Процес рекуперації гідравлічної енергії теплоносія у системах теплопостачання із контактними водонагрівачами

Процес рекуперації гідравлічної енергії теплоносія у системах теплопостачання із контактними водонагрівачами, при якому повертають частину 3 згоряння у гідравлічну енергію потоку рідини, з ціллю її перекачування за допомогою насоса; - перетворення гідравлічної енергії тиску газів у камері згоряння ракетного двигуна у кінетичну енергію потоку продуктів згоряння, що за рахунок конфузора (сопла) з великою швидкістю виходить назовні. У поєднанні цих, окремо дуже відомих процесів і полягає суть винаходу - рекуперації (вилученні і повторному використанні) гідравлічної енергії теплоносія, при опаленні за допомогою водонагрівачів контактно-поверхневого типу. Це інженерне рішення дозволяє повернути для корисних цілей значну частку споживаної котельнею енергії, яка до цього часу витрачалася без користі в оточуючий простір. Винайдений в останнє десятиріччя у техніці опалення високоефективний водонагрівач контактно-поверхневого типу (надалі у тексті, скорочено КВН) здійснює нагрівання води за рахунок спалення природного газу. Вода, що нагрівається безпосередньо ллється крізь потік розжарених продуктів згоряння і контактуючи з ними забирає тепло. Цей процес вимагає щоб гідравлічна енергія теплоносія (води) була мінімальна, тобто вода не мала ані тиску, ані швидкості і знаходилась за атмосферним тиском. Втім, у тепловій мережі вода знаходиться під збитковим (вище атмосферного) тиском і рухається зі швидкістю. Приведення гідравлічних параметрів теплоносія до вимог КВН досягається дроселюванням води, тобто пропускаючи її через навмисне створений гідравлічний опір -дросель, у води відбирається її гідравлічна енергія і викидається в оточуючий простір, тобто витрачається нераціонально. Оскільки рівень цієї енергії складає значну частку від наданої гідравлічної енергії теплоносію за допомогою мережних насосів, коли вода спрямовувалася у теплову мережу, - загальна втрата енергії значна, і у діючих в наш час котельнях складає 25-35 % потужності мережного насоса. Для суттєвого зменшення витрат електричної енергії на перекачування теплоносія, цим винаходом здійснюється процес рекуперації гідравлічної енергії теплоносія, замість дроселювання. Досягається таке наступною послідовністю перетворень енергії: 1. Перетворення потенційної енергії тиску теплоносія у підвищення швидкості (кінетичної енергії), за допомогою конфузора (сопла). 2. Перетворення кінетичної енергії теплоносія, на виході за конфузором, у механічну енергію обертання, за допомогою гідравлічної ковшової турбіни. 3. Передача механічної енергії обертання турбіни на вал насоса будь-яким видом механічних передач, або безпосередньо поєднавши вал турбіни з валом насоса. 4. Перетворення механічної енергії обертання, за допомогою центробіжного насоса, у додаток кількості гідравлічної енергії теплоносія при направленні його у мережу опалення. Гарантією можливості реалізації запропонова 91637 4 ного процесу рекуперації є багатовіковий досвід розвитку гідравлічних установок, гідромоніторів, насосів, у тому числі парових, водо-водяних, із електричним приводом і приводом від двигунів внутрішнього згоряння. Ковшові турбіни не набули такого розвитку, як активні турбіни у гідроенергетиці, літакобудуванні та на потужних блоках теплових електростанцій, але у XIX сторіччі знаходили застосування у гірській місцевості із значною геодезичною різницею розташування водосховища, для виробництва електричної енергії. Тобто, величезна кількість аналогів кожної із окремих складових запропонованого процесу рекуперації, безумовно свідчить про можливість його реалізації. Розрахунки за допомогою рівнянь гідравліки показують, що енергія, яку несе теплоносій повертаючись на котельню з тепломережі складає: Ho M3 M1 Hc ; (кВт) Де: M3 - кВт - гідравлічна енергія теплоносія при поверненні у котельню, яку при дроселюванні викидають без користі тобто гублять; Ho - м. вод. стовпа, тиск теплоносія, що повертається на котельню; Hc - м. вод. стовпа - тиск теплоносія, що подається у теплову мережу; M1 - кВт - потужність на валу мережного насоса котельні. Втілення запропонованого процесу рекуперації дозволяє вилучити і корисно використати для «підкачки» теплоносія при спрямуванні його в тепломережу: Ho M5 M1 p Hc ; (кВт) Де: 0,6 p к. к. д. процесу рекуперації, що скла( 0,97) дається з к. к. д. конфузора к ; к. к. д. ко( т 0,86) вшової турбіни ; к. к. д. центробіжного ( н 0,75) насоса ; Якщо привести цей показник до значення відM повідної 5 кількості електричної енергії, яку споживає з електричної мережі, мережний насос котельні, кількість заощадженої електричної потужності становитиме: М5 Но р M51 М1 Нс н д н д ; (кВт) Де: 0,75 н - к. к. д. мережного насоса котельні 0,9 д - к. к. д. електродвигуна мережного насоса котельні. На Фіг. 1 графічно зображено принцип рекуперації де позначено: 1 - напірний потік нагрітого теплоносія, що за 5 допомогою мережного насоса поз.7 і насоса рекупераційного поз.6 подається у теплову мережу; 2 - напірний потік теплоносія, що віддав теплову енергію і повернувся у котельню; 3 - конфузор, що забезпечує перетворення енергії тиску у кінетичну енергію; 4 - ковшова турбіна, що перетворює усю кінетичну енергію в механічну, у витрати пов'язані з к. к. д. і зливає рідину у безнапірному стані; 8 газовий водонагрівач контактноповерхневого типу, що вимагає на вході, щоб теплоносій (вода) не мав напору і швидкості. Сучасні існуючі схеми, замість поз. 3, поз. 4 мають дросель, який відбирає тиск і швидкість, тобто енергію потоку, перетворюють її у тепло і розсіюють. На Фіг. 2 графічно зображено порівняння потоків енергії у разі традиційної схеми із дроселюванням і у разі застосування процесу рекуперації. У позначеннях літерою Т відмічені теплові потоки, які винаходом не розглядаються, літерою Е - потоки електричної енергії, літерою М - потоки механічної енергії у тому числі гідравлічної із потенційною і кінетичною складовими. Червоним кольором позначені втрати. 3 порівM няння видно, що потік 5 вилучений за рахунок M рекуперації з потоку 3 , поповнює енергію потоку M M1 , дозволяючи тим самим зменшити потік 7 , що отримується із електричної мережі. Аналітичні розрахунки базуються на рівняннях гідравліки і механіки. Основною формулою, що визначає потужність потоку: H G M 102 3600 [кВт]; Де: 1000 кГ/м3 - щільність рідини теплоносія; H - м. вод. стовпа - напір у рідині манометричний (збитковий) над атмосферним; G - м3/год - витрата потоку теплоносія на протязі години; 102 - дж / кг м - переводний коефіцієнт у системах СІ та МКС; 3600 - сек. - кількість секунд у годині. Для визначення кількості електричної енергії, яку необхідно отримати із електричної мережі, для надання потоку рідини необхідної енергії М, необхідно врахувати к. к. д. насосного агрегату: М Э дв. н ; [кВт] Де: 0,7 0,93 дв. к. к. д. електричного двигуна насоса в залежності від завантаження по потужності; 0,63 0,85 н к. к. д. центробіжного насоса в залежності від якості виготовлення, експлуатації і конкретного режиму гідравлічних параметрів. Для Фіг. 2 можуть бути, на основі балансу енергії, написані рівняння, що відображають роботу по традиційній схемі і із застосуванням процесу 91637 6 рекуперації. За дроселюванням: M1 M7 ; [1] M1 За процесом рекуперації: M1 M8 M5 ; [3] M2 M3 ; [2] M1 M2 M6 M7 M8 M5 ; [4] M5 ; [5] M7 M2 M6 M5 ; [6] Частка енергії, яка вилучається і використовуM ється за рахунок рекуперації складає 5 H0 Gc M5 M3 p p 102 3600 ; [кВт] M7 M5 M7 M5 M1 Hc Gc 102 3600 ; [кВт] H0 Gc 102 3600 102 3600 Hc Gc M7 Ho Hc p Ho Hc p [7] p [8] Тобто, потужність, яка вилучається при рекуперації, пропорційна тиску у зворотній гілці тепломережі і потужності мережного насоса на його валу, а також пропорційна к. к. д. рекупераційного гідравлічного обладнання, застосованого у процесі рекуперації. Для визначення кількості електричної енергії, на яку можливо зменшити електроспоживання, врахуємо к. к. д. мережного насоса і його електродвигуна: М7 Но р Э5 Нс дв. н ; [кВт]; [9] Ця формула дозволяє визначити для кожної котельні, що застосовує КВН, доцільність втілення винаходу «Процес рекуперації гідравлічної енергії теплоносія у системі теплопостачання із водонагрівачами контактно-поверхневого типу». За актуальність запропонованого процесу рекуперації і гарантії його впровадження можуть свідчити такі загально відомі аргументи: - Зростання цін на природний газ вимагає його використання з найбільшим к. к. д., а це забезпечується завдяки впровадженню саме водонагрівачів контактно-поверхневого типу; - Аварія у Алчевську з теплопостачанням, примусила віддавати перевагу невеликим котельням із обмеженими по розмірам тепловими мережами; - Зменшення одночасно витрат газу і витрат електричної енергії у галузі опалення сприяє стримуванню росту тарифів за опалення; - КВН, завдяки прямому контакту теплоносія (води) із продуктами згоряння мають значно ліпші, у порівнянні із іншими газовими водонагрівачами, екологічні показники. За рахунок бюджетних коштів у місті Олександрія Кіровоградської області споруджено 5 котелень з КВН у 2007-2008 p.p. Розрахунки на основі показників роботи і гідравлічних режимів показують наступне: 7 91637 М Значення 1 становить 9-45 кВт; Нс - 5-6,3 кГ/см2 або 50 - 63 м. вод. ст.; Но 2 - 2,5-3,5 кГ/см або 25-35 м. вод. ст.; н д - 67-78 %; 8 Розрахунок очікуваного к. к. д. рекупераційної установки, побудованої на основі принципу рекуперації, дає значення її к. к. д. 0,58-0,65. Економія електричної енергії за опалювальний сезон, відповідно цих даних, складає від 16,6 до 100 тис. кВт. год. Електричної енергії, а окупність витрат 4-5 місяців по кожній з котелень. - 0,94-0,87. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601