АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОТЫ Российский патент 1994 года по МПК F22B1/18 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к паро- и теплоснабжению сельскохозяйственного производства от паровой котельной.

Известен водогрейный бак с трубчатым теплообменником, подсоединенным к основной системе водяного отопления, снабженный тремя водяными камерами, который служит для отопления и горячего водоснабжения и не может использоваться для получения вторичного пара из перегретой воды [1] .

Известен также аккумулятор нагретой воды переменного уровня, обогреваемый насыщенным паром и допускающий пароснабжение вторичным паром из объема перегретой воды [2] . Однако в нем исключается разделение конденсата пара от жидкого теплоносителя отопительного контура и подпиточной воды.

В качестве прототипе выбран аккумулятор теплоты, который обогревается паром, например, из парового электрокотла при исключении перемешивания получаемого конденсата с водой из отопительного контура и с подпиточной при возможности получения вторичного пара из камеры жидкого теплоносителя от вскипания перегретой воды отопительного контура [3] . В этих обстоятельствах питание электрокотла (источника пара) осуществляется собственным конденсатом греющего пара, который конденсаируется благодаря прокачиванию по трубам теплообменника, погруженного в камеру конденсата охлажденной обратной воды из линии теплосети, чем гарантируется безнакипный режим работы парового котла.

Однако наличие встроенного трубчатого теплообменника значительно усложняет эксплуатацию и удорожает конструкцию аккумулятора теплоты. Потери теплоты через стенки корпуса аккумулятора, в особенности через стенки паровой камеры, включая ее крышку, снижают полезную паропроизводительность аккумулятора в режиме технологического пароснабжения. Кроме того, подпитка по схеме прототипа для восполнения потерь конденсата из контура котла с продувкой и выпаром осуществляется технической водой линии отопления.

Целью изобретения является снижение капитальных затрат и повышение эксплуатационной надежности аккумулятора теплоты.

Это достигается тем, что приемный отсек аккумулятора теплоты, соединенный с обратной линией теплосети, установлен в верхней части корпуса на крышке паровой камеры, причем выполнен он заодно с корпусом аккумулятора и сообщен с паровой камерой перепускным патрубком. Кроме того, сам перепускной патрубок совмещен с Y-образным гидрозатвором, соединяющим паровую камеру с приемным отсеком, сообщенным с атмосферой для исключения превышения расчетного давления в контуре парового котла и аккумулятора.

Согласно предложенной конструктивной схеме аккумулятора теплоты охлажденная обратная вода температурой 40-65^оС из линии теплосети под напором сетевого насоса подается в приемный отсек камеры жидкого теплоносителя, установленный на выпуклой во вне крышке паровой камеры, насыщенный пар в которой имеет температуру от 110-115^оС в конце "зарядки" до 85-100^оС после "разрядки" аккумулятора. В этих условиях конденсация насыщенного пара неизбежна на внутренней стенке крышки паровой камеры, кривизна которой характеризуется выпуклостью во вне. Образующийся конденсат будет стекать по стенке крышки и собираться в периферийной камере конденсата, выполненной в виде обечайки, установленной коаксиально корпусу в верхней его части, снабженной кольцевым днищем с примыканием своим центральным и периферийным участками соответственно к обечайке и стенке корпуса. Поток теплоты конденсации пара будет передан через стенку крышки паровой камеры к воду из обратной линии теплосети в приемном отсеке, расположенном на крышке паровой кеамеры и выполненном заодно с корпусом аккумулятора. Верхнее расположение приемного отсека позволяет совместить перепускной патрубок с гидрозатвором, а сам приемный отсек, сообщенный с атмосферой, использовать в качестве расширительного бачка.

На чертеже приведена общая конструктивная схема предлагаемого аккумулятора теплоты.

Аккумулятор теплоты содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, камеру жидкого теплоносителя 2 с приемным отсеком 3, соединенным с обратной линией теплосети 4, паровую камеру 5, ограниченную выпукелой во вне крышкой 6, камеру конденсата 7, выполненную в виде обечайки 8, установленной коаксиально корпусу 1 в верхней его части, снабженной кольцевым днищем 9 с примыканием своим центральным 10 и периферийным 11 участками соответственно к обечайке 8 и стенке корпуса 1, и перепускной патрубок 12, выполненный в виде Y-образного гидрозатвора, соединяющего паровую камеру 5 с приемным отсеком 3, сообщенным с атмосферой через клапан 13. Подача греющего пара в отсек жидкого теплоносителя 2 осуществлена по паропроводу 14, а отвод конденсата из камеры конденсата 7 - через конденсатопровод 15. Аккумулятор соединен с системой отопления подающей линией 16, с системой дренажа - сливом 17 и дренажным патрубком 18.

Аккумулятор теплоты работает следующим образом.

После фазы технологического пароснабжения 19 камеры 5 по паропроводу технологического пароснабжения 19 температура насыщенного пара и воды в камере жидкого теплоносителя 2 снижается до 100-102^оС, что соответствует состоянию "разрядки" аккумулятора теплоты на фазе пароснабжения. В это время вода в приемном отсеке 3 из обратной линии теплосети 4 прогрета до максимальной температуры и поток теплоты через крышку 6 паровой камеры 5 минимальный. Однако по мере отвода теплоты в отопительную систему по линии 16 в приемный отсек по линии 4 будет возвращаться охлажденный жидкий теплоноситель температурой 40-65^оС при снижении температуры подаваемой воды от 100 до 75-80^оС. На этой стадии разрядки аккумулятора теплоты на отопительную систему температурный напор между паровой камерой 5 и приемным отсеком 3 вызывает тепловой поток с конденсацией вторичного пара на стенке крышки 6 паровой камеры 5. Благодаря выпуклой во вне форме крышки 6 возникающий конденсат будет стекать в камеру конденсата 7, выполненную по периферии камеры жидкого теплоносителя 2 в верхней части ее в виде обечайки 8, установленной коаксиально вертикальному корпусу 1, снабженной кольцевым днищем 9 с плотным примыканием своим центральным 10 и периферийным 11 участками соответственно к обечайке 8 и стенке корпуса 1 при исключении перемешивания содержимого в камерах жидкого теплоносителя 2 и конденсата 7.

Собираемый в камере 7 конденсат по конденсатопроводу 15 может питать источник пара, а греющий пар по паропроводу 14 будет поступать под уровень воды в камере жидкого теплоносителя 2. Пузырьки греющего пара в процессе барботажа будут конденсироваться, нагревая воду и "заряжая" аккумулятор до максимальной температуры воды 110-112^оС в камере жидкого теплоносителя 2 и максимального давления насыщенного пара в паровой камере 5 около 0,15 МПа (с учетом давления гидростатического столба воды в аккумуляторе). При первышении давления греющего пара в камере 5 выше предельного расчетного столб воды из соединительного канала 12, выполненного в виде Y-образного гидрозатвора, будет выброшен в приеемный отсек 3 и избыток давления в паровой камере 5 вместе с расходом пара через гидрозатвор 12 будет сброшен в приемный отсек 3, а из него - черпез атмосферный клапан 13 в атмосферу. При понижении давления в паровой камере 5 при "разрядке" аккумутора столб воды в гидрозатворе 12 из внешнего колена будет выдавлен во внутренний его патрубок, поддерживая герметичность системы до значений разрежения порядка 0,05 МПа, что соответствует температуре насыщенного пара в паровой камере около 80^оС, "разряжать" аккумулятор ниже этой температуры нецелесообразно. Для этого необходимо снова обеспечить подачу греющего пара по паропроводу 14, поднять температуру воды и пара до максимальных расчетных значений, после чего цикл повторяется.

Технико-экономические параметры предлагаемого аккумулятора теплоты и прототипа таковы, что для парового электродного котла на 500 кВт, работающего в режиме зарядки 8 ч ночью в период провала электронагрузки необходимы 2 бака аккумулятора по 25 м³ полезной емкости габаритнами около 5 м высоты и 2,8 м в диаметре. Для данного диаметра крышки 5 паровой камеры 6 эффективнеая поверхность сбора конденсата составит F_к = 5 м².

Конденсация пара и его сбор в камере конденсата в течение 24 ч должны компенсировать потерю конденсата в контуре парового котла, равную его производительности за 8 ч ночной работы при смешении греющего пара в камере жидкого теплоносителя с водой из отопительного контура. Балансу паропроизводительности и конденсации пара соответствует следующий баланс теплоты парообразования и теплоты конденсации, который можно выразить формулой
8W_экη_эк= 24·2, где W_эк - мощность электрического парового котла, кВт;
η_эк - КПД электрического котла по производству пара;
D - диаметр корпуса аккумулятора, соответствующий расчетному диаметру крышки паровой камеры и площади конденсации пара, м²;
α_к - коэффициент теплоотдачи конвекций в большом объеме приемного отсека с внешней стороны крышки паровой камеры, в первом приближении соответствующий коэффициенту теплопередачи через эту теплообменную стенку, кВт (м²˙K);
- среднелогарифмический (во времени в течение суток) температурный напор между паровой камерой и приемным отсеком, К.

Из последнего выражеения получаем формулу для оценки необходимой расчетной величины диаметра корпуса аккумулятора
D =
Среднелогарифмический температурный напор составит
= = = 30^°C где Т_пк, Т_об - температура в паровой камере и температура обратной воды системы; Т^{макс,мин} - индексы максимального и минимального значений температур, ^оС.

Коэффициент теплоотдачи конвекций в большом объеме наж выпуклой вверх поверхностью согласно эмпирическим данным составляет 150-200 Вт/(м²˙К). Однако в данном случае эта величина может быть не менее чем в 2 раза увеличина благодаря впрыску обратной воды струями на теплообменную поверхность под напором сетевого насоса системы отопления. Таким образом, учитывая высокие значения коэффициента теплоотдачи со стороны конденсации (порядка 5000-10000 Вт/(м²˙К), можно считать К = α≥ 400 Кт/(м²˙К). Тогда расчетная величина диаметра корпуса аккумулятора и крышки паровой камеры составит согласно полученной выше формулы
D = 2,8 м♂♂♂
Величина расчетного среднелогарифмического напора может быть еще увеличена путем установки в приемном отсеке аккумулятора змеевика 20 системы горячего водоснабжения и подпитки. Таким образом, поставленная цель в рассматриваемом численном примере легко может быть достигнута, т. е. отказ от рекуперативного теплообменника, встроенного согласно конструктивной схеме прототипа в камеру конденсата, не уменьшит количество конденсата в контуре парового электрокотла, позводит отказаться от подпитки котлового контура водяным теплоносителем теплосети, что приведет к сокращению тепловых потерь в окружающую среду, упростит эксплуатацию, профилактические осмотры и ремонты, удешевит конструкцию теплового аккумулятора.

При расчете в рабочем проекте масса и конструкция исходного варианта корпуса практически не изменится и усложнится. Но при этом исключается конструктивно сложный и металлоемкий трубчатый теплообменник, упрощается конструкция трубопроводов подвода греющего пара, ликвидируется расширительный бачок. Это обеспечивает снижение капитальных затрат и улучшение эксплуатационных характеристи аккумулятора теплоты.

Использование: в области теплоэнергетики, в сельскохозяйственном производстве. Сущность изобретения: аккумулятор теплоты содержит корпус 1 с камерой 2 для жидкого теплоносителя, паровой камерой 5, ограниченной крышкой 6, и камерой 7 конденсата. Приемный отсек 3 расположен в верхней части корпуса над крышкой и сообщен с паровой камерой 3 посредством, перепускного патрубка 12, совмещенного с гидрозатвором, нижняя часть которого расположена в камере 2. При этом приемный отсек 3 в процессе работы используется в качестве расширительного бачка. 1 ил. 2 з. п. ф - лы.

1. АККУМУЛЯТОР ТЕПЛОТЫ, содержащий цилиндрический корпус с расположенными в нем камерой для жидкого теплоносителя, приемным отсеком, сообщенным с обратной линией теплосети и паровой камерой, ограниченной выпуклой крышкой, и гидрозатвор, отличающийся тем, что, с целью повышения его эксплуатационной надежности и снижения капитальных затрат, приемный отсек расположен в верхней части корпуса над выпуклой крышкой и сообщен с паровой камерой посредством дополнительно установленного перепускного патрубка. 2. Аккумулятор по п. 1, отличающийся тем, что перепускной патрубок совмещен с гидрозатвором и размещен своей нижней частью в камере жидкого теплоносителя. 3. Аккумулятор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что приемный отсек сообщен посредством дополнительно установленного воздушного клапана с атмосферой.