RU2662260C1 - Method of contact liquid heating - Google Patents
Method of contact liquid heating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662260C1 RU2662260C1 RU2017139009A RU2017139009A RU2662260C1 RU 2662260 C1 RU2662260 C1 RU 2662260C1 RU 2017139009 A RU2017139009 A RU 2017139009A RU 2017139009 A RU2017139009 A RU 2017139009A RU 2662260 C1 RU2662260 C1 RU 2662260C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating
- liquid
- gas
- duct
- temperature
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J10/00—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor
- B01J10/02—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor of the thin-film type
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
- F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
- F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Air Supply (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к контактному нагреву жидкости газообразной средой, преимущественно к нагреву воды газообразными продуктами сгорания топлива для технологического или коммунально-бытового теплоснабжения, и может найти применение в различных областях народного хозяйства.The invention relates to the field of power engineering, in particular to contact heating of a liquid with a gaseous medium, mainly to heating water with gaseous products of fuel combustion for technological or domestic heating, and can find application in various fields of the national economy.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Известен способ нагрева текучих сред, преимущественно горючих и пожароопасных, включающий использование тепловой энергии горения топлива и дымовых газов для нагрева циркулирующего промежуточного теплоносителя, использование тепла дымовых газов при их противоточном течении в поверхностном теплообменнике с нагреваемой текучей средой, при этом теплом продуктов сгорания топлива испаряют промежуточный теплоноситель, парами теплоносителя разбавляют газы продуктов горения, газовой смесью нагревают в поверхностном теплообменнике текучую среду, после чего газовую смесь охлаждают в поверхностном теплообменнике холодным потоком нагреваемой текучей среды, конденсируют из нее циркулирующий промежуточный теплоноситель и возвращают на испарение. Газовую смесь перед нагревом текучей среды в поверхностном теплообменнике пропускают через огнепреградительную насадку. Возвращение промежуточного теплоносителя на испарение осуществляют самотеком столбом конденсата в рубашку и (или) на насадку. Часть тепла промежуточного теплоносителя отбирают и используют на бытовые или технологические нужды. Теплом радиации горения топлива через теплообменную поверхность испаряют жидкий теплоноситель (см. патент РФ на изобретение № 2295095, МПК F24H1/10, опубл. 10.03.2007 г.).A known method of heating fluids, mainly combustible and fire hazardous, including the use of thermal energy of combustion of fuel and flue gases to heat the circulating intermediate heat carrier, the use of heat of flue gases when they are counter-flowing in a surface heat exchanger with a heated fluid, while the intermediate products are evaporated with heat from the fuel combustion products coolant, dilute the gases of combustion products with coolant vapor, heat the gas mixture in a surface heat exchanger first medium, after which the gas mixture is cooled in a heat exchanger surface heated by a stream of cold fluid circulating condensed therefrom the intermediate heat transfer fluid and returned to the evaporation. The gas mixture before heating the fluid in a surface heat exchanger is passed through a flameproof nozzle. The return of the intermediate coolant to evaporation is carried out by gravity by a column of condensate in a shirt and (or) on the nozzle. Part of the heat of the intermediate coolant is taken and used for domestic or technological needs. Liquid heat carrier is evaporated through the heat of the fuel combustion radiation through the heat exchange surface (see RF patent for invention No. 2295095, IPC F24H1 / 10, publ. March 10, 2007).
Недостатком известного способа нагрева текучих сред является то, что использование поверхностного теплообменника создает дополнительные термические сопротивления теплоотдачи и теплопроводности теплообменной поверхности, снижающие интенсивность теплообмена, вызывает необходимость обслуживания и периодического ремонта поверхностного теплообменника, приводит к низкой надёжности работы, значительному увеличению габаритных размеров и металлоёмкости теплообменной системы.A disadvantage of the known method for heating fluids is that the use of a surface heat exchanger creates additional thermal resistance to heat transfer and heat conductivity of the heat exchange surface, which reduces the heat transfer rate, necessitates maintenance and periodic repair of the surface heat exchanger, leads to low reliability, a significant increase in the overall dimensions and metal consumption of the heat exchange system .
Известен способ контактного нагрева жидкости, включающий подвод холодной жидкости в контактный нагреватель, подачу газа и воздуха в погружную горелку, при этом давление воздуха выбирается больше суммы гидравлических сопротивлений собственно камеры сгорания подводящего воздуховода, гидростатического сопротивления слоя воды и сопротивления воды, которое вызывается силами поверхностного натяжения, смешение газа с воздухом в камере смешения, подачу газовоздушной смеси в камеру сгорания, подачу с помощью погружной горелки греющей газообразной среды в нагреваемую жидкость, с последующим выводом греющей газообразной среды из объёма жидкости через её поверхность, и отводом нагретой жидкости потребителю из контактного нагревателя (см. кн.: Соснин Ю.П. Контактные нагреватели. - М.: Стройиздат, 1974, с. 247, рис. 103).A known method of contact heating of a liquid, comprising supplying cold liquid to a contact heater, supplying gas and air to an immersion burner, wherein the air pressure is selected to be greater than the sum of hydraulic resistances of the combustion chamber of the inlet duct, hydrostatic resistance of the water layer and water resistance, which is caused by surface tension forces , mixing gas with air in the mixing chamber, supplying a gas-air mixture to the combustion chamber, feeding using a submersible burner heating gas medium into the heated liquid, with the subsequent withdrawal of the heating gaseous medium from the volume of liquid through its surface, and the removal of the heated liquid to the consumer from the contact heater (see the book: Sosnin Yu.P. Contact heaters. - M .: Stroyizdat, 1974, p. 247, Fig. 103).
Недостатками известного способа контактного нагрева жидкости являются низкие скорости движения сред в зоне теплообмена, снижающие интенсивность теплообмена, малая поверхность контакта греющей и нагреваемой среды, высокое аэродинамическое сопротивление устройства, что приводит к значительному увеличению габаритных размеров, металлоёмкости и перерасходу энергии на создание избыточного давления воздуха перед горелкой.The disadvantages of the known method of contact heating of the liquid are the low speeds of the media in the heat exchange zone, which reduce the heat transfer intensity, the small contact surface of the heating and heated media, the high aerodynamic resistance of the device, which leads to a significant increase in overall dimensions, metal consumption and energy consumption to create excess air pressure before burner.
Известен способ работы теплогенерирующей установки, включающий нагрев жидкой среды выхлопными газами с последующей передачей нагретой жидкой средой тепловой энергии потребителю тепла, при этом выхлопные газы направляют в газожидкостный струйный аппарат, где выхлопные газы сначала разгоняют в сопле с формированием за выходным сечением сопла газовой струи, далее организуют смешение жидкой охлажденной среды и выхлопных газов с частичной передачей жидкой среде тепловой и кинетической энергии струи выхлопных газов и формированием газожидкостного сверхзвукового потока смеси сред, затем организуют торможение потока смеси сред с формированием скачка давления, сопровождаемого интенсивным ростом давления газожидкостной смеси и завершением процесса теплообмена между жидкой средой и выхлопными газами, после чего газожидкостную смесь нагретой жидкой среды и выхлопных газов направляют в сепаратор, где выхлопные газы отделяют от нагретой жидкой среды и последнюю подают из сепаратора в систему потребления тепла, из которой охлажденная жидкая среда поступает в газожидкостный струйный аппарат с формированием, таким образом, контура циркуляции жидкой среды. При этом выхлопные газы из сепаратора откачивают и поддерживают в последнем давление ниже атмосферного (см. патент РФ на изобретение № 2144145, МПК F04F 5/54, F02C 6/18, опубл. 10.01.2000 г.).A known method of operation of a heat generating installation, including heating a liquid medium with exhaust gases, followed by transfer of heated liquid medium to thermal energy to a heat consumer, the exhaust gases are sent to a gas-liquid jet apparatus, where the exhaust gases are first accelerated in the nozzle with the formation of a gas jet nozzle behind the exit section, then they organize the mixing of liquid cooled medium and exhaust gases with partial transfer of thermal and kinetic energy of the exhaust stream to the liquid medium and the formation of gas a supersonic supersonic flow of a mixture of media, then a braking of the flow of a mixture of media is organized with the formation of a pressure jump, accompanied by an intense increase in the pressure of the gas-liquid mixture and the completion of the heat transfer process between the liquid medium and the exhaust gases, after which the gas-liquid mixture of the heated liquid medium and exhaust gases is sent to a separator, where the exhaust the gases are separated from the heated liquid medium and the latter is fed from the separator to the heat consumption system, from which the cooled liquid enters the gas-liquid minutes jet apparatus to form thereby the liquid medium circulation circuit. In this case, the exhaust gases from the separator are pumped out and the pressure is maintained below the atmospheric pressure (see RF patent for invention No. 2144145, IPC F04F 5/54, F02C 6/18, publ. 10.01.2000).
Недостатками известного способа работы теплогенерирующей установки являются большие затраты энергии на создание избыточного давления выхлопных газов, значительные габаритные размеры и металлоёмкость из-за сложности конструкции.The disadvantages of the known method of operation of a heat generating installation are the large energy costs for creating excess pressure of the exhaust gases, significant overall dimensions and metal consumption due to the complexity of the design.
Известен способ ректификации, абсорбции и подобных процессов при движении жидкости в тонком слое, увлекаемом трением быстродвижущегося газа, при восходящем прямоточном движении в каждом отдельном элементе, путем контакта жидкости с газом или паром внутри трубок произвольного сечения, в которых протекает газ или пар со скоростью, позволяющей увлекать жидкость по стенке трубки силою трения в направлении движения газа или пара (см. авторское свидетельство СССР № 118487, кл. B 01 D 53/14, опубл. 1959).A known method of rectification, absorption and similar processes during the movement of liquid in a thin layer, carried away by the friction of a fast-moving gas, with upward flow through each individual element, by contacting the liquid with gas or steam inside tubes of arbitrary cross section in which gas or steam flows at a speed allowing the fluid to be entrained along the tube wall by friction in the direction of gas or vapor movement (see USSR author's certificate No. 118487, class B 01 D 53/14, publ. 1959).
Недостатками известного способа является то, что при частичных нагрузках возникает режим захлебывания или пузырьковый режим с перекрытием жидкостью сечения трубок. По мере увеличения скорости газ выталкивает жидкую пробку из трубки. Такая гидравлическая и аэродинамическая неустойчивость может вызвать нарушение работы подключенных к контактному теплообменнику устройств и создать аварийные ситуации. Например, в случае нагрева жидкости продуктами сгорания из горелки, аэродинамическая неустойчивость и пульсация греющего газа может вызвать срыв пламени горелки с последующим взрывом. Кроме этого, жидкость может залить подводящий нижний газоход. Указанные недостатки снижают надёжность и безопасность теплообмена, препятствуют применению высокотемпературных греющих газов, требуют для повышения безопасности дополнительных технических решений, избыточной массы и габаритов устройств, создаваемых на основе данного способа. The disadvantages of this method is that at partial loads there is a flooding mode or bubble mode with a liquid overlapping the tube section. As the speed increases, the gas pushes the liquid plug out of the tube. Such hydraulic and aerodynamic instability can cause a malfunction of the devices connected to the contact heat exchanger and create emergency situations. For example, in the case of heating the liquid with combustion products from the burner, aerodynamic instability and pulsation of the heating gas can cause the burner flame to break off, followed by an explosion. In addition, the liquid may fill the inlet lower duct. These disadvantages reduce the reliability and safety of heat transfer, prevent the use of high-temperature heating gases, require additional technical solutions, overweight and dimensions of devices created on the basis of this method to increase the safety.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является известный способ тепло- и массообмена между газом и жидкостью, включающий контактирование газа и жидкости на поверхности плёнки жидкости, стекающей по внутренним стенкам вертикальных рабочих труб, подачу газа в нижнюю часть этих труб и подачу жидкости в верхнюю часть труб, при этом процесс ведут в три или более стадии, причем первую и последнюю по ходу газа стадии осуществляют в режиме устойчивого противотока, а средние, одну или несколько стадий, осуществляют в режиме захлебывания (см. патент РФ на изобретение № 2164441, МПК B01D 53/18; B01J 10/02, опубл. 27.03.2001 г.).The closest in technical essence to the proposed invention is a known method of heat and mass transfer between gas and liquid, comprising contacting the gas and liquid on the surface of the liquid film flowing down the inner walls of the vertical working pipes, supplying gas to the lower part of these pipes and supplying liquid to the upper part of the pipes, while the process is carried out in three or more stages, the first and last stages of the gas flow in a stable counterflow mode, and the middle, one or more stages, are carried out in flooding mode (see RF patent for invention No. 2164441, IPC B01D 53/18; B01J 10/02, publ. 03/27/2001).
Недостатками известного способа контактного нагрева жидкости газом является то, что использование пониженной скорости газов от 2,1 до 5,42 м/с, т.е. ламинарного или переходного режима движения (с целью поддержания желаемого режима захлебывания - неустойчивого противотока, т.е. режима зависания жидкости в виде неспокойной пленки на внутренних стенках трубы) по сравнению с обычной для газоходов скоростью (от 8 до 25 м/с) снижает турбулентность потока, коэффициент теплоотдачи от газов к жидкости, брызгообразование, исключает возникновение мелкодисперсного потока, ограничивает площадь контакта газа с жидкостью, интенсивность теплообмена и тем самым требует повышенных диаметров и массы рабочих труб. В данном способе работа в режиме захлебывания в случае увеличения скорости газа приводит к торможению вытекающей снизу жидкости, она перекрывает сечение трубы и препятствует газовому потоку, газ выталкивает жидкость как поршень и выбрасывает ее из трубы в беспорядочной форме. Такая гидравлическая и аэродинамическая неустойчивость влияет на функционирование подключенных к контактному теплообменнику других технологических устройств и может вызвать нарушение их работы и аварийные ситуации. Например, в случае использования в качестве греющего потока газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих из горелки, аэродинамическая неустойчивость и пульсация давления греющего потока может вызвать срыв пламени горелки и спровоцировать образование гремучей смеси с последующим взрывом. The disadvantages of the known method of contact heating a liquid with gas is that the use of a reduced gas velocity from 2.1 to 5.42 m / s, i.e. laminar or transitional mode of movement (in order to maintain the desired flooding mode - unstable counterflow, i.e., the mode of liquid hanging in the form of an unstable film on the inner walls of the pipe) compared with the usual speed for gas flues (from 8 to 25 m / s) reduces turbulence flow, heat transfer coefficient from gases to liquid, spray formation, eliminates the occurrence of a finely dispersed flow, limits the area of contact of the gas with the liquid, the heat transfer rate and thereby requires increased diameters and mass p bochih pipes. In this method, the operation in the choking mode in the case of an increase in the gas velocity leads to the inhibition of the liquid flowing from below, it blocks the cross section of the pipe and prevents the gas flow, the gas pushes the liquid out like a piston and throws it out of the pipe in an irregular shape. Such hydraulic and aerodynamic instability affects the functioning of other technological devices connected to the contact heat exchanger and can cause a malfunction and emergency situations. For example, in the case of using gaseous products of fuel combustion leaving the burner as a heating stream, aerodynamic instability and pulsation of the heating stream pressure can cause the burner flame to break off and cause the formation of an explosive mixture with subsequent explosion.
Кроме этого, при подаче газа в нижнюю часть рабочих труб, жидкость может залить подводящий газоход (что особенно нежелательно, например, при использовании, в качестве греющего потока газов, выходящих из электрооборудования, газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих из горелки, а также в других случаях отрицательного воздействия нагреваемой жидкости на элементы или материал подводящего газохода, особенно в условиях применения высокотемпературных греющих газов). Указанные недостатки снижают надёжность и безопасность теплообмена, препятствуют применению высокотемпературных греющих газов, вызывают избыточную массу и значительные габариты устройства, ограничивают область эффективного использования контактного нагрева жидкости газом.In addition, when supplying gas to the lower part of the working pipes, the liquid can fill the inlet duct (which is especially undesirable, for example, when using, as a heating stream, gases leaving the electrical equipment, gaseous products of fuel combustion leaving the burner, as well as other cases of the negative influence of the heated fluid on the elements or material of the supply gas duct, especially in conditions of application of high-temperature heating gases). These disadvantages reduce the reliability and safety of heat transfer, prevent the use of high-temperature heating gases, cause excess weight and significant dimensions of the device, limit the area of effective use of contact heating of the liquid with gas.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности контактного нагрева жидкости газом при снижении материальных и эксплуатационных расходов за счет улучшения условий нагрева, повышения надёжности и безопасности работы.The objective of the present invention is to increase the efficiency of contact heating of a liquid with gas while reducing material and operating costs by improving heating conditions, increasing reliability and safety.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является увеличение интенсивности нагрева жидкости за счёт расширения температурного диапазона греющих газов и увеличения температурного напора, повышения скорости движения и турбулентности газов с возникновением мелкодисперсного потока из газа и жидкости, повышения коэффициента теплоотдачи от газов к жидкости, увеличения площади контакта газа с жидкостью.The technical result achieved in solving this problem is to increase the intensity of heating the liquid by expanding the temperature range of the heating gases and increasing the temperature head, increasing the speed of movement and turbulence of gases with the occurrence of a fine stream from gas and liquid, increasing the heat transfer coefficient from gases to liquid, increasing area of gas-liquid contact.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе контактного нагрева жидкости, включающем контактирование потока греющего газа и слоя нагреваемой жидкости, стекающей вниз по внутренней поверхности газохода, согласно изобретению греющий газ подают в газоход сверху, при этом количество подаваемого греющего газа выбирается меньше, а нагреваемой жидкости - больше величин, вызывающих увеличение температуры внутренней поверхности газохода до температуры образования на ней накипи. The specified technical result is achieved by the fact that in the method of contact heating of the liquid, comprising contacting the flow of the heating gas and the layer of heated liquid flowing down the inner surface of the gas duct, according to the invention, the heating gas is supplied to the gas duct from above, while the amount of supplied heating gas is selected less and heated liquids - more values that cause an increase in the temperature of the inner surface of the duct to the temperature of scale formation on it.
Целесообразно, чтобы в качестве греющего газа были использованы продукты сгорания органического топлива, выходящие непосредственно из горелки. It is advisable that the products of combustion of fossil fuels exiting directly from the burner be used as heating gas.
Жидкость может подаваться в газоход несколькими потоками на разной высоте.The fluid can be fed into the duct several streams at different heights.
Нагрев жидкости может осуществляться в газоходе переменного сечения. Liquid heating can be carried out in a flue of variable cross-section.
Нагрев жидкости может осуществляться в газоходе, на внутренней поверхности которого имеются неровности, и/или шероховатости, и/или иные гидравлические сопротивления, уменьшающие скорость стекания слоя нагреваемой жидкости. Liquid heating can be carried out in a gas duct, on the inner surface of which there are irregularities, and / or roughness, and / or other hydraulic resistances that reduce the rate of runoff of a layer of a heated liquid.
Нагрев жидкости может осуществляться в газоходе, внутренняя поверхность которого обладает свойством смачиваемости нагреваемой жидкостью.The heating of the liquid can be carried out in the duct, the inner surface of which has the property of wettability of the heated fluid.
Подача греющего газового потока в газоход сверху, с нагревом жидкости в режиме прямотока, позволяет избежать: The supply of a heating gas stream to the gas duct from above, with the heating of the liquid in the forward flow mode, avoids:
- работы в неустойчивом режиме захлебывания; - work in an unstable flooding mode;
- торможения вытекающей снизу жидкости и перекрытия ею сечения канала (при увеличении скорости газа), препятствующего движению газового потока; - braking of the liquid flowing from below and overlapping the channel section (with increasing gas velocity), which impedes the movement of the gas stream;
- гидравлической и аэродинамической неустойчивости контактного теплообмена и тем самым соответствующего отрицательного влияния на функционирование подключенных к контактному теплообменнику других технологических устройств (например, срыва пламени газовой горелки и образования гремучей смеси с последующим взрывом); - hydraulic and aerodynamic instability of contact heat transfer and thereby the corresponding negative impact on the operation of other technological devices connected to the contact heat exchanger (for example, flameout of a gas burner and formation of an explosive mixture with subsequent explosion);
- залива нагреваемой жидкостью подводящего газохода (что особенно нежелательно, например, при использовании, в качестве греющего потока, газов, выходящих из электрооборудования, газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих из горелки, а также в других случаях отрицательного воздействия нагреваемой жидкости на элементы или материал подводящего газохода, особенно в условиях применения высокотемпературных греющих газов), обеспечивая повышение надёжности и безопасности нагрева, возможность увеличения скорости и температуры греющей газообразной среды, возможность создания миниатюрных контактных теплообменников с повышенным объёмным теплонапряжением. - filling the inlet gas duct with a heated liquid (which is especially undesirable, for example, when using gases leaving the electrical equipment, gaseous products of fuel combustion leaving the burner as a heating stream, and also in other cases of the negative effect of the heated liquid on the elements or material of the inlet gas duct, especially in the conditions of application of high-temperature heating gases), providing increased reliability and safety of heating, the possibility of increasing the speed and temperature of the heating gaseous medium, the possibility of creating miniature contact heat exchangers with increased volumetric heat stress.
Перемещение греющей газообразной среды в газоходе преимущественно со скоростью, обеспечивающей образование мелкодисперсного газо-жидкостного потока внутри газохода, но не превышающей предельную скорость, вызывающую недопустимую степень разрушения слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода и соответствующее недопустимое повышение температуры стенки газохода из-за разрушения газовым потоком слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода и ухудшения охлаждения стенки газохода жидкостью, приводит к повышению коэффициента теплоотдачи от газов к жидкости, увеличению площади контакта газа с жидкостью, а также сокращению объёма зоны теплообмена, габаритов и массы теплообменника.The movement of the heating gaseous medium in the duct mainly at a speed that ensures the formation of a finely dispersed gas-liquid flow inside the duct, but not exceeding the maximum speed, causing an unacceptable degree of destruction of the heated fluid layer on the inner surface of the duct and a corresponding unacceptable increase in the temperature of the duct wall due to destruction by the gas flow layer of heated fluid on the inner surface of the duct and the deterioration of the cooling wall of the duct by the liquid, leads to increasing the heat transfer coefficient from gases to liquid, increasing the area of gas-liquid contact, as well as reducing the volume of the heat exchange zone, dimensions and mass of the heat exchanger.
Распределение потока нагреваемой жидкости в виде плёнки по внутренней поверхности газохода обеспечивает низкую температуру стенки газохода и сокращение тепловых потерь через ограждающие поверхности, отсутствие пристенного кипения жидкости и накипеобразования на стенке газохода, снижение материальных и эксплуатационных расходов и увеличение ресурса работы за счет отсутствия высокотемпературного износа стенок газохода, использования дешёвой теплоизоляции и отсутствия затрат на удаление накипи, надёжную и безопасную работу.The distribution of the heated fluid stream in the form of a film on the inner surface of the duct ensures a low temperature of the duct wall and reduces heat loss through the enclosing surfaces, the absence of wall boiling of liquid and scale formation on the duct wall, the reduction of material and operating costs and the increase in service life due to the absence of high-temperature wear on the duct walls , the use of cheap thermal insulation and the lack of costs for descaling, reliable and safe operation.
Скорость, обеспечивающую образование мелкодисперсного газо-жидкостного потока внутри газохода определяют экспериментально по возрастанию скорости изменения выходных температур газа и жидкости при повышении скорости движения газов в газоходе.The speed that ensures the formation of a finely dispersed gas-liquid flow inside the gas duct is determined experimentally by increasing the rate of change of the outlet temperatures of the gas and liquid with increasing gas velocity in the gas duct.
При этом недопустимую степень разрушения слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода определяют по превышению предельно допустимого значения температуры стенки газохода.In this case, the unacceptable degree of destruction of the layer of heated fluid on the inner surface of the duct is determined by exceeding the maximum permissible temperature of the duct wall.
Массовый расход греющего газового потока, вызывающий повышение температуры внутренней поверхности газохода до температуры образования на ней накипи, определяется в процессе режимных испытаний установки, реализующей данный способ нагрева. Например, по замеренному расходу топлива рассчитывается массовый расход продуктов сгорания (греющего газового потока) при замеряемой термопарой температуре внутренней поверхности газохода, равной температуре образования на ней накипи, а появление накипи контролируется визуально по мере увеличения расхода топлива. The mass flow rate of the heating gas stream, causing an increase in the temperature of the internal surface of the gas duct to the temperature of scale formation on it, is determined during the on-site tests of the installation that implements this heating method. For example, the measured consumption of fuel calculates the mass consumption of combustion products (heating gas stream) at a thermocouple temperature measured on the inner surface of the duct equal to the temperature of scale formation on it, and the appearance of scale is visually controlled as fuel consumption increases.
Стандартная методика подобных испытаний изложена в книге Теплотехнические испытания котельных установок/В. И. Трембовля, Е. Д. Фингер, А. А. Авдеева. — М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 7–83, 147–261, 333–399.The standard methodology for such tests is described in the book Thermotechnical tests of boiler plants / V. I. Trembovlya, E.D. Finger, A.A. Avdeeva. - M.: Energoatomizdat, 1991, p. 7–83, 147–261, 333–399.
Массовый расход жидкости, вызывающий повышение температуры внутренней поверхности газохода, определяется в процессе режимных испытаний установки, реализующей данный способ нагрева. Например, массовый расход жидкости меняется регулирующим клапаном и замеряется стандартным расходомером при одновременном замере с помощью термопар температуры внутренней поверхности газохода до достижения ею заданной температуры.The mass flow rate of the liquid, causing an increase in the temperature of the internal surface of the duct, is determined during the regime tests of the installation that implements this heating method. For example, the mass flow rate of a liquid is changed by a control valve and measured by a standard flow meter while measuring the temperature of the internal surface of the duct using thermocouples until it reaches a predetermined temperature.
Предложенный способ контактного нагрева жидкости греющей газообразной средой осуществляют следующим образом.The proposed method of contact heating of a liquid with a heating gaseous medium is as follows.
В зону контактного теплообмена газохода, со свободно стекающим вниз по его внутренним стенкам слоем нагреваемой жидкости, сверху подают греющий газовый поток, например, выходящие из горелки продукты сгорания топлива. В качестве греющей газообразной среды также могут быть использованы либо горячий воздух, либо горячие газы технологических процессов, либо иной горячий газ, допускающий контактный теплообмен с жидкостью. При этом количество подаваемого греющего газа выбирается меньше, а нагреваемой жидкости - больше величин, вызывающих увеличение температуры внутренней поверхности газохода до температуры образования на ней накипи. In the zone of contact heat transfer of the flue, with a layer of heated liquid freely flowing down its inner walls, a heating gas stream is fed from above, for example, fuel combustion products leaving the burner. Either hot air, or hot gases of technological processes, or another hot gas allowing contact heat exchange with a liquid can also be used as a heating gaseous medium. In this case, the amount of supplied heating gas is selected less, and the heated liquid is more than the quantities causing an increase in the temperature of the inner surface of the duct to the temperature of scale formation on it.
Движение греющей газообразной среды в зоне контактного теплообмена газохода осуществляют преимущественно при скорости, обеспечивающей турбулентный режим её движения с образованием мелкодисперсного газожидкостного потока внутри газохода, но не превышающей предельную скорость, вызывающую недопустимую степень разрушения слоя нагреваемой жидкости на внутренней поверхности газохода и соответствующее недопустимое повышение температуры стенки газохода из-за ухудшения её охлаждения жидкостью. Затем, из нижней части зоны контактного теплообмена, отдельными потоками отводят греющую газообразную среду и нагретую жидкость, например, в соответствии с патентом РФ на изобретение № 2533591 (МПК F24H 1/10, опубл. 20.11.2014 г.) или иными известными способами.The movement of the heating gaseous medium in the zone of contact heat transfer of the flue is carried out mainly at a speed that ensures a turbulent mode of its movement with the formation of a finely dispersed gas-liquid flow inside the flue, but not exceeding the maximum speed, causing an unacceptable degree of destruction of the layer of heated fluid on the inner surface of the flue and a corresponding unacceptable increase in wall temperature gas duct due to the deterioration of its cooling liquid. Then, from the lower part of the contact heat exchange zone, the heating gaseous medium and heated liquid are withdrawn in separate streams, for example, in accordance with RF patent for invention No. 2533591 (IPC F24H 1/10, published on November 20, 2014) or other known methods.
Для подтверждения работоспособности и эффективности предложенного способа нагрева потока жидкости была изготовлена экспериментальная установка, содержащая: To confirm the operability and effectiveness of the proposed method for heating the fluid flow, an experimental setup was made containing:
- экспериментальный образец контактного газо-водяного нагревателя (КГВН) из тонкостенной меди массой 150 г с габаритными размерами 0,4×0,037×0,037 м, с патрубками подачи греющей газообразной среды (воздуха) и подвода холодной воды, с выходом нагретой воды и отводом греющей газообразной среды;- an experimental sample of a contact gas-water heater (KGVN) of thin-walled copper weighing 150 g with overall dimensions of 0.4 × 0.037 × 0.037 m, with nozzles for supplying a heating gaseous medium (air) and for supplying cold water, with the outlet of heated water and the discharge of heating gaseous medium;
- электрический нагреватель воздуха со встроенным вентилятором, цифровым дисплеем с выводом текущего значения температуры горячего воздуха; - an electric air heater with a built-in fan, a digital display with a conclusion of the current value of the temperature of hot air;
- цифровой термометр для измерения температуры выходящей греющей газообразной среды и температуры нагретой воды; - a digital thermometer for measuring the temperature of the outgoing heating gaseous medium and the temperature of heated water;
- сборный и мерный сосуды.- prefabricated and measured vessels.
Для нагрева воздуха был использован электрический нагреватель воздуха марки LEISTER TRIAC AT напряжением 220 В, мощностью 1600 Вт, с плавной регулировкой температуры нагрева воздуха в диапазоне 40…700°С и расходом воздуха 120…240 л/мин. Для измерения температуры выходящего из КГВН воздуха и воды применялся цифровой термометр марки МЕГЕОН 26300 с диапазоном измеряемой температуры от –50 до 300°C с разрешением 0,1°С.For air heating, an electric air heater of the LEISTER TRIAC AT brand was used with a voltage of 220 V, power of 1600 W, with smooth adjustment of the temperature of heating the air in the range of 40 ... 700 ° C and an air flow rate of 120 ... 240 l / min. To measure the temperature of the air and water leaving the CWHF, a MEGEON 26300 digital thermometer was used with a temperature range from –50 to 300 ° C with a resolution of 0.1 ° C.
Через патрубки экспериментального образца КГВН подводились греющий горячий воздух и холодная вода. На нагревателе воздуха выставлялась максимальная подача воздуха и начальная температура нагрева воздуха 40°С. Включалась подача холодной воды и с помощью мерного сосуда и секундомера выставлялся её расход в пределах 0,008…0,009 кг/с. В процессе замеров значение температуры горячего воздуха увеличивалось и считывалось с дисплея электрического нагревателя воздуха. С помощью сборного сосуда собиралась нагретая вода в течение 30…60 с. Температура нагретой воды замерялась в сборном сосуде с помощью цифрового термометра. С помощью мерного сосуда замерялась масса собранной нагретой воды. Сборный сосуд подводился под выход воздуха из экспериментального образца КГВН. С помощью цифрового термометра через каждые 5 мин производились замеры температуры воздуха, проходящего через сборный сосуд. Heating air and cold water were supplied through the nozzles of the experimental sample of the KGVN. The maximum air supply and the initial temperature of heating the air were set at 40 ° C on the air heater. The supply of cold water was turned on, and with the help of a measuring vessel and a stopwatch, its flow rate was set in the range 0.008 ... 0.009 kg / s. During the measurements, the temperature of the hot air increased and was read from the display of the electric air heater. Using a collection vessel, heated water was collected for 30 ... 60 s. The temperature of the heated water was measured in a collection vessel using a digital thermometer. Using a measuring vessel, the mass of collected heated water was measured. The collection vessel was brought under the exit of air from the experimental sample of the CVHF. Using a digital thermometer every 5 min, measurements were taken of the temperature of the air passing through the collection vessel.
При выводе установки на рабочий (установившийся) режим нагревателем воздуха задавалась температура нагрева воздуха в пределах 550…600°С и контролировалась по показаниям дисплея нагревателя, затем через каждые 5 мин с помощью сборного сосуда и цифрового термометра производились замеры температуры нагретой воды до достижения её постоянства. После достижения постоянства температуры воздуха, проходящего через сборный сосуд, с помощью цифрового термометра снималось значение температуры воздуха, выходящего из экспериментального образца КГВН. Также с помощью цифрового термометра замерялась температура холодной воды. When the unit was brought to the operating (steady-state) mode, the air heater set the temperature of air heating within 550 ... 600 ° C and was controlled by the display of the heater, then every 5 min using a collection vessel and a digital thermometer, the temperature of the heated water was measured until its constancy . After reaching the constancy of the temperature of the air passing through the collection vessel, using a digital thermometer, the temperature of the air leaving the experimental sample of the CVHF was taken. Also, using a digital thermometer, the temperature of cold water was measured.
В результате эксперимента были получены следующие результаты замеров: продолжительность сбора воды 38 с; масса собранной нагретой воды 0,33 кг; температура нагретой воды 36,4°С; температура горячего воздуха 570°С; температура выходящего воздуха 182 °С; температура холодной воды 13,7°С.As a result of the experiment, the following measurement results were obtained: duration of water collection 38 s; the mass of the collected heated water 0.33 kg; heated water temperature 36.4 ° C; hot air temperature 570 ° C; outlet air temperature 182 ° С; cold water temperature 13.7 ° C.
Для оценки эффективности предложенного способа нагрева жидкости по результату эксперимента в качестве примера были рассчитаны значения удельной массы и удельного объём КГВН, скорректированные на температурные условия работы топки водогрейного котла (0,0478 кг/кВт и 0,000137 м³/кВт). Полученные показатели многократно превосходят аналогичные показатели топок существующих конструкций водогрейных котлов (см. таблицу). To assess the effectiveness of the proposed method of heating the liquid according to the result of the experiment, the specific gravity and specific volume of the hot water boiler were calculated as an example, adjusted for the temperature conditions of operation of the furnace of the hot water boiler (0.0478 kg / kW and 0.000137 m³ / kW). The obtained indicators are many times higher than those of the furnaces of existing designs of hot water boilers (see table).
топок водогрейных котловWeight and size characteristics
fireboxes of hot water boilers
В ходе эксперимента была выявлена стабильность работы КГВН. Пульсации греющего и нагреваемого потоков отсутствуют. После прекращения работы КГВН следов накипи на стенках газохода не обнаружено. During the experiment, the stability of the CVHF was revealed. Ripples of heating and heated flows are absent. After the termination of the operation of the flue gas boiler, no traces of scale were found on the walls of the gas duct.
Из таблицы видно, что использование предложенного способа контактного нагрева жидкости позволяет на его основе создать, например, водогрейные котельные агрегаты, превосходящие по массогабаритным характеристикам известные типы конструкций. The table shows that the use of the proposed method of contact heating of the liquid allows on its basis to create, for example, hot-water boiler units that exceed the known types of structures in terms of their overall dimensions.
Использование предложенного способа контактного нагрева жидкости позволяет: Using the proposed method of contact heating of the liquid allows you to:
- повысить энергоэффективность нагрева жидкости греющей газообразной средой при снижении материальных, эксплуатационных расходов и уровня техногенного загрязнения окружающей среды, многократно сократить габаритные размеры, металлоёмкость и одновременно увеличить ресурс работы, надёжность и безопасность нагревателей при использовании высокотемпературных греющих газов; - to increase the energy efficiency of heating a liquid with a heating gaseous medium while reducing material, operating costs and the level of technogenic pollution of the environment, many times reduce overall dimensions, metal consumption and at the same time increase the service life, reliability and safety of heaters when using high-temperature heating gases;
- за счёт расширения температурного диапазона греющих газов сократить их расход и снизить мощность тягодутьевых устройств, благодаря умешенным потерям давления нагреваемой жидкости в зоне прямоточного контактного теплообмена сократить мощность насосного оборудования; - by expanding the temperature range of the heating gases to reduce their consumption and reduce the power of draft devices, due to the moderate pressure loss of the heated fluid in the area of direct-flow contact heat transfer to reduce the power of the pumping equipment;
- многократно повысить соотношение КПД теплообменника и затраченного на теплообменное устройство металла, в частности при использовании предлагаемого способа контактного теплообмена в качестве первой высокотемпературной ступени нагрева жидкости, например, в соответствии с патентом РФ на изобретение № 2533591 (МПК F24H 1/10, опубл. 20.11.2014 г.), а также сократить себестоимость тепловой энергии и значительно расширить область эффективного применения контактного нагрева.- repeatedly increase the ratio of the efficiency of the heat exchanger and the metal spent on the heat exchanger, in particular when using the proposed method of contact heat exchange as the first high-temperature stage for heating the liquid, for example, in accordance with RF patent for the invention No. 2533591 (IPC F24H 1/10, publ. 20.11 .2014), as well as reduce the cost of thermal energy and significantly expand the field of effective application of contact heating.
Claims (6)
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве греющего газа используют продукты сгорания органического топлива, выходящие непосредственно из горелки.
2. The method according to p. 1, characterized in that as the heating gas use products of combustion of fossil fuels coming directly from the burner.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жидкость подают в газоход несколькими потоками на разной высоте.
3. The method according to p. 1, characterized in that the liquid is supplied into the duct several streams at different heights.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев жидкости осуществляют в газоходе переменного сечения.
4. The method according to p. 1, characterized in that the heating of the liquid is carried out in a gas duct of variable cross-section.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев жидкости осуществляют в газоходе, на внутренней поверхности которого имеются неровности и/или шероховатости, и/или иные гидравлические сопротивления, уменьшающие скорость стекания слоя нагреваемой жидкости.
5. The method according to p. 1, characterized in that the heating of the liquid is carried out in the duct, on the inner surface of which there are irregularities and / or roughness, and / or other hydraulic resistances that reduce the rate of runoff of the layer of the heated fluid.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрев жидкости осуществляют в газоходе, внутренняя поверхность которого обладает свойством смачиваемости нагреваемой жидкостью.
6. The method according to p. 1, characterized in that the heating of the liquid is carried out in the duct, the inner surface of which has the property of wettability of the heated fluid.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139009A RU2662260C1 (en) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Method of contact liquid heating |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139009A RU2662260C1 (en) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Method of contact liquid heating |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2662260C1 true RU2662260C1 (en) | 2018-07-25 |
Family
ID=62981673
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017139009A RU2662260C1 (en) | 2017-11-09 | 2017-11-09 | Method of contact liquid heating |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2662260C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2065500A (en) * | 1979-12-19 | 1981-07-01 | Heat Extractor Corp | Heat extractor |
| SU1219130A1 (en) * | 1984-04-02 | 1986-03-23 | Ленинградский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Технологический Институт Им.Ленсовета | Gas-lift reactor |
| RU2124939C1 (en) * | 1995-10-03 | 1999-01-20 | Новожилов Василий Николаевич | Method of contacting gas and liquid and apparatus for its embodiment |
| RU2137050C1 (en) * | 1998-05-15 | 1999-09-10 | Чувашский государственный педагогический институт им.И.Я.Яковлева | Method of heating liquids |
| RU2164441C1 (en) * | 2000-03-01 | 2001-03-27 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт По Удобрениям И Инсектофунгицидам Им. Проф. Я.В. Самойлова" | Method of gas treatment with liquid and device for its embodiment |
-
2017
- 2017-11-09 RU RU2017139009A patent/RU2662260C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2065500A (en) * | 1979-12-19 | 1981-07-01 | Heat Extractor Corp | Heat extractor |
| SU1219130A1 (en) * | 1984-04-02 | 1986-03-23 | Ленинградский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Технологический Институт Им.Ленсовета | Gas-lift reactor |
| RU2124939C1 (en) * | 1995-10-03 | 1999-01-20 | Новожилов Василий Николаевич | Method of contacting gas and liquid and apparatus for its embodiment |
| RU2137050C1 (en) * | 1998-05-15 | 1999-09-10 | Чувашский государственный педагогический институт им.И.Я.Яковлева | Method of heating liquids |
| RU2164441C1 (en) * | 2000-03-01 | 2001-03-27 | Открытое Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт По Удобрениям И Инсектофунгицидам Им. Проф. Я.В. Самойлова" | Method of gas treatment with liquid and device for its embodiment |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Experimental and mathematical study of the spray flash evaporation phenomena | |
| EA006357B1 (en) | Heating system for liquids | |
| CA2381469A1 (en) | Heat transfer from a source to a fluid to be heated using a heat driven loop | |
| RU2662260C1 (en) | Method of contact liquid heating | |
| Kozhevnikov et al. | Condensing hot water boiler: applicability, design, research | |
| RU2646276C1 (en) | Gas heating boiler | |
| RU2295095C1 (en) | Method of heating fluid media and device for realization of this method | |
| JP4489775B2 (en) | Horizontal once-through boiler and its operation method | |
| Maghrabie et al. | Influence of shell and helically coiled tube heat exchanger position on its thermal performance | |
| CN206235022U (en) | Gas-fired condensing boiler and its heat-exchanger rig | |
| RU53410U1 (en) | DEVICE FOR GAS AND OIL HEATING | |
| RU2771721C1 (en) | Heat generating unit | |
| RU2236650C1 (en) | Contact water heater | |
| RU179851U1 (en) | Sub-arctic flue gas heat recovery unit | |
| WO2000068622A1 (en) | An absorption chiller | |
| RU202092U1 (en) | Water heating boiler | |
| RU2533591C1 (en) | Liquid heating method and liquid heater on its basis | |
| RU2639434C1 (en) | Device for burning fuels and heating process media | |
| RU2353861C1 (en) | Method of heating liquid heat carrier and device to this end | |
| CN206235023U (en) | Gas-fired condensing boiler | |
| Jugjai et al. | Heat transfer enhancement to cooling water pipe by a surface combustor heater equipped with a convection-radiation converter | |
| RU2253078C2 (en) | Heat exchanger for cooling steam-gas mixture | |
| SU142749A1 (en) | Water heater | |
| US3397679A (en) | Through-flow steam generator circuit | |
| Poškas et al. | Investigation of effect of cooling water characteristics on flue gas condensation along vertical tube heat exchanger |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191110 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20201105 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210122 Effective date: 20210122 |