CN109661542B - 锅炉给水箱能量回收系统 - Google Patents

Abstract

一种用于回收锅炉系统中的废热的设备和方法，其中，来自给水箱中的低压蒸汽的热量被用于其他应用，否则该热量将通过耗散而受到损失。特别是，以低压蒸汽形式回收的废热能可被用于加热锅炉系统的补给水。

Description

锅炉给水箱能量回收系统

相关申请的交叉引用

本申请为2016年8月26日提交的题为“锅炉给水箱能量回收系统”的美国专利申请号15/249,186的国际申请，该美国专利申请通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于在锅炉系统中回收废热的设备和方法，更具体地，涉及一种能够最小化从热应用中消散的废热的设备和方法。

背景技术

锅炉为密闭容器，在该容器中，水或其他流体在压力下被加热以产生蒸汽。蒸汽携带大量热能的能力使其成为有效的工作流体。然后将生成的蒸汽循环出锅炉，以用于各种过程或加热应用。例如，在传统的锅炉系统中，水在锅炉中在压力下被加热，产生可用于致动涡轮机或用于蒸汽压力机中的蒸汽。然而，在这种开放系统中，在过程期间可能会损失大量热能。

在一般的锅炉系统中，当工作流体的特性(即温度、压力、体积)由于工作或热交换而改变时，则说流体已经经历了“过程”。在一些过程中，压力、温度和体积之间的关系被指定为流体从一种热力学状态变为另一种热力学状态。最常见的过程是在过程中温度、压力或体积保持恒定的过程。如果流体经过各种过程然后最终返回到它开始的相同状态，则称该系统已经历了循环过程。

在一般的循环锅炉系统中，通过回收废热可以提高锅炉的热效率。在这种闭环系统中，在水进入锅炉之后，其通过外部热源加热以变成蒸汽，加压蒸汽可以施加到蒸汽动力装置以执行一些功能，诸如蒸汽动力熨斗。这导致蒸汽的温度和压力降低。为了回收废热，将蒸汽收集在冷凝器中，在冷凝器中将蒸汽冷却以变为饱和液体，即温热的给水。然后将这种温热的给水泵送回锅炉并重复循环。因为来自蒸汽的废热作为温热的给水再循环回到锅炉中，所以提高了系统的热效率。

在Shah的美国专利号6,196,163中公开了一种回收废热的方法。在Shah的专利中，经由反应器蒸汽夹套捕获热的冷凝物，然后将热的冷凝物再循环回锅炉中来回收热量。更具体地，高温蒸汽冷凝物从反应器蒸汽夹套收集到密闭容器中，在该容器中，压力为反应器蒸汽夹套中的最低压力，但高于大气压，这样使得由于压力下降而很少有蒸汽或没有蒸汽闪蒸。然后将蒸汽冷凝物送回锅炉。根据Shah的专利，锅炉节省的热量为通过这种方法节省的闪蒸蒸汽量和返回锅炉的更热冷凝物。

Shah描述的发明存在许多缺点。例如，对于Shah方法的操作，需要精细的泵系统，这不仅成本更高，而且还消耗额外的能量来操作，从而导致系统的整体效率降低。更重要的是，Shah描述的锅炉循环在冷凝物在给水箱中等待以被送回给锅炉时，经历了明显的热量损失。

在Choi的美国专利号7,331,312中公开了另一种回收废热的方法。在Choi的专利中，从给水箱中的给水中回收热量以加热用于热水箱的水。换句话说，Choi的发明使用锅炉系统中的热量来为第二系统加热水而受到损失。因此，Choi的发明不会提高锅炉系统的效率，而是提高第二系统的效率。尽管Choi系统利用给水箱中的等待循环回锅炉的给水的热量，但它不利用来自给水箱中的低压蒸汽的热量。

本发明利用来自给水箱中的低压蒸汽的热量，该低压蒸汽在高温给水等待被送回到锅炉时形成，以加热补给水源(例如城市地下水)，否则当高温给水消散到环境中时会受到损失。当蒸汽利用装置(诸如使用蒸汽熨烫衣服或其他纺织品的蒸汽压力机)使用蒸汽进行其过程时，需要补给水来补充损失的水。

另外，本发明还可以利用返回到给水箱的返回的冷凝物和低压蒸汽损失的热量来加热给水箱水，否则它们将作为低压蒸汽消散到空气中而受到损失。与Shah发明不同，Shah发明涉及一种通过精心设置的复杂设备防止热冷凝水闪蒸而重新捕获丢失的热量的方法，本发明通过将过多的热量转移用于加热给水箱中的水并在高温下保持给水箱中的水来防止热冷凝物闪蒸。

与Choi发明也不同，本发明涉及利用重新捕获的热量来提高锅炉系统的效率。类似地，本发明还利用来自低压蒸汽的热量，该低压蒸汽在给水箱中的高温给水等待循环回到锅炉系统中时形成。

更一般地，在废热通常被再循环回到锅炉中以提高锅炉效率的系统中，在当过程蒸汽冷凝成水并在给水箱中等待泵送回锅炉中的阶段，仍然浪费热量。在给水箱中等待时，热量会消散到环境中。然而，可以重新捕获从锅炉系统中的热冷凝物损失的热能以加热补给水并加热给水箱。在本发明中，以热冷凝水给水形式回收的废热能可以被用于加热给水箱中的等待再循环回蒸汽锅炉的给水和补给水源。

由于上述原因，需要一种用于回收锅炉系统中的废热的方法和设备，其可以最小化锅炉系统中的浪费的热能。

发明内容

本发明涉及一种用于回收锅炉系统中的废热的设备和方法。具有本发明特征的用于回收废热的设备包括密闭容器，例如锅炉，该密闭容器用于在压力下加热液体以产生第一蒸汽。例如，密闭容器通常通过蒸汽供应管连接到蒸汽利用装置，诸如涡轮机或蒸汽压力机。蒸汽利用装置继而通过冷凝物返回管连接到给水箱。

从蒸汽利用装置排出的热冷凝物和第二蒸汽作为给水被收集在通过冷凝物返回管连接到蒸汽利用装置的给水箱中。连接到给水箱的给水泵用于将温热的给水泵送回锅炉中。因此，本发明所述的锅炉系统包括在锅炉中加热的水的循环过程，以用于应用于蒸汽使用装置并作为温热的给水返回锅炉。

当过程蒸汽冷凝成水并在给水箱中等待泵送回锅炉时，锅炉系统经历明显的热损失。在冷凝物在给水箱中等待时，当给水箱的空气部分中形成低压蒸汽时，给水的温度冷却。然后来自低压蒸汽的热量消散到环境中。来自给水箱中的低压蒸汽的热量消散产生的废热可以被回收并用于加热进入系统的补给水源，以在蒸汽利用装置执行过程时补充损失的水。来自返回的冷凝物的热量也可用于加热给水箱中的水以将给水保持在高温下。这可以通过将热交换器放置在给水箱中来实现。

因此，具有本发明特征的用于回收废热的设备还包括热交换器，该热交换器为在锅炉系统的给水箱的蒸汽部分中使用的用于将热量从一种流体传递到另一种流体的装置。该热交换器具有来自补给水源(例如，城市地下水)的入口连接部，并且出口允许补给水源进入给水箱，其中该热交换器位于该给水箱的低压蒸汽部分内。

另外，具有本发明特征的用于回收废热的设备还可包括在锅炉系统的给水箱中使用的第二热交换器。第二热交换器具有来自冷凝物返回管的入口连接部，该冷凝物返回管连接到蒸汽利用装置(诸如蒸汽压力机)并且穿过给水箱的水部分延伸，并且出口位于给水箱的蒸汽部分内。该热交换器的出口部分将热冷凝物和低压蒸汽返回到给水箱。

如上所述，在给水箱的蒸汽部分中采用热交换器。该热交换器连接到补给水源(例如，城市地下水)，并允许补给水在被给水箱中的低压蒸汽加热后进入给水箱，否则所述低压蒸汽可能通过消散到大气中而受到损失。

另外，第二热交换器可以用在给水箱的水部分中。第二热交换器连接到蒸汽利用装置，该蒸汽利用装置将低压蒸汽返回到给水箱。返回到给水箱的冷凝物和第二蒸汽在热交换器中被重新捕获，以加热给水箱并使给水箱保持在高温下。给水箱中的更高温的给水也可以通过增加低压蒸汽中的热量来帮助提高第一热交换器的效率，所述低压蒸汽可以被用来加热从补给水源(例如，城市地下水)进入系统的补给水。

将给水箱中的给水保持在较高温度也有助于防止锅炉系统中的腐蚀。水吸收的氧气量与水的温度和压力成比例。水温越低，水可吸收的氧气就越多。在高于212°F的给水温度下，水吸收的氧气很少甚至没有。使用第二个热交换器可以将给水温度保持高达207°F。典型的锅炉系统将给水保持在约150°F。

给水箱还可采用化学入口连接部以允许处理给水以控制pH并防止系统中的结垢。酸性锅炉水会导致密闭锅炉系统的金属部件腐蚀。化学入口允许引入试剂以对抗在密闭的高压蒸汽锅炉系统中常见的腐蚀和结垢。

在本发明的一个实施例中，来自热交换器的入口连接部被连接到补给水源，并且补给水源经由穿过给水箱的蒸汽部分的管进入给水箱，其中，补给水源由给水箱中的低压蒸汽加热，否则在进入给水箱之前，低压蒸汽会在通过管道行进时消散到环境中而受到损失。

在本发明的一个实施例中，来自热交换器的入口连接部经由穿过给水箱的水部分延伸的管道进入给水箱，其中，来自返回冷凝物和低压蒸汽的热量加热给水箱中的等待返回蒸汽锅炉的水。来自热交换器的出口连接部在给水箱的蒸汽部分内终止，其中，来自蒸汽利用装置的低压蒸汽和冷凝物返回到给水箱以再次循环通过系统。

在本发明的另一个实施例中，来自热交换器的入口连接部被连接到补给水源，并经由管道连接到如下出口：该出口连接到位于给水箱的蒸汽部分内的蒸汽和水混合室。蒸汽和水混合室包含多个孔，其中允许给水箱中的低压蒸汽进入并与进入系统的补给水混合，从而在允许补给水源经由混合室上的孔进入给水箱之前，加热补给水源。

本发明具有几个优点。通过使用回收的废热，在补给水源进入锅炉之前加热补给水源，并加热等待再循环的给水，循环锅炉系统效率得以提高。如上所述，这通过在补给水源和给水箱中的低压蒸汽之间简单地使用热交换器以及在给水箱中的给水内使用第二热交换器来实现。热交换器的作用是提供从给水箱中的低压蒸汽到补给水源的有效热传递，并且第二热交换器的作用是提供从冷凝物返回到给水的有效热传递，从而在补给水进入锅炉之前预热补给水源并保持较高温度的给水。

附图说明

通过参考以下结合附图的详细描述，可以更好地理解本教导，其中：

图1为本发明一个实施例的示意图，其具有给水箱的横截面视图；以及

图2为本发明的给水箱的横截面视图，其包括第一和第二换热器的替代实施例。

具体实施方式

以下描述出于说明本发明的一般原理的目的而进行，并且不应被视为具有限制意义。通过参考所附权利要求最好地确定本发明的范围。

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

应当理解，当一个元件被称为在另一个元件“上”时，它可以直接在另一个元件上，或者可以在它们之间存在中间元件。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

应理解，尽管本文可使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或节段，但是这些元件、部件、区域、层和/或节段应该不受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层和/或节段与另一个元件、部件、区域、层和/或节段区分开。

应当理解，附图中所示的元件、部件、区域、层和节段不一定按比例绘制。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，除非语境另外清楚地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。应进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”或“具有”和/或“含有”指定所陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。

此外，本文可以使用诸如“下部”或“底部”、“上部”或“顶部”、“左”或“右”、“上方”或“下方”的相对术语来描述附图中所示的一个元件与另一个元件的关系。应当理解，除了附图中所示的取向之外，相对术语旨在包括装置的不同取向。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。应进一步理解，如在常用字典中定义的那些术语应被解释为具有与其在相关领域和本公开的语境中的含义一致的含义，并且不应被解释为理想化或过于正式的含义，除非本文明确地如此定义。

本文参考本发明的理想化实施例描述了本发明的示例性实施例。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差导致的图示形状的变化。因此，本发明的实施例不应被解释为限于本文示出的区域的特定形状，而是包括例如由制造导致的形状偏差。本文说明性地公开的本发明可适当地在不存在本文未具体公开的任何要素的情况下实施。

参考图1，用于回收废热的设备包括密闭容器101(例如锅炉)，其用于在压力下加热液体以产生蒸汽。密闭容器101可以为任何类型的锅炉，包括(但不限于)例如常规燃气锅炉、冷凝锅炉、组合锅炉和其他类型的油或电锅炉。图1中描绘为密闭容器101的锅炉具有排气管104。

密闭容器101通过蒸汽供应管105连接到蒸汽动力装置102。蒸汽动力装置102(诸如蒸汽压力机)利用蒸汽进行工作然后排出未使用的蒸汽(称为第二蒸汽)和冷凝物，其通过冷凝物返回管106由给水箱103接收，该冷凝物返回管连接给水箱103和蒸汽动力装置102。冷凝物返回管106通过第二热交换器107连接到给水箱103，其中第二热交换器的至少一侧与给水箱103中的给水接触。来自第二热交换器107中返回的第二蒸汽和冷凝物的热量可以用于加热在给水箱103中等待循环通过密闭容器101的给水109。

给水箱103可包括连接到给水管108的出口123，给水管108连接到第一水泵117，第一水泵117将给水109从给水箱103泵送到第二水泵118。第二水泵118继而通过密闭容器给水管119连接到密闭容器101。

第二热交换器107的出口允许冷凝物和第二蒸汽进入给水箱103，以等待泵送回到密闭容器101中。

给水箱103还可以包括与补给水源112(例如城市地下水)的连接部。补给水源112连接到位于给水箱103的低压蒸汽部分110内的第一热交换器113。第一热交换器113将来自低压蒸汽的重新捕获的热量施加到给水箱中以在补给水通过喷水器116排出之前加热进入给水箱的补给水，喷水器116用于调节进入给水箱103的补给水的流量。

给水箱103还可以包括浮子114，浮子连接到浮阀115，浮子可以通过关闭和打开浮阀115来调节给水箱中的水量以停止或开始来自补给水源112的补给水的流。

给水箱103可包括化学入口120。化学入口120允许引入试剂以控制给水箱103中的给水的pH，以防止锅炉系统的腐蚀并防止结垢。

给水箱103还可包括通风口121，以允许给水箱的低压蒸汽部分110中的过量蒸汽被释放。给水箱103还可包括给水排水口122，以在需要维护时排空给水箱103。

参考图2，第一热交换器201的替代实施例为蒸汽和水混合室。在给水箱103的低压蒸汽部分110中的蒸汽通过蒸汽和水混合室中的多个孔204进入热交换器，然后允许该蒸汽与通过喷水器116进入的来自补给水源112的补给水混合。热交换器允许重新捕获热量并将其用于加热通过补给水喷水器116进入第一热交换器201的补给水，否则所述热量将通过通风口121消散。

补给水源112可包括压力计203，该压力计用于通过调节水压来调节进入蒸汽和水混合室的补给水的流量。

图2中示出了第二热交换器202的替代实施例。第二热交换器202的替代实施例允许来自返回到给水箱103的冷凝物的热量进入第二热交换器202中并且被用于加热给水箱中的给水109。第二热交换器202的该替代实施例为在给水箱底部的腔室，其中，第二热交换器的至少一侧与给水箱中的给水接触。在第二热交换器202中的来自返回到给水箱的冷凝物的热量被重新捕获并且被用于通过第二热交换器202的与给水箱103中的供水109接触的侧面加热给水箱中的水。

第二热交换器202的替代实施例可包括冷凝物排出口205，以允许热交换器202根据需要(诸如用于维护)进行排放。

第一热交换器113和201的不同实施例以及第二热交换器107和202的不同实施例可以以任何组合使用。例如，第一热交换器113和第二热交换器202的替代实施例可以组合使用，或者第一热交换器201的替代实施例可以与第二热交换器107组合使用。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。说明书中描述的数值仅用于说明目的，并且不应理解为将本发明限制为精确的数字。本发明的范围不旨在受该详细描述的限制，而是受所附权利要求和权利要求的等同物的限制。

Claims (5)

1.一种锅炉系统，包括：

密闭容器，用于在压力下加热液体以产生第一蒸汽，所述密闭容器连接到蒸汽利用装置；

所述蒸汽利用装置被配置成利用所述第一蒸汽并排出第二蒸汽和冷凝物；

给水箱，所述给水箱连接到所述蒸汽利用装置，所述给水箱能够从所述蒸汽利用装置接收所述第二蒸汽和冷凝物；

所述给水箱进一步包括：

第一热交换器，位于所述给水箱的低压蒸汽部分内；

所述给水箱具有连接到补给水源的第一入口和位于所述给水箱的所述低压蒸汽部分中的第一出口；

其中，所述第一热交换器能够允许回收来自所述给水箱中的所述低压蒸汽的热量并将该热量用于加热从所述补给水源进入所述给水箱的补给水；

第二热交换器，

所述第二热交换器具有连接到所述蒸汽利用装置的第二入口，使得所述第二热交换器接收来自所述蒸汽利用装置的所述冷凝物和第二蒸汽；

所述第二热交换器具有位于所述低压蒸汽部分中的通向所述给水箱的第二出口，使得来自所述蒸汽利用装置的所述第二蒸汽和冷凝物返回到所述给水箱；

其中，所述第二热交换器能够将来自所述第二蒸汽和冷凝物的热量用于加热在所述给水箱中的等待循环回到所述密闭容器中的所述给水；

其中，所述给水箱连接到第一给水泵，所述第一给水泵用于将所述冷凝物作为给水而泵送回所述密闭容器中。

2.根据权利要求1所述的锅炉系统，还包括：

第二水泵，其中，所述第二水泵被配置成从所述第一给水泵接收给水以将所述给水泵送回所述密闭容器中。

3.根据权利要求1所述的锅炉系统，还包括：

浮阀，该浮阀连接到所述给水箱中的浮子，该浮子被配置成通过控制连接到所述补给水源的所述浮阀来调节所述给水箱中的所述给水的量。

4.根据权利要求1所述的锅炉系统，还包括：

在所述给水箱中的通风口，其中，所述通风口允许所述给水箱中的过量低压蒸汽消散到环境中。

5.根据权利要求1所述的锅炉系统，还包括：

连接到所述给水箱的化学入口阀，其中，试剂能被引入所述给水以控制所述给水的pH以防止所述系统内的腐蚀并防止结垢。

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