ТЕПЛОПАРОГЕНЕРАТОР Российский патент 2005 года по МПК F22B1/26 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение в любой хозяйственной области, где требуется получение одного или нескольких теплоносителей одновременно (горячая вода, пар, парогазовоздушная смесь).

В типовых котлах продукты сгорания, направляемые на нагрев теплоносителя в котле, получают в пламенной трубе, присоединенной к горелке. Для исключения образования прогаров в пламенной трубе температуру продуктов сгорания понижают до приемлемых значений (~1100°С). Для этого стенки пламенной трубы выкладывают огнеупорным кирпичом, который забирает часть теплового потока на себя, или охлаждают водой. Длина пламенной трубы выбирается из условия обеспечения полного сгорания, при этом габариты и вес получаются большими. Кроме того типовые котельные ориентированы на получение одного вида теплоносителя (обычно пара или горячей воды). Для получения второго вида теплоносителя, например горячей воды, дополнительно требуется установка бойлера, что также увеличивает габариты и вес системы. Температура выбрасываемых продуктов сгорания составляет более 160°С, что требует применения дымовых труб и снижает к.п.д. всей системы.

В связи с относительно низкой температурой продуктов сгорания или наличием тепловой защиты, в случае высокотемпературных продуктов сгорания требуется увеличение поверхности теплообмена, что приводит к увеличению габаритов и массы котла.

Повысить полноту сгорания топлива, например природного газа, уменьшить длину факела, а следовательно, сократить объем камеры сгорания (жаровой трубы) позволяют средства закрутки воздушного потока. (Р.Б.Ахмедов, Л.М.Цирульников. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. Л., Недра, Ленинградское отделение, 1984, стр.12-16, 19-23).

Для закрутки потока воздуха используют завихрители (рис.1.3), а закрученный воздушный поток подают по центру или на периферии (через кольцевую щель) горючий газ.

Известен парогенератор (а.с. СССР №1613795, F 22 B 1/26, з. №4394109 от 21.03.88), содержащий камеру пульсирующего горения с резонансной трубой, распределенные по их длине поверхности нагрева, представляющие собой водяные котлы, которые последовательно сообщены между собой, а затем с сепаратором. В резонансной трубе размещены впрыскивающие устройства, одно из которых, установленное в конце резонансной трубы, сообщено с паровой полостью сепаратора, а другое, находящееся в начале резонансной трубы, - с жидкостной полостью. Применение впрыскивающих устройств в резонансной трубе позволяет за счет эжекции улучшить вентиляцию камеры сгорания и повысить полноту сгорания топлива.

К недостаткам известного устройства можно отнести узкую область регулирования по производительности, связанную с наличием резонансной трубы, низкую производительность и дополнительные вибрации и шум из-за наличия пульсирующей камеры сгорания и резонансной трубы, а также значительные габариты и вес.

Наиболее близким к заявляемому теплопарогенератору по входящим в совокупность признакам является теплопарогенератор по патенту РФ №2206818 (з. №2001134349/06 (036390) от 17.02.2001). Недостатки, присущие аналогу и типовым котлам, в этом решении отсутствуют.

Известный теплопарогенератор состоит из корпуса с установленными в нем коаксиально и последовательно камерой сгорания с огневым днищем, патрубками подвода газа и воздуха и камерой смешения с отверстиями для впрыскивания пара или воды с образованием между корпусом и камерами сгорания и смешения кольцевого пространства, в котором расположен водяной котел с кольцевыми коллекторами и с патрубками подвода питательной воды и отбора теплоносителя.

Недостатками известного теплопарогенератора являются:

- последовательное распределение процессов подготовки горючей смеси, воспламенения, горения, передачи тепловых потоков теплоносителю в нескольких последовательно расположенных камерах приводит к увеличению габаритов и массы, усложняет процесс регулирования сжигания топлива и получения требуемого теплоносителя на выходе;

- ограничения по получению необходимого давления теплоносителя на выходе;

- необходимость увеличения поверхности теплообмена для обеспечения требуемого теплосъема для получения пара или горячей воды, отбираемых из водяного котла.

Основной задачей, решаемой с помощью предлагаемого теплопарогенератора, является уменьшение габаритов и массы, расширение и упрощение процессов регулирования по производительности и составу теплоносителя с сохранением преимуществ, в том числе высокого к.п.д. известного теплопарогенератора.

Согласно изобретению, теплопарогенератор включает в себя корпус с установленными в нем коаксиально и последовательно камерой сгорания с патрубками подвода газа и воздуха и огневым днищем, камерой смешения и отверстиями для впрыскивания пара или воды. Между корпусом и камерами сгорания и смешения образовано кольцевое пространство, в котором расположен водяной котел с кольцевыми коллекторами и с патрубками подвода питательной воды и отбора теплоносителя. Отверстия для впрыскивания пара или воды в камеру смешения распределены предпочтительно равномерно по окружности. Предлагается патрубки подвода воздуха и газа разместить на входе в камеру подготовки горючей смеси, а камеру сгорания выполнить вихревой с тангенциальной подачей горючей смеси и соплом Лаваля на выходе, а на огневом днище соосно камере сгорания установить цилиндрический паровой котел с устройством регулирования подачи питательной воды и сверхзвуковым соплом на выходе, причем срез сопла расположить за минимальным сечением сопла Лаваля.

Устройство подачи питательной воды в паровой котел предпочтительно должно быть центробежным и иметь на входе обратный клапан-регулятор.

Для повышения эффективности парообразования и повышения стабильности давления в паровом котле устройство подачи питательной воды может быть выполнено в виде центробежной форсунки.

С целью поддержания стабильных параметров теплоносителя на выходе из камеры смешения отверстия для впрыскивания пара или воды могут быть выполнены в виде эжектирующих сопел, направленных в сторону выхода из камеры смешения.

Камера смешения теплопарогенератора может иметь несколько ступеней подвода пара или воды, распределенных по ее длине.

Для интенсификации процессов тепломасообмена и уменьшения габаритов и массы камера подготовки горючей смеси и камера смешения могут иметь конические участки, сужающиеся к выходу с углом конусности 10-15°.

Камера смешения может быть разделена на кольцевые съемные ступени.

На фиг.1 показан продольный разрез теплопарогенератора.

На фиг.2 - поперечное сечение по А-А и Б-Б.

На фиг.3 - поперечное сечение В-В по оси камеры подготовки горючей смеси.

Теплопарогенератор имеет корпус, состоящий из двух корпусных деталей 1 и 2, имеющих разъемное или неразъемное (сварное) соединение. В корпусной детали 1 установлена вихревая камера сгорания 3 с огневым днищем 4. К вихревой камере сгорания тангенциально подсоединена камера 5 подготовки горючей смеси с установленным на входе сопловым аппаратом 6 подачи эжектирующей смеси газов (природного газа и воздуха). В свою очередь эжектирующую смесь газов получают в камере 7 подачи сетевого газа, по оси которой установлена сопловая насадка 8 для подачи сжатого воздуха, являющегося эжектирующим рабочим телом по отношению к сетевому газу, поступающему в камеру 7 через патрубок 9. Для получения гомогенной по составу и свойствам газовоздушной смеси (эжектирующей смеси газов) предназначен лопаточный завихритель 10. В коническом сопле 11 за счет интенсификации процессов массообмена однородность смеси повышается. Воздух из окружающей атмосферы эжектируется в камеру 5 подготовки горючей смеси через лопаточный завихритель 12, установленный во входном устройстве 13. Ниже по потоку расположены последовательно лопаточный завихритель 14 для горючей газовоздушной смеси, огнепреграждающее устройство 15, например пакет из металлических сеток, и электросвеча 16 для розжига подготовленной смеси.

На огневом днище соосно камере сгорания установлен паровой котел 17 для получения эжектирующего рабочего тела. На входе в паровой котел 17 расположено устройство подачи питательной воды 18 с центробежным устройством 19, например шнеком или центробежной форсункой, перед которым установлен обратный клапан-регулятор 20. В огневом днище 4 предусмотрена осевая втулка 21 для точной соосной установки парового котла 17 и юстировки положения среза 22 сверхзвукового сопла 23. Срез 22 сопла 23 расположен за минимальным сечением 24 сопла Лаваля 25. Камера смешения 26 начинается в сверхзвуковой части сопла Лаваля и представляет собой первую ступень эжектора и первую ступень камеры смешения. Вторая ступень 27 камеры смешения может быть цилиндрической с коническим участком 28 на выходе, как показано на фиг.1, или сразу за соплом 25 может переходить в конический участок.

Вторая ступень камеры смешения имеет ряд эжектирующих сопел 29, расположенных по окружности и направленных в сторону выхода из камеры смешения.

Ко второй ступени камеры смешения при необходимости может быть присоединена третья ступень 30 с рядом эжектирующих сопл 31, также расположенных по окружности и направленных в сторону выхода из камеры смешения.

В кольцевом пространстве между корпусными деталями 1, 2 и камерой сгорания 3 с соплом 25 и второй ступенью 27 камеры смешения расположен водяной котел 32 с кольцевыми коллекторами 33 и 34 для подачи питательной воды и отбора теплоносителя соответственно. Питательная вода в коллектор 33 поступает через патрубок 35, а подогретая вода (теплоноситель) отводится из коллектора 34 через патрубок 36.

Для подвода воды к соплам 31 предназначены патрубок 37 и кольцевой коллектор 38. Камера смешения 26 центрируется относительно корпусных деталей 1 и 2 с помощью центрирующих опор 39 и 40.

Размещение парового котла 17 внутри вихревой камеры сгорания 3, окруженной водяным котлом 32, позволяет обеспечить одновременное протекание процессов горения топлива, нагрева теплоносителя в паровом и водяном котлах, организовать защиту стенок от прогара и получить эжектирующие рабочие тела для первой и второй ступеней эжектора и камеры смешения, и одновременно обеспечивает эжектирование низконапорных продуктов сгорания, смешивание их с теплоносителем и получение в конце конического участка 28 камеры смешения или в конце третьей ступени 30 рабочего тела с требуемыми параметрами.

Теплопарогенератор работает следующим образом.

В камеру 7 подачи сетевого газа через патрубок 9 поступает природный газ под давлением 0,01 ати и более. Через сопловую насадку 8, установленную соосно камере 7, поступает сжатый воздух от компрессора (не показан). Объемный расход воздуха (при нормальном давлении), поступающего через сопловую насадку 8, составляет 4-7% от общего расхода воздуха, необходимого для образования смеси с заданным коэффициентом избытка окислителя.

Сжатый воздух, поступающий через сопловую насадку 8, является эжектирующим рабочим телом по отношению к природному газу. В сопловом аппарате 6 воздух, поступающий от компрессора, и весь природный газ смешиваются, при этом лопаточный завихритель 10 усиливает процесс перемешивания газов (воздуха и природного газа). В коническом сопле скорость истекающей струи возрастает при одновременной интенсификации процессов массообмена, что обеспечивает при меньших габаритах получение однородной смеси газов. Образовавшаяся смесь газов является эжектирующим рабочим телом по отношению к воздуху, который поступает из окружающей атмосферы через входное устройство 13 (96-93% от общего расхода воздуха) с лопаточным завихрителем 12. Смесь природного газа и воздуха, поступающая через коническое сопло 11, эжектирует воздух из окружающей атмосферы, который проходя через входное устройство 13 с лопаточным завихрителем 12, образует вихревой поток.

Вихревое течение позволяет на коротком участке камеры 5 подготовки горючей смеси получать достаточно однородную смесь, которая затем на лопаточном завихрителе 14 становится гомогенной и через пакет сеток огнепреграждающего устройства 15 поступает в зону воспламенения горючей смеси при стехиометрическом (или близком к нему) соотношении компонентов горючей смеси. Горючая смесь воспламеняется с помощью электросвечи 16 и поток реагирующих газов из камеры 5 подготовки горючей смеси поступает в вихревую камеру сгорания 3, в огневом днище 4, которой соосно камере сгорания в осевой втулке 21 установлен паровой котел 17. С некоторым опережением относительно времени поджига горючей смеси в паровой котел 17 через центробежное устройство 19, например шнек или центробежную форсунку, подают питательную воду, которая в виде закрученной пленки жидкости растекается по внутренней поверхности котла 17, создавая вихревое течение с образованием по оси котла зоны пониженного давления.

Вихревое течение реагирующих газов и продуктов сгорания в камере сгорания 3 позволяет в небольшом объеме полностью завершить процесс сжигания поступившей воспламененной смеси с получением рационального распределения температур по сечению камеры сгорания. В приосевой зоне, где расположен паровой котел, с большой скоростью вращается несколько разреженный высокотемпературный вихрь, а на периферии, у стенок камеры сгорания с существенно меньшей угловой скоростью вращается газовый вихрь более плотных газов, имеющих температуру ниже, чем в приосевой зоне.

Высокотемпературные реагирующие газы и продукты сгорания омывают стенки парового котла 17 и, передавая тепло через его стенку, доводят до кипения и полностью испаряют тонкую пленку воды, поступающей из центробежного устройства 19. Оптимальный расход воды через устройство подачи питательной воды и исключение забросов пара в магистраль обеспечивается обратным клапаном-регулятором 20. Образовавшийся в котле 17 пар через сверхзвуковое сопло 23 поступает в камеру смешения 26, создавая эжектирующий поток. Срез 22 сопла 23 находится за минимальным сечением 24 сопла Лаваля 25 и поэтому эжектирующий поток пара создает оптимальные условия для эжектирования продуктов сгорания из вихревой камеры сгорания 3, поддерживая разрежение за минимальным сечением 24 в сверхзвуковой части сопла Лаваля, что способствует безотрывному течению продуктов сгорания на этом участке сопла. В свою очередь, организованное оптимальное течение реагирующих газов и продуктов сгорания в камере сгорания 3 и продуктов сгорания в сопле Лаваля 25 обеспечивает эффективный нагрев внутренних стенок водяного котла 32 с одновременной защитой от прогара. В котле 32 нагревается питательная вода, поступающая через патрубок 35 в кольцевой коллектор 33 и отбираемая для нужд потребителя из кольцевого коллектора 34 через патрубок 36.

Камера смешения 26 начинается в сверхзвуковой части сопла Лаваля 25, и представляет собой первую ступень камеры смешения и первую ступень эжектора. В первой ступени продукты сгорания, истекающие из сопла Лаваля 25, смешиваются с паром, поступающим из парового котла 17, через сверхзвуковое сопло 23. Для обеспечения транспортировки смеси пара и продуктов сгорания в камере смешения 26 и повышения полного давления по отношению к давлению продуктов сгорания в камере сгорания 3 за первой ступенью предусмотрена вторая ступень с эжектирующими соплами 29, расположенными по окружности и направленными в сторону выхода из камеры смешения. Рабочим телом эжектирующих сопел 29 является теплоноситель (вода) из водяного котла 32, поступающий к указанным соплам через кольцевой коллектор 34. Для интенсификации процессов тепломассообмена вторая ступень может быть снабжена коническим участком 28, в котором происходит процесс получения теплоносителя с требуемыми потребителю показателями, либо парогазовая смесь, становясь однородной, приобретает физические параметры, близкие к условиям конденсации.

При необходимости для точного доведения параметров теплоносителя до требуемого потребителю уровня предусмотрена третья ступень эжектирования и соответственно третья ступень камеры смешения 30 с рядом эжектирующих сопел 31, расположенных по окружности и питаемых холодной водой из кольцевого коллектора 38 с патрубком 37 подвода воды. Подготовленный таким образом теплоноситель может непосредственно применяться для хозяйственных нужд, например отопления, или использоваться как промежуточный теплоноситель, или в качестве рабочего тела для паровых турбин, двигателей, средств очистки железнодорожных путей, автомобильных дорог и т.д.

Съемная ступень 30 и съемный конический участок 28 второй ступени позволяют потребителю на одном и том же оборудовании получать тот теплоноситель, который ему необходим в данных конкретных условиях: парогазовоздушную смесь с заданными показателями по температуре, давлению и составу, горячую воду с растворенными в ней продуктами сгорания. Это достигается путем демонтажа третьей ступени 30 и (или) конического участка 28 второй ступени.

При этом имеется возможность получать горячую воду и (или) пар из водяного котла с химическим составом исходной воды.

Непосредственное участие продуктов сгорания в процессах передачи тепловой энергии потребителю за счет увеличения общей массы теплоносителя позволяет при одной и той же выходной тепловой мощности уменьшить потребление газа и воздуха примерно на 20%.

Предлагаемый теплопарогенератор универсален и имеет малые габариты и вес при высокой энергетической отдаче.

Изобретение предназначено для получения одного теплоносителя или нескольких теплоносителей одновременно и может быть использовано в теплоэнергетике. Устройство имеет корпус с установленными в нем коаксиально и последовательно камерой сгорания с огневым днищем и патрубками подвода горючего газа и воздуха, камерой смешения с отверстиями для впрыскивания пара или воды, с образованием между корпусом и камерами сгорания и смешения кольцевого пространства, в котором расположен водяной котел с кольцевыми коллекторами и с патрубками подвода питательной воды и отбора теплоносителя. Патрубки подвода горючего газа и воздуха выходят в камеру подготовки горючей смеси, а камера сгорания выполнена вихревой с тангенциальной подачей горючей смеси и соплом Лаваля на выходе. На огневом днище соосно камере сгорания установлен цилиндрический паровой котел с устройством подачи питательной воды и сверхзвуковым соплом на выходе, причем срез сопла расположен за минимальным сечением сопла Лаваля. Устройство подачи питательной воды в паровой котел выполнено центробежным с обратным клапаном-регулятором на входе. Вода или пар впрыскиваются в камеру смешения через эжектирующие сопла. Изобретение обеспечивает уменьшение габаритов и массы, расширение и упрощение процессов регулирования теплоносителя. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Теплопарогенератор, включающий корпус с установленными в нем коаксиально и последовательно камерой сгорания с огневым днищем и патрубками подвода горючего газа и воздуха, камерой смешения с отверстиями для впрыскивания пара или воды, с образованием между корпусом и камерами сгорания и смешения кольцевого пространства, в котором расположен водяной котел с кольцевыми коллекторами и с патрубками подвода питательной воды и отбора теплоносителя, отличающийся тем, что патрубки подвода горючего газа и воздуха выходят в камеру подготовки горючей смеси, а камера сгорания выполнена вихревой с тангенциальной подачей горючей смеси и соплом Лаваля на выходе, а на огневом днище соосно камере сгорания установлен цилиндрический паровой котел с устройством подачи питательной воды и сверхзвуковым соплом на выходе, причем срез сопла расположен за минимальным сечением сопла Лаваля.2. Теплопарогенератор по п.1, отличающийся тем, что устройство подачи питательной воды в паровой котел выполнено центробежным с обратным клапаном-регулятором на входе.3. Теплопарогенератор по п.2, отличающийся тем, что устройство подачи питательной воды выполнено в виде центробежной форсунки.4. Теплопарогенератор по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что отверстия для впрыскивания пара или воды в камеру смешения выполнены в виде эжектирующих сопел и направлены в сторону выхода из камеры смешения.5. Теплопарогенератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что камера смешения имеет несколько ступеней подвода пара или воды, распределенных по ее длине.6. Теплопарогенератор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что камера смешения и подготовки горючей смеси имеют конические участки, сужающиеся к выходу с углом конусности 10-15°.7. Теплопарогенератор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что камера смешения разделена на кольцевые съемные ступени.