Способ утилизации тепла газов

Изобретение относится к энергосберегающим технологиям в области теплоэнергетики, в частности к утилизации тепла газов. Предложен способ утилизации тепла газов, скорость которых может быть ниже 50 м/с, включающий отвод потока газов и направление его внутрь теплообменного аппарата по подводящему патрубку, имеющему отличное от теплообменного аппарата поперечное сечение в зоне их соединения, прохождение этого потока между теплопередающими устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвод тепла от газа к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающих устройств, которые разбиты на отдельные участки с увеличением теплопередающих устройств от одного участка до соседнего по мере движения потока газов. При этом поток рабочей жидкости последовательно передается от участка к участку теплопередающих устройств в направлении, обратном движению отработанных газов, при этом суммарное гидродинамическое сопротивление теплопередающих устройств каждого из участков аналогично. Скорость потока газов при прохождении через участки теплообменного аппарата поддерживается оптимальной за счет уменьшения живого сечения теплообменного аппарата на каждом из участков и/или увеличения количества теплопередающих устройств в каждом участке. Когда конденсат скапливается в теплообменном аппарате, то его периодически сливают. Изобретение позволяет значительно уменьшить габариты используемого теплообменного аппарата, снизить его стоимость и расширить область его применения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергосберегающим технологиям в области теплоэнергетики, в частности к утилизации тепла газов и его передаче рабочей жидкости.

Известен способ утилизации тепла отработанных газов газотурбинного двигателя (ГТД) (патент US №3442324, US C1. 165-51, МПК F28F 27/03, 13/06, опубл. 06.05.1969 г.) путем отвода потока газов от последнего и направления его внутрь теплообменного аппарата, прохождения этого потока между теплообменными устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвода тепла от газа к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающего устройства, с одновременным снижением скорости потока во время прохождения его через теплопередающие устройства.

Недостатками данного способа являются:

во-первых, использование специального устройства для предварительного уменьшения скорости потока газов, что приводит к увеличению массы, габаритов и, как следствие, стоимости устройства;

во-вторых, использование для снижения скорости потока газов сдвоенного расширяющегося патрубка и плотно установленных теплопередающих устройств (оребренных трубок), через которые циркулирует рабочая жидкость, что на определенных режимах работы может приводить к запиранию поперечного сечения теплообменного аппарата и, как следствие, к его неработоспособности;

в-третьих, работоспособность этого способа возможна только при высоких скоростях потока отработанных газов (50 м/с и выше).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является "Способ утилизации тепла отработанных газов ГТД" (патент RU №2187674, МПК F02C 7/10, опубл. 20.08.2002 г.), осуществляющийся путем отвода потока газа от последнего и направления его внутрь теплообменного аппарата, прохождения этого потока между теплопередающими устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвода тепла от газа к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающего устройства, с одновременным снижением скорости потока во время прохождения его через теплопередающие устройства, отличающийся тем, что непосредственно на выходе из выхлопной трубы газотурбинного двигателя размещают теплообменный аппарат, последний разбивают на отдельные участки, в каждом из них размещают такое количество теплопередающих устройств, при котором исключалось бы запирание потока газа на этом участке, а размер поперечного сечения каждого участка постепенно увеличивают от начала участка до конца, при этом за счет отвода максимального количества тепла от газа к рабочей жидкости и расширения сечения при заданном аэродинамическом сопротивлении каждого участка снижают скорость газа на выходе из теплообменного аппарата, при этом количество теплопередающих устройств увеличивают от одного участка до соседнего по мере движения потока газа.

Недостатками данного способа являются:

во-первых, при соблюдении всех требований данного способа в сочетании с высокой скоростью и температурой потока отработанных газов невозможно добиться одинакового суммарного гидравлического сопротивления циркулирующей рабочей жидкости в теплопередающих устройствах на каждом участке теплообменного аппарата, что делает невозможным или нерациональным последовательное соединение данных участков для обеспечения оптимального отбора тепла от отработанных газов к рабочей жидкости, при этом скорость потока отработанных газов, походящих через участки теплообменного аппарата, непостоянна и уменьшается по ходу потока отработанных газов, что также не оптимально для теплопередачи тепла от отработанных газов к рабочей жидкости, все это в совокупности приводит к увеличению габаритов теплообменного аппарата и, как следствие, к увеличению его стоимости;

во-вторых, работоспособность этого способа возможна только при высоких скоростях потока отработанных газов (50 м/с и выше).

Технической задачей способа является создание оптимальных условий для утилизации тепла отработанных газов в теплообменном аппарате, приводящих к снижению его стоимости, и расширение области применения за счет возможности использования способа для утилизации тепла газов при скорости их потока ниже 50 м/с.

Техническая задача решается способом утилизации тепла газов, включающим отвод потока отработанных газов и направление его внутрь теплообменного аппарата по подводящему патрубку, прохождение этого потока между теплопередающими устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвод тепла от газов к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающих устройств, которые разбиты на отдельные участки с увеличением теплопередающих устройств от одного участка до соседнего по мере движения потока газов.

Новым является то, что скорость потока газов при подаче в теплообменный аппарат доводят до оптимальной для отвода тепла от газов к рабочей жидкости за счет того, что поперечное сечение теплообменного аппарата отлично от поперечного сечения подводящего патрубка в зоне их соединения, при этом поток рабочей жидкости последовательно передается от участка к участку теплообменных устройств в направлении, обратном движению отработанных газов, за счет того, что суммарное гидродинамическое сопротивление теплопередающих устройств каждого из участков аналогично, причем скорость потока газов при прохождении через участки теплообменного аппарата поддерживается оптимальной за счет уменьшения живого сечения теплообменного аппарата на каждом из участков и/или увеличения количества теплопередающих устройств в каждом участке.

Новым является также то, что конденсат, скапливающийся в теплообменном аппарате, периодически сливают.

На чертеже представлена схема устройства для осуществления способа утилизации тепла газов.

Для осуществления способа утилизации тепла газов поток газов из области с высокой температурой отводится и направляется по подводящему патрубку 1 внутрь теплообменного аппарата 2, внутри которого расположены теплопередающие устройства 3 (например, трубки) с протекающей по ним рабочей жидкостью. При этом скорость потока газов при подаче в теплообменный аппарат доводится до оптимальной (при применении в качестве рабочей жидкости воды оптимальная скорость равна 1±20% м/с) для отвода тепла от газов к рабочей жидкости за счет того, что поперечное сечение теплообменного аппарата 2 отлично от поперечного сечения подводящего патрубка 2 в зоне их соединения. При прохождении первого участка 4 теплопередающих устройств 3 температура потока газов падает и, как следствие, увеличивается плотность газов и скорость падает. Для поддержания оптимальной скорости потока газов на втором участке 5 количество теплопередающих устройств 3 увеличивают, уменьшая суммарное проходное сечение для потока газов, что увеличивает его скорость до оптимальной. Если скорость потока газа ниже оптимальной после прохождения первого участка 4 теплопередающих устройств, то на втором участке 5 уменьшают площадь живого сечения (на чертеже не показано) для увеличения скорости потока газов. На последующих участках 6 аналогичным участку 5 образом поддерживается оптимальная скорость потока газов.

Причем при увеличении количества теплопередающих устройств 3 на каждом из последующих участков 5 и 6 их проходное сечение для жидкости уменьшается так, чтобы суммарное гидродинамическое сопротивление каждого из участков 4, 5 и 6 оставалось примерно одинаковым. Это позволяет последовательно соединить участки 4, 5 и 6 таким образом, что поток рабочей жидкости последовательно передавался через них в противоположном направлении потоку газов.

В ходе работы теплообменного аппарата в некоторых случаях, когда поток газов, исходящих из подводящего патрубка 1, имеет температуру ниже 70÷80°С, в теплообменном аппарате может скапливаться конденсат, который периодически сливают при помощи сливного патрубка 7, оборудованного вентилем 8.

Примеры конкретного выполнения способа.

Пример 1.

Предлагаемый способ применялся на печах, использующихся для нагрева нефти при помощи сжигаемого попутного газа. Причем теплообменный аппарат 2 с тремя участками 4, 5 и 6 теплопередающих устройств 3 (трубок) устанавливался на выходе газов (отработанных газов с температурой ≈400÷450°С и скоростью потока порядка 10÷12 м/с) из печи перед выбросом в атмосферу. Причем площадь поперечного сечения подводящего патрубка 1 составила ≈0,0113 м² (⊘=12 см). В качестве рабочей жидкости использовалась вода. Для снижения скорости до оптимальной (1±20% м/с) площадь поперечного сечения теплообменного аппарата 2 составила ≈0,12м² (прямоугольник с шириной 30 см и высотой 40 см). Первый участок 4 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 28 мм, при прохождении которого скорость потока уменьшилась примерно на 20% и составила 0,9 м/с за счет снижения температуры газов до ≈300°С. Второй участок 5 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 20 мм, которые были размещены в шахматном порядке (на чертеже не показано) по ходу потока газа и уменьшали проходное сечение теплообменного аппарата 2 на ≈20% относительно первого участка 4. При прохождении второго участка 5 скорость потока газов уменьшилась еще на ≈30% и составила 0,85 м/с за счет снижения температуры газов до ≈110°С. Третий участок 6 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 10 мм, которые были размещены в шахматном порядке (на чертеже не показано) по ходу потока газа и уменьшали проходное сечение теплообменного аппарата 2 на ≈30% относительно второго участка 5. При прохождении третьего участка 6 температура газов уменьшилась до ≈25°С и практически сравнялась с температурой окружающего пространства, что свидетельствует практически о полной утилизации тепла газов рабочей жидкостью. После чего охлажденный газ сбрасывался в атмосферу. В результате применения данного способа рабочая жидкость циркулировала последовательно по всем участкам 6, 5 и 4 с минимальными гидродинамическими потерями, так как суммарное гидродинамическое сопротивление каждого из участков 4, 5 и 6 отличались не более чем на ±5%. При этом рабочая жидкость нагревалась до 80°С, которая применялась для нагрева нефти с других участков на нефтегазодобывающих промыслах, находящихся в близости от печей, оговоренных в этом примере, а также для отопления в зимний период помещений. В данном примере длина теплообменного аппарата 2 по ходу потока газов составила 70 см.

Пример 2.

Предлагаемый способ применялся в жилых и рабочих помещениях с принудительной вентиляцией в зимний период. Причем теплообменный аппарат 2 с двумя участками 4, 5 теплопередающих устройств 3 (трубок) устанавливался на выходе газов (воздуха с температурой ≈32°С и скоростью потока порядка 3 м/с) из жилого помещения перед выбросом в атмосферу. Причем площадь поперечного сечения подводящего патрубка 1 составила ≈0,058 м² (квадрат со стороной, равной 24 см). В качестве рабочей жидкости использовалась вода. Для снижения скорости до оптимальной (1±20% м/с) площадь поперечного сечения теплообменного аппарата 2 составила ≈0,16 м² (квадрат со стороной, равной 40 см). Первый участок 4 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 10 мм, которые были размещены в шахматном порядке (на чертеже не показано) по ходу потока газа. При прохождении первого участка скорость потока уменьшилась примерно на 5% и составила 0,95 м/с за счет снижения температуры газов до ≈16°C. Второй участок 5 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 10 мм, которые были размещены в шахматном порядке (на чертеже не показано) по ходу потока газа и уменьшали проходное сечение теплообменного аппарата 2 на ≈10% относительно первого участка 4. При прохождении второго участка 5 температура газов уменьшилась до 6°С, что является практическим порогом использования воды в качестве рабочей жидкости. После чего охлажденный газ сбрасывался в атмосферу. В результате применения данного способа рабочая жидкость циркулировала последовательно по всем участкам 5 и 4 с минимальными гидродинамическими потерями, так как суммарное гидродинамическое сопротивление каждого из участков 4, 5 и 6 отличалось не более чем на ±5%. При этом рабочая жидкость нагревалась до 18°С и применялась для нагрева поступающего в это же жилое помещение воздуха, экономя материальные затраты, затрачиваемые на отопление жилого помещения. В ходе работы жидкость, содержащаяся в газах, в виде конденсата скапливалась в теплообменном аппарате, из которого через сливной патрубок 7 периодически сливалась при содействии вентиля 8. В данном примере длина теплообменного аппарата 2 по ходу потока газов составила 35 см.

Пример 3.

Предлагаемый способ применялся на котельных, использующихся для нагрева воды для обогрева жилых помещений. Причем теплообменный аппарат 2 с четырьмя участками 4, 5 и 6 (последний не показан) теплопередающих устройств 3 (трубок) устанавливался на выходе газов (отработанных газов с температурой ≈650÷700°С и скоростью потока порядка 20÷25 м/с) из печи перед выбросом в атмосферу. Причем площадь поперечного сечения подводящего патрубка 1 составила ≈0,25 м² (⊘=50 см). В качестве рабочей жидкости использовалась вода. Для снижения скорости до оптимальной (1±20% м/с) площадь поперечного сечения теплообменного аппарата 2 составила ≈5 м² (прямоугольник с шириной 2,5 м и высотой 2 м). Первый участок 4 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 40 мм, при прохождении которого скорость потока уменьшилась примерно на 30% и составила 0,7 м/с за счет снижения температуры газов до ≈400°C. Второй участок 5 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 32 мм, которые были размещены в шахматном порядке (на чертеже не показано) по ходу потока газа и уменьшали проходное сечение теплообменного аппарата 2 на ≈15% относительно первого участка 4, а площадь живого сечения на ≈20% и составила ≈4 м² (прямоугольник шириной 2,25 м и высотой 1,8 м), чтобы не создавать большого сопротивления потоку газа. При прохождении второго участка 5 скорость потока газов уменьшилась еще на ≈25% и составила 0,85 м/с за счет снижения температуры газов до ≈105°С. Третий участок 6 был собран из трубок 3 с наружным диаметром 20 мм, которые были размещены в шахматном порядке (на чертеже не показано) по ходу потока газа и уменьшали проходное сечение теплообменного аппарата 2 на ≈25% относительно второго участка 5. При прохождении третьего участка 6 температура газов уменьшилась еще на ≈20% и составила 0,8 м/с за счет снижения температуры газов до 5°С. Последний участок был собран из трубок 3 с наружным диаметром 15 мм, которые были размещены в шахматном порядке (на чертеже не показано) по ходу потока газа и уменьшали проходное сечение теплообменного аппарата 2 на ≈20% относительно третьего участка 6. При прохождении последнего участка температура газов уменьшилась до 5°С, что является практическим порогом использования воды в качестве рабочей жидкости. При этом рабочая жидкость нагревалась до 85°С и направлялась в водогрейные котлы котельной, уменьшая энергозатраты на нагрев воды, находящейся в этих котлах. Длина в данном примере теплообменного аппарата 2 по ходу потока газов составила 2,30 м.

Предлагаемый способ, использующий наиболее оптимальный режим работы для утилизации тепла, позволяет значительно уменьшить габариты используемого теплообменного аппарата, снизить его стоимости и расширить область его применения за счет использования потоков газов со скоростью ниже 50 м/с.

1. Способ утилизации тепла газов, включающий отвод потока газов и направление его внутрь теплообменного аппарата по подводящему патрубку, прохождение этого потока между теплопередающими устройствами, размещенными внутри теплообменного аппарата, отвод тепла от газа к рабочей жидкости, циркулирующей внутри теплопередающих устройств, которые разбиты на отдельные участки с увеличением теплопередающих устройств от одного участка до соседнего по мере движения потока газов, отличающийся тем, что определяют скорость потока газов в подводящем патрубке, после чего подбирают поперечное сечение теплообменного аппарат и поперечное сечение подводящего патрубка в зоне их соединения так, чтобы довести скорость потока газов в теплообменном аппарате до оптимальной для отвода тепла от газов к рабочей жидкости, при этом поток рабочей жидкости последовательно передается от участка к участку теплообменных устройств в направлении, обратном движению отработанных газов за счет того, что суммарное гидродинамическое сопротивление теплопередающих устройств каждого из участков аналогично, причем скорость потока газов при прохождении через участки теплообменного аппарата поддерживается оптимальной за счет уменьшения живого сечения теплообменного аппарата на каждом из участков и/или увеличения количества теплопередающих устройств в каждом участке.

2. Способ утилизации тепла отработанных газов по п.1, отличающийся тем, что конденсат, скапливающийся в теплообменном аппарате, периодически сливают.