УТИЛИЗАТОР ТЕПЛА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована при модернизации тепловых электростанций и отопительных котельных, сжигающих в качестве топлива природный газ.
Известно устройство утилизации тепла отходящих газов, состоящее из нескольких параллельно включенных теплообменников, нижняя часть которых предназначена для сбора и отстоя конденсата, а верхняя - для удаления отходящих газов и подвода промежуточной жидкой среды в оросительное устройство, а также из дымососа и дымовой трубы (SU №1359556, кл. F22В 33/18, 1986).
Известна теплоутилизационная установка, которая включает контактный теплообменник, компрессор, напорный экономайзер, конденсационный теплообменник, влагосборник, сепаратор и турбодетандер (SU №1089351, кл. F22В 1/18, 1982).
Уходящие дымовые газы в этой установке попадают в контактный теплообменник, где они охлаждаются при непосредственном контакте с орошаемой водой. Охлажденные газы сжимаются в компрессоре и охлаждаются в напорном экономайзере с утилизацией их тепла. В греющем тракте конденсационного теплообменника газы доохлаждаются с выделением капельной влаги, которая дополнительно выделяется в сепараторе. В турбодетандере происходит расширение газов с выработкой полезной мощности. Расширение газов в турбодетандере сопровождается их охлаждением. Далее газы нагреваются в теплообменнике и удаляются дымовую трубу. Выделенный из продуктов сгорания конденсат направляется в контактный теплообменник.
В установке достигается утилизация тепла продуктов сгорания за счет конденсации водяных паров, однако она имеет сложное схемное решение, в котором присутствуют компрессор, турбодетандер, контактная камера с принудительным распылом и ряд теплообменников. Указанные механизмы
приводит к дополнительным энергетическим затратам, необходимым для их привода и восполнения потерь, связанных с транспортировкой продуктов сгорания до турбодетандера с выбросом их в окружающую среду. Целесообразность использования компрессора с турбодетандером для повышения эффективности теплообмена малоэффективна. В теплообменнике, где преобладает конвективный вид теплообмена, сначала происходит снятие перегрева водяных паров, а лишь затем конденсация избытка воды, которой увлажняются продукты сгорания в контактной камере. В известном устройстве рассматривается только процесс конденсации. Процесс теплообмена в теплообменнике протекает при P=const.
В теплообменнике происходит доохлаждение водяных паров из продуктов сгорания, степень охлаждения которого зависит от температуры продуктов сгорания на выходе из турбодетандера. Она определяется конечным давлением, которое в данном случае не ниже атмосферного, и, кроме того, принимает лишь положительные значения. В турбодетандере протекает конденсация водяных паров. Этот конденсат вновь испаряется в теплообменнике и удаляется наружу с продуктами сгорания.
Известен утилизатор тепла, содержащий контактный водонагреватель, подключенный к газоходу котла перед дымососом и снабженный обводным газоходом, имеющим заслонку и декарбонизатор нагретой воды с линией отвода воздуха (SU №1128063, F24H 1/10, F22B 33/18, 1984). Недостатком данного утилизатора является его недостаточная эффективность использования скрытой теплоты парообразования водяных паров, присутствующих в продуктах сгорания топлива.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является утилизатор тепла, содержащий контактный водонагреватель, подключенный к газоходу котлоагрегата перед дымососом и снабженный обводным газоходом, имеющим заслонку, отличающийся тем, что он содержит камеру очистки, циклон, теплообменную трубу и два сотовых теплообменника, одни из которых является основным, которые установлены параллельно обводному газоходу, при этом камера очистки с вертикальными
перегородками, прикрепленными поочередно к ее днищу и потолку соответственно, а также с рядами воронок, закрепленными в ее днище и размещенными в пылесборнике, установлена между вертикальной частью газохода и контактным водонагревателем и связана через рукав с циклоном, который установлен на газоходе перед сотовым теплообменником, выход контактного водонагревателя пневматически сообщен с катушкой прохода газов, связанной с основным сотовым теплообменником и опускной частью газохода, а перекидная заслонка установлена на верхнем стыке газохода и камеры очистки, кроме того, упомянутая теплообменная труба с веером штырей установлена в газоходе перед камерой очистки и сообщена пневматически через воздухопровод с контактным водонагревателем (RU №2209366, F22B 1/18, опубл. 2003.07.27).
Недостатком данного известного решения является его конструктивная сложность и недостаточная эффективность в реализации процесса передачи тепла продуктов сгорания жидкостному носителю тепла, используемому для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по реализации экономичного способа конденсирования водяного пара из продуктов сгорания топлива с сохранением и дальнейшим полезным использованием тепла скрытой энергии парообразования.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении экономичности энергетических установок за счет утилизации скрытой теплоты парообразования водяных паров, присутствующих в продуктах сгорания топлива и использовании этой тепловой энергии для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей.
Указанный технический результат достигается тем, что утилизатор тепла продуктов сгорания газообразного топлива, содержащий низконапорный экономайзер, включающий в себя контактный водонагреватель, сообщенный с газоходом продуктов сгорания газообразного топлива и через который пропущен трубопровод прохождения воды, и тепломассообменный аппарат, сообщенный с каналом выхода продуктов сгорания газообразного топлива из
контактного водонагревателя и выполненный с функцией массообмена продуктов сгорания газообразного топлива и отделения неконденсируемых газов, направляемых дымососом для последующего отвода в атмосферу или нейтрализатор, при этом тепломассообменный аппарат на входе снабжен заслонками для регулирования проходного сечения каналов перемещения в направлении дымососа и в направлении зоны массообмена, снабжен теплообменным аппаратом, сообщенный с источником холодной воды трубопровод прохождения воды пропущен сначала через полость контактного водонагревателя на входе тепломассообменного аппарата для частичной конденсации водяных паров из продуктов сгорания, затем пропущен через полость контактного водонагревателя, сообщенного входом с газоходом продуктов сгорания газообразного топлива, для охлаждения продуктов сгорания до температуры, не допускающей образования точки росы на поверхностях охлаждения, а затем попущен через дополнительный контактный водонагреватель для сообщения с потребителем горячей воды, а тепломассообменный аппарат в нижней части камеры массообмена выполнен с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды, разбрызгиваемой на сепарационных насадках, для формирования центров конденсации водяных паров газовых продуктов сгорания, при этом зона сбора воды в этой камере сообщена трубопроводом через насос с полостью теплообменного аппарата, которая на выходе сообщена с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - принципиальная схема утилизатора тепла продуктов сгорания газообразного топлива.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция утилизатора тепла продуктов сгорания газообразного топлива, работающего по принципу утилизации скрытой теплоты парообразования водяных паров, присутствующих в продуктах сгорания топлива и использовании этой тепловой энергии для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей.
В основу полезной модели поставлена задача реализации способа конденсирования водяного пара из продуктов сгорания топлива с сохранением и дальнейшим полезным использованием тепла скрытой энергии парообразования.
Для этого в утилизаторе выполняется предвключенное двухступенчатое охлаждение продуктов сгорания: «сухое» с использованием недорогих некоррозиоустойчивых материалов и «мокрое» с частичной конденсацией на коррозиоустойчивых поверхностях охлаждения. Снижение порционального давления водяных паров продуктов сгорания на входе в тепломассообменник со снижением кинетической энергии молекул пара и создание мелкодисперсных центров для конденсации водяных паров из распыленной холодной воды обеспечивает достаточный тепломассообмен для конденсации водяного пара и нагрева охлаждающей воды горячим конденсатором с полным сохранением тепла конденсации паров. Осушенные неконденсируемые газы: азот и двуокись углерода удаляются дымососом в дымовую трубу.
Ниже рассматривается пример конкретного исполнения полезной модели (фиг.1).
Утилизатор тепла продуктов сгорания газообразного топлива содержит низконапорный экономайзер, который включает в себя контактный водонагреватель, сообщенный с газоходом 1 продуктов сгорания газообразного топлива, и тепломассообменный аппарат 2, сообщенный с каналом выхода продуктов сгорания газообразного топлива из контактного водонагревателя и выполненный с функцией массообмена продуктов сгорания газообразного топлива и отделения неконденсируемых газов, направляемых дымососом 3 для последующего отвода в атмосферу или нейтрализатор.
Тепломассообменный аппарат 2 на входе снабжен заслонками 4 для регулирования проходного сечения каналов перемещения в направлении дымососа 3 и в направлении зоны 5 массообмена.
Контактный водонагреватель, сообщенный с тепломассообменным аппаратом 2, выполнен в виде двух отдельных водонагревателей 6 и 7, полости которых сообщены между собой для прохождения продуктов сгорания газообразного топлива в направлении от газохода 1 этих продуктов до канала выхода этих продуктов в тепломассообменный аппарат, при этом полость одного из водонагревателей сообщена с газоходом продуктов сгорания газообразного топлива с образованием ступени I, а полость другого сообщена с полостью первого с образованием ступени II.
Утилизатор снабжен дополнительным теплообменным аппаратом 8.
Тепломассообменный аппарат в нижней части камеры массообмена выполнен с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды, разбрызгиваемой на сепарационных насадках 9, для формирования центров конденсации водяных паров газовых продуктов сгорания, в виде воды, собираемой в нижней части камеры. При этом зона сбора воды в этой камере сообщена трубопроводом 10 через насос 11 с полостью дополнительного контактного водонагревателя 8, которая на выходе сообщена с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды.
Сообщенный с источником 12 холодной воды трубопровод 13 прохождения воды пропущен сначала через полость контактного водонагревателя 7 для частичной конденсации водяных паров из продуктов сгорания, затем пропущен через полость контактного водонагревателя 6, сообщенного входом с газоходом 1 продуктов сгорания газообразного топлива, для охлаждения продуктов сгорания до температуры, не допускающей образования точки росы на поверхностях охлаждения, а затем попущен через дополнительный контактный водонагреватель 8 для сообщения с потребителем 14 горячей воды.
В утилизаторе тепла на первой ступени I происходит охлаждение продуктов до температуры, не допускающей образования точки росы на
2
2
поверхностях охлаждения. Вторая ступень II водяного экономайзера, работающая в условиях частичной конденсации водяных паров из продуктов сгорания, размещена во входной камере тепломассообменного аппарата 2. Отнятие части тепла продуктов сгорания топлива до тепломассообменного аппарата позволяет снизить кинетическую энергию молекул пара и уменьшить расстояние между молекулами, что в дальнейшем будет способствовать лучшей конденсации водяных паров. Продукты сгорания, содержащих более 10% водяных паров, поступают в нижнюю часть тепломассообменного аппарата и вступают в массообмен с мелкодисперсной фракцией холодной воды, разбрызгиваемой на сепарационных насадках. Микрокапли распыленной мелкодисперсной холодной воды будут являться центрами конденсации водяных паров дымовых газов. Конденсируемые водяные пары, смешиваясь с охлаждающей водой, нагревают ее до температуры выше 90°С. Неконденсируемые газы: СО и N удаляются дымососом в дымовую трубу. Горячая вода перекачивается насосом 11 через теплообменный аппарат 8, где отдает свое тепло теплоносителю, используемому для целей отопления и горячего водоснабжения. Охлажденная вода после тепломассообменного аппарата 2 возвращается обратно в цикл для конденсации водяных паров из продуктов сгорания.
Избыточная часть воды используется в схеме ТЭЦ или котельной для производственных или хозяйственных целей. Осушенные неконденсируемые газы: азот и двуокись углерода удаляются дымососом 6 в дымовую трубу. Для этого на выходе теплообменного аппарата 8 магистраль сообщения с устройством формирования мелкодисперсной фракции холодной воды выполнена с устройством 15 слива избыточная часть воды.
Таким образом, экономичность тепловой установки ТЭЦ или котельной повышается за счет утилизации тепла, продуктов сгорания топлива путем использования этой энергии для целей отопления и горячего водоснабжения потребителей.
Данная промышленная модель промышленно применима, может быть основана на реализации способа конденсирования пара, описанный в книге:
«Турбины тепловых и атомных электрических станций. Под ред. А.Г.Костюка, B.B.Фролова. М.: Издательство МЭИ, 2001» стр.213-237. Этот способ предусматривает воздействием на пар посредством отвода от него тепла путем передачи тепла охлаждающей воде через поверхность трубок, внутри которых она циркулирует. При этом скрытая теплота преобразования при конденсации водяного пара воспринимается низкопотенциальным источником и сбрасывается в окружающую среду - воду или воздух.