Установка для рекуперации тепла нагревательного котла Российский патент 2023 года по МПК F22B1/18 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к энергосберегающим технологиям для отбора тепла выходящих дымовых газов нагревательного котла и нагрева газа, подающегося в горелку этого котла.

Известна котельная установка (патент RU № 2392037, МПК F22B 33/18, опубл. 27.02.2010, Бюл. № 6), содержащая котел с топкой, в которой размещены горелки, соединенные воздушным трактом с воздухонагревателем и топливным трактом - с узлом приготовления топлива, отводящий газоход с размещенным в нем контактным теплообменником, подогреватель топлива и теплообменник внешних потребителей, причем контактный теплообменник отводящим трактом нагретой воды соединен с воздухонагревателем, подогревателем топлива и теплообменником внешних потребителей, выходные тракты которых по охлажденной воде соединены общей отводящей линией со входом в контактный теплообменник и с узлом приготовления топлива.

Недостатком данной установки является сложность изготовления горелки, так как необходимо оснащение теплообменниками (подогревателями) воздушный тракт и топливный тракт одновременно, при этом сужается область применения, так как невозможно использовать высокотемпературные теплоносители (с температурой более 150–200°С) из-за возможности инициации воспламенения в самом подогревателе, при этом отсутствует контроль за температурой промежуточного теплоносителя на выходе из теплообменника, находящегося в системе отбора дымовых газов из котла, что может привести к снижению температуры в этой системе ниже «точки росы» (образованию конденсата и, как следствие, химически агрессивной угольной кислоты) и/или повышению температуры промежуточного теплоносителя выше «точки кипения», что с большой вероятностью выведет из строя всю установку рекуперации тепла.

Наиболее близкой по технической сущности является система рекуперации теплового котла (патент на ПМ RU № 115449, МПК F24D 19/00, опубл. 27.04.2012, Бюл. № 12), состоящая из топочной камеры с горелкой и теплообменником, дымоотвода с теплообменником и вентилятора первичного воздуха, причем система рекуперации снабжена дополнительным теплообменником, который размещен перед вентилятором первичного воздуха и соединен посредством трубопровода с теплообменником дымоотвода, образуя при этом систему циркуляции теплоносителя в виде замкнутого контура и оснащенную циркуляционным насосом.

Недостатком этой системы является отсутствие контроля за температурой промежуточного теплоносителя на выходе из теплообменника, находящегося в дымоходе, что может привести к снижению температуры в этой системе ниже «точки росы» (образованию конденсата и, как следствие, химически агрессивной угольной кислоты, разрушающей дымоход) и/или повышению температуры промежуточного теплоносителя выше «точки кипения», что с большой вероятностью выведет из строя всю установку рекуперации тепла.

Технической задачей предполагаемого изобретения является защита от быстрого выхода из строя дымохода под действием угольной кислоты при снижении температур ниже «точки росы» и разрушения установки рекуперации под действием высокого давления внутри при повышении температуры теплоносителя выше «точки кипения» за счет контроля за температурой промежуточного теплоносителя на выходе из теплообменника, находящегося в дымоходе, и регулирования производительности циркуляционного насоса.

Техническая задача решается установкой для рекуперации тепла нагревательного котла, включающей котел с дымоходом, топочной камерой и горелкой с системой подачи топлива и воздуха, оснащенного вентилятором, основной теплообменник, установленный в дымоходе, и дополнительный теплообменник, размещенный после вентилятора первичного воздуха и соединенный посредством трубопровода с основным теплообменником, образуя при этом систему циркуляции промежуточного теплоносителя в виде замкнутого контура, оснащенного циркуляционным насосом.

Новым является то, что основной теплообменник изготовлен из условия поддержания температуры в дымоходе не ниже «точки росы» при работающем котле и оснащен на выходе из дымохода датчиком температуры, а циркуляционный насос применен регулируемый и дополнительно оснащен блоком управления, считывающим показания датчика температуры промежуточного теплоносителя для регулировки производительности насоса для исключения повышения температуры промежуточного теплоносителя выше температуры его кипения и снижения температуры в дымоходе ниже «точки росы», причем включение насоса происходит при достижении «точки росы» температурой промежуточного теплоносителя.

На чертеже изображена схема установки.

Установка для рекуперации тепла нагревательного котла 1 включает котел 1 с дымоходом 2, топочной камерой (не показана) и горелкой 3 с системой подачи топлива 4 и воздуха 5, оснащенного вентилятором 6, основной теплообменник 7, установленный в дымоходе 2, и дополнительный теплообменник 8, размещенный перед вентилятором 6 первичного воздуха и соединенный посредством трубопровода 9 с основным теплообменником 7, образуя при этом систему циркуляции промежуточного теплоносителя в виде замкнутого контура, оснащенного циркуляционным насосом 10. Основной теплообменник 7 изготовлен из условия поддержания температуры в дымоходе 2 не ниже «точки росы» при работающем котле 1 и оснащен на выходе из дымохода 2 датчиком температуры 11. Циркуляционный насос 10 применен регулируемый и дополнительно оснащен блоком управления 12, считывающим показания с датчика температуры 11 для регулировки производительности насоса 10 для исключения повышения температуры промежуточного теплоносителя выше температуры его кипения. Трубопровод 9 оснащают расширительным баком 13 для нивелирования расширения или уменьшения промежуточного теплоносителя из-за перепадов температур в трубопроводе 9 и/или испарения самого теплоносителя (авторы на это не претендуют, так как это известно из открытых источников для замкнутого контура).

В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать, например:

воду (плотность ρ≈1000 кг/м³, удельная теплоемкость с_р=4,2 кДж/(кг•°К), температура замерзания t_з=0°С, температура кипения t_к=100°С);

антифриз, например, G11 (плотность ρ≈1071 кг/м³, удельная теплоемкость с_р=3,6 кДж/(кг•°К), температура замерзания (кристализации) t_з=-35°С, температура кипения t_к=130°С);

высокотемпературный теплоноситель, например, Therminol-59 (плотность ρ≈878 кг/м³, удельная теплоемкость с_р=2,1 кДж/(кг•°К), температура замерзания t_з=-50°С, температура кипения t_к=320°С).

Как видно, для закрытых теплоизолированных помещений возможно использование в качестве промежуточного теплоносителя подготовленной (умягченной) пресной воды (срок службы до замены не более 2 лет), для умеренного климатического пояса – антифриза (срок службы – 5 лет), а для промышленных (производственных) мощных установок, работающих в районах крайнего Севера и в условиях больших перепадов температур, – высокотемпературного теплоносителя (срок службы – 10 и более лет).

Можно использовать в качестве промежуточного теплоносителя любые жидкие известные теплоносители.

Для расчета основного теплообменника используют формулу:

где Q - размер теплового потока, Вт;

F - площадь рабочей поверхности теплообменника, м²;

k - коэффициент передачи тепла материала теплообменника – коэффициент теплопередачи (берется из справочной литературы), Вт/(м²•°К);

Δt - температурный напор, то есть модуль разницы между температурами носителя (дымовых газов) на выходе (t₂) в аппарат и на входе(t₁) из него, °К или °С.

В качестве входной температуры для берется температура дымовых газов на выходе из котла 1, например, для нагревательного котла 1 – печи ПТБ-5-40Э №4 на УПВСН-1 «Андреевка» НГДУ «Нурлатнефть» она составила t₁=350°С (≈623°К), а для выходной температуры – температура выше «точки росы», например, для этой же печи она должна быть выше 52°С (≈325°К), для гарантированного обеспечения данных параметров и в зимнее время при нормально работающем (в пределах паспортных данных) котле 1 приняли t₂=120°С (≈493°К), то есть Δt=230°С. С учетом коэффициента теплопередачи нержавеющей стали толщиной 10 мм k=56,7 Вт/(м²•°К) и средней тепловой мощностью уходящих газов Q=490 кВт (≈9% от средней мощности печи) печи ПТБ-5-40Э №4.

Получили формулу (2) из формулы (1):

Из которой определили площадь рабочей поверхности основного теплообменника 7:

F = 490000/ (56,7‧230) =37,6 м³

Исходя из полученных данных по паспортным данным производителей подобрали основной теплообменник 7.

Для подбора необходимого циркуляционного насоса 10 применили уравнение теплового баланса теплообменника:

где Q - размер теплового потока, Вт;

G₁ - расход массы греющего носителя (дымовых газов), кг/ч;

G₂ - расход массы нагреваемого носителя (промежуточного теплоносителя), кг/ч;

c_p1 - удельная теплоемкость дымовых газов, кДж/кг•°С;

c_p2 - удельная теплоемкость промежуточного теплоносителя, кДж/кг•°С;

t₁^вх - температура дымовых газов на входе в основной теплообменник, °С;

t₁^вых - температура дымовых газов на входе из основного теплообменника, °С;

t₂^вых - температура промежуточного теплоносителя на выходе из основного теплообменника, °С;

t₂^вх - температура промежуточного теплоносителя на входе в основной теплообменник, °С.

Зная размер теплового потока, из формулы (3) получили для расхода массы промежуточного теплоносителя определения формулу (4):

t₂^вых =90°С – для воды приняли температуру на 10% ниже температуры кипения, а t₂^вх =20°С - приняли комнатную температуру.

То есть:

G₂ = 490000 / (4200 (90-20))=1,6 кг/ч

Для получения объемной производительности циркуляционного насоса 10 применяем формулу (5):

где G_2v – объемная производительности циркуляционного насоса 10, м³/ч;

G₂ – расход массы нагреваемого носителя (промежуточного теплоносителя), кг/ч;

ρ – плотность промежуточного теплоносителя, кг/м³.

Для воды в качестве промежуточного теплоносителя G_2v=1,6•10^-3 м³/ч.

Для остальных типов теплоносителей расчеты проводят аналогичным способом.

Зная производительность циркуляционного насоса 10 обратными расчетами по формулам (5) (4) и (2) определяют параметры (площадь рабочей поверхности) дополнительного теплообменника 8, который по паспортным данным подбирают для системы подачи воздуха 5 в горелку 3. Оптимальной температурой для поддержания горения является 60-70°С (выявили эмпирическим путем), исходя из чего подбирают вентилятор 6 для системы подачи воздуха 5.

Установка для рекуперации тепла нагревательного котла работает следующим образом.

После установки выбранных основного 7 и дополнительного 8 теплообменников в дымоход 2 и систему подачи воздуха 5 после вентилятора 6 соответственно, теплообменники 7 и 8 соединяют трубопроводом 9 с оснащением выбранным регулируемым циркуляционным насосом 10 (например, с частотно-регулируемым приводом – не показан) и получением замкнутого контура. Трубопровод 9 на выходе из основного теплообменника 7 снаружи дымохода 2 оснащают датчиком температуры 11 промежуточного теплоносителя, который технологически соединяют с блоком управления 12 циркуляционного насоса 10. Через расширительный бак 13 заполняют промежуточным теплоносителем трубопровод 9, циркуляционный насос 10 и теплообменники 7 и 8 замкнутого контура, освобождая его при этом от воздушных пробок. После чего в горелку 3 для образования горючей смеси подают топливо (солярку, мазут, газ или т.п.) по системе подачи топлива 4 и вентилятором 6 воздух по системе подачи воздуха 5. После инициации воспламенения горючей смеси в горелке 3 электрическим, пьезоэлектрическим, открытым или т.п. запалом (не показан) горючая смесь сгорает в топочной камере котла 1 подогревая воду, нефть, топливо или т.п., при этом продукты горения в виде дымовых газов отводятся из котла 1 через дымоход 2, проходя через основной теплообменник 7 подогревая промежуточный теплоноситель в нем, что фиксируется датчиком температуры 11. Так как циркуляционный насос 10 не работает на стадии разогрева котла 1, то из дымохода 2 не отводится тепло, не мешая естественной конвекции отвода дымовых газов из котла 1. После увеличения температуры промежуточного теплоносителя, регистрируемой датчиком 11, выше температуры «точки росы» блок управления 12 подает сигнал на запуск циркуляционного насоса 10, который подает согревшийся промежуточный теплоноситель в дополнительный теплообменник 8 для подогрева воздуха, нагнетаемого вентилятором 6 в горелку 3, повышая эффективность сгорания топлива, подаваемого по системе его подачи 4, и, как следствие, повышая температуру в топочной камере котла 1. Охлажденный в дополнительном теплообменнике 8 промежуточный теплоноситель по трубопроводу 9 опять поступает на вход основного теплоносителя 7 для нагрева в дымоходе 2. Далее цикл повторяется. В результате повышается температура дымовых газов в дымоходе 2, промежуточного теплоносителя в основном теплообменнике 7 и дополнительном теплообменнике 8, повышая температуру нагнетаемого вентилятором 6 воздуха по системе его подачи 5, выводя на оптимальный режим (с максимально возможным коэффициентом полезного действия – КПД) котла 1.

В случае (например, при сбое работы котла 1, уменьшения подачи топлива в горелку 3, ухудшения качества топлива, или т.п.) снижения температуры промежуточного теплоносителя, снимаемой датчиком 11, блок управления 12 снижает производительность циркуляционного насоса 10, а при случае приближения этой температуры к «точке росы» – отключат работу циркуляционного насоса 10. В результате уменьшается или полностью предотвращается отвод тепла из основного теплообменника 7 и, как следствие, из дымохода 2, повышая в нем температуру и исключая выпадение из дымовых газов конденсата, образующего при наличии конденсата (воды) с углекислым газом агрессивной угольной кислоты. После повышения и/или восстановления температуры промежуточного теплоносителя блок управления 12 возобновляет и/или восстанавливает работу циркуляционного насоса 10.

Таблица

№ п/п Наименование Обозначение Ед.изм. Способ Получ. Нагрузка Без рекуператора С рекуператором Топливный природный газ Qn^p = 8762 ккал/нм³ 1 Температура топлива t °С изм. 35 35 2 Давление газа на входе Рг ^к кгс/см² изм. 3,0 3,0 3 Давление топлива в коллекторе Рг^к кПа изм. 29,1 29,1 4 Давление топлива на горелки №1/№2 Р_г^г Па изм. 320/180±50 320/180±50 5 Расход газа расчетный Вг нм³/ч. расч. 153,9 154,0 Нефть 1 Теплопроизводительность установки по обратному балансу Qn^o6p Гкал/ч расч. 1,021 1,053 2 Теплопроизводительность установки по прямому балансу Qn ^np Гкал/ч расч. 1,030 1,054 3 Расход нефтяной эмульсии Gh м³/ч изм. 245 280 4 Давление нефтяной эмульсии на входе в установку Рнэ’ кгс/см² изм. 5,8 6,4 5 Давление нефтяной эмульсии на выходе из установки Рнэ" МПа изм. 0,39 0,4 6 Температура нефтяной эмульсии на входе в установку t’ °С изм. 58,5 57,5 7 Температура нефтяной эмульсии на выходе из установки t” °С изм. 69,0 66,9 8 Температурный напор установки Δ t °С расч. 10,5 9,4 Воздух 1 Давление воздуха в коллекторе Р_в ^к Па изм. 250±50 250±50 2 Температура воздуха на горение t_воз. °С изм. 38 57 3 Частота на выходе ЧРП Fb Гц изм. 16,1 16,0 Содержание уходящих газов за печью (усреднённое) 1 Трёхатомные газы CO2 % анал. 5,96 6,00 2 Окись углерода СО ппм анал. 39 31 3 Кислород О2 % расч. 10,4 10,4 5 Азот N₂ % 83,6 83,6 6 Коэф-т избытка воздуха а_ух - расч. 1,88 1,87 7 Температура ух.газов tyx °С анал. 155,1 146,8 Тепловой баланс печи 1 Потери тепла с ух. газ. q2 % расч. 8,84 7,03 2 Потери тепла с хим.недожёгом q3 % расч. Отсутствует 3 Потери тепла в окруж. среду q5 % расч. 15,42 14,96 4 Сумма тепловых потерь ∑q % расч. 24,26 21,99 5 КПД установки брутто по обратному балансу ηбр ^об % расч. 75,74 78,01 6 КПД установки брутто по прямому балансу ηбр ^п % расч. 76,41 78,12 Удельный расход топлива 1 Удельный расход условного топлива Вус кг.у.т./ Гкал расч. 188,61 183,14 2 Удельный расход натурального топлива Вн нм³/Гкал расч. 150,69 146,31

В случае (например, при сбое работы котла 1 из-за выхода из строя автоматики, увеличивающей подачу топлива в горелку 3, улучшения качества топлива, или т.п.) повышения температуры промежуточного теплоносителя, снимаемой датчиком 11, блок управления 12 повышает производительность циркуляционного насоса 10. В результате увеличивается отвод тепла из основного теплообменника 7 и, как следствие, из дымохода 2, снижая в нем температуру и исключая вскипание промежуточного теплоносителя. После восстановления температуры промежуточного теплоносителя блок управления 12 восстанавливает работу циркуляционного насоса 10 в прежнем режиме.

Испытания успешно прошли на нагревательном котле 1 – печи ПТБ-5-40Э №4 на УПВСН-1 «Андреевка» НГДУ «Нурлатнефть», данные этого испытания были сведены в таблицу. За два года работы не было ни одного случая выпадения конденсата в дымоходе и вскипания промежуточного теплоносителя в замкнутом контуре (особенно в основном теплообменнике 7), что позволило увеличить межремонтный период в 1,5 раза и полостью исключить аварийные ситуации. При этом установка не требует изменения конструкции котла 1 и его компонентов, что уменьшает стоимость внедрения, а КПД котла 1 по сравнению с наиболее близким аналогом вырос примерно на 1%, но авторы на это не претендуют, так как это находится в пределах погрешности измерений.

Предлагаемая установка для рекуперации тепла нагревательного котла снабжена защитой от быстрого выхода из строя дымохода под действием угольной кислоты при снижении температур ниже «точки росы» и разрушения установки рекуперации под действием высокого давления внутри при повышении температуры теплоносителя выше «точки кипения» за счет контроля за температурой промежуточного теплоносителя на выходе из теплообменника, и регулирования производительности циркуляционного насоса.

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к энергосберегающим технологиям для отбора тепла выходящих дымовых газов нагревательного котла и нагрева газа, подающегося в горелку этого котла. Установка для рекуперации тепла нагревательного котла включает в себя котел с дымоходом, топочной камерой и горелкой с системой подачи топлива и воздуха, оснащенного вентилятором, основной теплообменник, установленный в дымоходе, и дополнительный теплообменник, размещенный после вентилятора первичного воздуха и соединенный посредством трубопровода с основным теплообменником, образуя при этом систему циркуляции промежуточного теплоносителя в виде замкнутого контура, оснащенного циркуляционным насосом. Основной теплообменник изготовлен из условия поддержания температуры в дымоходе не ниже «точки росы» при работающем котле и оснащен на выходе из дымохода датчиком температуры. Циркуляционный насос применен регулируемый и дополнительно оснащен блоком управления, считывающим показания датчика температуры для регулировки производительности насоса для исключения повышения температуры промежуточного теплоносителя выше температуры его кипения и снижения температуры в дымоходе ниже «точки росы». Предлагаемое изобретение обеспечивает защиту от быстрого выхода из строя дымохода под действием угольной кислоты при снижении температур ниже «точки росы» и предотвращение разрушения установки рекуперации под действием высокого давления внутри при повышении температуры теплоносителя выше точки кипения. 1 ил., 1 табл.

Установка для рекуперации тепла нагревательного котла, включающая котел с дымоходом, топочной камерой и горелкой с системой подачи топлива и воздуха, оснащенного вентилятором, основной теплообменник, установленный в дымоходе, и дополнительный теплообменник, размещенный после вентилятора первичного воздуха и соединенный посредством трубопровода с основным теплообменником, образуя при этом систему циркуляции промежуточного теплоносителя в виде замкнутого контура, оснащенного циркуляционным насосом, отличающаяся тем, что основной теплообменник изготовлен из условия поддержания температуры в дымоходе не ниже «точки росы» при работающем котле и оснащен на выходе из дымохода датчиком температуры, а циркуляционный насос применен регулируемый и дополнительно оснащен блоком управления, считывающим показания датчика температуры промежуточного теплоносителя для регулировки производительности насоса для исключения повышения температуры промежуточного теплоносителя выше температуры его кипения и снижения температуры в дымоходе ниже «точки росы», причем включение насоса происходит при достижении «точки росы» температурой промежуточного теплоносителя.