Способ рекуперации тепла отработанного пара и конденсатор-рекуператор для его осуществления

Способ рекуперации тепла отработанного пара и конденсатор-рекуператор для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению, двигателестроению и предназначено для использования в паросиловых установках (ПСУ), парогазовых установках (ПГУ), в силовых агрегатах транспортных средств.

КПД современных тепловых машин не превышают 50%. Известны паровые котлы-утилизаторы, преобразующие энергию отходящих газов в энергию пара высокого давления (Большая советская энциклопедия, т. 13. М.: Советская энциклопедия, 1973, с. 285). Котлы-утилизаторы имеют значительные габариты, а энергия пара нуждается в дополнительном преобразовании.

Известны паросиловые установки, преобразующие энергию пара в механическую работу (Литвин A.M. Теоретические основы теплотехники. М.: Энергия, 1964, рис. 4-16, с. 105). Недостатком паросиловых установок являются низкие КПД (25-35%).

Известна паросиловая установка, содержащая установленные на основании в опорах парогенератор и конденсатор, разделенные перегородкой с клапанами, конденсаторный насос, турбину и направляющий аппарат, которые заключены в герметичный корпус, вращающийся вместе с валом, теплоподводящее и теплоотводящее устройства (авт. св. N 1768768 A1, кл. F01K 11/04, 1990).

Недостатком указанной паросиловой установки является ее пониженный КПД из-за потерь энергии, затрачиваемой на работу конденсаторного насоса.

Для повышения КДП паросиловых установок известны различные приемы по утилизации тепла отработанного пара.

Известен утилизатор тепловой энергии, состоящий из теплообменного агрегата и паросиловой установки с конденсатором смесительного типа и преобразующий энергию отходящих (выхлопных) газов тепловых машин и энергетических установок в механическую (электричество) и тепловую (горячая вода) энергии (патент RU 2284416, МПК F01K 21/04, опубл. 27.09.2006).

Недостатком является недостаточно большой КПД.

Известен поршневой паровой двигатель содержащий рабочий цилиндр с поршнем и соединенные с ним конденсатор, насос-дозатор и теплопередающее устройство, вход которого соединен с насосом дозатором, а выход - с рабочим цилиндром с образованием замкнутого контура циркуляции рабочего тела. Причем теплопередающее устройство выполнено в виде теплообменника-аккумулятора капиллярного типа, а в качестве рабочего тела использована вода, нагретая до температуры выше критической (патент RU 2093686, МПК F01B 29/12, F01K 21/00, опубл. 20.10.1997).

Недостатком является недостаточно высокая производительность теплообменника капиллярного типа.

Известна паросиловая установка с поршневой паровой машиной, содержащая соединенные между собой гидравлически последовательно трубопроводами паровой котел, поршневую паровую машину, конденсатор и насос питательной воды. Поршневая паровая машина выполнена с водяной рубашкой вокруг ее цилиндра, скрепленными друг с другом перемычками. Вход водяной рубашки расположен в конце цилиндра и гидравлически соединен с выходом насоса питательной воды, а выход расположен в начале цилиндра со стороны рабочей камеры и гидравлически соединен с входом парового котла. Вход и выход пара поршневой паровой машины расположены на цилиндре. Питательная вода прогревается, проходя через водяную рубашку, насыщенным паром до максимально возможной температуры пара в паровом котле. В конце рабочего хода поршня пар выпускается в конденсатор, и цикл повторяется. Изобретение позволяет повысить термический коэффициент полезного действия за счет максимального подогрева воды, поступающей в паровой котел, путем отнятия теплоты от насыщенного пара, расширяющегося в поршневой паровой машине и частично конденсирующегося внутри цилиндра (патент RU 2239704, МПК F01K 21/00, опубл. 10.11.2004).

Недостатком является невысокий КПД рекуперации тепла.

Известно устройство рекуперации конденсата (патент GB 0803698, F16T 1/48, F17D 5/00, F17D 5/06, от. 28.02.2008). Устройство рекуперации конденсата содержит несколько дренажных линий, по которым конденсат отводится от обслуживаемой устройством паросиловой установки. Дренажные линии оснащены конденсационными горшками, улавливаемый которыми конденсат поступает затем в объединенную возвратную линию, соединяющую дренажные линии и бак для конденсата. Устройство содержит также акустический датчик, размещенный на объединенной возвратной линии выше по потоку от бака, сигнал которого отображает суммарную потерю пара на конденсационных горшках, расположенных выше по потоку от акустического датчика.

Недостатком является недостаточно эффективный способ рекуперации тепла.

Наиболее близким техническим решением является конденсатор для паросиловой установки (патент RU 2072429, МПК 6 F01K 11/04, опуб. 27.01.1997). Установка содержит установленные на основании в опорах парогенератор и конденсатор, разделенные перегородкой с клапанами, конденсаторный насос, турбину и направляющий аппарат, которые заключены в герметичный корпус, вращающийся вместе с валом, теплоподводящее и теплоотводящее устройства, при этом парогенератор разделен на секции, одна из которых сообщается с турбиной и через клапаны с другими изолированными друг от друга секциями парогенератора, связанными через клапаны с конденсатором, при этом парогенератор снабжен датчиком рабочих параметров, связанным с регулятором подачи греющего теплоносителя. Введение в установку регулятора и разделение парогенератора на секции позволяет снизить параметры работы насоса.

Недостатком способа рекуперации тепла отработанного пара является то, что установка отличается сложностью и без насоса не может работать и имеет низкий КПД.

Задачей предлагаемого решения является разработка эффективного способа рекуперации отработанного пара с повышенным КПД и конденсатора-рекуператора для осуществления способа.

Поставленная задача решается при помощи способа рекуперации тепла отработанного пара, включающего подачу отработанного пара на конденсацию и рекуперацию тепла. Конденсацию отработанного пара и рекуперацию его тепла проводят в конденсаторе-рекуператоре, заполненном капсулами 6 с возможностью их перемещения механизмом 7, относительно температурных зон конденсатора-рекуператора, в зоне сбора конденсата производят заполнение капсул 6 конденсатом, а в зоне подачи отработанного пара производят отвод нагретого конденсата из капсул 6 для использования.

Предпочтительно конденсатор-рекуператор оборудуют устройством отвода тепла 10.

Предпочтительно предварительно конденсатор-рекуператор вакуумируют.

Предпочтительно в качестве жидкостного затвора используют зону сбора конденсата, для задания направления движения потока отработанного пара в конденсаторе-рекуператоре.

Предпочтительно корпус 5 конденсатора-рекуператора теплоизолируют.

Предпочтительно единичную капсулу выполняют из теплопроводящего материала и капсула представляет собой замкнутый объем, сообщающийся с внешней средой через запорный клапан.

Поставленная задача решается с помощью конденсатора-рекуператора для конденсации отработанного пара и рекуперации тепла отработанного пара, включающего корпус 5 с магистралью 4а подачи отработанного пара и магистралью 4 отвода нагретого конденсата. В корпусе 5 конденсатора-рекуператора установлен механизм 7, с которым соединены капсулы 6 с запорными клапанами 14 с возможностью перемещения их относительно температурных зон конденсатора-рекуператора и возможностью открытия запорных клапанов 14 для заполнения конденсатом в зоне сбора конденсата конденсатора-рекуператора и для отвода нагретого конденсата из капсулы 6 в магистраль 4 в зоне подачи отработанного пара.

Предпочтительно в зоне сбора конденсата установлен узел открытия 12a (стрелкой показано направление приложения силы) запорного клапана 14 капсулы 6, а в зоне подачи отработанного пара установлены узел подключения 11 для соединения капсулы 6 с магистралью 4 и узел 12 (стрелкой показано направление приложения силы) открытия запорного клапана 14 капсулы 6.

Предпочтительно корпус 5 конденсатора-рекуператора теплоизолирован.

Предпочтительно конденсатор-рекуператор оборудован устройством отвода тепла 10.

Предпочтительно конденсатор-рекуператор предварительно вакуумирован.

Предпочтительно единичная капсула 6 выполнена из теплопроводящего материала и представляет собой замкнутый объем, сообщающийся с внешней средой через запорный клапан 14.

Предпочтительно в качестве жидкостного затвора использована зона сбора конденсата для задания направления движения потока отработанного пара в конденсаторе-рекуператоре.

Предпочтительно узел открытия клапанов 12 для заполнения конденсатом, узел подключения 11 капсул 6 к нагревателю 1 для отвода конденсата выполнены с возможностью синхронной работы с заданным дискретным режимом работы замкнутого механизма 7.

Предпочтительно механизм 7 надет на два барабана 8, один из барабанов 8 натяжной, один приводной.

Предпочтительно конденсатор-рекуператор имеет приводное устройство 8a для перемещения механизма 7.

Предпочтительно корпус 5 конденсатора-рекуператора имеет форму параллелепипеда.

Предпочтительно корпус 5 конденсатора-рекуператора образован двумя цилиндрическими поверхностями разных диаметров и двумя боковыми поверхностями.

Техническим результатом предложенной группы изобретений является повышение КПД рекуперации тепла отработанного пара.

В предлагаемом способе рекуперации тепла отработанного пара организуют взаимодействие встречного потока отработанного пара с движущимися капсулами 6 с помощью механизма 7 относительно температурных зон конденсатора-рекуператора. Капсулы 6 выполняют из теплопроводящего материала. В теплообмене участвуют массы (пустых) капсул 6, большая часть теплоты от них передается встречным (наполненным) капсулам 6 однонаправленным потоком остывающего отработанного рабочего пара. В предпочтительном варианте конденсатор-рекуператор вакуумируют. Пар стремится заполнить весь его объем, при этом по мере продвижения к (холодной) зоне сбора конденсата он отдает теплоту встречным наполненным капсулам 6, остатки теплоты отработанного пара отводятся устройством охлаждения 10. При таком способе рекуперации потери тепла минимальные. Продвижение капсул 6 организовано движением их через холодную зону, в которой происходит сбор конденсата и заполнение очередной капсулы 6 конденсатом с одновременным отводом нагретого конденсата в горячей зоне из очередной капсулы 6 в нагреватель 1 для дальнейшего его использования.

Предлагаемый способ реализуется с помощью конденсатора-рекуператора.

Конкретные варианты выполнения конденсатора-рекуператора представлены на чертежах.

На фиг. 1 показан вариант конденсатора-рекуператора с корпусом 5 в виде параллелепипеда с замкнутым контуром, вид с боку.

На фиг. 2 показан вариант конденсатора-рекуператора с корпусом 5 в виде параллелепипеда с замкнутым контуром, вид спереди.

На фиг. 3 показан вариант конденсатора-рекуператора, корпус 5 которого образован двумя цилиндрическими поверхностями разного диаметра и двумя боковыми поверхностями, вид с боку.

На фиг. 4 показан вариант конденсатора-рекуператора, корпус 5 которого образован двумя цилиндрическими поверхностями разного диаметра и двумя боковыми поверхностями, вид спереди.

На фиг. 5 показана капсула 6.

На фиг. 1-5 показаны следующие элементы:

1 - нагреватель; 2 - распределитель; 3 - преобразователь; 4 - магистраль отвода нагретого конденсата из капсул; 4a - магистраль подачи отработанного пара; 5 - корпус конденсатора-рекуператора; 6 - капсула; 7 - замкнутый движущийся механизм; 8 - барабан (приводной механизм); 8a - приводное устройство; 9 - управляемый клапан; 10 - устройство отвода тепла; 11 - узел подключения капсул 6 к магистрали отвода конденсата 4; 12 - узел открытия запорных клапанов 14 капсул 6 для отвода конденсата из капсул; 12a - узел открытия запорных клапанов 14 капсул 6 для заполнения их конденсатом; 13 - направляющая; 14 - запорный клапан.

На фиг. 1 и фиг. 2 показан вариант конденсатора-рекуператора для паросиловой установки. Паросиловая установка состоит из нагревателя (котла) 1, распределителя 2, преобразователя 3 и корпуса 5 конденсатора-рекуператора, соединенных между собой магистралью 4а для подачи отработанного пара, магистралью 4 для отвода нагретого рабочего тела и магистралью между нагревателем 1 и распределителем 2. Конденсатор-рекуператор представляет собой корпус 5, образующий герметичный, изначально вакуумируемый объем с оптимальной теплоизоляцией. Периодически герметизируемые капсулы 6 оборудованы запорными клапанами 14. В корпусе 5 установлен механизм 7, с которым соединены капсулы 6 с возможностью перемещения относительно температурных зон конденсатора-рекуператора с помощью механизма 7. Единичную капсулу выполняют из теплопроводящего материала, и капсула представляет собой замкнутый объем, сообщающийся с внешней средой через запорный клапан 14.

Капсулы 6 заполняют объем конденсатора-рекуператора, оставляя щелевые зазоры между его стенками и друг другом, все капсулы 6 соединены с замкнутым, движущимся в конденсаторе-рекуператоре механизмом 7, надетым на два барабана 8, один из барабанов 8 натяжной, один приводной. Приводной барабан 8 передает крутящий момент от приводного узла (не показан), перемещает механизм 7 и капсулы 6 с заданным интервалом и периодичностью. Барабаны 8 расположены в условно горячей и холодной зонах конденсатора-рекуператора. Механизм 7 перемещает капсулы 6 относительно температурных зон конденсатора-рекуператора. В (холодной) зоне сбора конденсата толкателем узла 12а (привод и кинематика не показаны) открывается нажатием клапан 14 капсулы 6, капсула 6 наполняется конденсатом. В (горячей) зоне подвода отработанного пара для отвода нагретого конденсата из капсул 6 установлен подвижный узел подключения 11, герметично соединенный с магистралью 4, каждая капсула 6 и узел подключения 11 оборудованы элементами разъемного герметичного соединения, после позиционирования очередной капсулы 6 узел подключения 11 выдвигается (привод и кинематика не показаны), разъемное герметичное соединение капсулы 6 и узел подключения 11 замыкается, узел открытия 12 нажатием открывает клапан 14 капсулы 6. Устройством 10 в конденсаторе-рекуператоре производится отвод тепла.

Конденсатор-рекуператор, показанный на фиг. 3 и фиг. 4, имеет аналогичные элементы конденсатору-рекуператору, показанному на фиг. 1 и фиг. 2, за исключением: направляющих 13 для направления движения капсул 6 по круговой траектории и предотвращения перекосов и заеданий. Корпус 5 на фиг. 3 конденсатора-рекуператора образован двумя цилиндрическими поверхностями разных диаметров и двумя боковыми поверхностями. Механизм 7 приводится в движение с помощью приводного устройства 8а. Зона сбора конденсата использована в качестве жидкостного затвора для задания направления движения потока отработанного пара в конденсаторе-рекуператоре. Теплота пустых капсул 6 в значительной мере передается конденсату.

На фиг. 5 показана капсула 6, узел 12 открытия клапана 14 и узел подключения 11 для отвода конденсата из капсулы 6. Приводы, кинематика и уплотнения не показаны. В качестве узлов 12 открытия клапанов 14 могут быть использованы любые узлы, предназначенные для такой же цели и известные из уровня техники.

Другие возможные варианты выполнения настоящего изобретения, конкретно не упомянутые в настоящем описании, следует рассматривать как варианты настоящего изобретения, которые включены в объем формулы изобретения.

Предлагаемый способ рекуперации тепла отработанного пара реализуется с помощью конденсатора-рекуператора, показанного на фиг. 1-2, и работает следующим образом: Конденсатор-рекуператор соединен с преобразователем 3, из которого по магистрали 4а в конденсатор-рекуператор поступает отработанный пар, а так как полость конденсатора-рекуператора изначально разрежена, пар стремится заполнить весь его объем, при этом по мере продвижения к (холодной) зоне сбора конденсата он отдает теплоту встречным наполненным капсулам 6, остатки теплоты отработанного пара отводятся устройством охлаждения 10. Механизм 7 перемещает капсулы 6 с остановками, во время которых одна из капсул 6 в горячей зоне конденсатора-рекуператора узлом подключения 11 соединяется с полостью нагревателя 1, открывается нажатием узла 12 запорный клапан 14 капсулы 6, нагретый конденсат из капсулы 6 по магистрали 4 через управляемый клапан 9 перемещается в нагреватель 1. В это же время в зоне сбора конденсата конденсатора-рекуператора узлом 12а открывается клапан 14 одной из капсул 6, капсула при этом наполнятся конденсатом с максимальной плотностью (заштрихована). Предпочтительно узел 12а открытия клапанов 14 капсул 6 для наполнения их конденсатом, узел подключения 11 к капсулам 6 для отвода из них конденсата, механизм 7 перемещения капсул 6 выполнены с возможностью синхронной работы с заданным дискретным режимом в зависимости от теплового потока и других причин.

Перемещение капсул 6 через температурные зоны конденсатора-рекуператора проводят предпочтительно с использованием АСУ ТП.

В теплообмене также участвуют массы (пустых) капсул 6, большая часть теплоты от них передается встречным (наполненным) капсулам 6 однонаправленным потоком остывающего отработанного пара. Нагреватель 1 (котел) со стороны конденсатора-рекуператора отделен управляемым клапаном 9, сохраняющим давление в нагревателе 1 при смене капсул 6.

Способ работы конденсатора-рекуператора, показанного на фиг. 3 и фиг. 4, аналогичен способу работы конденсатора-рекуператора, показанного на фиг. 1 и фиг. 2. Зона сбора конденсата используется в качестве жидкостного затвора, для задания направления движения потока (показано маленькими стрелками на фиг. 4) отработанного пара из магистрали 4a в конденсаторе-рекуператоре. Теплота пустых капсул 6 в значительной мере передается конденсату. Двигающиеся капсулы 6 в противотоке подаваемому потоку отработанного пара забирают его теплоту, нагревая конденсат внутри капсул 6.

Использование предлагаемого способа рекуперации тепла отработанного пара позволяет значительно расширить использование теплосиловых установок.

1. Способ рекуперации тепла отработанного пара, включающий подачу отработанного пара на конденсацию и рекуперацию тепла, отличающийся тем, что конденсацию отработанного пара и рекуперацию его тепла проводят в конденсаторе-рекуператоре, заполненном капсулами (6) с возможностью их перемещения механизмом (7) относительно температурных зон конденсатора-рекуператора, в зоне сбора конденсата производят заполнение капсул (6) конденсатом, в зоне подачи отработанного пара производят отвод нагретого конденсата из капсул (6) для использования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конденсатор-рекуператор оборудуют устройством отвода тепла (10).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно конденсатор-рекуператор вакуумируют.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкостного затвора используют зону сбора конденсата для задания направления движения потока отработанного пара в конденсаторе-рекуператоре.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что корпус (5) конденсатора-рекуператора теплоизолируют.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что единичную капсулу выполняют из теплопроводящего материала и капсула представляет собой замкнутый объем, сообщающийся с внешней средой через запорный клапан (14).

7. Коденсатор-рекуператор для конденсации отработанного пара и рекуперации тепла отработанного пара, включающий корпус (5) с магистралью (4а) подачи отработанного пара и магистралью (4) отвода нагретого конденсата, отличающийся тем, что в конденсаторе-рекуператоре установлен механизм (7), с которым соединены капсулы (6) с запорными клапанами (14) с возможностью перемещения их относительно температурных зон конденсатора-рекуператора и возможностью открытия запорных клапанов (14) для заполнения конденсатом в зоне сбора конденсата конденсатора-рекуператора и для отвода нагретого конденсата из капсулы (6) в магистраль (4) в зоне подачи отработанного пара.

8. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что в зоне сбора конденсата установлен узел открытия (12a) запорного клапана (14) капсулы (6), а в зоне подачи отработанного пара установлены узел подключения (11) для соединения капсулы (6) с магистралью (4) и узел (12) открытия запорного клапана (14) капсулы (6).

9. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что корпус (5) теплоизолирован.

10. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что оборудован устройством отвода тепла (10).

11. Конденсатор рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что предварительно вакуумирован.

12. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что единичная капсула (6) выполнена из теплопроводящего материала и представляет собой замкнутый объем, сообщающийся с внешней средой через запорный клапан (14).

13. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что в качестве жидкостного затвора использована зона сбора конденсата для задания направления движения потока отработанного пара в конденсаторе-рекуператоре.

14. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что узел (12) открытия клапанов для заполнения конденсатом, узел подключения (11) капсул (6) к нагревателю (1) для отвода конденсата выполнены с возможностью синхронной работы с заданным дискретным режимом работы замкнутого механизма (7).

15. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что механизм (7) надет на два барабана (8), один из барабанов (8) натяжной, один приводной.

16. Конденсатор-рекуператор по п. 7, отличающийся тем, что имеет приводное устройство (8a) для перемещения механизма (7).

17. Конденсатор-рекуператор по любому из пп. 7-16, отличающийся тем, что корпус (5) имеет форму параллелепипеда.

18. Конденсатор-рекуператор по любому из пп. 7-16, отличающийся тем, что корпус (5) конденсатора-рекуператора образован двумя цилиндрическими поверхностями разных диаметров и двумя боковыми поверхностями.