СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ И СТРУЙНЫЕ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2000 года по МПК F04F5/54 F02C6/18 

Изобретение относится к области струйной техники, преимущественно к установкам для систем водяного отопления и горячего водоснабжения.

Известен способ работы струйной установки для систем отопления, включающий подачу пара в сопло струйного аппарата, смешение пара с водой с одновременным нагревом последней и подачу нагретой воды в систему водяного отопления ( патент RU 2027919, F 04 F 5/14, 27.01.95).

В этом же патенте описана установка, содержащая паровой струйный аппарат, систему подвода воды для нагрева и систему отвода нагретой воды.

Данные установка и способ ее работы обеспечивают нагрев и подачу нагретой воды в систему отопления. Однако данное техническое решение для своей реализации требует системы подготовки и подачи пара, что снижает эффективность данной системы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ работы теплогенерирующей установки, включающий нагрев жидкой среды выхлопными газами с последующей передачей нагретой жидкой средой тепловой энергии потребителю тепла ( патент RU 2101527, F 02 C 6/18, 10.01.98).

В этом же патенте описана наиболее близкая к изобретению струйная теплогенерирующая установка, содержащая газотурбинную установку с камерой сгорания и систему потребления тепла.

Данные установка и способ ее работы обеспечивают нагрев жидкой среды - воды выхлопными газами, полученными в камере сгорания газотурбинной установки. Однако в данных установке и способе ее работы не в полной мере используется энергия выхлопных газов, и именно не используется кинетическая энергия выхлопных газов на выходе из газотурбинной установки, а нагрев жидкой среды с помощью котла-утилизатора приводит к значительным потерям тепловой энергии выхлопных газов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является увеличение эффективности нагрева жидкой среды за счет энергии выхлопных газов и использование кинетической энергии выхлопных газов на транспортировку (перекачку) жидкой среды в системе потребления тепла.

Указанная задача в части способа, как объекта изобретения решается за счет того, что в способе работы теплогенерирующей установки, включающем нагрев жидкой среды выхлопными газами с последующей передачей нагретой жидкой средой тепловой энергии потребителю тепла, выхлопные газы направляют непосредственно в газожидкостной струйный аппарат, где выхлопные газы сначала разгоняют в сопле до сверхзвуковой скорости с формированием за выходным сечением сопла газовой струи, далее организуют смешение жидкой охлажденной среды и выхлопных газов с частичной передачей жидкой среде тепловой и кинетической энергии струи выхлопных газов и формированием газожидкостного сверхзвукового потока смеси сред, затем организуют торможение потока смеси сред с формированием скачка давления, сопровождаемого интенсивным ростом давления газожидкостной смеси и завершением процесса теплообмена между жидкой средой и выхлопными газами, после чего газожидкостную смесь нагретой жидкой среды и выхлопных газов направляют в сепаратор, где выхлопные газы отделяют от нагретой жидкой среды и последнюю подают из сепаратора в систему потребления тепла, из которой охлажденная жидкая среда поступает в газожидкостной струйный аппарат с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды.

При этом возможна реализация способа, когда выхлопные газы из сепаратора откачивают и поддерживают в последнем давление ниже атмосферного.

В части устройства, как объекта изобретения, поставленная задача решается за счет того, что струйная теплогенерирующая установка, содержащая газотурбинную установку и систему потребления тепла, снабжена газожидкостным струйным аппаратом и сепаратором, при этом сопло газожидкостного струйного аппарата подключено к выходу выхлопных газов газотурбинной установки, выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее - к входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата.

В другом варианте выполнения струйная теплогенерирующая установка, содержащая камеру сгорания и систему потребления тепла, снабжена газожидкостным струйным аппаратом и сепаратором, при этом сопло газожидкостного струйного аппарата подключено к выходу из камеры сгорания выхлопных газов, выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее - к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее - к входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата.

Кроме того, установка может быть снабжена системой откачки выхлопных газов из сепаратора, содержащей жидкостно-газовый эжектор, насос и газоотделительную емкость, при этом жидкостно-газовый эжектор соплом подключен к выходу насоса, входом откачиваемой газообразной среды - к выходу выхлопных газов из сепаратора и выходом - к газоотделительной емкости, а последняя подключена к входу в насос, система потребления тепла может быть выполнена в виде батареи водяного отопления или в виде теплообменника для нагрева воды системы горячего водоснабжения или в виде комбинации батарей водяного отопления и системы горячего водоснабжения.

Как показали проведенные исследования возможно использование газотурбинной установки или просто камеры сгорания для непосредственного нагрева жидкой среды - теплоносителя выхлопными газами газотурбинной установки или камеры сгорания, причем не простым пропусканием выхлопных газов через жидкую среду, а путем организации строго контролируемого процесса обмена тепловой и кинетической энергиями между выхлопными газами и жидкой средой в рамках газожидкостного струйного аппарата. В струйном аппарате смешение организуют в специально спрофилированном канале, что позволяет, в соответствии с описываемым изобретением, в процессе смешения сформировать газожидкостной поток, который сначала преобразуют в сверхзвуковой поток, а затем поток тормозят с формированием скачка давления. Как следствие значительно интенсифицируются процессы обмена тепловой и кинетической энергиями между выхлопным газом и жидкой средой при резком сокращении потерь энергии. В результате струйный аппарат решает одновременно две задачи, а именно выхлопные газы нагревают жидкую среду и одновременно формируется газожидкостной поток с требуемыми динамическими характеристиками, т. е. представляется возможность подавать жидкостной поток в систему потребления тепла с требуемой расчетной скорость и под требуемым напором. Как следствие, представляется возможность отказаться от насосов необходимых в известных технических решениях для организации циркуляции жидкой среды по контуру: место нагрева жидкой среды - система потребления тепла - место нагрева жидкой среды. В конечном итоге удалось создать компактную эффективную установку для систем водяного отопления и систем горячего водоснабжения.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема струйной теплогенерирующей установки с газотурбинной установкой, в которой реализован описываемый способ работы теплогенерирующей установки; на фиг.2 представлена принципиальная схема установки с камерой сгорания в качестве источника горячих выхлопных газов; на фиг.3 представлена принципиальная схема установки с системой химической очистки воды; на фиг.4 схематически представлена кассетная форма выполнения струйного аппарата.

Струйная теплогенерирующая установка содержит газотурбинную установку 1 и систему 2 потребления тепла. Установка снабжена газожидкостным струйным аппаратом 3 и сепаратором 4, при этом сопло 5 газожидкостного струйного аппарата 3 подключено к выходу 6 выхлопных газов газотурбинной установки 1, выходом газожидкостной струйный аппарат 3 подключен к сепаратору 4, а система 2 потребления тепла подключена со стороны входа в нее к выходу жидкости из сепаратора 4 и со стороны выхода из нее - к входу 7 жидкой среды газожидкостного струйного аппарата 3.

Сепаратор 4 может быть атмосферным, вакуумным или термическим. В последних двух случаях установка может быть снабжена системой откачки выхлопных газов из сепаратора 4, содержащей жидкостно-газовый эжектор 8, насос 9 и газоотделительную емкость 10, при этом жидкостно-газовый эжектор 8 соплом подключен к выходу насоса 9, входом откачиваемой газообразной среды - к выходу выхлопных газов из сепаратора 4 и выходом - к газоотделительной емкости 10, а последняя подключена к входу в насос 9. В качестве жидкостно-газового эжектора 8 может быть использован струйный аппарат автора изобретения по патенту Российской Федерации 2110701 "Способ работы тепловыделяющего струйного аппарата (варианты)". При этом для утилизации тепла и снижения загрязнения окружающей среды отсасываемая из сепаратора 4 парогазовая смесь может подаваться жидкостно-газовым эжектором 8 в специальную емкость 14 (фиг. 3), например, бак "сырой воды". При этом газ пробулькивает через воду и выходит в атмосферу с температурой ~30^oC, а нагретая до 30^oC вода подается из емкости 14 в систему 15 химводоочистки и подпитки контуров циркуляции.

Система 2 потребления тепла может быть выполнена в виде батареи 11 водяного отопления или в виде теплообменника 12 для нагрева воды системы горячего водоснабжения или в виде комбинации батарей 11 водяного отопления и теплообменника 12 системы горячего водоснабжения.

В другом варианте выполнения струйная теплогенерирующая установка содержит камеру 13 сгорания и систему 2 потребления тепла. Установка, кроме того, также как и в выше описанном варианте выполнения снабжена газожидкостным струйным аппаратом 3 и сепаратором 4. Сопло 5 газожидкостного струйного аппарата 3 подключено к выходу из камеры 13 сгорания выхлопных газов, выходом газожидкостной струйный аппарат 3 подключен к сепаратору 4, а система 2 потребления тепла подключена со стороны входа в нее - к выходу жидкости из сепаратора 4 и со стороны выхода из нее - к входу 7 жидкой среды газожидкостного струйного аппарата 3.

В случае, когда требуется резко увеличить мощность теплогенерирующей установки струйные аппараты 3 и 8 или какой-либо из них может быть выполнен в виде кассеты (фиг. 4), т.е., например, струйный аппарат 3 представляет собой несколько струйных аппаратов параллельно подключенных к источнику выхлопных газов, входу 7 жидкой среды и к сепаратору 4, при этом струйные аппараты могут быть размещены в кассете с равномерным шагом, например, треугольной решеткой.

Обе установки работают в соответствии с описываемым способом работы.

Выхлопные газы из газотурбинной установки 1 из выхлопные газы из камеры 13 сгорания направляют в сопло 5 газожидкостного струйного аппарата 3. Истекая из сопла 5, струя выхлопных газов увлекает в струйный аппарат 3 охлажденную жидкую среду и смешивается с ней. В процессе смешения выхлопные газы нагревают жидкую среду и ускоряют ее. В результате смешения выхлопных газов и жидкой среды образуется газожидкостной поток, причем за счет падения скорости звука в газожидкостной среде газожидкостной поток преобразуется в сверхзвуковой поток. Далее газожидкостной поток истекает в камеру расширения струйного аппарата 3, что вызывает резкое торможение потока, после чего в горловине диффузора струйного аппарата 3 формируют скачок давления с завершением в последнем формирования газожидкостного потока нагретой жидкой среды и выхлопных газов сопровождаемым резким ростом давления сжатия газожидкостного потока. Под полученном в струйном аппарате напоре газожидкостной поток из струйного аппарата 3 поступает в сепаратор 4 (преимущественно циклонного типа), где выхлопные газы отделяются от нагретой жидкости. Нагретая жидкость из сепаратора 4 поступает в систему 2 потребления тепла, в качестве которой может быть батарея 11 или батареи 11 водяного отопления, теплообменник 12 системы горячего водоснабжения, либо комбинация батареи 11 и теплообменника 12. В системе 2 потребления тепла нагретая жидкая среда, отдавая свое тепло, охлаждается и из системы 2 потребления тепла охлажденная жидкая среда поступает в газожидкостной струйный аппарат 3 для нагрева с формированием таким образом контура циркуляции жидкой среды.

Работа камеры 13 сгорания может осуществляться как с компрессором, так и без него. При работе камеры 13 сгорания без компрессора поступление в нее атмосферного воздуха обеспечивают за счет создания вакуума на выходе из сопла 5 - на входе в камеру смешения струйного аппарата 3. При этом пуск может осуществляться за счет пускового насоса 16, создающего совместно с жидкостно-газовым эжектором 8 вакуум на выходе из струйного аппарата 3, а столб жидкости между сепаратором 4 и насосом 16 препятствует его кавитации при пуске (гидрозатвор) или за счет баллонов со сжатым воздухом, которые используются при пуске для создания условий для возникновения скачка давления. В камеру 13 сгорания может поступать не воздух в качестве окислителя (в воздухе собственно кислорода всего ~21%), а чистый кислород или другой окислитель. В случае использования кислорода степень нежелательного воздействия на окружающую среду сводится к минимуму.

В ряде случаев для интенсификации в сепараторе 4 процесса разделения нагретой жидкой среды и выхлопных газов последние целесообразно откачивать с поддержанием в сепараторе 4 над поверхностью жидкой среды давления ниже атмосферного. Для этой цели с помощью жидкостно-газового эжектора 8 выхлопные газы откачивают из сепаратора 4 и полученную газожидкостную смесь подают в газоотделительную емкость 10, в которой выхлопные газы отделяются от жидкости, которая насосом 9 подается в сопло эжектора 8 для откачки выхлопных газов из сепаратора 4.

На фиг. 3 показана балансировочная линия с клапаном 17, которая позволяет, создавая непосредственно на выходе из струйного аппарата 3 зону пониженного давления, перепускать часть газа из камеры сгорания 13 в зону на выходе из струйного аппарата 3, форсируя тепловую мощность и обеспечивая устойчивую работу струйного аппарата 3 в переходных режимах.

Данное изобретение может быть использовано в системах центрального и автономного отопления и горячего водоснабжения.

Изобретение предназначено для систем водяного и горячего водоснабжения. Выхлопные газы направляют в газожидкостной струйный аппарат, где выхлопные газы сначала разгоняют в сопле, далее организуют смешение жидкой охлажденной среды и выхлопных газов с формированием газожидкостного сверхзвукового потока смеси сред, затем организуют торможение потока смеси сред с формированием скачка давления и завершением процесса теплообмена между жидкой средой и выхлопными газами. Затем газожидкостную смесь направляют в сепаратор, где выхлопные газы отделяют от нагретой жидкой среды и последнюю подают из сепаратора в систему потребления тепла. В установке сопло газожидкостного струйного аппарата подключено к выходу выхлопных газов газотурбинной установки. Выходом струйный аппарат подключен к сепаратору. Система потребления тепла подключена со стороны входа в нее к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее - к входу жидкой среды струйного аппарата. В другом варианте выполнения сопло струйного аппарата подключено к выходу из камеры сгорания. В результате увеличивается эффективность нагрева жидкой среды. 3 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ работы теплогенерирующей установки, включающий нагрев жидкой среды выхлопными газами с последующей передачей нагретой жидкой средой тепловой энергии потребителю тепла, отличающийся тем, что выхлопные газы направляют в газожидкостной струйный аппарат, где выхлопные газы сначала разгоняют в сопле с формированием за выходным сечением сопла газовой струи, далее организуют смешение жидкой охлажденной среды и выхлопных газов с частичной передачей жидкой среде тепловой и кинетической энергии струи выхлопных газов и формированием газожидкостного сверхзвукового потока смеси сред, затем организуют торможение потока смеси сред с формированием скачка давления, сопровождаемого интенсивным ростом давления газожидкостной смеси и завершением процесса теплообмена между жидкой средой и выхлопными газами, после чего газожидкостную смесь нагретой жидкой среды и выхлопных газов направляют в сепаратор, где выхлопные газы отделяют от нагретой жидкой среды и последнюю подают из сепаратора в систему потребления тепла, из которой охлажденная жидкая среда поступает в газожидкостной струйный аппарат с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выхлопные газы из сепаратора откачивают и поддерживают в последнем давление ниже атмосферного. 3. Струйная теплогенерирующая установка, содержащая газотурбинную установку и систему потребления тепла, отличающаяся тем, что она снабжена газожидкостным струйным аппаратом и сепаратором, при этом сопло газожидкостного струйного аппарата подключено к выходу выхлопных газов газотурбинной установки, выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее - к входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата. 4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена системой откачки выхлопных газов из сепаратора, содержащей жидкостно-газовый эжектор, насос и газоотделительную емкость, при этом жидкостно-газовый эжектор соплом подключен к выходу насоса, входом откачиваемой газообразной среды - к выходу выхлопных газов из сепаратора и выходом - к газоотделительной емкости, а последняя подключена к входу в насос. 5. Струйная теплогенерирующая установка, содержащая камеру сгорания и систему потребления тепла, отличающаяся тем, что она снабжена газожидкостным струйным аппаратом и сепаратором, при этом сопло газожидкостного струйного аппарата подключено к выходу из камеры сгорания выхлопных газов, выходом газожидкостной струйный аппарат подключен к сепаратору, а система потребления тепла подключена со стороны входа в нее к выходу жидкости из сепаратора и со стороны выхода из нее - к входу жидкой среды газожидкостного струйного аппарата. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что система потребления тепла выполнена в виде батареи водяного отопления. 7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что система потребления тепла выполнена в виде теплообменника для нагрева воды системы горячего водоснабжения.