СПОСОБ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ И НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ НА ЕГО ОСНОВЕ
LIQUID HEATING METHOD AND LIQUID HEATER ON ITS BASIS

Область техники
Группа изобретений относится к области теплоэнергетики, а именно к способам и установкам для нагрева жидкости, преимущественно воды, для технологического или коммунально-бытового теплоснабжения, и может найти применение в различных областях народного хозяйства.
Предшествующий уровень техники
Известен способ нагрева жидкости, заключающийся в подогреве промежуточного жидкого теплоносителя путем барботирования его слоя полученными в результате сжигания топлива продуктами сгорания с образованием водопарогазового потока, передаче тепла последнего через стенку нагреваемой жидкости, отделении воды из водопарогазового потока путем сепарации с последующим возвратом в слой и передаче ее тепла при возврате через стенку нагреваемой жидкости, при этом водопарогазовый поток перед сепарацией дросселируют, причем избыточное давление над слоем промежуточного теплоносителя поддерживают в диапазоне 0,02-0,005 МПа (см. патент РФ на изобретение №2091673, F24H 1/10, опубл. 27.09.1997 г.).
Недостатком известного способа нагрева жидкости в газожидкостном теплообменнике является невозможность нагрева промежуточного жидкого теплоносителя выше температуры насыщения этого теплоносителя, соответствующей давлению продуктов сгорания топлива. Повышение давления продуктов сгорания для увеличения температуры нагреваемой жидкости в данном способе вызывает необходимость значительных затрат энергии на сжатие газообразного окислителя и газообразного топлива (в случае его применения), что резко снижает энергоэффективность нагрева жидкости.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является известный способ контактного нагрева жидкости газообразными продуктами сгорания топлива с противоточной подачей греющего и нагреваемого потоков в ступени нагрева (см. книгу Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. - М.: Стройиздат, 1974, с.134-135, рис.60).
В известном способе контактного нагрева жидкости нагреваемую жидкость подают в контактную камеру с одновременной подачей в нее из камеры сгорания газообразных продуктов сгорания топлива. Перед подачей нагреваемой жидкости в контактную камеру жидкость частично нагревают продуктами сгорания топлива, выходящими из контактной камеры.
Недостатком известного способа контактного нагрева жидкости продуктами сгорания топлива является невозможность нагрева жидкости выше температуры насыщения этого теплоносителя, соответствующей давлению продуктов сгорания топлива. Повышение давления продуктов сгорания для увеличения температуры нагреваемой жидкости в данном способе требует значительных затрат энергии на сжатие газообразного окислителя и газообразного топлива (в случае его применения), что резко снижает энергоэффективность нагрева жидкости. В свою очередь, невозможность экономичного повышения температуры нагрева жидкости в известном способе ограничивает область возможного применения дешевого контактного нагрева жидкости высокотемпературными газами.
Известен также нагреватель жидкости, имеющий полый корпус и связанные с корпусом проточный кожухотрубчатый теплообменник, полость которого служит топкой и который оснащен патрубком для вывода нагретой жидкости на потребление, по меньшей мере одну горелку и контактный теплообменник с насадкой и каплеотделителем, между которыми установлен раздаточный коллектор для орошения насадки подаваемой на нагрев жидкостью, при этом корпус выполнен в виде оборудованного в средней части переливным патрубком промежуточного бака для нагреваемой жидкости, на крышке которого жестко закреплены кожухотрубчатый и контактный теплообменники, при этом горелка установлена над топкой на торцевой крышке кожухотрубчатого теплообменника, который через циркуляционный насос подключен к промежуточному баку ниже уровня переливного патрубка, а полости топки и контактного теплообменника сообщаются через соответствующие проемы, выполненные в крышке корпуса для встречного прохода продуктов сгорания и подогретой жидкости выше уровня переливного патрубка (см. патент РФ на полезную модель №9051, F24H 1/00, опубл. 16.01.1999 г.).
Недостатками данного нагревателя жидкости являются высокая металлоемкость и стоимость системы нагрева воды с помощью кожухотрубчатого теплообменника из-за необходимости применения в нем дорогостоящей высокотемпературной (экранной) поверхности нагрева, а также высокие эксплуатационные расходы из-за коррозийного износа кожухотрубчатого теплообменника при работе в зоне высоких температур продуктов сгорания, или же из-за водоподготовки для предотвращения коррозии, что снижает эффективность нагрева жидкости.
Известен теплогенератор, содержащий нагнетатель, напорный и всасывающий патрубки которого соединены трубопроводом циркуляции технической жидкости, снабженным расходным патрубком, струйный аппарат, размещенный в трубопроводе и включающий патрубок подвода жидкости, подключенный к напорному патрубку, сопло, приемную камеру с газовым патрубком и камеру смешения, теплообменник нагреваемого продукта с подогревателем продукта, включающий корпус с патрубком подачи продукта и размещенный на камере смешения, отстойник газожидкостной смеси с патрубком удаления жидкости, подключенным к всасывающему патрубку, размещенный в трубопроводе и включающий фильтр технической жидкости, дренажный патрубок, патрубок подпитки жидкости и газовую камеру, а также содержащий топку, включающую камеру горения и горелку с патрубком отвода газа, подключенным к газовому патрубку, перегреватель жидкости, парогенератор и пароперегреватель с патрубком выдачи перегретого пара, при этом корпус теплообменника размещен вертикально, снабжен теплоизоляцией, тепловым компенсатором, например, линзовым, а его днища выполнены с отверстиями в виде верхнего и нижнего фланцев, нижний фланец скреплен, например, болтами с гайками с отстойником посредством дополнительно установленного на нем фланцевого патрубка, камера смешения выполнена в виде нескольких труб, закрепленных в упомянутых отверстиях фланцевых днищ корпуса, упомянутые перегреватель продукта жидкости, парогенератор и пароперегреватель с патрубком выдачи перегретого пара размещены в корпусе теплообменника, бачок с патрубком подвода технической жидкости включает фланцевое днище с отверстиями, закрепленное на верхнем фланцевом днище корпуса, например, шпильками с гайками, с образованием упомянутой приемной камеры струйного аппарата с газовым патрубком, а сопла струйного аппарата закреплены соосно камерам смешения в отверстиях днищ бачка, например, на резьбе (см. патент РФ на изобретение №2137052, F24H 3/02, опубл. 10.09.1999 г.).
Недостатками известного теплогенератора являются высокая металлоемкость и стоимость из-за использования дорогостоящей парогенераторной поверхности нагрева, а также низкая энергетическая эффективность из-за применения парового инжектора для повышения давления сетевой воды, КПД которого в насосном режиме работы составляет всего несколько процентов и приводит к перерасходу топлива.
Известен нагреватель жидкости (система утилизации тепла продуктов сгорания), содержащий подключенный соответственно к теплогенератору и дымовой трубе газоход с последовательно установленными в нем по ходу газов контактным теплообменником и конденсатором с нагреваемым трактом, сообщенным на входе с обратным трубопроводом теплопотребителя и снабженным сборником конденсата, сообщенным через насос с разбрызгивающим устройством, при этом с целью повышения экономичности и эффективности использования топлива, разбрызгивающее устройство размещено в газоходе после конденсатора, а с целью повышения надежности работы системы путем удаления накипи конденсатом, насыщенным углекислотой, сборник конденсата сообщен с нагреваемым трактом конденсатора через упомянутый насос (см. патент РФ на изобретение №2045696, F24B 1/18, опубл. 10.10.1995 г.).
Недостатками известного нагревателя жидкости являются высокая металлоемкость и стоимость системы нагрева воды до высокой температуры с помощью водогрейного теплогенератора из-за необходимости применения в топке теплогенератора дорогостоящих экранных поверхностей нагрева. Кроме того, в контактном газожидкостном теплообменнике невозможно нагреть жидкость выше температуры насыщения воды, соответствующей давлению продуктов сгорания. Повышение давления продуктов сгорания для увеличения температуры нагреваемой жидкости для данного устройства вызывает необходимость значительных затрат энергии на сжатие газообразного окислителя (в данном случае - воздуха) и газообразного топлива (в случае его применения), что резко снижает энергоэффективность водонагревателя. В поверхностном конденсаторе водяных паров продуктов сгорания температура нагрева жидкости ограничена температурой конденсации водяных паров продуктов сгорания. Таким образом, в данной системе утилизации тепла продуктов сгорания ни контактный газожидкостный теплообменник, ни конденсатор водяных паров продуктов сгорания не могут при нагреве воды до высокой температуры (выше температуры насыщения воды, соответствующей давлению продуктов сгорания) заместить собой теплогенератор с дорогостоящими экранными поверхностями нагрева, что снижает эффективность нагрева жидкости.
Также наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является известный парогазовый водонагреватель, содержащий вертикальный корпус с цилиндрической стенкой, днищем и крышкой, частично заполненный жидкостью первого греющего контура циркуляции, жаровую трубу с погружной горелкой и циркуляционную трубу, коаксиально размещенные в корпусе с кольцевыми зазорами относительно друг друга и последнего, вывод газа и сепарационное устройство над циркуляционной трубой в зазоре между корпусом и жаровой трубой, при этом сепарационное устройство выполнено в виде кольцевого полусферического экрана, частично перекрывающего выход газов из циркуляционной трубы, расположенных наклонно к оси корпуса отбойных и сепарационных колец, соединенных между собой лопатками, радиально размещенными между этими кольцами, и опускных труб, соединенных с нижней кромкой сепарационных колец и заведенных в нижнюю полость корпуса, причем отбойные сепарационные кольца установлены относительно друг друга с зазором, сужающимся и затем расширяющимся по ходу движения парогазового потока в первом греющем контуре циркуляции, при этом водонагреватель снабжен элементами для ввода, вывода и циркуляции жидкости во втором нагреваемом контуре циркуляции (см. патент РФ на изобретение №2079796, F24H 1/20, опубл. 20.05.1997 г.).
Парогазовый водонагреватель содержит в качестве первой ступени нагрева жидкости - контактный теплообменник (аппарат погружного горения), с помощью которого продукты сгорания из погружной горелки направляются через слой жидкости и нагревают ее, а в качестве второй ступени нагрева жидкости по нагреваемой среде и первой по греющей среде - поверхностный теплообменник (дорогостоящую жаровую трубу), в котором факел погружной горелки путем теплопередачи через поверхность теплообмена осуществляет окончательный нагрев жидкости.
Недостатками известного водонагревателя являются высокая металлоемкость и стоимость, а также значительные эксплуатационные затраты, связанные с использованием поверхностного теплообменника - жаровой трубы, работающей в зоне высоких температур продуктов сгорания, ограниченная сфера применения из-за невозможности нагрева жидкости выше температуры насыщения воды, соответствующей давлению продуктов сгорания. В случае повышения давления продуктов сгорания для увеличения температуры нагреваемой жидкости в данном устройстве возникает необходимость значительных затрат энергии на сжатие газообразного окислителя (в данном случае - воздуха) и газообразного топлива (в случае его применения), что резко снижает энергоэффективность водонагревателя.
Раскрытие изобретения
Основной задачей настоящего изобретения является повышение эффективности нагрева жидкости высокотемпературной газовой средой при снижении материальных и эксплуатационных расходов.
Единым техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является обеспечение повышения температуры нагрева жидкости без сжатия газообразной среды при использовании контактного теплообмена между греющей и нагреваемой средами в зоне высокой температуры газообразной среды.
Указанный технический результат достигается тем, что способ нагрева жидкости включает предварительный контактный нагрев жидкости греющей газообразной средой, последующее отделение нагреваемой жидкости от греющей газообразной среды, сжатие отделенной нагреваемой жидкости до давления, превышающего давление насыщения, при требуемой конечной температуре нагрева жидкости, на величину запаса на невскипание и гидравлические потери, и окончательный нагрев жидкости, после ее сжатия, греющей газообразной средой, после отделения от нее нагреваемой жидкости, через разделительную твердую теплообменную стенку с последующим отводом нагретой жидкости потребителю.
Целесообразно, чтобы в качестве греющей газообразной среды были использованы либо продукты сгорания топлива, либо горячий воздух, либо горячие газы технологических процессов, либо горячий газ, допускающий контактный теплообмен с жидкостью.
Указанный технический результат достигается также тем, что в нагреватель жидкости, содержащий контактный теплообменник нагрева жидкости с входным и выходным трубопроводами нагреваемой жидкости, подводящим и отводящим газоходами греющей газообразной среды, поверхностный теплообменник нагрева жидкости с входным и выходным трубопроводами нагреваемой жидкости, подводящим и отводящим газоходами греющей газообразной среды, согласно изобретения введено устройство повышения давления и перекачки жидкости, к входу которого подключен выходной трубопровод нагреваемой жидкости контактного теплообменника, а к выходу - входной трубопровод нагреваемой жидкости поверхностного теплообменника, при этом отводящий газоход греющей газообразной среды контактного теплообменника подключен к подводящему газоходу греющей газообразной среды поверхностного теплообменника.
Целесообразно, чтобы в качестве устройства повышения давления и перекачки жидкости была использована насосная установка или иной нагнетатель жидкости.
Предпочтительно, чтобы в качестве греющей газообразной среды были использованы либо продукты сгорания топлива, либо горячий воздух, либо горячие газы технологических процессов, либо горячий газ, допускающий контактный теплообмен с жидкостью.
Повышение давления нагреваемой жидкости (например, в устройстве повышения давления и перекачки жидкости), после первой ступени нагрева - контактного нагревателя, позволяет во второй ступени нагрева (например, дешевом низкотемпературном поверхностном теплообменнике) нагреть жидкость до необходимой температуры, превышающей предельную температуру нагреваемой жидкости в контактном нагревателе, при сохранении преимуществ контактного теплообмена в зоне высоких температур греющей газообразной среды.
Введение устройства повышения давления и перекачки жидкости, к входу которого подключен выходной трубопровод нагреваемой жидкости из контактного теплообменника, а к ее выходу - входной трубопровод нагреваемой жидкости поверхностного теплообменника, а также подключение отводящего газохода греющей газообразной среды контактного теплообменника к подводящему газоходу греющей газообразной среды поверхностного теплообменника, позволяет получить температуру нагреваемой жидкости выше температуры кипения в контактном теплообменнике без дополнительных затрат энергии на сжатие газообразной среды, что обеспечивает повышение эффективности нагрева жидкости высокотемпературной газовой средой при снижении материальных и эксплуатационных расходов.
Предложенный способ нагрева жидкости осуществляют следующим образом.
Предварительно осуществляют контактный нагрев жидкости (например, для технологического или коммунально-бытового теплоснабжения) греющей газообразной средой (например, горячими газами технологических процессов), например, подают нагреваемую жидкость и горячий газ в контактный теплообменник (первую ступень нагрева), где происходит частичный нагрев жидкости за счет теплоты горячих газов. Из контактного теплообменника отводят нагреваемую жидкость, например, на вход устройства повышения давления и перекачки жидкости, например насосной установки, а греющую газообразную среду отводят, например, во входной трубопровод поверхностного теплообменника. Повышают давление нагреваемой жидкости в устройстве повышения давления и перекачки жидкости до значения, превышающего давление насыщения при требуемой температуре нагретой жидкости в выходном трубопроводе поверхностного теплообменника на величину запаса по невскипанию и последующих гидравлических потерь. При этом давление насыщения определяется теплофизическими свойствами жидкости и ее температурой, а численное значение находится в справочной литературе (см., например, Термодинамические свойства воды и водяного пара: Справочник / Ривкин С.Л., Александров А.А. - М.: Энергоатомиздат, 1984 г., с.7-13) или экспериментально. Запас по невскипанию определяется нормативными документами Госгортехнадзора России, например, пунктом 3.5.2 Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов (ПБ 10-574-03) предусмотрен запас по невскипанию не менее 20°C. Гидравлические потери давления в канале определяются в зависимости от конфигурации канала, массового расхода среды, ее физических свойств по справочным данным (см., например, Гидравлический расчет котельных агрегатов (нормативный метод). / Балдина О.М., Локшин В.А., Петерсон Д.Ф. и др.; Под ред. В.А. Локшина и др. - М.: Энергия, 1978 г., с.8-21, 60-62) или экспериментально.
Затем осуществляют окончательный нагрев жидкости, после ее сжатия, греющими газами, после отделения от них нагреваемой жидкости, через разделительную твердую теплообменную стенку, например, подают нагреваемую жидкость с выхода устройства повышения давления и перекачки жидкости на вход поверхностного теплообменника (вторую ступень нагрева), Отводят греющую газообразную среду из поверхностного теплообменника, например, в окружающую среду, или в экономайзер (для подогрева жидкости перед контактным теплообменником или нагрева иного теплоносителя), или воздухоподогреватель, или иной теплообменный аппарат, а нагретую жидкость отводят потребителю для технологического или коммунально-бытового теплоснабжения.
Лучший вариант осуществления изобретения
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена принципиальная схема предложенного нагревателя жидкости. Позиции на чертеже показывают следующее: 1 - контактный теплообменник; 2 - входной трубопровод нагреваемой жидкости контактного теплообменника 1; 3 - выходной трубопровод нагреваемой жидкости контактного теплообменника 1; 4 - подводящий газоход греющей газообразной среды к контактному теплообменнику 1; 5 - отводящий газоход греющей газообразной среды от контактного теплообменника 1; 6 - поверхностный теплообменник нагрева жидкости; 7 - входной трубопровод нагреваемой жидкости поверхностного теплообменника 6; 8 - выходной трубопровод нагреваемой жидкости поверхностного теплообменника 6; 9 - подводящий газоход греющей газообразной среды к поверхностному теплообменнику 6; 10 - отводящий газоход греющей газообразной среды от поверхностного теплообменника 6; 11 - устройство повышения давления и перекачки жидкости.
Нагреватель жидкости содержит контактный теплообменник 1 нагрева жидкости с входным 2 и выходным 3 трубопроводами нагреваемой жидкости, подводящим 4 и отводящим 5 газоходами греющей газообразной среды, поверхностный теплообменник 6 нагрева жидкости с входным 7 и выходным 8 трубопроводами нагреваемой жидкости, подводящим 9 и отводящим 10 газоходами греющей газообразной среды, устройство повышения давления и перекачки жидкости 11. Ко входу устройства повышения давления и перекачки жидкости 11 подключен непосредственно или через вспомогательное устройство (предназначенное, например, для изменения массового расхода, химического или фракционного состава, температуры или других параметров среды) выходной трубопровод 3 нагреваемой жидкости из контактного теплообменника 1, а к выходу устройства повышения давления и перекачки жидкости 11 подключен непосредственно или через вспомогательное устройство (предназначенное, например, для изменения массового расхода, химического или фракционного состава, температуры или других параметров среды) входной трубопровод 7 нагреваемой жидкости поверхностного теплообменника 6. При этом отводящий газоход 5 греющей газообразной среды контактного теплообменника 1 подключен непосредственно или через вспомогательное устройство (предназначенное, например, для изменения массового расхода, химического или фракционного состава, температуры или других параметров среды) к подводящему газоходу 9 греющей газообразной среды поверхностного теплообменника 6. Поверхностный теплообменник 6 оснащен отводящим газоходом 10 для отвода греющей газообразной среды, например, в окружающую среду, и выходным трубопроводом 8 для вывода нагретой жидкости на потребление.
В качестве контактного теплообменника 1 нагрева жидкости могут быть использованы, например, конструкции контактных нагревателей жидкости, представленные в книге Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. - М: Стройиздат, 1974, с.241-248. рис.96-104, или в книге Алабовский А.Н., Удыма П.Г. Аппараты погружного горения. - М.: Издательство МЭИ, 1994, с.147, 148, рис.6.2, 6.3.
В качестве поверхностного теплообменника 6 нагрева жидкости может быть использована, например, конструкция, аналогичная водотрубному экономайзеру, применяемому для подогрева питательной воды котельных агрегатов уходящими из котла продуктами сгорания топлива (см. книгу Парогенераторы. / Под общ. ред. А.П. Ковалева. - М.: Энергоиздат, 1985, с.26, рис.2.1), или газотрубная (дымогарная) поверхность нагрева (см. книгу Зыков А.К. Паровые и водогрейные котлы: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.53, рис.15).
В качестве устройства повышения давления и перекачки жидкости 11 может быть использована, например, насосная установка, представленная в книге Лысов К.И., Григорьев К.Т. Насосы и насосные станции. - М.: Колос, 1977, с.33, рис.15.
В качестве греющей газообразной среды могут быть использованы, например, продукты сгорания топлива, горячий воздух, горячие газы технологических процессов, либо любой горячий газ, допускающий контактный теплообмен с жидкостью.
Нагреватель жидкости работает следующим образом.
Нагреваемая жидкость по входному трубопроводу 2 подается в контактный теплообменник 1 (первую ступень нагрева), куда также по подводящему газоходу 4 направляется греющая газообразная среда. Затем по выходному трубопроводу 3 нагреваемая жидкость отводится из контактного теплообменника 1 на вход устройства повышения давления и перекачки жидкости 11, в котором ее давление повышается до давления, превышающего давление насыщения при требуемой температуре нагретой жидкости в выходном трубопроводе 8 поверхностного теплообменника 6 на величину запаса по невскипанию и последующих гидравлических потерь. После этого, с помощью устройства повышения давления и перекачки жидкости 11, нагреваемая жидкость по входному трубопроводу 7 подается на вход поверхностного теплообменника 6 (вторую ступень нагрева), в подводящий газоход 9 которого греющая газообразная среда поступает из отводящего газохода 5 контактного теплообменника 1. После прохода по теплообменной поверхности нагревателя 6 греющая газообразная среда по отводящему газоходу 10 удаляется из поверхностного теплообменника 6, например, в окружающую среду или теплообменное устройство, а нагретая жидкость поступает в выходной трубопровод 8. Из выходного трубопровода 8 поверхностного теплообменника 6 нагретая жидкость подается потребителю и может быть использована для технологического или коммунально-бытового теплоснабжения.
Использование предложенных способа нагрева жидкости и нагревателя жидкости на его основе позволяет повысить энергоэффективность нагрева жидкости высокотемпературной газовой средой при снижении материальных, эксплуатационных расходов и уровня техногенного загрязнения окружающей среды.