепло в водоводяном теплообменнике к обратной сетевой воде, поступающей после дальнейшего подогрева в котле к потребителю тепла, затем с орошением в воздухоподогревателе к воздуху, идущему на горение в котел, и затем охлажденный конденсат охлаждает ДГ, утилизируя низкопотенциальную теплоту выхлопа. КТ подключен к горелке котла по воздуху, по ДГ к выхлопу котла, и водопроводами циркуляции конденсата и водо-водяной теплообменник к потребителю тепла.
Недостатками прототипа является низкая эффективность КТ:
- Для восприятия теплоты конденсации водяных паров нужна холодная вода с температурой ниже температуры точки росы ДГ. Обратная сетевая вода типично имеет температуру не ниже 60-70°С, и поэтому теплоутилизатор при подключении к типовой теплосети неэффективен.
- Тепло в этом КТ предается сетевой воде неэффективным косвенным способом, циркулирующим конденсатом через водоводяной теплообменник, коме того, в КТ не используются калориферы и/или трубы с оребрением, повышающие эффективность его работы.
Цель изобретения состоит в утилизации низкопотенциальной теплоты уходящих ДГ, с передачей её сетевой воде, и в повышении эффективности работы КТ.
Рассматривая проблему утилизации тепла выхлопа влажных ДГ, доля которого особенно значительна в газовых котлах, около 10-20% от общего тепловыделения, следует указать, что это тепло с низким потенциалом в таком объёме может быть воспринято только в тепловой сети. Обратная сетевая вода типично имеет температуру выше точки росы и технический эффект, необходимый для решения поставленной технической задачи, заключается в предварительном её охлаждении.
Охлаждение ДГ возможно за счет подогрева воздуха, поступающего в котел для горения, причем увлажняемого, с большим подводом тепла, которое идет на испарение влаги в воздух, а также и за счет подогрева других, более холодных потоков, имеющихся в КТ. Охлаждение ДГ при утилизации тепла с низким потенциалом охлажденной сетевой водой сопровождается естественным орошением поверхности нагрева (патент РФ №2449224) и может быть усилено дополнительным орошением как за счет подачи холодного конденсата, так и развития поверхности контакта. При этом более эффективной является прямая передача тепла к обратной сетевой воде через стенку поверхности теплообмена, которая дополнительно для повышения эффективности может быть развита, выполнена из калориферов и/или оснащены оребрением.
Поставленная цель достигается тем, что в КТ, который включает в себя орошаемые конденсатом, подаваемым через оросители и имеющие на выходе каплеуловители и поверхностные подогреватели выходящей среды утилизационный теплообменник конденсационного типа, подключенный к выхлопу котла, и воздухоподогреватель испарительного типа, установленный перед горелкой котла в тракте подачи дутья, связанные между собой водопроводами подачи и циркуляции конденсата с блоком обработки конденсата, согласно изобретению предлагается перед оросителем воздухоподогревателя установить водоводяной подогреватель конденсата, а воздухоподогреватель и утилизационный теплообменник выполнить с противоточно включенными, орошаемыми поверхностями теплообмена и образовать из этих элементов тракт подачи сетевой воды в котёл, включающий патрубок подвода обратной воды, водоводяной подогреватель конденсата, поверхности теплообмена воздухоподогревателя и утилизационного теплообменника и котёл.
При этом обратная сетевая вода, поступающая из теплосети, может иметь температуру большую, чем температура точки росы ДГ. Сначала она охлаждается в водоводяном подогревателе конденсата и в воздухоподогревателе испарительного типа, нагревая в них соответственно орошающий воздух, конденсат и увлажняемый воздух, причем с большим отводом тепла на испарение конденсата в поток воздуха. Далее холодная вода с температурой ниже температуры точки росы ДГ нагревается, утилизируя низкопотенциальное тепло конденсации паров влаги и охлаждения ДГ в утилизационном теплообменнике конденсационного типа с выделением из ДГ конденсата, при прямом нагреве сетевой воды от ДГ через стенку поверхности нагрева утилизационного теплообменника. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает эффективную утилизацию низкопотенциальной теплоты из уходящих ДГ с передачей её сетевой воде.
После КТ сетевая вода подогревается до нужной температуры в котле (в общем случае в энергоустановке) и подается потребителю. Теплоутилизатор может иметь естественное орошение, его поверхность нагрева смачивается выпадающим из ДГ паров влаги конденсатом или иметь дополнительное орошение с дополнительной передачей тепла конденсатом через оросители.
В дополнительном п.2 предлагается в тракт подачи сетевой воды в котёл между патрубком подвода обратной воды и водоводяным подогревателем конденсата дополнительно включить поверхностный подогреватель ДГ и поверхностный подогреватель воздуха. Это обеспечит не только добавочное повышение эффективности КТ за счет охлаждения сетевой воды более холодными влажными потоками уходящих ДГ и воздуха в поверхностных подогревателях ДГ и воздуха, но и испарение из них капель конденсата, что устраняет коррозионную активность этих сред по тракту их подачи. Например, это важно при реконструкции котла с установкой КТ, так как при подогреве капли испаряются, и не потребуется заменять дымоходы, дымосос, дымовую трубу и другие элементы установки на коррозионно-устойчивые.
В дополнительном п.3 предлагается параллельно тракту подачи сетевой воды в котёл между патрубком подвода обратной воды и котлом установить байпас. Это позволит уменьшать расход сетевой воды, проходящей по теплообменникам в тракте подачи сетевой воды, повышая глубину её охлаждения. В итоге это дает возможность установить, например, регулируя задвижкой, наиболее эффективный, оптимальный режим работы КТ.
В дополнительном п.4 предлагается на выходе из воздухоподогревателя установить патрубок отвода подогретого воздуха в систему вентиляции. При этом увлажняется и нагревается не только воздух горения, но и вентиляционный воздух, что увеличивает расход воздуха, теплосьём, глубину как охлаждения сетевой воды в воздухоподогревателе, так и рекуперации тепла из ДГ, и эффективность работы КТ с обеспечением вентиляции помещений.
В дополнительном п.5 предлагается параллельно утилизационному теплообменнику по потоку ДГ установить байпас ДГ. Это снижает расход ДГ и глубину их охлаждения в ДГ. Далее за КТ горячие и охлажденные ДГ смешиваются с поддержанием температуры потока выше температуры точки росы. В итоге это дает простую защиту от коррозионной активности ДГ при эффективной работе КТ.
В дополнительном п.6 предлагается на входе в воздухоподогреватель и на выходе из утилизационного теплообменника установить холодные теплообменники поверхностного типа, включенные в контур циркуляции антифриза. Это защищает КТ от размораживания и повышает эффективность работы КТ за счет увеличения температурного напора путем использования пониженных и отрицательных температур в контуре циркуляции антифриза.
В дополнительном п.7 предлагается воздухоподогреватель выполнить с двумя ступенями нагрева и расположить в U – образном канале воздуха, причем установить его вторую, по воздуху, ступень на восходящей стороне, и выполнить её в виде пенного аппарата с пучком охлаждающих сетевую воду труб, расположенных над воздухораспределительной решеткой. Это повышает эффективность работы КТ за счет увеличения интенсивности теплообмена в пенном слое.
В дополнительном п.8 предлагается утилизационный теплообменник выполнить в виде опускного канала ДГ с включенными по противоточной схеме и последовательно расположенными орошаемыми поверхностными нагревателями обратной сетевой воды, воды ГВС и антифриза. Поверхностные нагреватели по ходу опускающихся потоков ДГ и орошающего конденсата расположены в порядке убывания в них температуры, и они эффективно воспринимают тепло из ДГ при максимальном температурном напоре.
В дополнительном п.9 предлагается по меньшей мере в части из теплообменников поверхностного типа использовать в качестве теплообменников калориферы и/или трубы с оребрением. При этом увеличенная за счёт оребрения поверхность теплообмена повышает эффективность работы КТ.
В дополнительном п.10 предлагается используемые в утилизационном теплообменнике и воздухоподогревателе поверхности нагрева, каплеуловители и другие элементы, контактирующие с коррозионно-активной средой, включая байпас ДГ, выполнить из коррозионно-стойких материалов. При этом эффективность КТ увеличивается за счет повышения его надежности.
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены два примера технологической схемы КТ, действующего в составе водогрейного газового котла или энергоустановки, далее котла.
КТ используется в составе котла 1 и имеет основной нагреватель 2 сетевой воды в виде топочных экранов и котельных пучков, или это, например, охладитель 2 теплонапряженных элементов энергоустановки, подключенный выходом к патрубку 3 прямой сетевой воды. Котел 1 также имеет горелку 4, воздухозаборник 5 и выхлопной патрубок 6. Собственно КТ содержит расположенный между воздухозаборником 5 и горелкой 4 воздухоподогреватель 7 испарительного типа, а также подключенный к выхлопному патрубку 6 и дымовой трубе 8 утилизационный теплообменник 9 конденсационного типа, которые связаны между собой и с блоком 10 обработки конденсата водопроводами 11 подачи и циркуляции конденсата с насосом 12.
Воздухоподогреватель 7 имеет включенные противоточно потоку воздуха поверхностные теплообменники: предвключенный теплообменник 13 и теплообменник 14 испарительно-орошаемого типа с оросителем 15. Через каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 18 подогрева влажного воздуха своим выходом воздухоподогреватель 7 подсоединен к горелке 4. С другой стороны за воздухозаборником 5 может быть установлен холодный теплообменник 19.
Холодный 19 и предвключенный 13 теплообменники - вспомогательные, они эффективны в холодном климате, в общем случае могут не устанавливаться. Конструктивно воздухоподогреватель 7 может располагаться в вертикальном канале, фиг.1, или в U – образном канале 20, фиг.2. Во втором случае поверхностный теплообменник 14 испарительно-орошаемого типа устанавливается в пенном аппарате 21, который имеет воздухораспределительную решетку 22 и сливной канал 23, устанавливающий уровень заполнения пенного аппарата 21.
Утилизационный теплообменник 9 содержит группу поверхностных теплообменников. Это конденсаторы 24, 25 и 26, расположенные в порядке убывания температуры среды, соответственно: сетевой воды, воды ГВС и антифриза, фиг.1. Утилизационный теплообменник 9 подключен через каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 27 подогрева влажного выхлопа к дымовой трубе 8. Он также может выполняться как орошаемый поверхностный нагреватель, располагаемый в опускном канале ДГ, фиг.2, или в виде пенного аппарата типа 21 в подъёмном канале ДГ.
В КТ по потоку обратной сетевой воды параллельно воздухоподогревателю и утилизационному теплообменнику установлен байпас 28 обратной сетевой воды, а параллельно утилизационному теплообменнику по потоку ДГ байпас 29 ДГ с камерой смешения 30 ДГ.
Подводящий патрубок 31 обратной сетевой воды с помощью водопровода 32 последовательно подключается к калориферу 27 подогрева влажного выхлопа, к калориферу 18 подогрева влажного воздуха, к водо-водяному подогревателю 33 орошающего конденсата, к поверхностному теплообменнику 14 испарительно-орошаемого типа и к поверхностному предвключенному теплообменнику 13 воздухоподогревателя 9. Далее воздухоподогреватель 9 соединяется водопроводом 34 охлажденной сетевой воды с конденсатором 24 с сетевой водой и через основной нагреватель 2 с патрубком 3 прямой сетевой воды. Перечисленные элементы 27, 18, 33, 14, 13 и 24 обеспечивают утилизацию тепла низкого потенциала и совместно с водопроводами 32 и 34 образуют тракт подачи сетевой воды от подводящего патрубка 31 в котел 1.
При высокой температуре входящих ДГ в выхлопном патрубке 6 может устанавливаться дополнительный нагреватель 35 сетевой воды, фиг.2. Установленные на входе в воздухоподогреватель 7 и на выходе из утилизационного теплообменника 9 теплообменники 19 и 26 включены в контур циркуляции 36 антифриза с насосом 37. На выходе воздухоподогревателя может быть установлен патрубок 38 подачи избыточного подогретого воздуха в приточную вентиляцию, а в байпасе 28 обратной сетевой воды и байпасе 29 ДГ могут быть установлены соответственно регулирующие расходы потоков устройства: задвижка 39 и шибер 40.
Предлагаемое разнообразие исполнения воздухоподогревателя 7, утилизационного теплообменника 9 и составляющих их элементов расширяет диапазон применимости КТ и обеспечивает конкретизацию его конструкции с выбором наиболее оптимального варианта, что дополнительно повышает его эффективность.
При работе котла 1 горячая сетевая вода из основного нагревателя 2 сетевой воды поступает через патрубок 3 прямой сетевой воды и теплотрассу к потребителю. При этом утилизируемое тепло выделяется в котле 1 за счет сжигания топлива, например, газа, подаваемого в горелку 4 совместно с воздухом, который поступает из воздухозаборника 5, а через выхлопной патрубок 6 в КТ идут отработанные ДГ.
Воздух зимой с температурой до -40°С и ниже поступает в воздухоподогреватель 7. Здесь он нагревается и увлажняется во включенных противоточно потоку воздуха поверхностных теплообменниках, сначала в теплообменнике 19 антифризом, причем без его размерзания и обледенения. Далее воздух нагревается обратной сетевой водой в предвключенном теплообменнике 13 и затем в испарительно-орошаемом теплообменнике 14 второй ступени с оросителем 15, причем с сопутствующим его увлажнением при орошении его конденсатом, подогретым в водо-водяном подогревателе 33. Затем, проходя каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 18, влажный воздух подогревается, становится сухим и безопасным по условию коррозии, идет в горелку 4 по типовым воздуховодам без опасности коррозии и скопления в них конденсата. Часть подогретого и увлажненного воздуха через патрубок 38 подается в приточную вентиляцию помещений с дополнительным отводом тепла, и это усиливает охлаждение и эффективность КТ.
При использовании испарительно-орошаемого теплообменника 14, расположенного в U – образном канале 20, в пенном аппарате 21, фиг.2, работа идет аналогично, но обеспечивается более эффективный контакт воздуха с нагреваемой поверхностью и конденсатом, который подаётся через ороситель 15. Пенный слой поддерживается воздухораспределительной решеткой 22 с высотой, которая устанавливается уровнем отверстия слива жидкости в сливной канал 23. Сам пенный слой создается за счет прохода воздуха через конденсат в виде всплывающих пузырьков.
Подогрев и увлажнение воздуха осуществляется теплом обратной сетевой воды с передачей ему энергии, и эта тепловая энергия суммируется с теплотой сгорания топлива. Обратная сетевая вода, по меньшей мере часть её потока, поступает через подводящий патрубок 31 обратной сетевой воды, последовательно проходит по водопроводу 32 и охлаждается, подогревая и осушая в калорифере 27 перед дымовой трубой 8 влажный выхлоп ДГ, в калорифере 18 влажный воздух, а также нагревая в водо-водяном подогревателе 33 конденсат. Окончательно охлаждение обратной сетевой воды происходит в поверхностных теплообменниках второй ступени 14 и предвключенном теплообменнике 13, и далее по водопроводу 34 охлажденной сетевой воды она поступает в утилизационный теплообменник 9.
Некоторая часть обратной сетевой воды проходит сразу в основной нагреватель 2 по байпасу 28 параллельно воздухоподогревателю и утилизационному теплообменнику, и это позволяет оптимизировать работу КТ с помощью задвижки 39 за счет оптимальной глубины охлаждения обратной сетевой воды в воздухоподогревателе в зависимости от погодных условий.
В утилизационном теплообменнике 9 рекуперируется тепловая энергия выхлопа ДГ, поступающих из котла 1, с передачей её в поверхностных теплообменниках, конденсаторах 24, 25 и 26 соответственно к сетевой воде, воде ГВС и антифризу, а при высокой температуре ДГ и в дополнительном нагревателе 35 сетевой воды. При этом в теплообменник 26, который включен в контур циркуляции 36 антифриза с насосом 37, может подаваться антифриз с отрицательной температурой. Работа утилизационного теплообменника 9 с поверхностными теплообменниками 24, 25, 26 и 35 по фиг.1 или фиг.2 мало отличается, но в случае подачи конденсата через оросители 15 используется теплота его нагрева и обеспечивается более эффективный контакт с ДГ.
Подача из воздухоподогревателя 7 охлажденной ниже температуры точки росы обратной сетевой воды, холодной воды ГВС и холодного, возможно с отрицательной температурой антифриза в утилизационном теплообменнике 9 обеспечивает глубокую утилизацию тепла с конденсацией паров влаги. При этом тепло сначала воспринимается обратной сетевой водой в теплообменнике 24.
Далее ДГ проходят каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 27, подогреваются, становятся сухими и безопасными по условию коррозии. Осушение и подогрев влажных ДГ после каплеуловителя 16 можно обеспечить и без калорифера 27, регулируемой шибером 40 подачей 10-20% ДГ по байпасу 29 ДГ. Потоки ДГ смешиваются в камере смешения 30 и сухие ДГ сбрасываются по типовым дымоходам и типовой дымовой трубе 8 без опасности коррозии и скопления в них конденсата. Конденсат очищается и собирается в блоке 10 обработки конденсата и в необходимом количестве подается в КТ насосом 12 по водопроводам 11.