RU2491481C1 - Устройство для восстановления тепла - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам восстановления тепловой энергии выхлопных и дымовых газов. Технической задачей изобретения является создание простого и экономичного устройства и способа регенерации тепла. Технический результат изобретения достигается устройством теплового генератора для производства тепловой энергии, который содержит, по меньшей мере, одну печь, в которой происходит сгорание, один теплообменник, в котором охлаждаются продукты сгорания, указанный теплообменник, будучи огнетрубным котлом, расположен в одном или нескольких дымовых контурах, содержащих множество труб, содержащихся в наружном контейнере указанного теплового генератора, каждый конец указанного контейнера снабжен трубной пластиной для вставки указанной трубы и указанной печи, дымоход для их выпуска в атмосферу. Указанный тепловой генератор соединен посредством конвейера с одним или несколькими тепловыми источниками, которые являются внешними тепловыми источниками и отдельными от указанного теплового генератора и указанного конвейера, транспортирующего горячие газы от указанного одного или нескольких тепловых источников к указанному тепловому генератору для восстановления содержания энтальпии. Указанные горячие газы, выходящие из одного или нескольких источников тепла, являются газообразными продуктами сгорания, что указанный конвейер приспособлен для направления указанных газообразных продуктов сгорания для передачи их тепла в часть указанного теплообменника указанного теплового генератора. Технический результат изобретения достигается также устройством конвейера для транспортировки горячих газов

Description

Настоящее изобретение относится к устройству для восстановления тепловой энергии из дымом выхлопа и выхлопных газов тепловых двигателей и воздуха для охлаждения и вентиляции и(или) любого из компонентов или вспомогательных контуров соответствующих установок или других установок. В частности, изобретение относится к тепловым генераторам, приспособленным для работы в качестве устройств для восстановления тепла. Более точно, упомянутые тепловые генераторы представляют собой огнетрубные устройства.

Изобретение особо применимо в установках для совместного производства электрической и тепловой энергии, в частности, в секторе совместного микропроизводства электрической и тепловой энергии. Совместное производство (или "комбинированное производство") электрической и тепловой энергии основано преимущественно на использовании тепла, генерируемого термоэлектрическими генераторами на стадии выработки электроэнергии; такая "остаточная" энергия может использоваться в качестве источника тепла для обогрева зданий или в производственных или промышленных целях.

Одним из основных преимуществ совместного микропроизводства электрической и тепловой энергии состоит в том, что оно обеспечивает широко распространенное маломасштабное рассредоточенное производство электрической энергии для бытовых нужд, обслуживающего сектора и небольших предприятий с относительно невысокими потребностями в электроэнергии.

Препятствием для распространения совместного микропроизводства электрической и тепловой энергии является сложность выполнения требований минимальных затрат на единицу производимой мощности, выхода, надежности и эффективности на установках небольшой мощности. Вследствие этого, существующие системы совместного производства электрической и тепловой энергии имеют мощность от 100-300 кВт до нескольких мВт.

На рынке совместного микропроизводства электрической и тепловой энергии предлагаются в основном два варианта систем на основе общей концепции производства энергия, но с использованием первичного двигателя двух различных типов. В частности, могут использоваться газовые микротурбины мощностью от 50 до 100 кВт, а для менее мощных установок в качестве альтернативы могут использоваться двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклу Дизеля или предпочтительно по циклу Отто.

Тепловая энергия, производимая при работе первичного двигателя (будь то двигатель внутреннего сгорания или газовая микротурбина), частично рассеивается во внешнюю среду за счет излучения; хотя эта доля может быть эффективно уменьшена, большая часть тепловой энергии переносится в газообразные продукты сгорания (температура которых составляет от 350 до 600°C), отработавшие газы и воздух для охлаждения различных компонентов двигателя и вспомогательных контуров. Тепло обычно не регенерируется из воздуха для охлаждения преимущественно по причине его низкой энтальпии и коэффициента конвективного теплообмена, для чего необходимы теплообменники с большими теплообменными поверхностями, что отрицательно сказывается на отношении "затраты-выгода" установки для совместного производства электрической и тепловой энергии. Лишь в редких случаях воздух для охлаждения используют для нагрева воды обычно в альтернативных двигателях внутреннего сгорания.

В отличие от этого, уже разработаны устройства для регенерации тепла из дымов выхлопа первичного двигателя, несмотря на не очень высокую энтальпию и, в особенности, риск конденсации кислоты во время охлаждения.

Такие устройства обычно устанавливают после первичного двигателя; они могут представлять собой теплообменники (также известные как рекуператоры), в которых используется тепло газообразных продуктов сгорания, например, для предварительного нагрева воздуха для горения, или регенерационные печи, в которых газообразные продукты сгорания дожигают или просто охлаждают посредством теплообменников, предпочтительно рассчитанных на производство пара, горячей воды или перегретой воды.

В качестве примера, согласно GB 2271171 выхлопные горячие газы выпускаются одним или несколькими тепловыми источниками, охлаждаемыми по всей теплообменной поверхности теплообменника теплогенератора (в данном случае, огнетрубного котла). При этом в US 4313399 выхлопные горячие газы используются в качестве горючего в камере сгорания теплогенератора при достаточном содержании кислорода.

Тем не менее, установки для регенерации энтальпии газообразных продуктов сгорания первичного двигателя имеют серьезный недостаток, которым является их тесная взаимосвязь с самим двигателем. Вследствие этого, из-за нарушения работы первичного двигателя или устройства для регенерации тепла может пострадать общая эффективность системы совместного производства электрической и тепловой энергии.

Кроме того, техническое обслуживание двигателя и устройства для регенерации тепла является сложным, поскольку для этого обычно также необходимо останавливать работу нормально действующего компонента системы.

Помимо этого, для обеспечения требуемой пользователю температуры регенерации тепловой энергии необходимы регулирующие устройства. В итоге, существующие устройства для регенерации тепла являются относительно дорогостоящими с учетом обеспечиваемых ими выгод (регенерации тепловых потерь первичного двигателя).

Наконец, доставка регенерированной таким способом энергии возможным пользователям не всегда является простой задачей.

Если, как отмечалось выше, энтальпия воздуха для охлаждения первичного двигателя и его вспомогательных контуров с трудом поддается повторному использованию, ее регенерация из различных источников тепла промышленной установки, например, из охлаждающей системы установки для пластического формования, горячего воздуха лакокрасочных предприятий или дымов выхлопа устаревших малоэффективных промышленных печей и котлов является еще более затруднительной.

Также ясно, что в этих случаях основным вопросом является отношение "затраты-выгода", поскольку для каждого источника тепла необходимы специальные теплообменники и установки для транспортировки тепловой энергии.

Первой задачей настоящего изобретения является создание простого и экономичного с точки зрения количества используемой тепловой и электрической энергии способа регенерации тепла.

Второй задачей настоящего изобретения является создание способа регенерации тепла с низким уровнем выбросов загрязняющих веществ и отрицательного воздействия на окружающую среду.

Одной из дополнительных задач изобретения является создание способа регенерации тепла с высокой степенью гибкости с точки зрения количества регенерируемого тепла.

Одной из дополнительных задач изобретения является создание способа регенерации тепла с высокой степенью гибкости с точки зрения числа и типа установок, тепло которых может быть регенерировано.

Еще одной из дополнительных задач изобретения является создание способа объединения систем регенерации и выработки тепла с генераторами электрической и(или) механической энергии.

Другой задачей изобретения является создание средства для объединения первичного двигателя и огнетрубного котла с высокой степенью гибкости с точки зрения количества объединяемой электрической энергии.

Технический результат изобретения достигается устройством теплового генератора для производства тепловой энергии, который содержит:

- по меньшей мере, одну печь, в которой происходит сгорание;

- один теплообменник, в котором охлаждаются продукты сгорания, указанный теплообменник, будучи огнетрубным котлом, расположен в одном или нескольких дымовых контурах, содержащих множество труб, содержащихся в наружном контейнере указанного теплового генератора, каждый конец указанного контейнера снабжен трубной пластиной для вставки указанной трубы и указанной печи;

- дымоход для их выпуска в атмосферу.

Указанный тепловой генератор соединен посредством конвейера с одним или несколькими тепловыми источниками, которые являются внешними тепловыми источниками и отдельными от указанного теплового генератора и указанного конвейера, транспортирующего горячие газы от указанного одного или нескольких тепловых источников к указанному тепловому генератору для восстановления содержания энтальпии.

Указанные горячие газы, выходящие из одного или нескольких источников тепла, являются газообразными продуктами сгорания, а также тем, что указанный конвейер приспособлен для направления указанных газообразных продуктов сгорания для передачи их тепла в часть указанного теплообменника указанного теплового генератора.

В предпочтительном варианте теплового генератора указанная часть указанного теплообменника приспособлена для использования только для охлаждения указанных газообразных продуктов сгорания.

В предпочтительном варианте теплового генератора указанный конвейер, рассчитанный на транспортировку газообразных продуктов сгорания из одного или нескольких источников тепла в тепловой генератор, содержит наружную часть, соединенную с одним или несколькими источниками тепла и рассчитанную на сбор газообразных продуктов сгорания, и внутреннюю часть, отверстие которой соединено с трубной пластиной и служит для отсечения одной или нескольких труб теплообменника, которые образуют часть теплообменника, предназначенную для охлаждения газообразных продуктов сгорания. В предпочтительном варианте теплового генератора внутренняя часть способна перемещаться в сторону трубной пластины и отсекать одну или несколько труб, образующих часть теплообменника, предназначенную для охлаждения газообразных продуктов сгорания, или способна отдаляться от трубной пластины, в результате чего по всем трубам теплообменника поступают исключительно продукты сгорания, происходящего в печи генератора.

В предпочтительном варианте теплового генератора внутренняя часть перемещается в осевом направлении относительно наружной части, в которую она частично входит, при этом внутренняя часть и наружная часть соединены телескопическим соединением.

В предпочтительном варианте теплового генератора телескопическое соединение содержит кольцевые участки, при этом внутренняя часть способна поворачиваться относительно наружной части, в которую она частично входит.

В предпочтительном варианте теплового генератора центр отверстия находится на одной оси с наружной частью, при этом отверстие имеет такую форму сечения, что при его повороте образуется часть теплообменника, предназначенная для охлаждения газообразных продуктов сгорания.

В предпочтительном варианте теплового генератора центр отверстия внутренней части смещен относительно наружной части, при этом за счет поворота отверстия образуется часть теплообменника, предназначенная для охлаждения газообразных продуктов сгорания.

В предпочтительном варианте теплового генератора конвейер помещается и проходит через смотровой люк теплового генератора, при этом наружная часть конвейера герметически соединена со смотровым люком.

В предпочтительном варианте теплового генератора конвейер также содержит отсекающее средство, предназначенное для отсечения одного или нескольких источников тепла от теплового генератора, при этом упомянутым отсекающим средством является, в частности, дроссельный клапан, расположенный на наружной части.

В предпочтительном варианте теплового генератора часть теплообменника, отсеченная и ограниченная конвейером, содержит одну или несколько труб второго контура дымовых газов и(или) третьего контура дымовых газов.

В предпочтительном варианте тепловой генератор выполнен с установленным и действующим или уже предлагаемым на рынке смотровым люком, в котором помещается и через который проходит конвейер и который представляет собой вспомогательный люк, заменяющий стандартный люк теплового генератора.

В предпочтительном варианте теплового генератора горячие газы, выходящие из одного или нескольких источников тепла, также содержат воздух для охлаждения и(или) вентиляции, нагреваемый при охлаждении различных устройств одного или нескольких источников тепла, при этом воздух для охлаждения используется для поддержания сгорания в по крайней мере одной печи.

В предпочтительном варианте теплового генератора один или несколько источников тепла представляют собой двигатели и (или) тепловые генераторы и(или) с низким коэффициентом полезного действия и(или) охлаждающие батареи.

Технический результат изобретения достигается также устройством конвейера для транспортировки горячих газов из одного или нескольких источников тепла в описанный выше тепловой генератор для восстановления энтальпии.

Технический результат изобретения достигается устройством для восстановления тепла, которое содержит описанный выше тепловой генератор и один или несколько источников тепла, которые соединены друг с другом конвейером.

В предпочтительном варианте устройство для восстановления тепла представляет собой устройство для совместного производства электрической и тепловой энергии, при этом один или несколько источников тепла представляют собой двигатель для производства электрической и (или) механической энергии.

Технический результат изобретения достигается способом восстановления энтальпии горячих газов, выходящих из одного или нескольких источников тепла в описанном выше тепловом генераторе, в соответствии с которым вручную выбирают одну или несколько труб, отсекаемых конвейером и образующих часть теплообменника, предназначенную для охлаждения газообразных продуктов сгорания, при этом физические параметры газообразных продуктов сгорания являются преимущественно стабильными с течением времени и представляют собой, в частности, скорость потока и (или) температуру.

Технический результат изобретения достигается в способе восстановления энтальпии горячих газов, выходящих из одного или нескольких источников тепла, в соответствии с которым в описанном выше тепловом генераторе автоматически выбирают одну или несколько труб, отсекаемых конвейером и образующих часть теплообменника, предназначенную для охлаждения газообразных продуктов сгорания, посредством электронного устройства контроля, исходя из изменения раз за разом физических параметров газообразных продуктов сгорания, о которых информация поступает с соответствующего датчика, и которые представляют собой, в частности, скорость потока и (или) температуру.

Дополнительные задачи и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты из следующего далее подробного описания предпочтительного варианта осуществления в соответствии с формулой изобретения и со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые приведены лишь в качестве примера, а не с целью ограничения изобретения, и на которых:

на фиг.1 показан схематический вид в перспективе известного из техники теплового генератора,

на фиг.2 показана блок-схема устройства для регенерации тепла согласно настоящему изобретению,

на фиг.3а, 3б и 3в показаны три боковых и поперечных сечения устройства, проиллюстрированного на фиг.2, в частности, теплового генератора согласно первому варианту осуществления изобретения,

на фиг.4а и 4б показаны два боковых и поперечных сечения устройства, проиллюстрированного на фиг.2, в частности, теплового генератора согласно одному из дополнительных вариантов осуществления изобретения,

на фиг.4в показана одна из подробностей варианта осуществления, проиллюстрированного на фиг.4а и 4б.

На фиг.2 показано в целом устройство для регенерации тепла согласно изобретению, которое содержит один или множество типовых источников 2 тепла и тепловой генератор 3.

Как отмечалось выше, типовые источники 2 тепла могут представлять собой генераторы электрической и(или) механической энергии, такие как двигатели внутреннего сгорания, газовые микротурбины, паровые турбины, топливные элементы; более простые источники тепла, такие как тепловые генераторы с низким коэффициентом полезного действия, дымовые газы которых тем не менее могут использоваться для извлечения тепловой энергии; и даже еще более простые устройства, такие как батареи теплообменников охлаждающих систем установок, таких как установки для пластического формования или экструдеры.

В процессе эксплуатации источники 2 тепла излучают тепло преимущественно в виде горячих газов, т.е. газообразных продуктов F1 сгорания и(или) воздуха F2 для охлаждения и вентиляции, нагревающегося при охлаждении оборудования различных типов. Источниками 2 тепла могут являться, например:

двигатели внутреннего сгорания и газовые микротурбины, вырабатывающие тепло как в виде газообразных продуктов F1 сгорания, так и воздуха F2 для охлаждения и вентиляции вспомогательных контуров,

тепловые генераторы с низким коэффициентом полезного действия, вырабатывающие тепло в виде газообразных продуктов F1 сгорания,

батареи теплообменников охлаждающих систем, вырабатывающие тепло в виде воздуха F2 для охлаждения и вентиляции.

Часто количество и(или) температура горячих газов F1 и F2, вырабатываемых источниками 2 тепла, недостаточна для рентабельной и(или) экономичной регенерации тепла с использованием отдельных установок для регенерации.

На фиг.1 и 2 схематически показана камера сгорания (или печь) 31, теплообменник 32 и дымоход 36 теплового генератора 3. Согласно настоящему изобретению генератор 3 регенерирует энтальпию горячих газов F1 и F2, вырабатываемых источником 2 тепла. Более точно, газообразные продукты F1 сгорания с достаточно высокой температурой подают в теплообменник 32 для переноса тепла, а воздух F2 для охлаждения используется в самом генераторе 3 в качестве воздуха для горения печи 31. Не исключены другие условия эксплуатации, например, когда воздух F2 для охлаждения является достаточно горячим для его переработки аналогично газообразным продуктам F1 сгорания, и его подают в теплообменники 32, или наоборот, когда из-за низкой температуры или высокого содержания кислорода газообразные продукты F1 сгорания, как и воздух F2 для охлаждения должны подаваться в печь 31 вместе с воздухом для горения при условии, что они не будут отрицательно влиять на сгорание кислорода. Тепловым генератором 3 предпочтительно является устройство для выработки пара и(или) горячей воды и(или) диатермического масла, в частности, огнетрубный котел (смотри фиг.1).

Поскольку технология и принципы работы огнетрубного котла 3 (далее - котел) хорошо известны, в данном случае достаточно их краткого описания. Огнетрубный котел 3, схематически показанный на фиг.1 и на фиг.3а-4в, имеет обычно цилиндрическую печь 31, в которой происходит сгорание, и несколько труб 33, в целом образующих теплообменник 32 для переноса отработавших газов. Трубы 33 объединены в пучки (или контуры дымовых газов), по которым протекают газы, один или несколько раз проходящие через котел 3. Печь 31 и трубы 33 окружены водой А (в жидком или газообразном состоянии), находящейся в цилиндрической емкости 38, на каждом конце которой установлены трубные пластины 3801, входящие в печь 31 и трубы 33.

Более точно (смотри, например, фиг.3а), отработавшие газы, выходящие из печи 31, которая совпадает с первым контуром 3101 дымовых газов, проходят через первую инверсионную камеру 34, из которой они, удерживаемые сверху перегородкой 3401, поступают в трубы 33 второго контура 3302 дымовых газов, а затем во вторую инверсионную камеру 35, которая обычно расположена с передней стороны котла 3 (по направлению стрелок F на различных трубах 33 на фиг.1), и, наконец, после прохождения через третий контур 3303 дымовых газов достаточно охлажденные отработавшие газы поступают в дымоход 36. Позицией 37 на фиг.3а-4в схематически обозначен смотровой и эксплуатационный люк, обычно расположенный с передней стороны котла 3.

Котел 3 также имеет расположенные до печи 31 по меньшей мере горелку и соответствующий вентилятор (или нагнетатель) для подачи воздуха для горения (не показан на чертежах). Таким образом, описаны все известные компоненты котла 3. Согласно изобретению конвейер 4 перемещает газообразные продукты F1 сгорания по меньшей мере в одну часть теплообменника 32 для регенерации их тепловой энергии.

Смотровой люк 37 модифицирован по сравнению с известным уровнем техники с целью размещения проходящего через него конвейера 4.

Конвейер 4 имеет наружную часть 41, непосредственно или посредством каналов соединенную с одним или несколькими источниками 2 тепла для сбора их газообразных продуктов F1 сгорания, и внутреннюю часть 42 для соединения с одной или несколькими трубами 33 теплообменника 32 огнетрубного котла 3, в частности, с одной или несколькими трубами 33 по меньшей мере третьего контура 3303 дымовых газов, отверстие 4201 в которой прижато к передней трубной пластине 3801. Внутренняя часть 42 выполнена с возможностью поворота и перемещения в осевом направлении относительно наружной части 41, в которую она частично вставлена, и позволяет соединять конвейер 4 с одной или несколькими трубами 33 в зависимости от скорости потока и температуры газообразных продуктов F1 сгорания или не давать конвейеру 4 входить в контакт с трубами 33 при отсутствии газообразных продуктов F1 сгорания, из которых может быть регенерирована энергия. Соответственно, как показано на фиг.3а-3в, конвейер 4 предпочтительно представляет собой телескопический трубопровод, состоящий из наружной части 41, герметично соединенной со смотровым люком 37, и внутренней части 42, способной поворачиваться и перемещаться в осевом направлении относительно наружной части 41, в которую она частично вставлена, посредством телескопического соединения 5 (схематически проиллюстрированного на чертежах). В частности, упомянутый поворот обеспечивают кольцевые участки 4101 и 4205 соединения 5, к которым прикреплены наружная часть 41 и внутренняя часть 42 трубопровода 4 (смотри, в частности фиг.4в).

В качестве примера, никоим образом не ограничивающего объем изобретения, отверстие 4201 в подвижной внутренней части 42 предпочтительно имеет форму эллипса и(или) окружности. За счет осевого перемещения внутренней части 42 относительно неподвижной наружной части 41 отверстие 4201 приближается к трубной пластине 3801 внутри инверсионной камеры 35 и отсекает одну или несколько труб 33, а за счет его поворота осуществляется выбор труб 33 упомянутой пластины 3801, по которым будут поступать газообразные продукты F1 сгорания источника 2 тепла, и, следовательно, число проходов газообразных продуктов F1 сгорания через тепловой генератор 3.

Как показано на фиг.3а-3в и 4а-4в, трубы 33, отсеченные отверстием 4201, образуют часть 3201 теплообменника 32 котла 3, служащую для охлаждения только газообразных продуктов F1 сгорания одного или нескольких источников 2 тепла. Например, как показано на фиг.3а, трубопровод 4 способен соединяться с соответствующим числом труб 33, относящихся только к третьему контуру 3303 дымовых газов, а, как ясно показано на фиг.3б и(или) 3в, внутренняя часть 42 трубопровода 4 за счет своего поворота способна одновременно соединяться с множеством труб 33 третьего контура 3303 и по меньшей мере с одной трубой 33 второго контура 3302. В случае, проиллюстрированном на фиг.3а, газообразные продукты F1 сгорания источника 2 тепла проходят через тепловой генератор 3 лишь один раз посредством третьего контура 3303 дымовых газов, а в примере, проиллюстрированном на фиг.3б и(или) 3в, часть газообразных продуктов F1 сгорания проходит через котел 3 три раза. По существу, как показано на фиг.3б и 3в, часть газов F1 проходит через котел 3 в обратном направлении через одну или несколько труб 33 второго контура 3302 дымовых газов, затем их направление изменяется на противоположное в инверсионной камере 34, из которой они проходят через трубы 33 второго контура 3302 дымовых газов, не отсеченные отверстием 4201 трубопровода 4, а затем через третий и последний контур 3303 дымовых газов, и, наконец, поступают в дымоход 36. Ясно, что по трубам 33 любого контура дымовых газов, которые не отсечены отверстием 4201, продолжают поступать продукты внутреннего сгорания котла 3 или смесь упомянутых продуктов и упомянутых газообразных продуктов F1 сгорания (как по трубам 33 второго контура 3302, которые не предназначены исключительно для переноса газообразных продуктов F1 сгорания, как показано в примере, проиллюстрированном на фиг.3б) в направлении стрелок F и их векторного представления (обозначенного на чертежах, на которых "х" означает вектор, направленный внутрь страницы, а "<->" означает вектор, направленный наружу страницы).

Аналогичные соображения также относятся к варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.4а-4в, который отличается от предыдущего варианта осуществления тем, что отверстие 4201 трубопровода 4 имеет круглое (а не в целом эллиптическое) поперечное сечение.

В последнем случае для обеспечения поворота внутренней части 42 трубопровода 4 с целью выполнения описанного выше назначения центр отверстия 4201 должен быть смещен относительно центра неподвижной наружной части 41. Как показано на фиг.4в, внутренняя часть 42 имеет первый участок 4202, ось которого параллельна неподвижной наружной части 41, и другой участок 4203 (для соединения с трубной пластиной 3801 посредством его собственного отверстия 4201), ось которого параллельна оси первого участка, при этом оба участка 4202 и 4203 соединены посредством сочленения 4204. Трубопровод 4 завершает отсекающее средство 43, например, дроссельный клапан 43, расположенный в неподвижной части 41 и служащий для отсечения источника 2 тепла от котла 3 в случае нарушения работы или проведения обслуживания или при эксплуатации устройства 1 для регенерации тепла согласно настоящему изобретению в качестве традиционного огнетрубного котла 3.

В последнем случае клапан 43 должен быть закрыт, при этом подвижная внутренняя часть 42 трубопровода 4 втянута внутрь неподвижной части 41, в результате чего по всем трубам 33 котла 3 поступают исключительно продукты его внутреннего сгорания.

В непосредственно близости от отверстия 4201 трубопровода 4 также может быть установлен один или несколько магнитов (не показаны) для усиления соединения трубопровода 4 и трубной пластины 3801 и тем самым обеспечения идеальной герметичности. В качестве альтернативы, для прижатия отверстия 4201 к трубной пластине 3801 может использоваться любое известное из техники средство. Согласно возможным вариантам осуществления в дымоходе 36 может быть установлен дополнительный вентилятор (не показан) для усиления циркуляции газообразных продуктов F1 сгорания через огнетрубный котел 3 путем их нагнетания через трубы 33 его теплообменника 32. Из приведенного описания ясно следует, что соответствующее число труб 33, отсекаемых трубопроводом 4, и число проходов газообразных продуктов F1 сгорания через котел 3 зависит от множества факторов, таких как температура газообразных продуктов F1 сгорания на выходе из одного или несколько источников 2 тепла, их количество и, в более общем смысле, их тепловая энергия. Конфигурации, проиллюстрированные на фиг.3а и 4а (предусматривающие один проход газообразных продуктов F1 сгорания через котел 3), являются предпочтительными при низком рассеянии тепловой энергии (и(или) температуре) газообразных продуктов F1 сгорания, а конфигурации, проиллюстрированные на фиг.3б, 3в и 4б, или любая другая конфигурация, предусматривающая три прохода газов F1 через котел, является предпочтительной при более высоких величинах рассеяния тепловой энергии. В любом случае число труб 33, отсекаемых трубопроводом 4, и, следовательно, число проходов газов F1 через котел 3, имеет целью достижение максимально низкой температуры газообразных продуктов F1 сгорания на выходе из котла 3.

Если предполагается, что физические параметры (т.е. температура и скорость потока) газообразных продуктов F1 сгорания будут преимущественно стабильными с течением времени, конфигурация (в частности, угол поворота подвижной внутренней части 42 трубопровода 4) может выбираться вручную.

Тем не менее, предпочтительно иметь электронный блок управления для выбора наиболее приемлемой конфигурации трубопровода 4 в зависимости от изменений упомянутых физических параметров, которые определяют посредством специальных датчиков. Ясно, что чем большей является часть 3201 теплообменника 32, рассчитанная на газообразные продукты F1 сгорания, тем меньшая тепловая мощность может подаваться в печь 31, но модуляцию такой мощности автоматически обеспечивает средство управления, которым обычно снабжен тепловой генератор 3. По существу, мощность, подаваемая в печь, модулируется в соответствии с потребностями пользователя в тепловой энергии, которые обеспечиваются за счет снижения нагрузки печи 31 в случае присутствия газообразных продуктов F1 сгорания.

Как отмечалось выше, один или несколько источников 2 тепла могут предусматривать возможность регенерации в котле 3 помимо газообразных продуктов F1 сгорания также тепловой энергии воздуха F2 для охлаждения и вентиляции, например, компонентов двигателя и вспомогательных контуров самого источника 2 тепла, которая в противном случае рассеивалась бы в окружающую среду.

Согласно одному из предпочтительных и выгодных вариантов осуществления воздух F2 для охлаждения и вентиляции, имеющий более высокую температуру, чем температура окружающего воздуха (от 60°C до 90°C), известными способами подают непосредственно в печь 31 котла 3 и используют в качестве воздуха для горения. Соответственно, в этом случае источник 2 тепла служит устройством для предварительного нагрева воздуха для горения, обеспечивающего внутреннее сгорание в котле 3. Таким образом, за счет регенерации такой дополнительной тепловой энергии в котле 3 в сочетании с теплом, регенерированным из газообразных продуктов F1 сгорания, повышается общий кпд устройства 1 для регенерации тепла согласно изобретению. По существу, хорошо известно, что кпд водяного и(или) парового котла 3 зависит от температуры воздуха на впуске в горелку печи 31 и дымов выхлопа: чем ближе температура воздуха на впуске к температуре газа в дымоходе 36, тем выше выход тепловой энергии котла 3 и, соответственно, в целом, устройства 1 для регенерации тепла. Ясно, что специалисты в данной области техники смогут предложить множество дополнительных вариантов осуществления описанного устройства 1 для регенерации тепла, не выходящих за пределы объема прилагаемой формулы изобретения; кроме того, при практической реализации изобретения различные описанные выше компоненты могут быть заменены технически эквивалентными элементами.

Источником 2 тепла предпочтительно является первичный двигатель для выработки электроэнергии. Еще более предпочтительно таким первичным двигателем 2, как отмечалось выше, является двигатель внутреннего сгорания или газовая микротурбина, на основе двух общепринятых и надежных технологий, не требующих дополнительного описания. Соответственно, устройством 1 для регенерации тепла согласно этому предпочтительному варианту осуществления является установка для совместного производства электрической и тепловой энергии, к которой относятся все рассмотренные выше соображения.

По сравнению с известным уровнем техники в данном случае первичный двигатель 2 может не иметь традиционного встроенного рекуператора, поскольку он соединен (посредством конвейера 4) с котлом 3, в котором эффективно регенерируется тепло, которое в противном случае рассеивалось бы в виде газообразных продуктов F1 сгорания и воздуха F2 для охлаждения и вентиляции. Согласно другому варианту осуществления первичный двигатель 2 (или в целом источник 2 тепла) может быть соединен посредством телескопического трубопровода 4 с задней стороной огнетрубного котла 3, а не на уровне смотрового люка (соответствующим образом модифицированного для размещения трубопровода 4), как описано выше. Согласно значительно упрощенному варианту осуществления устройства 1 для совместного производства электрической и тепловой энергии (или в целом устройства 1 для регенерации тепла) и, в частности, конвейера 4 подвижная внутренняя часть 42 способна перемещаться только в осевом направлении относительно неподвижной части 41, но без поворота. Такая конфигурация является особо практичной, как отмечалось выше, когда физические параметры газообразных продуктов F1 сгорания являются преимущественно стабильными с течением времени, и часть 3201 теплообменника 32, рассчитанная на газообразные продукты F1 сгорания, может выбираться вручную.

В одном из дополнительных упрощенных вариантов осуществления конвейер 4 имеет только наружную часть 41 (далее для простоты - трубопровод 41), герметично соединенную со смотровым люком 37, но способную перемещаться в осевом направлении для соединения с трубами 33 теплообменника 32 котла 3, рассчитанными специально на газообразные продукты F1 сгорания. Соответственно, ясно, что устройство 1 для регенерации тепла, описанное в предпочтительном варианте осуществления и других вариантах осуществления, способно выполнять свое назначение, в частности, простым и экономичным способом регенерировать тепло из машин различных типов. Например, когда источником 2 тепла является первичный двигатель (хотя это также относится к более общему случаю любого альтернативного источника 2 тепла), за счет возможности выделения части теплообменника 32 котла 3 для охлаждения исключительно газообразных продуктов F1 сгорания первичного двигателя 2 и регенерации воздуха F2 для охлаждения и вентиляции значительно повышается общий кпд устройства 1 для совместного производства электрической и тепловой энергии и обеспечивается почти полная регенерация его тепловых потерь. Также ясно, что объединение существующего котла 3 с двигателем 2, применимым для производства электроэнергии, доступно с незначительными затратами для любого пользователя, который имеет возможность выбрать наиболее приемлемый размер для своего уровня потребления. Таким образом, устройства 1 для совместного производства электрической и тепловой энергии также способны обеспечивать потребности пользователей с высоким уровнем производства тепловой энергии и низким уровнем производства электроэнергии. Это легко осуществимо путем замены стандартного люка 37 огнетрубного котла 3 дополнительным люком для размещения и опоры конвейера 4.

За счет объединения газовой микротурбины или двигателя внутреннего сгорания с существующим или промышленным котлом 3 также значительно снижаются производственные издержки, поскольку в отличие от известного уровня техники для регенерации дымов выхлопа (и(или) воздуха для охлаждения) не требуются тесно связанные внутренние устройства. Описанное устройство 1 для совместного производства электрической и тепловой энергии также имеет более длительный срок службы, чем традиционные системы за счет возможности при необходимости отдельного обслуживания или замены первичного двигателя 2 и огнетрубного котла 3; кроме того, для ремонта или замены любого компонента не требуется прерывать, даже на время, производство электрической и(или) тепловой энергии. Наконец, тепловым генератором 3 также может являться водотрубный котел.

Claims (19)

1. Тепловой генератор (3) для производства тепловой энергии, содержащий:
по меньшей мере, одну печь (31), в которой происходит сгорание,
один теплообменник (32; 3201, 3101, 3302, 3303), в котором охлаждаются продукты сгорания, указанный теплообменник (32; 3201, 3101, 3302, 3303), будучи огнетрубным котлом расположен в одном или нескольких дымовых контурах (3101, 3302, 3303), содержащих множество труб (33), содержащихся в наружном контейнере (38) указанного теплового генератора (3), каждый конец указанного контейнера (38) снабжен трубной пластиной (3801) для вставки указанной трубы (33) и указанной печи (31),
и
дымоход (36) для их выпуска в атмосферу,
указанный тепловой генератор (3) соединен посредством конвейера (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) с одним или несколькими тепловыми источниками (2), которые являются внешними тепловыми источниками и отдельными от указанного теплового генератора (3) и указанного конвейера (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205), транспортирующего горячие газы (F1, F2) от указанного одного или нескольких тепловых источников (2) к указанному тепловому генератору (3) для восстановления содержания энтальпии,
отличающийся тем, что указанные горячие газы (F1, F2), выходящие из одного или нескольких источников (2) тепла, являются газообразными продуктами сгорания (F1), а также тем, что
указанный конвейер (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) приспособлен для направления указанных газообразных продуктов сгорания (F1) для передачи их тепла в часть (3201) указанного теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303) указанного теплового генератора.

2. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что указанная часть (3201) указанного теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303) приспособлена для использования только для охлаждения указанных газообразных продуктов сгорания (F1).

3. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что указанный конвейер (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205), рассчитанный на транспортировку газообразных продуктов сгорания (F1) из одного или нескольких источников тепла (2) в тепловой генератор (3), содержит: наружную часть (41), соединенную с одним или несколькими источниками тепла (2) и рассчитанную на сбор газообразных продуктов сгорания (F1), внутреннюю часть (42), отверстие которой (4201) соединено с трубной пластиной (3801) и служит для отсечения одной или нескольких труб (33) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), которые образуют часть (3201) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), предназначенную для охлаждения газообразных продуктов (F1) сгорания.

4. Тепловой генератор (3) по п.3, отличающийся тем, что внутренняя часть (42) способна перемещаться в сторону трубной пластины (3801) и отсекать одну или несколько труб (33), образующих часть (3201) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), предназначенную для охлаждения газообразных продуктов сгорания (F1), или способна отдаляться от трубной пластины (3801), в результате чего по всем трубам (33) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303) поступают исключительно продукты сгорания, происходящего в печи (31) генератора (3).

5. Тепловой генератор (3) по п.3 или 4, отличающийся тем, что внутренняя часть (42) перемещается в осевом направлении относительно наружной части (41), в которую она частично входит, при этом внутренняя часть (42) и наружная часть (41) соединены телескопическим соединением (5; 4101, 4205).

6. Тепловой генератор (3) по п.5, отличающийся тем, что телескопическое соединение (5; 4101, 4205) содержит кольцевые участки (4101, 4205), при этом внутренняя часть (42) способна поворачиваться относительно наружной части (41), в которую она частично входит.

7. Тепловой генератор (3) по п.3, отличающийся тем, что центр отверстия (4201) находится на одной оси с наружной частью (41), при этом отверстие (4201) имеет такую форму сечения, что при его повороте образуется часть (3201) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), предназначенная для охлаждения газообразных продуктов сгорания (F1).

8. Тепловой генератор (3) по п.3, отличающийся тем, что центр отверстия (4201) внутренней части (42) смещен относительно наружной части (41), при этом за счет поворота отверстия (4201) образуется часть (3201) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), предназначенная для охлаждения газообразных продуктов (F1) сгорания.

9. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что конвейер (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) помещается и проходит через смотровой люк (37) теплового генератора (3), при этом наружная часть (41) конвейера (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) герметически соединена со смотровым люком (37).

10. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что конвейер (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) также содержит отсекающее средство (43), предназначенное для отсечения одного или нескольких источников (2) тепла от теплового генератора (3), при этом упомянутым отсекающим средством (43) является, в частности, дроссельный клапан, расположенный на наружной части (41).

11. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что часть (3201) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), отсеченная и ограниченная конвейером (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205), содержит одну или несколько труб (33) второго контура (3302) дымовых газов и(или) третьего контура (3303) дымовых газов.

12. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с установленным и действующим или уже предлагаемым на рынке смотровым люком (37), в котором помещается и через который проходит конвейер (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) и который представляет собой вспомогательный люк, заменяющий стандартный люк теплового генератора (3).

13. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что горячие газы (F1, F2), выходящие из одного или нескольких источников (2) тепла, также содержат воздух (F2) для охлаждения и(или) вентиляции, нагреваемый при охлаждении различных устройств одного или нескольких источников (2) тепла, при этом воздух (F2) для охлаждения используется для поддержания сгорания в по крайней мере одной печи (31).

14. Тепловой генератор (3) по п.1, отличающийся тем, что один или несколько источников (2) тепла представляют собой двигатели и(или) тепловые генераторы и(или) с низким коэффициентом полезного действия и(или) охлаждающие батареи.

15. Конвейер (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) для транспортировки горячих газов (F1, F2) из одного или нескольких источников тепла (2) в тепловой генератор (3) по одному или нескольким предшествующим пп.1-14, для восстановления энтальпии.

16. Устройство для восстановления тепла (1), содержащее тепловой генератор (3) по одному или нескольким предшествующим пп.1-14 и один или несколько источников тепла (2), которые соединены друг с другом конвейером (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205).

17. Устройство (1) для восстановления тепла по п.16, отличающееся тем, что оно представляет собой устройство (1) для совместного производства электрической и тепловой энергии, при этом один или несколько источников (2) тепла представляют собой двигатель (2) для производства электрической и(или) механической энергии.

18. Способ восстановления энтальпии горячих газов (F1, F2), выходящих из одного или нескольких источников тепла (2) в тепловом генераторе (3), по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что вручную выбирают одну или несколько труб (33), отсекаемых конвейером (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) и образующих часть (3201) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), предназначенную для охлаждения газообразных продуктов (F1) сгорания, при этом физические параметры газообразных продуктов сгорания (F1) являются преимущественно стабильными с течением времени и представляют собой, в частности, скорость потока и(или) температуру.

19. Способ восстановления энтальпии горячих газов (F1, F2), выходящих из одного или нескольких источников тепла (2) в тепловом генераторе (3), по любому из предшествующих пп.1-17, отличающийся тем, что автоматически выбирают одну или несколько труб (33), отсекаемых конвейером (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) и образующих часть (3201) теплообменника (32; 3201, 3101, 3302, 3303), предназначенную для охлаждения газообразных продуктов (F1) сгорания, посредством электронного устройства контроля, исходя из изменения раз за разом физических параметров газообразных продуктов сгорания (F1), о которых информация поступает с соответствующего датчика, и которые представляют собой, в частности, скорость потока и(или) температуру.

Images