теплопарогенератор

Формула изобретения

1. Теплопарогенератор, включающий корпус с установленными в нем коаксиально и последовательно камерой сгорания с патрубками подвода газа и воздуха, камерой смещения с соплом Лаваля, камерой разбавления с отверстиями для впрыскивания пара в расширяющейся части сопла Лаваля, переходящей в цилиндрическую насадку с образованием между корпусом и камерами сгорания, смешения и разбавления кольцевого пространства, в котором последовательно расположены водяной котел и рекуператор с патрубками подвода питательной воды и отбора теплоносителя, соединенные между собой линией горячей воды, по наружному периметру корпуса установлены коллекторы для подачи воды и сбора теплоносителя, отличающийся тем, что стенка камеры сгорания и корпус на выходе из водяного котла образуют кольцевое сверхзвуковое сопло, а патрубки подвода воздуха сообщены с окружающей атмосферой.

2. Теплопарогенератор по п.1, отличающийся тем, что отверстия для впрыскивания пара из рекуператора в камеру разбавления выполнены в виде профилированных сопел, направленных в сторону выхода сопла.

3. Теплопарогенератор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в цилиндрическую насадку камеры разбавления выполнены сопловые отверстия, направленные в сторону выхода из камеры разбавления, для подачи воды или пара.

4. Теплопарогенератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что между корпусом и камерой сгорания установлена кольцевая обечайка.

5. Теплопарогенератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что патрубок подвода газа сообщен с сетевым газопроводом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение в любой области хозяйства, где требуется получение нескольких видов теплоносителя одновременно (горячая вода, пар, парогазовоздушная смесь) с повышением давления теплоносителя при любом давлении газа и воздуха на входе, в том числе и низком.

В типовых котельных теплоноситель получают путем нагрева воды в отдельном котле с помощью газовых горелок, потребляющих, как правило, низконапорный сетевой газ и воздух, подаваемый вентилятором. Температура выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания составляет 150-250°С, что снижает к.п.д. и экологические показатели. Вместе с продуктами сгорания в атмосферу выбрасываются водяные пары, образующиеся при реакции горения. Эксплуатационные затраты в зависимости от региона составляют 150-300 рублей за Гкал и более.

Известен парогенератор (а.с.СССР №1613795, F 22 B 1/26, з.№4394109 от 21.03.88), содержащий камеру пульсирующего горения с резонансной трубой, распределенные по их длине поверхности нагрева, которые сообщены с сепаратором. В резонансной трубе размещены впрыскивающие устройства, одно из которых, установленное в конце резонансной трубы, сообщено с паровой полостью сепаратора, а другое, находящееся в начале резонансной трубы, - с жидкостной полостью. Применение впрыскивающих устройств в резонансной трубе позволяет за счет эжекции улучшить вентиляцию камеры сгорания и повысить полноту сгорания топлива.

К недостаткам известного устройства можно отнести узкую область регулирования по производительности, связанную с наличием резонансной трубы; низкую производительность и дополнительные вибрации и шум из-за наличия пульсирующей камеры сгорания и резонансной трубы.

В наиболее близком по совокупности признаков теплопарогенераторе по патенту РФ №2206818 (з. №2001134349/06 (036390) от 17.12.2001) перечисленные выше недостатки отсутствуют.

Теплопарогенератор включает в себя корпус с установленной в нем коаксиально пламенной трубой с патрубком подвода газа и воздуха, содержащей камеру сгорания с отверстиями для подвода вторичного воздуха и камеру разбавления с отверстиями для подачи воды и воздуха. Между корпусом и пламенной трубой образовано замкнутое кольцевое пространство, в котором последовательно расположены водяной котел и рекуператор с патрубками подвода питательной воды и отбора теплоносителя, соединенные между собой линией горячей воды. Камера сгорания дополнительно снабжена радиально расположенными отверстиями для впрыскивания воды и соединена с соплом Лаваля, переходящим в цилиндрическую насадку. В сверхзвуковой расширяющейся части сопла Лаваля расположена камера разбавления, а по наружному периметру корпуса установлены воздушный и водяной коллекторы, соединенные посредством патрубков с камерой сгорания и камерой разбавления соответственно.

Известный теплопарогенератор для получения требуемого давления теплоносителя на выходе требует наличия повышенного давления воздуха и газа на входе и имеет сложную систему питания.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение системы питания теплопарогенератора, снижение эксплуатационных затрат до 40-60 руб./Гкал, повышение надежности, получение теплоносителя повышенного давления.

Согласно изобретению теплопарогенератор включает в себя корпус с установленными в нем коаксиально и последовательно камерой сгорания с патрубками подвода газа и воздуха, камерой смешения с соплом Лаваля, камерой разбавления в расширяющейся части сопла Лаваля, переходящей в цилиндрическую насадку с образованием между корпусом и камерами сгорания, смешения и разбавления кольцевого пространства. В кольцевом пространстве последовательно расположены: водяной котел и рекуператор с патрубками подвода питательной воды и отбора теплоносителя, соединенные между собой линией горячей воды. По наружному периметру корпуса установлены коллекторы для подачи воды и сбора и отвода теплоносителя (горячей воды, пара).

Предлагается на выходе из водяного котла стенку камеры сгорания и корпуса выполнить с образованием кольцевого сверхзвукового сопла, выполняющего роль эжектора для низконапорных продуктов сгорания. Патрубки подвода воздуха в камеру сгорания сообщены с окружающей атмосферой.

Для увеличения давления парогазовой смеси отверстия для впрыскивания пара из рекуператора в камеру разбавления выполнены в виде ряда сопел, размещенных с заданным шагом по окружности и направленных в сторону выхода сопла.

В цилиндрической части камеры разбавления для подачи воды или пара выполнены сопловые отверстия, расположенные по окружности с заданным шагом и направленные в сторону выхода из камеры разбавления. Эти сопловые отверстия обеспечивают эжектирование парогазовоздушной смеси и повышение давления теплоносителя на выходе из камеры разбавления и доведение параметров теплоносителя до требуемого уровня.

Между корпусом и камерой сгорания может быть установлена кольцевая обечайка, которая позволяет снизить тепловые потери и повысить температуру пара или перегретой воды.

В патрубок подвода газа может поступать сетевой газ давлением 0,01 ати.

Предлагаемый теплопарогенератор показан на приведенных чертежах.

На фиг.1 показан продольный разрез теплопарогенератора.

На фиг.2 - поперечное сечение по А-А и Б-Б.

Теплопарогенератор с условным наименаванием ВЭТГ (высокоэкономичный экологически чистый теплопарогенератор) имеет корпус, который состоит из корпусных цилиндрических деталей 1 и 2, соединенных между собой с помощью фланцев или сваркой. Соосно корпусной детали 1 установлена камера сгорания 3 с огневым днищем 4 и патрубками подвода газа 5 и воздуха 6.

Для поджига газовоздушной смеси установлена электросвеча 7. Между корпусной деталью 1 и камерой сгорания 3 может быть установлена обечайка 8 для уменьшения тепловых потерь и повышения температуры и работоспособности перегретой воды или пара, являющегося рабочим телом эжектора. Корпусная деталь 1 и камера сгорания 3 в зоне выхода из камеры сгорания образуют кольцевое сверхзвуковое сопло 9 для подачи пара или перегретой воды из водяного котла 10 в камеру смешения 11, установленную соосно корпусной детали 2. Камера смешения заканчивается соплом Лаваля 12, в сверхзвуковой части которого организована камера разбавления 13 с рядом профилированных сопел 14, расположенных по окружности и направленных в сторону выхода сопла. За сверхзвуковой частью сопла Лаваля соосно ей смонтирована цилиндрическая часть 15 камеры разбавления, в стенке которой выполнены сопловые отверстия 16, направленные в сторону выхода из камеры разбавления. Камера сгорания 3 и камера смешения 11 установлены в корпусных деталях 1 и 2 соответственно на центрирующих опорах 17 и 18. В кольцевом пространстве между камерой сгорания 3 и корпусной деталью 1 расположен водяной котел 10, а между камерой смешения 11 и корпусной деталью 2 - рекуператор 19. Для подачи питательной воды в водяной котел 10 служит коллектор 20 с патрубком 21, горячая вода или пар (в зависимости от потребностей) отводятся через коллектор 22 и патрубок 23. Рекуператор 19 имеет входной коллектор 24 с патрубком 25 и коллектор 26 с патрубком 27 для отвода пара потребителю. На цилиндрической части камеры разбавления установлен коллектор 28 с патрубком 29 для подачи воды через сопловые отверстия 16. Камера сгорания 3 на выходе имеет диффузор 30.

Теплопарогенератор работает следующим образом.

Сетевой природный газ с давлением 0,01 ати и более поступает через форсуночные элементы (не показаны), установленные в патрубке 5 подвода газа. Воздух поступает из окружающей атмосферы через патрубки 6 подвода воздуха. Газовоздушная смесь воспламеняется электросвечей 7. Для выхода на рабочий режим водяного котла 10 давление газа является вполне достаточным.

Через патрубок 21 и коллектор 20 в водяной котел поступает питательная вода под давлением, необходимым для нормальной работы теплового контура (не менее 4 кгс/см²). Подача воды (расход) устанавливается регулирующим устройством (не показано). При выходе водяного котла на рабочий режим расход воды поддерживается на уровне, достаточном для получения перегретой воды или активного парообразования. Пар, истекая из кольцевого сверхзвукового сопла 9, создает эжектирующий поток, увеличивающий перепад давления на патрубке 5 подвода газа и патрубках 6 подвода воздуха. Увеличивается расход воздуха и устанавливается соответствующий ему расход газа. По достижении номинального расхода пара (перегретая вода в сопле также превращается в пар) через кольцевое сверхзвуковое сопло 9 устанавливаются соответствующие ему расход воздуха через патрубки 6 подачи воздуха и патрубок 5 подачи газа. Камера сгорания 3 выходит на рабочий режим. При этом питательная вода через патрубок 21 поступает в коллектор 20 и, двигаясь вдоль стенок камеры сгорания 3, охлаждает их. На определенном расстоянии от коллектора 20 может начинаться кипение и интенсивное парообразование. Пар является эжектирующим рабочим телом и истекает через кольцевое сверхзвуковое сопло 9. В зависимости от места расположения коллектора 22 из водяного котла 10 через патрубок 23 при необходимости отводится горячая вода или пар.

Часть воды поступает через патрубок 25 в коллектор 24 рекуператора 19. Отбирая тепло от стенок камеры смешения, вода дополнительно нагревается, получает дополнительную энергию и истекает через сопловые профилированные отверстия 14 в камеру разбавления, имеющую профилированный участок в виде сверхзвуковой части сопла Лаваля, и затем в цилиндрическую часть 15 камеры разбавления. В профилированных соплах 14 может происходить парообразование. В цилиндрическую часть 15 камеры разбавления дополнительно подводится вода через патрубок 29, коллектор 28 и сопловые отверстия 16, направленные в сторону выхода из камеры разбавления. Поступающая через сопловые отверстия вода доводит параметры теплоносителя до требуемых потребителю, кроме того, позволяет дополнительно повысить его давление.

С помощью трех ступеней эжекции: первой - в камере смешения 11 за счет работы кольцевого парового сверхзвукового сопла 9, второй - в сверхзвуковой части сопла Лаваля 12 (камере разбавления 13) за счет работы профилированных сопел 14 и третьей - в цилиндрической части 15 камеры разбавления за счет работы сопловых отверстий 16 удается поднять давление теплоносителя достаточно, чтобы отказаться от применения воздушного компрессора (вентилятора) и от применения газа высокого давления, при этом на выходе получается теплоноситель с требуемыми потребителю параметрами.

Диффузор 30 камеры сгорания 3 практически исключает влияние на работу камеры сгорания процессов, происходящих в камере смешения 4.

Наличие критических сечений в сопле Лаваля 12, в кольцевом сверхзвуковом сопле 9, профилированных соплах 14 позволяет исключить влияние колебаний параметров присоединенной к теплопарогенератору системы на процессы сгорания, эжектирования и смешения.

Обечайка 8, в случае ее применения, делит поток воды на два потока. Один омывает камеру сгорания 3 и превращается в пар (перегретую воду); второй снимает тепло с обечайки 8 и, являясь более холодным, уменьшает тепловые потери. Подогретая вода отводится через коллектор 22.

Предлагаемый теплопарогенератор может являться источником четырех теплоносителей одновременно: горячей воды, водяного пара, перегретого водяного пара и парогазовоздушной смеси или воды, насыщенной газами (воздух, продукты сгорания) повышенного давления, по отношению к давлению газа и воздуха на входе.

Теплопарогенератор такой конструкции пригоден для применения в системах отопления и горячего водоснабжения, в промышленных и сельскохозяйственных предприятиях для технологических целей.