СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ НАКИПИ НА ФОРСУНКАХ, РАСПЫЛЯЮЩИХ ВОДУ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗАХ Российский патент 2025 года по МПК F24H1/10 C10J3/84 

Область техники

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи форсунок, распыляющих воду в зоне газообразной среды высокой температуры контактных теплообменников и прочего технологического оборудования.

Уровень техники

Эксплуатация форсунок, распыляющих воду в зоне газообразной среды высокой температуры, связана с частичным вскипанием воды на поверхности форсунок, что приводит к отложению нерастворимых солей-накипеобразователей на форсунках, их забиванию и ухудшению распыления. Это требует очистки форсунок различными способами, в том числе с периодической остановкой устройства, где установлены форсунки.

Известны способы, в которых для предотвращения накипи предварительно осуществляют очистку воды путем химической водоподготовки, фильтрации или обратного осмоса (патент РФ на изобретение №2220913), вводят различные реагенты (патент РФ на изобретение №2378562 и №2637036), воздействуют электрическими, магнитными и/или акустическими полями (патент РФ на изобретения №№2312290, 2355973, 2599734, 2503747, 2599734, 2124686, 2779101).

Однако данные способы недостаточно эффективны для предотвращения накипи на форсунках, распыляющих воду в газообразной среде высокой температуры.

Известен способ уменьшения накипеобразования за счет использования кругового турбулентного движения теплоносителя в нагреваемых элементах водогрейного котла. (патент РФ №2200913, МПК F24H 1/40, опубл. 20.03.2003).

Известен способ контактного нагрева жидкости (см. патент РФ №2662260, МПК F24H 1/00, опубл. 09.11.2017), в котором греющий газ подают в газоход сверху, при этом количество подаваемого греющего газа выбирается меньше, а нагреваемой жидкости - больше величин, вызывающих увеличение температуры внутренней поверхности газохода до температуры образования на ней накипи.

Известен способ контактного теплообмена (см. патент РФ № 2619429, МПК F24H 1/00, опубл. 15.05.2017), включающий теплообмен между газообразными продуктами сгорания топлива и поверхностью жидкости, при котором теплообмен организуют путем контакта теплового поля факела с водой в капельном состоянии посредством первичного аккумулирования всей энергии факела в испарении капель части воды в объеме ~4,7% от суммарной массы нагреваемой воды и последующего интенсивного энергообмена образовавшейся парогазовой смеси адгезионно-конденсационным теплообменом с каплями основной массы воды в объеме ~94,3%. При этом снижаются требования к качеству питательной воды с точки зрения накипеобразования на поверхностях нагрева, т.к. поверхностью нагрева являются капельки воды и накипь образуется в виде шлама, удаляемого с продувкой.

Однако описанные выше способы не предназначены для предотвращения образования накипи на форсунках, распыляющих воду в газообразной среде с высокой температурой.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой настоящего изобретения является разработка надёжного и малозатратного способа, предотвращающего образование накипи на форсунках, распыляющих воду в высокотемпературных газах, имеющих температуру выше температуры кипения воды при давлении этих газов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности работы форсунок, путем предотвращения образования на них накипи, и отсутствия необходимости в останове оборудования для очищения форсунок от накипи.

Для достижения технического результата способ предотвращения образования накипи на форсунках включает разбрызгивание форсунками воды в зону газообразной среды, имеющей температуру выше температуры кипения воды при давлении газовой среды, покрытие форсунок изолирующим их от газов слоем воды, через который осуществляют разбрызгивание. Изолирующий слой воды, создают путем непосредственного взаимного орошения другой/другими форсункой/форсунками или путём создания на внутренней поверхности корпуса натекающего на форсунки слоя воды.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется фигурами 1-6, на которых представлены примеры работы водяных форсунок внутри корпуса устройства с высокотемпературной газообразной средой без образования накипи, согласно настоящему изобретению.

Позициями обозначено:

1. Корпус;

2. Форсунка;

3. Подвод воды к форсунке;

4. Распыляемая вода от форсунки;

5. Изолирующий слой воды на форсунке;

6. Слой воды на корпусе;

7. Зона высокотемпературных газов.

8. Вода на непосредственное орошение форсунки;

9. Опорная рама испытательного стенда;

10. Газовый водонагреватель;

11. Автоматизированная газовая горелка Hansa HSP1.1F со встроенными автоматикой безопасности, регуляторами тепловой мощности и подачи воздуха;

12. Баллон (50 л, рабочее давление 16 бар) с пропан-бутановой смесью;

13. Отводящий дымоход;

14. Водяные трубопроводы;

15. Трубопровод отвода конденсата водяных паров дымовых газов;

16. Тепловентилятор ГРЕЕРС ВС-2365;

17. Насос WILO PB-400-EA;

18. Входной коллектор подачи воды на форсунки;

19. Счётчик расхода воды.

На фигурах 1-3 показан пример работы водяных форсунок внутри корпуса устройства с высокотемпературной газообразной средой без образования накипи, согласно настоящему изобретению, с покрытием форсунок изолирующим от газов слоем воды путём создания на внутренней поверхности корпуса натекающего на форсунки слоя воды, через который форсунками осуществляют разбрызгивание. Создание на внутренней поверхности корпуса слоя воды осуществляется под действием центробежных сил и требует, для предотвращения отрыва слоя воды от поверхности корпуса, выгнутой изнутри формы внутренней поверхности корпуса в зоне движения слоя воды.

На фигурах 4-6 показан пример работы водяных форсунок, согласно настоящему изобретению, с покрытием форсунок изолирующим от газов слоем воды, через который осуществляют разбрызгивание, за счёт непосредственного взаимного орошения форсунок без создания на внутренней поверхности корпуса натекающего на форсунки слоя воды. При этом снимаются требования к форме внутренней поверхности корпуса.

Осуществление изобретения

Способ предназначен для применения в контактных теплообменниках и прочем технологическом оборудовании, в которых форсунками распыляется вода в зоне газообразной среды, имеющей температуру выше температуры кипения воды при давлении этих газов.

Предотвращение образования нерастворимых отложений накипи на форсунках достигается при создании на них, взаимным орошением, изолирующего слоя воды, за счёт того, что температура поверхности форсунок ниже температуру кипения воды, так как тепловой поток направлен от горячей газообразной среды к форсункам, через покрывающий их слой воды с температурой не выше температуры кипения воды, а, с другой стороны, за счёт охлаждения форсунок до температуры ниже температуры кипения протекающей через них водой. Тем не менее, кипение слоя воды возможно, при достаточных тепловом потоке и температуре газов, лишь на поверхности покрывающего форсунки слоя воды со стороны горячих газов с образованием накипи в виде мелкодисперсной нерастворимой взвеси в кипящей воде, которая удаляется, по мере образования, из нижних точек корпуса 1. Массовый расход распыляемой воды от форсунки определяется в процессе режимной наладки работы форсунок по достижению стабильного выхода распыляемой воды из изолирующего слоя воды при отсутствии отрыва изолирующего слоя воды от поверхности форсунки.

Один из вариантов осуществления способа (фиг. 1-3) реализуется следующим образом.

Распыление (разбрызгивание) воды внутри цилиндрического или конусообразного, или иной выгнутой наружу формы корпуса 1 теплообменника с газообразной средой 7 осуществляется с помощью форсунок 2, расположенных равномерно или иным образом по периметру корпуса. Подвод воды к форсункам 2 осуществляется патрубками 3. Форсунки расположены так, чтобы распыляемая форсункой вода покрывала соседнюю форсунку слоем воды путём создания на внутренней поверхности корпуса натекающего на форсунку слоя воды 6 за счёт выхода его из другой форсунки по внутренней поверхности корпуса. Таким образом, каждая форсунка будет покрыта изолирующим слоем воды 5 за счёт её орошения другой/другими форсункой/форсунками. Орошение газов форсункой будет осуществляться через этот слой воды 5, что позволяет вывести поверхность форсунки из газовой зоны 7.

В другом варианте исполнения (фиг. 4-6) изолирующий слой 5 создается за счёт непосредственного взаимного орошения форсунок струями воды 8, без создания на внутренней поверхности корпуса натекающего на форсунки слоя воды, выходящих из форсунок в газовую зону 7 и направленных на охлаждаемые форсунки 2.

Способ, заявленный в настоящем изобретении, был испытан на экспериментальном образце газовом водонагревателе контактного типа (фиг. 7) тепловой мощностью 30 кВт.

Испытательный стенд состоит из:

- опорной рамы 9;

- газового водонагревателя 10 с подключенной автоматизированной горелкой Hansa HSP1.1F 11 со встроенными автоматикой безопасности, регуляторами тепловой мощности и подачи воздуха;

- пропанового баллона 12 (50 л, рабочее давление 16 бар) с пропан-бутановой смесью;

- отводящего дымохода 13;

- водяных трубопроводов 14;

- трубопровода 15 отвода конденсата водяных паров дымовых газов;

- контура циркуляции теплоносителя между газовым водонагревателем 10 и двумя тепловентиляторами ГРЕЕРС ВС-2365 16 с насосом WILO PB-400-EA 17, подающим воду на форсунки через коллектор 18, и счётчиком расхода воды 19.

В качестве исходной воды использовалась артезианская вода.

Было показано, что способ согласно настоящему изобретению эффективно предотвращает образование накипи на поверхности форсунок. Диаметр отверстий для истечения распыляемой воды от форсунки должен быть меньше, а плотность расположения этих отверстий на форсунке – больше величин, вызывающих отрыв защитного слоя воды от поверхности форсунки. Было получено экспериментальное подтверждение предполагаемой эффективности.

Оценка эффективности способа производилась визуально по состоянию поверхности форсунок водонагревателя. До начала испытаний был произведен осмотр форсунок и зафиксировано исходное состояние их поверхности. В результате осмотра выявлено отсутствие загрязнения форсунок. Испытания продолжались в течение 3 суток. Осмотр форсунок после испытаний также показал отсутствие следов отложения накипи. Таким образом, заявляемый способ предотвращения образования накипи на форсунках, распыляющих воду в высокотемпературных газах, является работоспособным и эффективным.

Раскрытый в данном описании способ имеет следующие преимущества: уменьшенное образование накипи на работающем оборудовании; отсутствие необходимости применения дополнительного оборудования и использования расходных химических реагентов.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от накипи форсунок, распыляющих воду в зоне газообразной среды высокой температуры контактных теплообменников и прочего технологического оборудования. В способе осуществляется разбрызгивание форсунками воды в зону газообразной среды, имеющей температуру выше температуры кипения воды при давлении газовой среды, покрытие форсунок изолирующим их от газов слоем воды, через который осуществляют разбрызгивание, при этом массовый расход распыляемой форсункой воды определяют в процессе режимной наладки работы форсунок по достижении стабильного выхода распыляемой воды из изолирующего слоя воды при отсутствии отрыва изолирующего слоя воды от поверхности форсунки, при этом диаметр отверстий для истечения распыляемой воды от форсунки меньше, а плотность расположения этих отверстий на форсунке – больше величин, вызывающих отрыв защитного слоя воды от поверхности форсунки. Техническим результатом является повышение надежности работы форсунок путем предотвращения образования на них накипи и отсутствия необходимости в останове оборудования для очищения форсунок от накипи. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ предотвращения образования накипи на форсунках, расположенных на вогнутой изнутри формы корпуса контактного теплообменника и распыляющих воду в высокотемпературных газах, включающий разбрызгивание форсунками воды в зону газообразной среды, имеющей температуру выше температуры кипения воды при давлении газовой среды, покрытие форсунок изолирующим их от газов слоем воды, через который осуществляют разбрызгивание, при этом массовый расход распыляемой форсункой воды определяют в процессе режимной наладки работы форсунок по достижении стабильного выхода распыляемой воды из изолирующего слоя воды при отсутствии отрыва изолирующего слоя воды от поверхности форсунки, при этом диаметр отверстий для истечения распыляемой воды от форсунки меньше, а плотность расположения этих отверстий на форсунке - больше величин, вызывающих отрыв защитного слоя воды от поверхности форсунки.

2. Способ по п. 1, в котором изолирующий слой воды создают путем непосредственного взаимного орошения другой/другими форсункой/форсунками.

3. Способ по п. 1, в котором изолирующий слой воды образуют путём создания на внутренней поверхности корпуса натекающего на форсунки слоя воды.