BE1022816B1

BE1022816B1 - Warmtewisselaar en werkwijze voor het genereren van stoom

Info

Publication number: BE1022816B1
Application number: BE2015/5560A
Authority: BE
Inventors: Sander Mollet
Original assignee: Smo Bvba
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2016-09-13

Abstract

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar (100) voor het genereren van stoom, omvattende: een buitenmantel, een warmtekamer binnen genoemde buitenmantel opgesteld voor het generen van een verhitte gasstroom; en een verhittingszone omvattende meerdere hoofdzakelijk verticaal opgestelde, dubbelwandige vlampijpen binnen genoemde buitenmantel opgesteld, waarbij een of meerdere vlampijpen aan de bovenzijde aansluiten op een dubbelwandig bovenvlak en aan de onderzijde aansluiten op een dubbelwandig grondvlak. Verder heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het genereren van stoom en het gebruik van genoemde warmtewisselaar met een microstoomturbine.

Description

WARMTEWISSELAAR EN WERKWIJZE VOOR HET GENEREREN VAN STOOM TECHNISCH VELD

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar en werkwijze voor het genereren van stoom. In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op mantels en leidingen in dewelke stoom wordt gegenereerd.

ACHTERGROND

Inrichtingen voor het opwekken van elektrische stroom zijn een belangrijk onderwerp van onderzoek, gezien de wereldwijde nood aan nieuwe of alternatieve elektriciteitsgeneratoren. In deze context is de evolutie van de microstoomturbine in recente jaren een belangrijke ontwikkeling. Dergelijke microstoomturbines zijn compact en kunnen aldus ingezet worden op locatie bij gezinnen, kantoren, ziekenof verzorgtehuizen en zelfs industriële bedrijven.

De microstoomturbines worden aangedreven door middel van stoom dewelke in een stoomgenerator wordt opgewekt. Stoomgeneratoren zijn reeds bekend uit de stand der techniek.

Zo beschrijft WO 2013/048269 een warmtewisselaar voor een condensatieketel voorzien van vloeistof-, gas- en rook- in- en uitlaataansluitingen. De warmtewisselaar omvat verder een buitenmantel die omheen de verbrandingskamer is gemonteerd en het bovenste gedeelte van de verbrandingskamer omsluit, waarbij een set verticale pijpen of vlampijpen is aangebracht. De uiteinden van pijpen zijn bevestigd aan de zeefwanden, waarbij de bovenste zeefwand de bodem van de verbrandingskamer vormt. De zeefwanden zijn overwegend dwars aangebracht ten opzichte van de pijpelementen. De verbrandingskamer is voorzien in de vorm van een afgeknotte kegel waarvan de diameter afneemt naar boven toe, waarbij de ruimte tussen de zijwand van de verbrandingskamer en de buitenmantel en de ruimte onder de verbrandingskamer onderling verbonden zijn tot één fluïdumkamer.

Deze stoomgeneratoren werken bij overdrukken die aanzienlijk kunnen oplopen, d.i. meer dan 0.5-1 bar, waardoor bijkomende veiligheidsmaatregelen in acht genomen dienen te worden. De beveiliging van druktoestellen tegen zowel persoonlijke als materiële schade is van het hoogste belang bij ingebruikname. Daartoe werd in 1999 de PED normering opgesteld. Opdat een installatie binnen de nodige veiligheidsgrenzen kan werken, dient het product van het volume van een vloeistof en de druk in die vloeistof kleiner te zijn dan een vooropgestelde waarde. Door de relatief hoge drukken die in het circuit van een stoomgenerator ontstaan, is het voor installaties volgens de huidige stand der techniek echter onmogelijk om aan de vereiste veiligheidsvoorwaarden te voldoen.

De onderhavige uitvinding tracht te voorzien in een oplossing voor een of meerdere van voornoemde problemen of tekortkomingen door te voorzien in een warmtewisselaar of stoomgenerator dewelke in veilige omstandigheden kan opereren.

SAMENVATTING

Tot dit doel verschaft de uitvinding een warmtewisselaar en werkwijze voor het voor het genereren van stoom volgens conclusies 1 tot 15.

Tot dit doel verschaft de uitvinding in een eerste aspect een warmtewisselaar (100) voor het genereren van stoom, omvattende: - een buitenmantel (110), - een warmtekamer (120) binnen genoemde buitenmantel opgesteld voor het generen van een verhitte gasstroom; en - een verhittingszone (130) omvattende meerdere hoofdzakelijk verticaal opgestelde, dubbelwandige vlampijpen (131) binnen genoemde buitenmantel (110) opgesteld, waarbij een of meerdere vlampijpen (131) aan de bovenzijde aansluiten op een dubbelwandig bovenvlak (132a, 132b) en aan de onderzijde aansluiten op een dubbelwandig grondvlak (133a, 133b).

Dit heeft als voordeel dat de vlampijpen voorzien in twee separate circuits dewelke warmte aan elkaar kunnen overdragen. Zo kunnen de verbrandingsgassen dewelke worden gegenereerd in de warmtekamer doorheen een eerste circuit worden geleid, terwijl water doorheen een separaat circuit kan worden geleid. Doordat de vlampijpen meerwandig zijn voorzien, kunnen de volumes van de separate circuits eenvoudig worden gedimensioneerd naargelang de veiligheidsvereisten.

In een tweede aspect verschaft de uitvinding een werkwijze voor het genereren van stoom door middel van een warmtewisselaar omvattende een warmtekamer en een verhittingszone omvattende meerdere dubbelwandige vlampijpen, omvattende de stappen van: - het genereren van een verhitte gasstroom in genoemde warmtekamer; en - het leiden van genoemde verhitte gasstroom doorheen genoemde vlampijpen; waarbij een waterfilm doorheen de dubbele wand van genoemde vlampijpen wordt gevoerd.

In een derde aspect verschaft de uitvinding een gebruik van een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding voor het opwekken van stoom, waarbij genoemde stoom vervolgens in een microstoomturbine wordt omgezet tot elektriciteit.

BESCHRIJVING VAN DE FIGUREN

De expliciete karakteristieken, voordelen en objectieven van de onderhavige uitvinding zullen verder duidelijk worden voor de vakman in het technisch veld van de uitvinding na lezen van de hier volgende gedetailleerde beschrijving van de uitvoeringsvorm van de uitvinding en van de figuren hierin bijgesloten. De figuren dienen daartoe de uitvinding verder toe te lichten, zonder daarbij de omvang van de uitvinding te beperken.

Figuur 1 tot 10 stellen een vereenvoudigde weergave voor van een warmtewisselaar met dubbelwandige vlampijpen volgens het eerste aspect van de uitvinding.

Figuur 1 toont een schematische voorstelling van het principe van de onderhavige uitvinding.

Figuur 2 toont een schematische voorstelling van een warmtewisselaar 100, waarbij een hoekuitsnede is geïllustreerd om aldus de inwendige elementen te visualiseren. Figuur 3 toont een bovenaanzicht van de warmtewisselaar 100, waarbij de buitenmantel 110 niet getekend is om de inwendige elementen zichtbaar te maken. Figuur 4 toont een verticale dwarsdoorsnede van de warmtewisselaar 100.

Figuur 5 is een detailvoorstelling van de dubbelwandige vlampijpen 131 in het dubbelwandig boven- 132 en grondvlak 133 in perspectief.

Figuur 6 toont de detailvoorstelling van Figuur 5 in zijaanzicht.

Figuur 7 toont een bovenaanzicht van de dubbelwandige vlampijpen 131 in het dubbelwandig boven- 132 en grondvlak 133.

Figuur 8 is toont een bovenaanzicht van de horizontale sectie VII in Figuur 5.

Figuur 9 is een uitsnijding van het bovenvlak 132 zoals weergegeven in Figuur 6. Figuur 10 is een uitsnijding van het grondvlak 133 zoals weergegeven in Figuur 6.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING VAN DE UITVINDING

Tenzij anders gedefinieerd hebben alle termen die gebruikt worden in de beschrijving van de uitvinding, ook technisch en wetenschappelijke termen, de betekenis zoals ze algemeen begrepen worden door de vakman in het technisch veld van de uitvinding. Voor een betere beoordeling van de beschrijving van de uitvinding, worden de volgende termen expliciet uitgelegd.

Het citeren van numerieke intervallen door de eindpunten omvat alle gehele getallen, breuken en/of reële getallen tussen de eindpunten, deze eindpunten inbegrepen.

De term 'warmtewisselaar' dient te worden begrepen als synoniem voor de term 'stoomgenerator' en duidt op het geheel van een of meerdere warmtebronnen en leidingen voor wateraanvoer en water- en/of stoomafvoer. Genoemde warmtebronnen zijn bij voorkeur omvat in een verbrandingskamer, waar in operationele toestand een verbrandingsreactie plaats vindt.

De term 'buitenmantel' dient te worden begrepen als synoniem voor de term 'mantel', 'bescherming', 'bekleding', 'kap', 'omhulsel', 'pantser', 'scherm', en duidt op een afscherming dewelke minstens de warmtekamer en de verhittingszone afschermt van de omgeving. Bij voorkeur omvat genoemde buitenmantel een thermische isolatielaag voor het beperken van warmteverliezen van genoemde warmtekamer en/of van genoemde vlampijpen naar de omgeving.

De term 'warmtekamer' dient te worden begrepen als een deels of geheel afgesloten ruimte waarin een warmtebron is opgesteld voor het genereren van een warme of hete luchtstroom. Meer specifiek, dient de term 'warmtekamer' te worden begrepen als een verbrandingskamer. De term 'verbrandingskamer' dient te worden begrepen als een ruimte, al dan niet geheel of gedeeltelijk afgesloten door middel van een of meerdere wanden, welke ruimte geschikt is voor het verbranden van een of meerdere brandstoffen en voorzien is van een kanaal voor het aanvoeren van een of meerdere brandstoffen; minstens een leiding voor het aanvoeren van zuurstof, bij voorkeur in de vorm van lucht; bij voorkeur een ontstekingsbron voor het ontsteken van een verbrandingsreactie, en; een afvoerkanaal voor het wegleiden uit de verbrandingskamer van verbrandingsgassen.

De term 'brandstof' duidt bij voorkeur op een organische brandstof, bij voorkeur van biologische oorsprong, zoals bijvoorbeeld, maar niet beperkt tot, hout, kolen, hout pellets, pellets van biomassa, etc.

De term 'leiding voor brandstofaanvoer' duidt op een leiding of kanaal voor het aanvoeren van een brandstof naar een verbrandingskamer. Genoemde leiding kan voorzien worden als bijvoorbeeld een gasleiding. Meer bij voorkeur is genoemde leiding geschikt voor het aanvoeren van een vaste stof en/granulaat zoals bij voorbeeld kolen en/of pellets, bij voorkeur door middel van een schroefelement voor verplaatsing van genoemde vaste stof en/of granulaat doorheen genoemde leiding.

De term 'verhittingszone' duidt op een eerste ruimte in dewelke warmte afkomstig uit een verbrandingsreactie wordt overgedragen van verbrandingsgassen met een hoge temperatuur naar bij voorkeur gedemineraliseerd water en stoom met een lage temperatuur, daardoor verkrijgende stoom met een hoge temperatuur.

Bij voorkeur is de temperatuur van de stoom die wordt verkregen na verhitting van gedemineraliseerd water gelegen tussen 125°C en 300°C. Meer bij voorkeur is de bekomen temperatuur gelegen tussen 175°C en 250°C, en nog meer bij voorkeur tussen 195°C en 205°C. Bij voorkeur is de druk van de stoom die wordt verkregen na verhitting van gedemineraliseerd water in de verhittingszone gelegen tussen 1 bar absolute druk en 15 bar absolute druk. Meer bij voorkeur is de verkregen druk gelegen tussen 4 bar absolute druk en 7 bar absolute druk. Meest bij voorkeur is de verkregen druk van de stoom gelegen tussen 5 bar absolute druk en 5.5 bar absolute druk.

De term 'vlampijp' dient te worden begrepen als synoniem voor de term 'schacht', 'buis', 'leiding', 'koker', en duidt op een lichaam met een binnenzijde en een buitenzijde gescheiden door een wand, waarbij in operationele toestand aan de binnenzijde een eerste fluïdum vloeit en aan de buitenzijde een tweede fluïdum vloeit. Bij voorkeur omvat genoemde eerste fluïdum de verbrandingsgassen afkomstig van de warmtekamer. Bij voorkeur omvat genoemde tweede fluïdum water afkomstig van de wateraanvoerleiding en/of stoom. Bij voorkeur is genoemde vlampijp omvat als een cilindervormige buis.

De term 'perforatie' dient te worden begrepen te worden begrepen als synoniem voor de term 'opening', 'holte', 'monding', en duidt op een bij voorkeur cirkelvormige opening in een plaat. Genoemde perforatie is bij voorkeur geschikt om aan te sluiten bij een vlampijp door middel van een las of door middel van een alternatieve waterdichte verbinding dewelke drukken tot minstens 5 bar, bij voorkeur minstens 10 bar en meer bij voorkeur minstens 15 bar kan weerstaan.

De term 'bovenvlak' dient te worden begrepen als een afsluiting, bij voorkeur in de vorm van een of meerdere platen, met een geometrie overeenstemmend met de verhittingszone. Genoemd bovenvlak is verder voorzien van een of meerdere perforaties dewelke zijn bedoeld voor aansluiting op een of meerdere vlampijpen. De term 'bovenvlak' wordt in de context van de onderhavige uitvinding gebruikt voor het aanduiden van een afsluiting aan de bovenzijde van genoemde vlampijpen.

De term 'grondvlak' dient te worden begrepen als een afsluiting, bij voorkeur in de vorm van een of meerdere platen, met een geometrie overeenstemmend met de geometrie van genoemde verhittingszone, en bij voorkeur eveneens overeenstemmend met de geometrie van voornoemd bovenvlak. Genoemd grondvlak is verder voorzien van een of meerdere perforaties dewelke zijn bedoeld voor aansluiting op een of meerdere vlampijpen. De term 'grondvlak' wordt in de context van de onderhavige uitvinding gebruikt voor het aanduiden van een afsluiting aan de onderzijde van genoemde vlampijpen.

De term 'meerwandig' duidt op een meervoudige wand, en duidt op twee of meerdere wanden dewelke overwegend parallel en/of concentrisch ten opzichte van elkaar zijn gepositioneerd, daardoor vormende een of meerdere tussenruimtes. Bij voorkeur zijn genoemde wanden zo gevormd, dat minstens één waterdicht volume wordt gevormd in minstens één van genoemde tussenruimtes voor het geleiden van water en/of stoom. Nog bij voorkeur zijn genoemde wanden zo gevormd, dat minstens één open volume wordt gevormd in minstens één van genoemde tussenruimtes voor het geleiden van verbrandingsgassen.

De term "wand" dient in de context van de onderhavige uitvinding te worden begrepen als "scheiding" of "afscheiding" en duidt op een plaat, bij voorkeur uit roestvrij staal, met een dikte gelegen tussen 0.1 mm en 5 mm, meer bij voorkeur tussen 0.2 mm en 2 mm, nog meer bij voorkeur tussen 0.2 mm en 1.2 mm, en meest bij voorkeur tussen 0.4 mm en 1.0 mm. In een meest preferentiële voorkeursvorm heeft genoemde dunne-waterfilm een dikte van 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1.0 mm, of elke dikte daar tussenin gelegen.

De uitvinding betreft in principe een warmtewisselaar voor het genereren van stoom, omvattende: - een buitenmantel, - een warmtekamer binnen genoemde buitenmantel opgesteld en aangesloten op minstens één leiding voor brandstofaanvoer; en - een verhittingszone omvattende meerdere verticaal opgestelde vlampijpen binnen genoemde buitenmantel opgesteld, elke pijp aan de bovenzijde aansluitende op een perforatie in een bovenvlak en aan de onderzijde aansluitende op een perforatie in een grondvlak; waarbij genoemde vlampijpen meerwandig zijn uitgevoerd.

Dit heeft als voordeel dat de vlampijpen twee of meerdere separate circuits omvatten, waarbij warmte kan worden overgedragen van een eerste circuit naar een volgende circuit. Zo kunnen de verbrandingsgassen dewelke worden gegenereerd in de warmtekamer doorheen een eerste circuit worden geleid, terwijl water en/of stoom doorheen een separaat, doch bij het eerste circuit aansluitend, tweede circuit kunnen worden geleid. Doordat de vlampijpen meerwandig zijn voorzien kunnen de volumes van de separate circuits eenvoudig worden gedimensioneerd naargelang de veiligheidsvereisten. Door de geschikte keuze van de dimensies van een circuit kan het volume van een circuit waarin water en/of stoom ingesloten is, beperkt wordt tot een vooropgestelde bovengrens.

Het volume van een circuit waarin water en/of stoom aanwezig zijn is minstens aansluitbaar of aangesloten op een waterleiding voor wateraanvoer en is minstens aansluitbaar of aangesloten op een stoomleiding voor stoomafvoer. Door een geschikte dimensionering, kan een volume voor water- en/of stoomtransport beperkt worden tot kleiner dan 50 L, bij voorkeur kleiner dan 20 L, en meer bij voorkeur kleiner dan 12 L. Meest bij voorkeur is genoemd volume voor water- en/of stoomtransport beperkt tot een volume gelegen tussen 1 L en 12 L, meer bij voorkeur tussen 4 L en 10 L en nog meer bij voorkeur gelijk aan 5 L, 6 L, 7 L, 8 L, 9 L, 10 L, of elke waarde daar tussenin gelegen.

Volgens bovengenoemd principe, betreft de uitvinding een warmtewisselaar, waarbij genoemde vlampijpen meerwandig concentrisch zijn uitgevoerd.

De term 'meerwandig concentrisch' duidt op twee of meerdere cilindervormige pijpen dewelke zijn opgesteld omheen eenzelfde of quasi eenzelfde middelpunt, doch met verschillende diameter zijn voorzien. Aldus wordt een centrale doorgang en een of meerdere tussenruimten verkregen, dewelke twee of meerdere separate volumes beschrijven, welke separate volumes als dusdanig deel uitmaken van twee of meerdere separate circuits, namelijk minstens één circuit voor het geleiden van water en/of stoom en minstens één circuit voor het geleiden van verbrandingsgassen.

De term 'dubbelwandig' duidt op twee cilindervormige pijpen dewelke zijn opgesteld omheen eenzelfde of quasi eenzelfde middelpunt, doch met verschillende diameter zijn voorzien. Aldus wordt een centrale doorgang en één omliggende tussenruimte verkregen, dewelke twee separate volumes beschrijven, elk volume deel uitmakende van een separaat circuit. Een dubbelwandige uitvoering biedt als bijkomend voordeel een relatief eenvoudige constructie ten opzichte van drie- of meerwandige uitvoering.

Bij voorkeur wordt genoemde centrale doorgang aangewend voor het geleiden van verbrandingsgassen en wordt genoemde omliggende tussenruimte aangewend voor het geleiden van water en/of stoom. Dit biedt als voordeel dat eventuele roetafzettingen ter hoogte van genoemde centrale doorgang in de vlampijp eenvoudig kunnen worden gereinigd. Bij voorkeur worden genoemde roetafzettingen in genoemde centrale doorgang van de vlampijp gereinigd door middel van een veer opgehangen in genoemde doorgang. Aldus ontstaat bij doorgang van een fluïdum, bijvoorbeeld rookgassen, een oscillerende beweging in de veer, waarbij door wrijving van de veer met de binnenrand van de centrale doorgang eventuele roetafzettingen worden afgeschraapt.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, waarbij genoemd bovenvlak en genoemd grondvlak dubbelwandig zijn uitgevoerd, aansluitend op de dubbelwandige vlampijpen.

Aldus is genoemd dubbelwandig bovenvlak omvat uit een eerste, bovenste bovenvlak en een tweede, onderste bovenvlak; en is genoemd dubbelwandig grondvlak omvat uit een eerste, onderste grondvlak en een tweede, bovenste grondvlak. Op een analoge wijze is genoemd dubbelwandig vlampijp omvat uit een eerste, binnenste pijp en uit een tweede, buitenste pijp.

De dubbelwandige uitvoering uit de twee bovenstaande paragrafen dient te worden begrepen als (i) een eerste samengestelde wand omvattende genoemd eerste, bovenste bovenvlak aangesloten aan de bovenzijden van genoemde eerste, binnenste pijpen en een eerste, onderste grondvlak aangesloten aan de onderzijden van genoemde eerste, binnenste pijpen, en; (ii) een tweede samengestelde wand omvattende een tweede, onderste bovenvlak aangesloten aan de bovenzijden van genoemde tweede, buitenste pijpen en een tweede, bovenste grondvlak aangesloten aan de onderzijden van genoemde tweede, buitenste pijpen.

Dit biedt als voordeel een relatief eenvoudige constructie van de dubbelwandige vlampijpen, terwijl de gevormde volumes respectievelijke eenvoudig kunnen worden aangesloten op een waterleiding voor wateraanvoer en op een stoomleiding voor stoomafvoer; en op de geleiding van verbrandingsgassen.

In een eerste aspect, verschaft de uitvinding een warmtewisselaar voor het genereren van stoom, omvattende: - een buitenmantel, - een warmtekamer binnen genoemde buitenmantel opgesteld voor het generen van een verhitte gasstroom; en - een verhittingszone omvattende meerdere hoofdzakelijk verticaal opgestelde, dubbelwandige vlampijpen binnen genoemde buitenmantel opgesteld, waarbij een of meerdere vlampijpen aan de bovenzijde aansluiten op een dubbelwandig bovenvlak en aan de onderzijde aansluiten op een dubbelwandig grondvlak.

De ruimte tussen de buitenste vlampijp, ook wel waterpijp genoemd, en de binnenste vlampijp, ook wel rookgaspijp genoemd, is bij voorkeur zeer nauw, waardoor in werkende toestand het binnengeleide water een dunne waterfilm vormt. Daardoor is het volume water in de warmtewisselaar in de werkende toestand beperkt in vergelijking met concepten uit de prior art. Door het beperkte volume water in de warmtewisselaar kan de warmtewisselaar in een veiligere toestand werken.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, waarbij genoemd dubbelwandig grondvlak in verbinding staat met een waterleiding voor wateraanvoer en waarbij genoemd dubbelwandig bovenvlak in verbinding staat met een stoomleiding voor stoomafvoer.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, waarbij minstens één stoomleiding voor stoomafvoer voorzien is van een of meerdere condensleidingen.

Dit heeft als voordeel dat stoom dewelke condenseert in genoemde stoomleiding voor stoomafvoer uit de leiding kan worden verwijderd en aldus niet in aanraking komt met de schoepbladen van een stoomturbine. Daardoor wordt de kans op slijtage van de stoomturbine vermeden of minstens beperkt. Bij voorkeur is genoemde condensleiding aangesloten voor het terugvloeien van condenswater naar genoemd dubbelwandig grondvlak. Nog bij voorkeur is genoemde condensleiding opgesteld buiten de verhittingszone, doch binnen de buitenmantel van de warmtewisselaar.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, waarbij genoemd dubbelwandig bovenvlak voorzien is van een of meerdere condensleidingen.

Dit heeft als voordeel dat genoemd condenswater reeds in genoemd dubbelwandig bovenvlak kan terugvloeien. Nog bij voorkeur is genoemde condensleiding voorzien tussen genoemd dubbelwandig bovenvlak en genoemd dubbelwandig grondvlak.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, waarbij genoemde warmtekamer omgeven is door: - een eerste kamerwand, dewelke aan de bovenzijde aansluit bij een overspanning en aan de onderzijde aansluit bij genoemd grondvlak; - meerdere vlampijpen tussen genoemde eerste kamerwand en genoemde buitenmantel opgesteld; en - een tweede kamerwand inwendig van genoemde eerste kamerwand opgesteld, en waarbij genoemde tweede kamerwand zich in de hoogte uitstrekt tot op een afstand van voornoemde overspanning.

Aldus wordt bekomen dat de verbrandingsgassen eerst minstens gedeeltelijk opwaarts worden geleid, vervolgens minstens gedeeltelijk neerwaarts worden geleid, en ten slotte opwaarts doorheen genoemde vlampijpen worden geleid. Daardoor wordt verkregen dat roet, hetwelke aanwezig is in de verbrandingsgassen, tijdens de neerwaartse beweging minstens gedeeltelijke uit valt. Daardoor wordt roetafzetting ter hoogte van de vlampijpen minstens gedeeltelijk vermeden, wat bijdraagt tot de operationele stabiliteit en veiligheid van de warmtewisselaar.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, voorzien van een voorverwarmingszone omvattende meerdere vlampijpen met een inlaat voor water en een inlaat voor verbrandingsgassen afkomstig van de vlampijpen in genoemde verhittingszone.

Dit heeft als voordeel dat water, hetwelke wordt aangevoerd naar de vlampijpen in de verhittingszone, minstens gedeeltelijk kan worden voorverwarmd, en; dat restwarmte aanwezig in verbrandingsgassen, dewelke de vlampijpen in de verhittingszone verlaten, minstens gedeeltelijk kan worden benut. Dit draagt bij tot het energetisch rendement van de warmtewisselaar.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, voorzien van een na-verhittingszone omvattende één of meerdere stoomleidingen opgesteld in genoemde warmtekamer voor het na-verhitten van de in de verhittingszone gegenereerde stoom.

Dit heeft als voordeel dat de temperatuur van de in de verhittingszone gegenereerde stoom verder kan worden verhoogd voor het verbeteren van het energetisch rendement van de stoom in een microstoomturbine, en/of; dat eventuele condens verder kan worden omgezet tot stoom. Bij voorkeur zijn genoemde stoomleidingen enkelwandig voorzien, waardoor een optimale warmteoverdracht wordt bekomen.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, waarbij een stoomleiding voor stoomafvoer is aangesloten op een microstoomturbine.

Dit heeft als voordeel dat de thermische energie opgeslagen in de stoom eenvoudig kan worden omgezet tot elektrische energie. Bij voorkeur is genoemde microstoomturbine voorzien als een enkelvoudige microstoomturbine.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding, voorzien van een detectiesysteem voor het vaststellen van het waterniveau in genoemde dubbelwandige vlampijpen.

Dit biedt als voordeel dat de werking van de warmtewisselaar in de operationele toestand eenvoudig kan worden gemonitord. Aldus kan een onveilige werkingstoestand snel worden gedetecteerd en kunnen de werkingsparameters van de warmtewisselaar afdoende worden bijgesteld. Bij voorkeur omvat genoemd detectiesysteem eveneens een regelsysteem voor het automatisch bijstellen van de werkingsparameters van de warmtewisselaar, en/of omvat genoemd detectiesysteem een veiligheidssysteem voor het afsluiten van water- en/of brandstofaanvoer. Dergelijk detectiesysteem kan bijvoorbeeld, maar niet beperkt tot, worden voorzien door middel van een fluïdumverbinding tussen minstens een waterleiding voor wateraanvoer en minstens een stoomleiding voor stoomafvoer, waarbij genoemde fluïdumverbinding bij voorkeur opgesteld is buiten de buitenmantel en waarbij genoemde fluïdumverbinding minstens gedeeltelijk transparant is en aldus toelaat het waterniveau in genoemde meerwandige vlampijpen te meten.

De term 'dunne-waterfilm' dient in de context van de onderhavige uitvinding te worden begrepen als een laag water met een dikte gelegen tussen 1 mm en 50 mm, meer bij voorkeur tussen 2 mm en 20 mm, nog meer bij voorkeur tussen 2 mm en 12 mm, en meest bij voorkeur tussen 4 mm en 10 mm. In een meest preferentiële voorkeursvorm heeft genoemde dunne-waterfilm een dikte van 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, of elke dikte daar tussenin gelegen.

Bovengenoemde werkwijze biedt als voordeel dat water, bij voorkeur gedemineraliseerd water, in een warmtewisselaar kan worden omgezet tot stoom, waarbij de totale hoeveelheid water dewelke zich in genoemde warmtewisselaar bevindt in de operationele toestand van de warmtewisselaar kleiner blijft dan een vooropgesteld volume. Het beperken van het volume water in genoemde warmtewisselaar draagt bij tot een veilige ingebruikname van de warmtewisselaar en een minimale of beperkte potentiële schade aan omgeving en gebruiker.

Bij voorkeur zijn genoemde vlampijpen dubbelwandig uitgevoerd, daardoor vormende twee separate compartimenten of circuits, elk circuit gescheiden van een naastgelegen circuit door een wand. Aldus kunnen verbrandingsgassen of de hete gasstroom doorheen een eerste circuit worden geleid; en kunnen water en/of stoom doorheen een tweede circuit, bij voorkeur naast het eerste circuit gelegen doch daarvan gescheiden, worden geleid. Overeenkomstig kan warmte worden overgedragen van de verbrandingsgassen naar het water en/of de stoom.

In een geprefereerde uitvoeringsvorm voorziet de uitvinding in een werkwijze voor het genereren van stoom volgens het tweede aspect van de uitvinding, waarbij genoemde verbrandingsgassen in de warmtekamer eerst gedeeltelijk opwaarts worden geleid en vervolgens gedeeltelijk neerwaarts worden geleid vooraleer genoemde verbrandingsgassen doorheen genoemde vlampijpen worden geleid.

Dit heeft als voordeel dat roet aanwezig in de verbrandingsgassen een minstens gedeeltelijke uitval kent vooraleer doorheen de vlampijpen te worden geleid. Aldus worden roetafzettingen in de vlampijpen vermeden of minstens gedeeltelijk beperkt, wat bijdraagt tot een goede operationele werking. De roetuitval wordt bij voorkeur opgevangen in een daartoe voorziene verzamelbak, dewelke bij voorkeur kan worden uitgenomen en geledigd.

In een derde aspect verschaft de uitvinding een gebruik van een warmtewisselaar volgens het eerste aspect van de uitvinding voor het opwekken van stoom, waarbij de thermische energie van genoemde stoom vervolgens in een microstoomturbine wordt omgezet tot elektrische energie.

Dit heeft als voordeel dat wordt voorzien in een systeem voor huiselijk, semi-industrieel of industrieel gebruik voor het genereren van elektrische stroom door (i) verbranding van een brandstof in een warmtekamer, (ii) het omzetten van water naar stoom door opname van de warmte van genoemde verbrandingsgassen in genoemd water en/of stoom, daardoor verkrijgende oververhitte stoom, en (iii) het omzetten van de thermische energie in de oververhitte stoom naar elektrische energie in een stoomturbine, bij voorkeur een microstoomturbine, en meer bij voorkeur een enkelvoudige microstoomturbine, dit is een microstoomturbine met slechts één schoepenblad.

Voorbeeld

De uitvinding zal nu verder worden toegelicht aan de hand van het volgende voorbeeld, zonder hiertoe overigens te worden beperkt. Voor een goed begrip wordt verwezen naar de Figuren 1 tot 10, dewelke een warmtewisselaar met dubbelwandige vlampijpen volgens het eerste aspect van de uitvinding voorstellen.

Figuur 1 toont een schematische voorstelling van het principe van de onderhavige uitvinding. Figuur 1A toont vier dubbelwandige vlampijpen 131', 131'', 131''', 131'''', waarbij de binnenste pijp een rookgaspijp is en waarbij de buitenste pijp een waterpijp is. De waterpijp is omheen de rookgaspijp gelegen. De ruimte tussen de waterpijp en de rookgaspijp is bij voorkeur zeer nauw, waardoor in werkende toestand het binnengeleide water een dunne waterfilm vormt. Daardoor is het volume water in de warmtewisselaar 100 in de werkende toestand beperkt in vergelijking met concepten uit de prior art. Door de beperkte hoeveelheid water in de warmtewisselaar 100 kan de warmtewisselaar 100 in een veiligere toestand werken. De dubbelwandige vlampijpen zijn onderaan aangesloten op een dubbelwandige ruimte 133, dewelke een waterkamer kan worden genoemd. Aan het bovenste uiteinde zijn genoemde vlampijpen eveneens aangesloten op een dubbelwandige ruimte 132, dewelke een stoomkamer kan worden genoemd. Water wordt aan de waterkamer 133 aangevoerd (A) via een waterleiding 135. Stoom wordt van de stoomkamer 132 weggeleid (A) via een stoomleiding 136. Rookgassen (B3) worden doorheen de rookgaspijpen gevoerd om hun warmte over te dragen aan het water in de dubbelwandige vlampijpen 131. Om condenserend water in de stoomleiding te evacueren is een terugvloeileiding of een waterdaalpijp 137 voorzien tussen de stoomkamer en de waterkamer. Figuur 1B toont een detail van een aansluiting van een dubbelwandige vlampijp 131 op een dubbelwandige stoomkamer 132 met aanduiding van waterstroom A en rookgassen B3.

Figuur 2 toont een schematische voorstelling van een warmtewisselaar 100, waarbij een hoekuitsnede is geïllustreerd om aldus de inwendige elementen te visualiseren. De warmtewisselaar 100 toont zes verschillende zones of elementen: een buitenmantel 110, een verbrandingskamer 120, een verhittingszone 130, een voorverwarmingszone 140, een na-verhittingszone 150 en een detectiesysteem 160 voor het meten van het waterpeil in de vlampijpen 131.

Onderaan in de verbrandingskamer 120 is een opvangelement 127 met handvat 128 voorzien voor het opvangen van as of roet afkomstig van de verbrandingsreactie in de verbrandingskamer 120. Het opvangelement 127 is uitneembaar voor het periodiek ledigen van de verbrandingsresten uit de warmtewisselaar 100. Daarnaast is een fornuis 123 voorzien hetwelke aangesloten is op een kanaal 121 voor het aanvoeren van brandstof. Het kanaal 121 is voorzien van een schroef 122 voor het transporteren van houtpellets naar de verbrandingszone op het fornuis 123. Eveneens is een zuurstof- of luchtleiding 129 voorzien worden voor het aanvoeren van zuurstof naar de verbrandingszone.

Na verbranding worden de hete verbrandingsgassen langsheen een tweede kamerwand 125 omhoog geleid B1 en keren neerwaarts na het contact met de overspanning 124. Vervolgens worden de verbrandingsgassen neerwaarts geleid B2 tussen de eerste 126 en tweede 125 kamerwand. Aldus kan roet en as uitvallen in voornoemd opvangelement 127. Tot slot worden de verbrandingsgassen opwaarts geleid B3 doorheen de centrale doorgang van de vlampijpen 131.

De vlampijpen 131 zijn cirkelvormig omheen de verbrandingskamer 120 opgesteld in de verhittingszone 130 in een dubbele rij waarbij de vlampijpen in beide rijen geschrankt zijn opgesteld. Bij het verlaten van de vlampijpen 131 worden de verbrandingsgassen geleid naar de voorverwarmingszone 140, waar eveneens dubbelwandige vlampijpen 141 zijn opgesteld en alwaar gedemineraliseerd water wordt voorverwarmd. Tot slot worden de verbrandingsgassen uit de warmtewisselaar 100 weggeleid.

De dubbelwandige vlampijpen 131 zijn zodanig opgebouwd, dat de verbrandingsgassen doorheen de centrale doorgang van de vlampijpen 131 worden geleid, terwijl water doorheen de dubbele wand wordt geleid. Daartoe is een reeks inwendige 131a en een uitwendige 131b vlampijpen voorzien, elke pijp 131 bovenaan aangesloten op een perforatie 134 in respectievelijk een eerste 132a en tweede 132b bovenvlak en onderaan op een perforatie 134 in respectievelijk een eerste 133a en tweede 133b grondvlak. De daardoor verkregen ingesloten ruimte in het dubbelwandig geheel werd gedimensioneerd op 11 L. Doorheen deze ruimte wordt water langsheen de centrale doorgang van de vlampijpen 131 gevoerd. De dubbelwandige vlampijpen 141 zijn op een analoge manier geconcipieerd.

Gedemineraliseerd water wordt in het dubbelwandig grondvlak 133 aangevoerd door middel van een waterleiding 135 en de gegenereerde stoom wordt bovenaan in het dubbelwandig bovenvlak 132 afgevoerd via een stoomleiding 136. De enkelwandige stoomafvoer 136 gaat vervolgens over in een cirkelvormige stoomleiding 151 dewelke horizontaal in de na-verhittingszone 150 is opgesteld en dewelke voorzien is op een geschikte hoogte in de verbrandingskamer 120 boven het fornuis 123. De aldus verkregen oververhitte stoom wordt vervolgens naar een microstoomturbine geleid.

De voorverwarmingszone 140 is eveneens omvat uit een reeks verticaal opgestelde vlampijpen 141 en wordt voorzien van gedemineraliseerd water naar de inwendige dubbelwand terwijl verbrandingsgassen afkomstig van de verhittingszone 130 langsheen de centrale doorgang van de vlampijpen 141 worden geleid. Aldus wordt het water dat wordt aangevoerd naar de verhittingszone 130 alvast op een hogere temperatuur gebracht en wordt de restenergie in de verbrandingsgassen afkomstig van de verhittingszone 130 benut.

Voor het verwijderen van gecondenseerd water uit de stoomafvoerleiding, is een condensleiding 137 voorzien tussen het dubbelwandige bovenvlak 132 en het dubbelwandig grondvlak 133. De condensleiding is buiten de verhittingszone 130 opgesteld.

Voorzien buiten de buitenmantel 110 van de warmtewisselaar is een detectiesysteem 160 voor het monitoren van het waterpeil in de dubbelwandige vlampijpen 131. Het detectiesysteem is een fluïdumverbinding tussen het dubbelwandige boven- 132 en grondvlak 133 en omvat een doorzichtige verticale buis waarin het waterpeil overeenstemt met het waterpeil in de dubbelwandige vlampijpen 131.

Figuur 3 toont een bovenaanzicht van de warmtewisselaar 100, waarbij de buitenmantel 110 niet getekend is om de inwendige elementen zichtbaar te maken.

Figuur 4 toont een verticale dwarsdoorsnede van de warmtewisselaar 100.

Figuur 5 is een detailvoorstelling van de dubbelwandige vlampijpen 131 in het dubbelwandig boven- 132 en grondvlak 133 in perspectief. In Figuur 5 is de horizontale sectie VII aangeduid, waarvan in Figuur 8 een bovenaanzicht wordt weergegeven.

Figuur 6 toont de detailvoorstelling van Figuur 5 in zijaanzicht.

Figuur 8 is toont een bovenaanzicht van de horizontale sectie VII in Figuur 6.

Figuur 9 en 10 zijn respectievelijk een uitsnijding van het boven- 132 en grondvlak 133 zoals weergegeven in Figuur 6 met aanduiding van de water- en stoomgeleiding, respectievelijk A1 en A2, en geleiding van verbrandingsgassen B3.

Claims

CONCLUSIES

1. Warmtewisselaar (100) voor het genereren van stoom, omvattende: - een buitenmantel (110), - een warmtekamer (120) binnen genoemde buitenmantel opgesteld voor het generen van een verhitte gasstroom; en - een verhittingszone (130) omvattende meerdere hoofdzakelijk verticaal opgestelde, dubbelwandige vlampijpen (131) binnen genoemde buitenmantel (110) opgesteld, waarbij een of meerdere vlampijpen (131) aan de bovenzijde aansluiten op een dubbelwandig bovenvlak (132a, 132b) en aan de onderzijde aansluiten op een dubbelwandig grondvlak (133a, 133b).
2. Warmtewisselaar (100) volgens conclusie 1, waarbij genoemde vlampijpen (131) dubbelwandig concentrisch zijn uitgevoerd.
3. Warmtewisselaar (100) volgens conclusie 1 of 2, waarbij genoemd dubbelwandig grondvlak (133) in verbinding staat met een waterleiding (135) voor wateraanvoer (A1) en waarbij genoemd dubbelwandig bovenvlak (132) in verbinding staat met een stoomleiding (136) voor stoomafvoer (A2).
4. Warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 3, waarbij minstens één stoomleiding (136) voor stoomafvoer voorzien is van een of meerdere condensleidingen (137).
5. Warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 4, waarbij genoemd dubbelwandig bovenvlak (132) in fluïdumverbinding staat met genoemd dubbelwandig grondvlak (133) via een of meerdere condensleidingen (137).
6. Warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 5, waarbij genoemde warmtekamer (120) omgeven is door: - een eerste kamerwand (126), dewelke aan de bovenzijde aansluit bij een overspanning (124) en aan de onderzijde aansluit bij genoemd grondvlak (133); - meerdere vlampijpen (131) tussen genoemde eerste kamerwand (126) en genoemde buitenmantel (110) opgesteld; en - een tweede kamerwand (125) inwendig van genoemde eerste kamerwand (126) opgesteld, en waarbij genoemde tweede kamerwand (125) zich in de hoogte uitstrekt tot op een afstand van voornoemde overspanning (124).
7. Warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 6, voorzien van een voorverwarmingszone (140) omvattende meerdere dubbelwandige vlampijpen (141) met een inlaat voor water en een inlaat voor verbrandingsgassen afkomstig van de vlampijpen (131) in genoemde verhittingszone (130).
8. Warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 7, voorzien van een na-verhittingszone (150) omvattende één of meerdere stoomleidingen (151) opgesteld in genoemde warmtekamer (120) voor het na-verhitten van de in de verhittingszone (130) gegenereerde stoom.
9. Warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 8, waarbij een stoomleiding (136) voor stoomafvoer is aangesloten op een microstoomturbine.
10. Warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 11, voorzien van een detectiesysteem (161) voor het vaststellen van het waterniveau in genoemde dubbelwandige vlampijpen (131).
11. Werkwijze voor het genereren van stoom door middel van een warmtewisselaar (100) omvattende een warmtekamer (120) en een verhittingszone (130) omvattende meerdere dubbelwandige vlampijpen (131), omvattende de stappen van: - het generen van een verhitte gasstroom in genoemde warmtekamer (120); - het leiden van genoemde verhitte gasstroom (B3) doorheen genoemde vlampijpen (131); met het kenmerk, dat een waterfilm doorheen de dubbele wand van genoemde vlampijpen (131) wordt gevoerd (A1, A2).
12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij genoemde verbrandingsgassen in de warmtekamer (120) eerst gedeeltelijk opwaarts worden geleid (B1) en vervolgens gedeeltelijk neerwaarts worden geleid (B2) vooraleer genoemde verbrandingsgassen doorheen genoemde vlampijpen (131) worden geleid (B3).
13. Gebruik van een warmtewisselaar (100) volgens minstens één der voorgaande conclusies 1 tot 10 voor het opwekken van stoom, waarbij de thermische energie van genoemde stoom vervolgens in een microstoomturbine wordt omgezet tot elektrische energie.