Конденсационный теплоутилизатор Российский патент 2020 года по МПК F22B1/18 

КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР

Изобретение относится к области энергосбережения и может использоваться в теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности с топливо-использующими энергоустановками для утилизации тепла и мокрой очистки уходящих дымовых газов (ДГ) путем глубокого охлаждения, с конденсацией из них паров влаги и регенерацией этого тепла.

Известен (патент РФ №2449224) конденсационный теплоутилизатор (КТ), установленный за газовым котлом (энергоустановкой) в цилиндрической части коаксиального дымохода. КТ выполнен в виде противоточного теплообменника, спирально-закрученной трубы с холодной водой. КТ регенерирует тепло охлаждения и конденсации паров влаги из ДГ. Теплоутилизатор является орошаемым, с естественным орошением – поверхность нагрева смачивается выпадающим конденсатом из паров влаги ДГ, причем капли конденсата поглощают тепло, пыль и оксиды, что позволяет повысить и экологические характеристики, и несколько поднять экономичность энергоустановок.

Недостатками этого КТ является его низкая эффективность.

- Для восприятия теплоты конденсации водяных паров нужна холодная вода с температурой не выше 35-50°С, температуры точки росы ДГ. Обратная сетевая вода типично имеет температуру 60-70°С, и поэтому КТ неэффективен. Он эффективен только при нагреве холодной воды, например, воды для горячего водоснабжения или при использовании сложных систем отопления типа «тёплый пол».

- В теплообменниках КТ не используются трубы с оребрением и/или калориферы, повышающие эффективность его работы.

- ДГ насыщены мелкими каплями конденсата, которые являются коррозионно-активными, поэтому в конструкции дымоходов и дымовой трубы требуются коррозионностойкие материалы и специальное оборудование, конденсатоотводчики и др.

Известен наиболее близкий по технической сущности КТ (патент РФ № 2659644), который имеет орошаемые конденсатом, подаваемым через оросители, теплообменники: воздухоподогреватель испарительного типа и утилизационный теплообменник конденсационного типа. Эти теплообменники контактные (заполненные насадкой) подключены между собой водопроводами подачи и циркуляции конденсата с блоком обработки конденсата, где конденсат очищается и отводится для дальнейшего использования. На выходе из этих теплообменников установлены каплеуловители и поверхностные подогреватели выходящей среды, влажного воздуха и влажных уходящих ДГ, что устраняет коррозионную активность этих сред. Поверхностные подогреватели обогреваются горячим теплоносителем.

Тепло, выделяющееся при охлаждении ДГ в утилизационном конденсационном теплообменнике, переносится в схеме КТ циркулирующим конденсатом, причем конденсат используется для увлажнения воздуха и орошения, с созданием дополнительной поверхности контакта сред и как теплоноситель. Сначала нагретый конденсат передает тепло в водоводяном теплообменнике к обратной сетевой воде, поступающей после дальнейшего подогрева в котле к потребителю тепла, затем с орошением в воздухоподогревателе к воздуху, идущему на горение в котел, и затем охлажденный конденсат охлаждает ДГ, утилизируя низкопотенциальную теплоту выхлопа. КТ подключен к горелке котла по воздуху, по ДГ к выхлопу котла, и водопроводами циркуляции конденсата и водо-водяной теплообменник к потребителю тепла.

Недостатками прототипа является низкая эффективность КТ:

- Для восприятия теплоты конденсации водяных паров нужна холодная вода с температурой ниже температуры точки росы ДГ. Обратная сетевая вода типично имеет температуру не ниже 60-70°С, и поэтому теплоутилизатор при подключении к типовой теплосети неэффективен.

- Тепло в этом КТ предается сетевой воде неэффективным косвенным способом, циркулирующим конденсатом через водоводяной теплообменник, коме того, в КТ не используются калориферы и/или трубы с оребрением, повышающие эффективность его работы.

Цель изобретения состоит в утилизации низкопотенциальной теплоты уходящих ДГ, с передачей её сетевой воде, и в повышении эффективности работы КТ.

Рассматривая проблему утилизации тепла выхлопа влажных ДГ, доля которого особенно значительна в газовых котлах, около 10-20% от общего тепловыделения, следует указать, что это тепло с низким потенциалом в таком объёме может быть воспринято только в тепловой сети. Обратная сетевая вода типично имеет температуру выше точки росы и технический эффект, необходимый для решения поставленной технической задачи, заключается в предварительном её охлаждении.

Охлаждение ДГ возможно за счет подогрева воздуха, поступающего в котел для горения, причем увлажняемого, с большим подводом тепла, которое идет на испарение влаги в воздух, а также и за счет подогрева других, более холодных потоков, имеющихся в КТ. Охлаждение ДГ при утилизации тепла с низким потенциалом охлажденной сетевой водой сопровождается естественным орошением поверхности нагрева (патент РФ №2449224) и может быть усилено дополнительным орошением как за счет подачи холодного конденсата, так и развития поверхности контакта. При этом более эффективной является прямая передача тепла к обратной сетевой воде через стенку поверхности теплообмена, которая дополнительно для повышения эффективности может быть развита, выполнена из калориферов и/или оснащены оребрением.

Поставленная цель достигается тем, что в КТ, который включает в себя орошаемые конденсатом, подаваемым через оросители и имеющие на выходе каплеуловители и поверхностные подогреватели выходящей среды утилизационный теплообменник конденсационного типа, подключенный к выхлопу котла, и воздухоподогреватель испарительного типа, установленный перед горелкой котла в тракте подачи дутья, связанные между собой водопроводами подачи и циркуляции конденсата с блоком обработки конденсата, согласно изобретению предлагается перед оросителем воздухоподогревателя установить водоводяной подогреватель конденсата, а воздухоподогреватель и утилизационный теплообменник выполнить с противоточно включенными, орошаемыми поверхностями теплообмена и образовать из этих элементов тракт подачи сетевой воды в котёл, включающий патрубок подвода обратной воды, водоводяной подогреватель конденсата, поверхности теплообмена воздухоподогревателя и утилизационного теплообменника и котёл.

При этом обратная сетевая вода, поступающая из теплосети, может иметь температуру большую, чем температура точки росы ДГ. Сначала она охлаждается в водоводяном подогревателе конденсата и в воздухоподогревателе испарительного типа, нагревая в них соответственно орошающий воздух, конденсат и увлажняемый воздух, причем с большим отводом тепла на испарение конденсата в поток воздуха. Далее холодная вода с температурой ниже температуры точки росы ДГ нагревается, утилизируя низкопотенциальное тепло конденсации паров влаги и охлаждения ДГ в утилизационном теплообменнике конденсационного типа с выделением из ДГ конденсата, при прямом нагреве сетевой воды от ДГ через стенку поверхности нагрева утилизационного теплообменника. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает эффективную утилизацию низкопотенциальной теплоты из уходящих ДГ с передачей её сетевой воде.

После КТ сетевая вода подогревается до нужной температуры в котле (в общем случае в энергоустановке) и подается потребителю. Теплоутилизатор может иметь естественное орошение, его поверхность нагрева смачивается выпадающим из ДГ паров влаги конденсатом или иметь дополнительное орошение с дополнительной передачей тепла конденсатом через оросители.

В дополнительном п.2 предлагается в тракт подачи сетевой воды в котёл между патрубком подвода обратной воды и водоводяным подогревателем конденсата дополнительно включить поверхностный подогреватель ДГ и поверхностный подогреватель воздуха. Это обеспечит не только добавочное повышение эффективности КТ за счет охлаждения сетевой воды более холодными влажными потоками уходящих ДГ и воздуха в поверхностных подогревателях ДГ и воздуха, но и испарение из них капель конденсата, что устраняет коррозионную активность этих сред по тракту их подачи. Например, это важно при реконструкции котла с установкой КТ, так как при подогреве капли испаряются, и не потребуется заменять дымоходы, дымосос, дымовую трубу и другие элементы установки на коррозионно-устойчивые.

В дополнительном п.3 предлагается параллельно тракту подачи сетевой воды в котёл между патрубком подвода обратной воды и котлом установить байпас. Это позволит уменьшать расход сетевой воды, проходящей по теплообменникам в тракте подачи сетевой воды, повышая глубину её охлаждения. В итоге это дает возможность установить, например, регулируя задвижкой, наиболее эффективный, оптимальный режим работы КТ.

В дополнительном п.4 предлагается на выходе из воздухоподогревателя установить патрубок отвода подогретого воздуха в систему вентиляции. При этом увлажняется и нагревается не только воздух горения, но и вентиляционный воздух, что увеличивает расход воздуха, теплосьём, глубину как охлаждения сетевой воды в воздухоподогревателе, так и рекуперации тепла из ДГ, и эффективность работы КТ с обеспечением вентиляции помещений.

В дополнительном п.5 предлагается параллельно утилизационному теплообменнику по потоку ДГ установить байпас ДГ. Это снижает расход ДГ и глубину их охлаждения в ДГ. Далее за КТ горячие и охлажденные ДГ смешиваются с поддержанием температуры потока выше температуры точки росы. В итоге это дает простую защиту от коррозионной активности ДГ при эффективной работе КТ.

В дополнительном п.6 предлагается на входе в воздухоподогреватель и на выходе из утилизационного теплообменника установить холодные теплообменники поверхностного типа, включенные в контур циркуляции антифриза. Это защищает КТ от размораживания и повышает эффективность работы КТ за счет увеличения температурного напора путем использования пониженных и отрицательных температур в контуре циркуляции антифриза.

В дополнительном п.7 предлагается воздухоподогреватель выполнить с двумя ступенями нагрева и расположить в U – образном канале воздуха, причем установить его вторую, по воздуху, ступень на восходящей стороне, и выполнить её в виде пенного аппарата с пучком охлаждающих сетевую воду труб, расположенных над воздухораспределительной решеткой. Это повышает эффективность работы КТ за счет увеличения интенсивности теплообмена в пенном слое.

В дополнительном п.8 предлагается утилизационный теплообменник выполнить в виде опускного канала ДГ с включенными по противоточной схеме и последовательно расположенными орошаемыми поверхностными нагревателями обратной сетевой воды, воды ГВС и антифриза. Поверхностные нагреватели по ходу опускающихся потоков ДГ и орошающего конденсата расположены в порядке убывания в них температуры, и они эффективно воспринимают тепло из ДГ при максимальном температурном напоре.

В дополнительном п.9 предлагается по меньшей мере в части из теплообменников поверхностного типа использовать в качестве теплообменников калориферы и/или трубы с оребрением. При этом увеличенная за счёт оребрения поверхность теплообмена повышает эффективность работы КТ.

В дополнительном п.10 предлагается используемые в утилизационном теплообменнике и воздухоподогревателе поверхности нагрева, каплеуловители и другие элементы, контактирующие с коррозионно-активной средой, включая байпас ДГ, выполнить из коррозионно-стойких материалов. При этом эффективность КТ увеличивается за счет повышения его надежности.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены два примера технологической схемы КТ, действующего в составе водогрейного газового котла или энергоустановки, далее котла.

КТ используется в составе котла 1 и имеет основной нагреватель 2 сетевой воды в виде топочных экранов и котельных пучков, или это, например, охладитель 2 теплонапряженных элементов энергоустановки, подключенный выходом к патрубку 3 прямой сетевой воды. Котел 1 также имеет горелку 4, воздухозаборник 5 и выхлопной патрубок 6. Собственно КТ содержит расположенный между воздухозаборником 5 и горелкой 4 воздухоподогреватель 7 испарительного типа, а также подключенный к выхлопному патрубку 6 и дымовой трубе 8 утилизационный теплообменник 9 конденсационного типа, которые связаны между собой и с блоком 10 обработки конденсата водопроводами 11 подачи и циркуляции конденсата с насосом 12.

Воздухоподогреватель 7 имеет включенные противоточно потоку воздуха поверхностные теплообменники: предвключенный теплообменник 13 и теплообменник 14 испарительно-орошаемого типа с оросителем 15. Через каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 18 подогрева влажного воздуха своим выходом воздухоподогреватель 7 подсоединен к горелке 4. С другой стороны за воздухозаборником 5 может быть установлен холодный теплообменник 19.

Холодный 19 и предвключенный 13 теплообменники - вспомогательные, они эффективны в холодном климате, в общем случае могут не устанавливаться. Конструктивно воздухоподогреватель 7 может располагаться в вертикальном канале, фиг.1, или в U – образном канале 20, фиг.2. Во втором случае поверхностный теплообменник 14 испарительно-орошаемого типа устанавливается в пенном аппарате 21, который имеет воздухораспределительную решетку 22 и сливной канал 23, устанавливающий уровень заполнения пенного аппарата 21.

Утилизационный теплообменник 9 содержит группу поверхностных теплообменников. Это конденсаторы 24, 25 и 26, расположенные в порядке убывания температуры среды, соответственно: сетевой воды, воды ГВС и антифриза, фиг.1. Утилизационный теплообменник 9 подключен через каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 27 подогрева влажного выхлопа к дымовой трубе 8. Он также может выполняться как орошаемый поверхностный нагреватель, располагаемый в опускном канале ДГ, фиг.2, или в виде пенного аппарата типа 21 в подъёмном канале ДГ.

В КТ по потоку обратной сетевой воды параллельно воздухоподогревателю и утилизационному теплообменнику установлен байпас 28 обратной сетевой воды, а параллельно утилизационному теплообменнику по потоку ДГ байпас 29 ДГ с камерой смешения 30 ДГ.

Подводящий патрубок 31 обратной сетевой воды с помощью водопровода 32 последовательно подключается к калориферу 27 подогрева влажного выхлопа, к калориферу 18 подогрева влажного воздуха, к водо-водяному подогревателю 33 орошающего конденсата, к поверхностному теплообменнику 14 испарительно-орошаемого типа и к поверхностному предвключенному теплообменнику 13 воздухоподогревателя 9. Далее воздухоподогреватель 9 соединяется водопроводом 34 охлажденной сетевой воды с конденсатором 24 с сетевой водой и через основной нагреватель 2 с патрубком 3 прямой сетевой воды. Перечисленные элементы 27, 18, 33, 14, 13 и 24 обеспечивают утилизацию тепла низкого потенциала и совместно с водопроводами 32 и 34 образуют тракт подачи сетевой воды от подводящего патрубка 31 в котел 1.

При высокой температуре входящих ДГ в выхлопном патрубке 6 может устанавливаться дополнительный нагреватель 35 сетевой воды, фиг.2. Установленные на входе в воздухоподогреватель 7 и на выходе из утилизационного теплообменника 9 теплообменники 19 и 26 включены в контур циркуляции 36 антифриза с насосом 37. На выходе воздухоподогревателя может быть установлен патрубок 38 подачи избыточного подогретого воздуха в приточную вентиляцию, а в байпасе 28 обратной сетевой воды и байпасе 29 ДГ могут быть установлены соответственно регулирующие расходы потоков устройства: задвижка 39 и шибер 40.

Предлагаемое разнообразие исполнения воздухоподогревателя 7, утилизационного теплообменника 9 и составляющих их элементов расширяет диапазон применимости КТ и обеспечивает конкретизацию его конструкции с выбором наиболее оптимального варианта, что дополнительно повышает его эффективность.

При работе котла 1 горячая сетевая вода из основного нагревателя 2 сетевой воды поступает через патрубок 3 прямой сетевой воды и теплотрассу к потребителю. При этом утилизируемое тепло выделяется в котле 1 за счет сжигания топлива, например, газа, подаваемого в горелку 4 совместно с воздухом, который поступает из воздухозаборника 5, а через выхлопной патрубок 6 в КТ идут отработанные ДГ.

Воздух зимой с температурой до -40°С и ниже поступает в воздухоподогреватель 7. Здесь он нагревается и увлажняется во включенных противоточно потоку воздуха поверхностных теплообменниках, сначала в теплообменнике 19 антифризом, причем без его размерзания и обледенения. Далее воздух нагревается обратной сетевой водой в предвключенном теплообменнике 13 и затем в испарительно-орошаемом теплообменнике 14 второй ступени с оросителем 15, причем с сопутствующим его увлажнением при орошении его конденсатом, подогретым в водо-водяном подогревателе 33. Затем, проходя каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 18, влажный воздух подогревается, становится сухим и безопасным по условию коррозии, идет в горелку 4 по типовым воздуховодам без опасности коррозии и скопления в них конденсата. Часть подогретого и увлажненного воздуха через патрубок 38 подается в приточную вентиляцию помещений с дополнительным отводом тепла, и это усиливает охлаждение и эффективность КТ.

При использовании испарительно-орошаемого теплообменника 14, расположенного в U – образном канале 20, в пенном аппарате 21, фиг.2, работа идет аналогично, но обеспечивается более эффективный контакт воздуха с нагреваемой поверхностью и конденсатом, который подаётся через ороситель 15. Пенный слой поддерживается воздухораспределительной решеткой 22 с высотой, которая устанавливается уровнем отверстия слива жидкости в сливной канал 23. Сам пенный слой создается за счет прохода воздуха через конденсат в виде всплывающих пузырьков.

Подогрев и увлажнение воздуха осуществляется теплом обратной сетевой воды с передачей ему энергии, и эта тепловая энергия суммируется с теплотой сгорания топлива. Обратная сетевая вода, по меньшей мере часть её потока, поступает через подводящий патрубок 31 обратной сетевой воды, последовательно проходит по водопроводу 32 и охлаждается, подогревая и осушая в калорифере 27 перед дымовой трубой 8 влажный выхлоп ДГ, в калорифере 18 влажный воздух, а также нагревая в водо-водяном подогревателе 33 конденсат. Окончательно охлаждение обратной сетевой воды происходит в поверхностных теплообменниках второй ступени 14 и предвключенном теплообменнике 13, и далее по водопроводу 34 охлажденной сетевой воды она поступает в утилизационный теплообменник 9.

Некоторая часть обратной сетевой воды проходит сразу в основной нагреватель 2 по байпасу 28 параллельно воздухоподогревателю и утилизационному теплообменнику, и это позволяет оптимизировать работу КТ с помощью задвижки 39 за счет оптимальной глубины охлаждения обратной сетевой воды в воздухоподогревателе в зависимости от погодных условий.

В утилизационном теплообменнике 9 рекуперируется тепловая энергия выхлопа ДГ, поступающих из котла 1, с передачей её в поверхностных теплообменниках, конденсаторах 24, 25 и 26 соответственно к сетевой воде, воде ГВС и антифризу, а при высокой температуре ДГ и в дополнительном нагревателе 35 сетевой воды. При этом в теплообменник 26, который включен в контур циркуляции 36 антифриза с насосом 37, может подаваться антифриз с отрицательной температурой. Работа утилизационного теплообменника 9 с поверхностными теплообменниками 24, 25, 26 и 35 по фиг.1 или фиг.2 мало отличается, но в случае подачи конденсата через оросители 15 используется теплота его нагрева и обеспечивается более эффективный контакт с ДГ.

Подача из воздухоподогревателя 7 охлажденной ниже температуры точки росы обратной сетевой воды, холодной воды ГВС и холодного, возможно с отрицательной температурой антифриза в утилизационном теплообменнике 9 обеспечивает глубокую утилизацию тепла с конденсацией паров влаги. При этом тепло сначала воспринимается обратной сетевой водой в теплообменнике 24.

Далее ДГ проходят каплеуловитель 16 со сборником конденсата 17 и калорифер 27, подогреваются, становятся сухими и безопасными по условию коррозии. Осушение и подогрев влажных ДГ после каплеуловителя 16 можно обеспечить и без калорифера 27, регулируемой шибером 40 подачей 10-20% ДГ по байпасу 29 ДГ. Потоки ДГ смешиваются в камере смешения 30 и сухие ДГ сбрасываются по типовым дымоходам и типовой дымовой трубе 8 без опасности коррозии и скопления в них конденсата. Конденсат очищается и собирается в блоке 10 обработки конденсата и в необходимом количестве подается в КТ насосом 12 по водопроводам 11.

Изобретение относится к области энергосбережения и может использоваться в теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности с топливо-использующими энергоустановками для утилизации тепла и мокрой очистки уходящих дымовых газов (ДГ) путем охлаждения, с конденсацией из них паров влаги и регенерацией этого тепла. Энергоустановка 1 подключена выходом к патрубку 3 прямой сетевой воды, имеет охладитель 2 теплонапряженных элементов, горелку 4, воздухозаборник 5 и выхлопной патрубок 6. Теплоутилизатор содержит воздухоподогреватель 7 испарительного типа, выполненный в виде U-образного канала 20, и утилизационный теплообменник 9 конденсационного типа, подключенный к выхлопному патрубку 6 и дымовой трубе 8. Теплоутилизатор имеет водопроводы 11 подачи и циркуляции конденсата с насосом 12, блоком 10 обработки конденсата, теплообменники 19, 26 с контуром 36 циркуляции антифриза и насосом 37, а также теплообменники или калориферы 13, 14, 18, 24, 27 и 33, включенные в тракт подачи обратной сетевой воды 31 водопроводами 32 и 34 с байпасом 28. Также имеется байпас 29 дымовых газов с камерой смешения 30, подключенной к дымовой трубе 8. Технический результат - утилизация низкопотенциальной теплоты уходящих ДГ, с передачей её сетевой воде, и повышение эффективности работы КТ. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Конденсационный теплоутилизатор, включающий орошаемые конденсатом, подаваемым через оросители, имеющие на выходе каплеуловители и поверхностные подогреватели выходящей среды, утилизационный теплообменник конденсационного типа, подключенный к выхлопу котла, и воздухоподогреватель испарительного типа, установленный перед горелкой котла в тракте подачи дутья, связанные между собой водопроводами подачи и циркуляции конденсата с блоком обработки конденсата, отличающийся тем, что перед оросителем воздухоподогревателя установлен водоводяной подогреватель конденсата, а воздухоподогреватель и утилизационный теплообменник выполнены с противоточно включенными, орошаемыми поверхностями теплообмена, причем эти элементы образуют тракт подачи сетевой воды в котёл: патрубок подвода обратной воды, водоводяной подогреватель конденсата, поверхности теплообмена воздухоподогревателя и утилизационного теплообменника, котёл.

2. Конденсационный теплоутилизатор по п.1, отличающийся тем, что в тракт подачи сетевой воды в котёл между патрубком подвода обратной воды и водоводяным подогревателем конденсата включены поверхностный подогреватель дымовых газов и поверхностный подогреватель воздуха.

3. Конденсационный теплоутилизатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что параллельно тракту подачи сетевой воды в котёл между патрубком подвода обратной воды и котлом установлен байпас.

4. Конденсационный теплоутилизатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на выходе из воздухоподогревателя имеется патрубок отвода подогретого воздуха в систему вентиляции.

5. Конденсационный теплоутилизатор по п.1 отличающийся тем, что параллельно утилизационному теплообменнику по потоку дымовых газов установлен байпас дымовых газов.

6. Конденсационный теплоутилизатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на входе в воздухоподогреватель и на выходе из утилизационного теплообменника установлены холодные теплообменники поверхностного типа, включенные в контур циркуляции антифриза.

7. Конденсационный теплоутилизатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что воздухоподогреватель выполнен с двумя ступенями нагрева и расположен в U–образном канале воздуха, причем его вторая по воздуху ступень установлена на восходящей стороне и выполнена в виде пенного аппарата с пучком охлаждающих сетевую воду труб, расположенных над воздухораспределительной решеткой.

8. Конденсационный теплоутилизатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что утилизационный теплообменник выполнен в виде опускного канала дымовых газов с включенными по противоточной схеме и последовательно расположенными орошаемыми поверхностными нагревателями обратной сетевой воды, воды ГВС и антифриза.

9. Конденсационный теплоутилизатор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в качестве теплообменников, по меньшей мере части из теплообменников поверхностного типа, используются калориферы и/или трубы с оребрением.

10. Конденсационный теплоутилизатор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что используемые в утилизационном теплообменнике и воздухоподогревателе поверхности нагрева, каплеуловители и другие элементы, контактирующие с коррозионно-активной средой, включая байпас дымовых газов, выполнены из коррозионно-стойких материалов.