ВОДОВОЗДУШНЫЙ УТИЛИЗАТОР ТЕПЛОТЫ Российский патент 1998 года по МПК F22B1/18 F23L15/00 

Изобретение относится к котельной технике, использующей в качестве топлива природный газ и жидкое топливо.

Известна установка утилизации тепла продуктов сгорания [1], содержащая газоход с последовательно установленными в нем по ходу газов испарителем, совмещенным с оросителем, конденсатором и доохладителем, дополнительно соединенным с дымовой трубой.

Известна также утилизационная установка [2] , принятая за прототип, включающая конденсационную ступень с расположенным под ней сборником конденсата и трубопроводом перелива, связанные через теплообменник перегрева с дымососом и дымовой трубой.

В известных установках продукты сгорания топлива с температурой, примерно равной 250^oC, подогревают в теплообменнике перегрева отходящие газы после утилизационной установки. Этот перегрев устраняет конденсацию влаги на поверхностях газохода и дымовой трубы.

После теплообменника перегрева продукты сгорания попадают в испаритель, в котором они насыщаются и охлаждаются конденсатом, падающим из конденсационной части теплообменника. Конденсация водяных паров из парогазовой смеси сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования вследствие использования в качестве нагреваемой среды холодной воды. Затем охлажденные дымовые газы проходят сепаратор и поступают на теплообменник перегрева.

Процесс конденсации водяных паров из продуктов сгорания при сжигании природного газа и жидкого топлива наступает по достижении температуры уходящих газов 50 - 70^oC. Их повышенный температурный уровень автоматически приводит к конвективному теплообмену, что резко снижает эффективность теплоотдачи от продуктов сгорания к теплообменным поверхностям.

Наличие в уходящих газах SO₂ и SO₃ приводит к образованию кислой среды, что снижает продолжительность срока эксплуатации.

При использовании утилизационной установки для нагрева воздуха коэффициент теплопередачи конденсационной и конвективной ступеней резко падает. В этом случае пропорционально увеличивают площади их теплопередающей поверхности.

В ряде случаев имеет место избыток теплоты уходящих газов по отношению к возможно воспринятой только экономайзером или только воздухоподогревателем. Данный дисбаланс приводит к вынужденной потере теплоты, что снижает эффективность установки в целом.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в устранении отмеченных недостатков.

Технический результат достигается тем, что ступени водовоздушного утилизатора теплоты: испарительная, над которой установлены верхний насадок и трубопроводы воды непрерывной и периодической продувок, и конденсационная, на входе в которую по воздушной стороне размещены вентилятор с трубопроводами выпара и впрыска воды, причем последний подключен также к входу в испарительную ступень соответственно, подключены по ходу движения уходящих газов к левой и правой ветвям U-образной компоновки утилизатора, которые соединены через сборник конденсата, кроме того, в них размещены трубы, оребренные общими ребрами, которыми образованы чередующиеся каналы для прохода воздуха и продуктов сгорания, причем внешние из них предназначены для транспортирования воздуха, а оребренные трубы в обеих ветвях связаны посредством водоводяного теплообменника.

На фиг. 1 изображен водовоздушный утилизатор теплоты, а его разрез по А-А представлен на фиг. 2, где 1 - водоводяной теплообменник, 2, 17 - входной воздушный коллектор, 3 - испарительная ступень, 4 - трубопровод впрыска воды, 5 - внешнее ограждение, 6, 10 - выпускной воздушный коллектор, 7, 20 - верхний и нижний насадки, 8, 10, 16 - трубопроводы непрерывной, периодической продувок и выпара деаэратора, 9 - межступенчатые перегородка, 11 - теплообменник перегрева, 12 - дымосос, 13 - дымовая труба, 14 - вход продуктов сгорания, 15 - вентилятор, 18 - конденсационная ступень, 21 - сборник конденсата, 22, 23 - трубопроводы перелива и очистки, 24 - оребренная труба, 25 - общее ребро, 26, 27 - выпускной и впускной трубопроводы воды, 23, 29 - воздушный и газовый каналы.

Водоводяной теплообменник 1, теплообменник перегрева 11, испарительная 3 и конденсационная 18 ступени рассчитываются по конкретным исходным данным. На основании результатов теплотехнического и аэродинамического расчетов определяются их физические размеры.

Испарительная 3 и конденсационная 13 ступени имеют однотипную конструкцию. Они состоят из пучка оребренных труб 24. Ребра 25 выполняются сплошными для всего пучка. Вертикальными гранями они привариваются к металлическим листам внешнего ограждения 5 и к межступенчатой перегородке 26. В сборе испарительная 3 или конденсационная 18 ступени представляют собой вертикальные каналы, перпендикулярно которым проходят трубы. По ним протекает вода. По каналам, чередуясь, пропускаются встречным потоком отходящие газы и воздух. Последний проходит с внешних сторон утилизатора. К верхним и нижним рядам труб со стороны внешнего ограждения 5 присоединяются входные 2,17 и выпускные 6,19 воздушные коллекторы, которые связаны воздушными каналами 28. Сечения для прохода воздуха и продуктов сгорания определяются тепловым и аэродинамическим расчетами.

Верхний 7 и нижний 20 насадки состоят из элементов в виде колец Рашига.

Трубопроводы выпара деаэратора 16, непрерывной 8 и периодической 10 продувок соответственно соединены с выпуском выпара после охладителя выпара, с трубопроводом выхода непрерывной продувки после охладителя непрерывной продувки, с трубопроводом сброса периодической продувки перед барботером /не показан/. Так как в месте подвода трубопровода выпара всегда по условию нормальной работы вентилятора 15 имеется некоторое разрежение, то в деаэраторе технологический процесс не будет нарушен. Для поступления непрерывной продувки в теплоутилизационное устройство сепаратор и охладитель непрерывной продувки необходимо размещать выше, чем трубопровод непрерывной продувки 8.

В сборнике конденсата 21 верхний уровень конденсата соответствует отметке трубопровода перелива 22, под которой размещен водоводяной теплообменник 1.

Предлагаемый водовоздушный утилизатор теплоты может быть установлен сразу после котлоагрегата или штатного экономайзера. В обоих случаях он работает следующим образом.

Продукты сгорания поступают в теплообменник перегрева 11, в котором они подогревают уходящие газы для того, чтобы из них не было конденсации водяных паров до выхода из дымовой трубы 13.

После теплообменника 11 продукты сгорания орошаются водой из трубопроводов 8, 10. Верхний насадок 7 способствует более равномерному распределению орошаемой воды и ее частичному испарению. Процесс испарения воды продолжается на теплообменных поверхностях испарительной ступени 3, что приводит к резкому увеличению коэффициента теплоотдачи с газовой стороны по сравнению с чисто конвективным теплообменом. В силу того, что сбрасываемые потоки имеют pH 7, то они определенным образом нейтрализуют влияние образующихся кислот при диссоциации с водой
Обогащенные водяными парами в испарительной ступени 3 уходящие газы проходят нижний насадок 20, в котором они еще дополнительно насыщаются испарившимся конденсатом, образующимся не теплообменных поверхностях конденсационной ступени 18. Передача теплоты в ней со стороны продуктов сгорания так же эффективна, как и в испарительной ступени 3, так как там протекает обратный по направлению фазовый переход воды. Обезвоженные продукты сгорания удаляются с температурой 20 - 30^oC через теплообменник 11 дымососом 12 в дымовую трубу 13.

Неиспарившаяся вода после испарительной ступени 3 и конденсат, стекающий из конденсационной ступени 18, попадают в сборник конденсата 21 с температурой выше 80^oC. Ее охлаждение ниже 50^oC осуществляет водоводяной теплообменник 1. Конденсат из сборника конденсата 21 постоянно сливается через гидрозатвор по трубопроводу 22 и в барботер. По трубопроводу 23 шлам периодически удаляется в барботер.

Воздух при нагреве последовательно проходит конденсационную ступень 13, водоводяной теплообменник 1 и испарительную ступень 3. На всасе вентилятора 15, размещенного на входе в конденсационную ступень 18, создается пониженное давление, что гарантирует поступление выпара из деаэратора. Он подогревает поток наружного воздуха. Дозированные впрыски воды через трубопровод 4 перед конденсационной и испарительной ступенями 18,3 создают пленку жидкости, которая испаряется вследствие передачи теплоты от уходящих газов. Фазовый переход жидкости в парообразное состояние увеличивает коэффициент теплоотдачи по воздушной стороне, что приближает его к значению с газовой стороны.

Теплоту уходящих газов воспринимают воды и воздух. Вода поступает в конденсационную ступень 18 по трубопроводу 21. Затем она проходит водоводяной теплообменник 1 и выходит из испарительной ступени 3 по трубопроводу 20. Воздух нагнетается вентилятором 15 в впускной коллектор 17, где он равномерно распределяется по воздушным каналам 28, пройдя которые, он вновь смешивается в выпускном коллекторе 19. Оттуда его направляют в воздушные каналы 28 испарительной ступени 3 через входной коллектор 2. После выпускного коллектора 6 подогретый и увлажненный воздух направляется к горелочному устройству /не показан/.

Наличие повышенного количества водяных паров в воздухе, подаваемом на горение, благоприятно влияет на снижение окислов азота, образующихся в горелочном устройстве.

Предлагаемое комбинированное теплоутилизационное устройство обладает следующими преимуществами:
- помимо полезного использования низкопотенциальной теплоты уходящих газов возможна утилизация технологических выбросов котельной в виде пара и горячей воды,
- в предлагаемом устройстве для защиты от низкотемпературной коррозии используются технологические выбросы котельной,
- переход в испарительной ступени от чисто конвективного к конвективно-испарительному типу теплообмена позволяет снизить в несколько раз площадь теплопередающей поверхности,
- утилизация теплоты технологических выбросов котельной устраняет подачу водопроводной воды для их охлаждения в барботере.

- впрыск воды в нагреваемый воздух снижает в несколько раз площадь теплопередающей поверхности относительно чисто конвективного типа теплоотдачи с воздушной стороны,
- подача водяных паров с воздухом на горение способствует снижению образования окислов азота на 20% и улучшает условия воспламенения и горения топлива,
- исполнение теплоутилизатора для совместного нагрева воды и воздуха способствует стабильному охлаждению отходящих газов вне зависимости от колебания расхода воды.

Использование: в котельной технике, где в качестве топлива применяются природный газ и жидкое топливо. Сущность изобретения: ступени водовоздушного утилизатора теплоты: испарительная 3, над которой установлены верхний насадок 7 и трубопроводы 8 и 10 воды непрерывной и периодической продувок, и конденсационная 18, на входе в которую по воздушной стороне размещены вентилятор 15 с трубопроводами 16 и 4 выпара и впрыска воды, причем последний подключен также к входу в испарительную ступень 3, соответственно подключены по ходу движения уходящих газов к левой и правой ветвям U-образной компоновки утилизатора, которые соединены через сборник 21 конденсата, кроме того, в них размещены трубы, оребренные общими ребрами, которыми образованы чередующиеся каналы для прохода воздуха и продуктов сгорания, причем внешние из них предназначены для транспортирования воздуха, а оребренные трубы в обеих ветвях связаны посредством водоводяного теплообменника 1. Конструкция обеспечивает, в частности, совместный нагрев воды и воздуха, способствующий стабильному охлаждению отходящих газов вне зависимости от колебания расхода воды. 2 ил.

Водовоздушный утилизатор теплоты, содержащий конденсационную ступень с расположенными под ней сборником конденсата и трубопроводом перелива, связанными через теплообменник перегрева с дымососом и дымовой трубой, отличающийся тем, что его ступени: испарительная, над которой установлены верхний насадок и трубопроводы воды непрерывной и периодической продувок, и конденсационная, на входе в которую по воздушной стороне размещены вентилятор с трубопроводами выпара и впрыска воды, причем последний подключен также к входу в испарительную ступень, - соответственно подключены по ходу движения уходящих газов к левой и правой ветвям U-образной компоновки утилизатора, которые соединены через сборник конденсата, кроме того, в них размещены трубы, оребренные общими ребрами, которыми образованы чередующиеся каналы для прохода воздуха и продуктов сгорания, причем внешние из них предназначены для транспортирования воздуха, а оребренные трубы в обеих ветвях связаны посредством водоводяного теплообменника.