способ утилизации тепла при сжигании ископаемого топлива в закрытых котельных помещениях и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ утилизации тепла при сжигании ископаемого топлива в закрытых котельных помещениях, включающий теплообмен между двумя воздушными потоками, первый из которых циркулирует в котельном помещении через тепловой насос и через нагреваемый тракт теплообменника, а второй, включающий отработанный воздух или топочные газы или их смесь через греющий тракт теплообменника, посредством обеспечения разряжения за последним и подсосом холодного воздуха перед котлом, отличающийся тем, что упомянутый второй поток перед подачей в теплообменник дополнительно охлаждают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй поток охлаждают воздухом котельного помещения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй поток охлаждают с использованием воды.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что воздух первого потока отводят через тепловой насос до нагнетания его в теплообменник.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что котел включают в работу после достижения разряжения во втором потоке циркуляции.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что свежий воздух подмешивают в первом потоке циркуляции перед теплообменником.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что избыточное давление в нагреваемом тракте теплообменника обеспечивают в первом потоке циркуляции.

8. Способ по любому из пп. 1- 7, отличающийся тем, что предварительное охлаждение второго потока проводят без смешения топочных газов с воздухом котельного помещения.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно второй поток охлаждают первым потоком, выходящим из нагреваемой стороны теплообменника.

10. Устройство для сжигания ископаемого топлива в закрытом котельном помещении, содержащее теплообменный аппарат, нагреваемый тракт которого включает в себя тепловой насос, нагреваемую сторону теплообменника, и вентиляторное средство для нагнетания воздуха котельного помещения с нагреваемой стороны теплообменника, а греющий всасывающую камеру для отвода отработанного воздуха, или топочных газов, или их смесей с греющей стороны теплообменника посредством всасывания, а также котел с горелкой, отличающееся тем, что оно содержит охлаждающее устройство, установленное между котлом и теплообменником по ходу второго потока, и выполнено с возможностью предварительного охлаждения отработанного воздуха, или топочных газов, или их смеси до его/их поступления в теплообменник.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что оно содержит средство обеспечения работы охлаждающего устройства с помощью воды.

12. Устройство по пп. 10 и 11, отличающееся тем, что вентиляторное средство установлено ниже теплового насоса и выше теплообменника.

13. Устройство по пп. 10 12, отличающееся тем, что оно снабжено средством для смешивания свежего воздуха с воздухом котельного помещения, размещенным перед вентиляторным средством и снабженным всасывающим каналом, выполненным выше по течению потока относительно вентиляторного средства.

14. Устройство по пп. 10 13, отличающееся тем, что оно снабжено улавливателем конденсата, установленным в греющем тракте между котлом и теплообменником.

15. Устройство по пп. 10 14, отличающееся тем, что котел в качестве источника питания содержит установленный отдельно электрический генератор, приводом которого является двигатель внутреннего сгорания, выполненный с возможностью охлаждения и конденсации его выхлопных газов по отдельности либо совместно с топочными газами котла.

16. Устройство по пп. 10 15, отличающееся тем, что оно снабжено вентилятором, установленным в стенке котельного помещения.

17. Устройство по пп. 10 16, отличающееся тем, что оно содержит вентиляторное средство для нагнетания воздуха котельного помещения с упомянутой одной стороны теплообменника при повышенном давлении.

18. Устройство по пп. 10 17, отличающееся тем, что охлаждающее устройство выполнено в виде устройства непрямого (косвенного) охлаждения, которое отделяет отработанный воздух или топочные газы от воздуха котельного помещения.

19. Устройство по пп. 10 18, отличающееся тем, что охлаждающее устройство выполнено в виде фланцевого трубчатого устройства.

20. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что охлаждающее устройство установлено с обеспечением охлаждения топочных газов воздухом, циркулирующим в первом потоке и протекающим между фланцами охлаждающего устройства.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к способу эффектного использования различных видов ископаемого топлива с большой теплотой сгорания в закрытых котельных помещениях с использованием теплообменного аппарата, содержащего воздушный тепловой насос и теплообменник, где воздух охлаждается для последующего охлаждения топочных газов, получаемых в котельной установке, причем упомянутый теплообмен имеет место между двумя воздушными потоками, циркулирующими через теплообменник. Кроме того, изобретение относится к установке для реализации этого способа.

Подобные установки известны из описаний к патентам Швеции N 7909528 и N 8306259-6, а также из шведской патентной заявки N 8300609-8.

Основная цель изобретения заключается в улучшении работы установок такого типа и в частности в том, чтобы гарантировать выход топочных газов из котельного помещения даже при неисправности в теплообменнике либо иной подобный неисправности.

Другая цель изобретения заключается в улучшении котельной установки с тем, чтобы можно было более эффективно использовать теплоту сгорания.

Все эти и иные цели данного изобретения достигается посредством изобретенного способа и установки, отличительные свойства которых изложены в последующей формуле изобретения.

Перейдем к более подробному описанию данного изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых: на фиг. 1 схематично в разрезе показана котельная установка согласно изобретению; на фиг. 2 показан вид в разрезе коллектора или улавливателя конденсата, используемого в упомянутой установке; на фиг. 3 в виде в разрезе, подобном виду по фиг. 1, показан вариант реализации установки.

Изображенная на фиг. 1 установка содержит газовую или мазутную горелку 1, смонтированную в котле 2. Котел 2 соединен с улавливателем K конденсата посредством канала 3, более подробно описанного ниже, причем улавливатель K подсоединен перед теплообменником 4. С каналом 3 соединен обходной канал 11, идущий к выпускной или дымовой трубе 9, через которую из установки выходит отработанный воздух и/или смесь топочных газов с воздухом. Далее имеются запорные клапаны V₁, V₂ V₃, с помощью которых топочные газы или смесь топочных газов с воздухом можно избирательно пропускать по каналу 3 к улавливателю K, либо по каналу 11 к дымовой трубе 9; последний случай вероятен при ремонте или переналадке таких узлов теплообменного аппарата, как тепловой насос или теплообменник.

Над теплообменником 4 размещена камера 6 всасывания, снабженная вентилятором 7, соединенным с трубой 9. Кроме того, имеется воздушный тепловой насос 5, расположенный на расстоянии от теплообменника 4. В разделяющем их пространстве находится вентилятор 10, с которым соединен канал 12 подвода свежего воздуха. Улавливатель K конденсата с нейтрализующей емкостью 14 линией 13 конденсата. Вся установка находится в закрытом котельном помещении, и с окружающей атмосферой в нормальном состоянии сообщаются лишь воздушный впуск, воздушный выпуск и дымовая трубы 9.

Изображенная на фиг. 1 установка действует следующим образом.

Пунктиром показан первый поток C₁, по которому в котельном помещении циркулирует воздух, втягиваемый в тепловой насос 5 вентилятором 10, нагнетающим воздух в теплообменник 4, смешивая его при необходимости со свежим воздухом, поступающим по трубе 12 (показан двухточечно-пунктирной линией), когда горелка 1 работает, о чем будет сказано ниже. Смещение со свежим воздухом преследует две цели: поскольку во время сгорания образуется газообразный водород, то количество получаемого конденсата можно втрое увеличить за счет введения свежего воздуха и охлаждения топочных газов до низкой температуры; а поскольку количество конденсата увеличивается, то улучшается извлечение серосодержащих примесей из топочных газов, то есть конденсат станет менее коррозионноопасным и потому причинит меньше вреда оборудованию. Из теплообменника 4 воздух возвращается в помещение котельной. Когда котел 2 работает, в помещении создается разрежение, в результате чего свежий воздух втягивается в котельную, и к горелке 1 поступает кислород. Когда горелка 1 не работает, действует первый путь C₁ циркуляции воздуха без доступа свежего воздуха. Кроме того воздух циркулирует по второму пути C₂ посредством выпускного вентилятора 7; вначале воздух поступает в теплообменник 4 от горелки 1 по каналу 3 через улавливатель K и лишь во вторую очередь как смесительный воздух, поскольку та часть воздуха, что проходит горелку 1, очень мала. Смесительный воздух входит в улавливатель K конденсата через предусмотренные в нем отверстия 15. Тот воздух, что втягивается за счет всасывания по пути C₂, пройдет через вентилятор 10, расположенный между тепловым насосом 5 и теплообменником 4. Когда вентилятор 7 запускают в работу, в котельной образуется разрежение, заставляющее свежий воздух втекать по трубе или каналу 12. Таким образом, топочные газы проходят на последней стадии охлаждение в теплообменнике 4 до выхода в атмосферу через вентилятор 7.

Так как теплообменник 4 с перекрестными потоками размещается после вентилятора 10, осуществляющего циркуляцию воздуха в котельной, то циркуляция по пути C₁ приведет к созданию избыточного давления с охлаждающей стороны теплообменника, тогда как с другой стороны упомянутого теплообменика 4 выпускной вентилятор 7 создает разрежение, в результате чего за счет всасывания отработанный воздух и/или смесь топочных газов с воздухом входит с другой стороны теплообменника 4. Это значит, что мазутную горелку 1 можно устроить так, чтобы не включать до тех пор, пока в теплообменнике 4 не будет создано заранее определенное пониженное давление. Поскольку вентилятор 10 поддерживает избыточное давление с охлаждающей стороны теплообменника 4, то в соответствии с данным изобретением гарантируется, что топочные газы всегда будут уходить в атмосферу, даже в случае отказа в теплообменнике 4.

При проведении регламентных работ на теплообменном аппарате, например, во время промывки теплобменника 4 или обслуживания теплового насоса 5 запорные элементы V₁, V₂ и V₃ обеспечивают такое соединение, при котором топочные газы идут напрямую в атмосферу через дымовую трубу 9 по трубопроводу 11. В этом случае котельная установка работает как типовая система в отсутствие теплообменного аппарата, подавая энергию в здание.

Улавливатель K конденсата, изображенный на фиг. 2, содержит корпус 16, в котором для обеспечения смешения воздуха с топочными газами перед теплообменником 4 имеются отверстия 15, а также перфорированная пластина 17, сквозь которую воздух в топочные газы проходят вверх в улавливатель K. Над пластиной 17 расположены коллекторы 18, в которые улавливается или собирается конденсат, поступающий сверху и проходящий по коллекторам 18 к выпускному трубопроводу 13. Чтобы капельки конденсата не падали в нижнюю часть корпуса 16, над промежутками между соседними коллекторами 18 смонтированы заслонки 19, размещенные на расстоянии относительно упомянутых коллекторов 18, благодаря чему воздух и топочные газы, идущие к теплообменнику 4, могут проходить вверх между коллекторами 18 и упомянутыми заслонками 19 в улавливателе K конденсата, как это показано стрелками на фиг. 2. Под улавливателем K смонтирован соединительный патрубок 20, по которому топочные газы идут из канала 3 к улавливателю K, откуда они поступают затем в теплообменник 4. Расход воздушной смеси, следующей сквозь отверстия 15, можно регулировать с помощью задвижки 23, которую можно перемещать вверх вниз в направлении стрелок для получения большей или меньшей площади проходного сечения отверстий 15.

Перейдем к описанию котельной системы, причем для простоты рассмотрим случай, когда горелка 1 работает, то есть, когда образующиеся в котел 2 топочные газы проходят к улавливателю K, где воздух котельного помещения подмешивается через турбулизаторы (перфорированные пластины 17), а конденсат стекает с верхних заслонок 19, как показано на фиг. 2. Топочные газы охлаждаются в теплообменнике 4, куда воздух котельной течет через тепловой насос 5 совместно со свежим воздухом, забираемым из внешней среды атмосферы. В такой системе температура топочных газов понижается приблизительно со 170 до 5 10^oC.

В случае использования системы, изображенной на фиг.3, топочные газы без смешения с воздухом котельной охлаждаются во время своего прохода через отверстия 15, изображенные на фиг. 1 и 2, и далее упомянутые газы заставляют идти через охлаждающее устройство 21, в данном случае изображено фланцевое трубчатое охлаждающее устройство, где топочные газы охлаждаются воздухом, циркулирующим из теплообменника 4 и протекающим между фланцами или ребрами охлаждающего устройства 21. Добиться такого охлаждения также можно с помощью воды, что вместе с тем позволит увеличить степень отбора соединений серы и тем самым дополнительно уменьшить опасность коррозии.

Для вентиляции котельного помещения в летние месяцы применяется вентилятор 22, смонтированный в стенке котельной, благодаря чему в котельную может поступать теплый наружный воздух. Тепловой насос 5 можно сконструировать таким образом, что этот насос один сможет осуществлять нагрев воды в количестве, требуемом на протяжении летних месяцев. Тогда горелка 1 включается лишь в случае специфических пиков в потреблении тепла, возможных в летнее время.

При реализации предлагаемого изобретения имеет место существенно меньшая загрязненность поверхностей топочными газами, чем при использовании типовой технологии. Иными словами, 1) за счет уменьшения потребления мазута на 50 -70% причем точное значение зависит от конкретного здания, происходит соответственно уменьшение на 50 -70% выбросов загрязненных соединений серы и азота в окружающий воздух, и 2) за счет конденсации топочных газов используется остаточная теплота сгорания мазута, при этом 60 80% выбросов серы в топочных газах конденсируется и подается в нейтрализующую емкость 14 в виде конденсата. До нейтрализации конденсат имеет pH приблизительно 2,5 -3,5, а после нейтрализации pH приблизительно равна 6 8. Итак, при сжигании 1 литра мазута получается 1 литр кислого конденсата с pH 2,5 3,5.

Суммарная экономия энергии у рассмотренной и описанной системы достигает приблизительно 50% Если максимальная мощность системы составляет к примеру 100 КВт, а тепловой насос работает приблизительно с мощностью, равной 52 КВт, то энергия, отдаваемая тепловым насосом, составит приблизительно 9 21 КВт. Коэффициент экономии энергии на протяжении всего года у теплового насоса равняется 3. Среднегодовая эффективность лежит между 130 и 140% в зависимости от географической широты, на которой размещается такая система при расчете по малой теплоте сгорания. Среднегодовую эффективность также можно выразить, как коэффициент экономии энергии системы, когда весь мазут и электричество берутся в расчет как мощность, используемая в системе. На интервале в один год коэффициент экономии энергии составляет 1,3 1,4 в зависимости от географической широты, на которой размещается система.

Тепловой насос работает по сути непрерывно весь год, тогда как горелка 1 работает периодически. Для привода теплового насоса 5 можно к примеру применить дизельный двигатель (не показан), либо питать всю систему целиком электроэнергией, получаемой от отдельного дизель-генератора, выхлопные газы которого охлаждаются и конденсируются вместе с топочными газами котла. Если система является самоподдерживающей и работающей от дизель-генератора, то отпадает необходимость в подводе энергии в системе снаружи, например электроэнергии.

Рассмотренные выше и представленные на чертежах варианты реализации изобретения служат лишь целям пояснения того, как можно реализовать данное изобретение, и рассмотренные варианты допускают модификации, лежащие в пределах последующей формулы изобретения.