CS220513B1

CS220513B1 - A device for using flue gas heat from a chimney

Info

Publication number: CS220513B1
Application number: CS115981A
Authority: CS
Inventors: Bruno Bosek; Pavel Synek; Jaroslav Holecek
Original assignee: Bruno Bosek; Pavel Synek; Jaroslav Holecek
Priority date: 1981-02-18
Filing date: 1981-02-18
Publication date: 1983-04-29

Abstract

Zařízení slouží pro využití vysoké teploty spalin a pro zajištění samonosnosti kovových, ale i zděných či betonových' komínů. Na spodní části komínu je umístěn výměník tepla, využívající principu vnitřní rekuperace, přičemž jeho vnější plášť tvoří nosnou část komínu. Vstup chladného vzduchu do výměníku a výstup horkého vzduchu jsou umístěny v dolní, nejteplejší části výměníku. Dutina mezi komínovou rourou a pláštěm výměníku je rozdělena trubkou z pórovité hmoty nebo kovovóu trubkou opatřenou četnými otvory na dvě poloviny. Plášť výměníku tepla je v dolní části opatřen základovou deskou a v horní části je uzavřen mezikruhóvým prstencem, pevně spojeným s komínovou rourou a tvořícím nosný element komínové roury.The device is used to utilize the high temperature of flue gases and to ensure the self-supporting of metal, but also brick or concrete chimneys. A heat exchanger is located at the bottom of the chimney, using the principle of internal recuperation, while its outer shell forms the supporting part of the chimney. The cold air inlet to the exchanger and the hot air outlet are located in the lower, hottest part of the exchanger. The cavity between the chimney pipe and the exchanger shell is divided into two halves by a porous material tube or a metal tube equipped with numerous holes. The heat exchanger shell is equipped with a base plate in the lower part and is closed in the upper part with an intermediate ring, firmly connected to the chimney pipe and forming the supporting element of the chimney pipe.

Description

Vynález se týká zařízení prto využití tepla spalin unikajících komínem.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for utilizing the heat of flue gas escaping through a chimney.

Dosavadní zařízení pro využití tepla spalin unikajících komínem jsou provedena tak, že ocelový komín je opatřen pláštěm, kterým je proháněn vzduch. Tato zařízení jsou velmi málo účinná, protože radiační složka sdílení tepla do proudícího vzduchu prakticky nepřechází. Konvektivní složka při této úpravě přenáší na proudící vzduch jen malé procento celkového množství využitelného tepla. Jiná známá zařízení jsou vytvořena tak, že jejich účinná plocha je zvýšena pomocí žeber na komínové rouře, opatřené rovněž pláštěm. Při takové úpravě dochází ke značnému zvětšení průřezu pro průtok vzduchu a tím k podstatnému snížení rychlosti jeho proudění, což vede k dalšímu výraznému poklesu konvektivního- přestupu tepla. Kromě toho je žebrování komínové roury velmi pracné.Existing devices for utilizing the heat of flue gases escaping through the chimney are designed so that the steel chimney is provided with a jacket through which air is blown. These devices are very inefficient because the radiation component of heat transfer to the flowing air practically does not pass. In this treatment, the convective component transfers only a small percentage of the total available heat to the air flow. Other known devices are designed in such a way that their effective surface is increased by means of ribs on the chimney pipe provided with a jacket. With such a treatment, the cross-sectional area for the air flow is greatly increased and the air velocity is significantly reduced, which leads to a further significant decrease in the convective heat transfer. In addition, the chimney pipe fins are very laborious.

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro využití tepla spalin unikajících komínem, okolo jehož komínové roury je umístěn plášť výměníku tepla, vytvořený podle vynálezu, jehož podstata je v tom, že plášť výměníku teplá vytváří kolem komínové roury dutinu, která je trubkou umožňující prostup tepla rozdělena na vnitřní a vnější dutinu, přičemž plášť výměníku je seshora uzavřen horním mezikruhovým prstencem, zatímco spodní část pláště výměníku je uzavřena spodním mezikruhovým prstence, tvořícím základovou desku pro upevnění komína k jeho základu, nad kterýmžto prstencem je jednak otvlor pro přívod chladného vzduchu a jednak otvor pro odvod ohřátého vzduchu.The above-mentioned disadvantages are eliminated by a device for utilizing heat of flue gases escaping through a chimney, around whose chimney pipe is placed a heat exchanger jacket constructed according to the invention, which is characterized in that the heat exchanger jacket creates a cavity around the chimney tube. and an outer cavity, the shell of the exchanger being closed from above by an upper annular ring, while the lower part of the shell of the exchanger is closed by a lower annular ring forming a base plate for fastening the chimney to its base. heated air.

Pokrok dosažený vynálezem spočívá v tom, že vynález umožňuje získání teplého vzduchu obsahujícího 90 % i více tepla sdíleného do okolí, a to· ve formě, která připouští jeho dokonalou ovladatelnost a využití nejjednodušším způsobem pomocí trubkových rozvodů. K dopravě vzduchu postačí jen jediné dmychadlo pracující se studeným vzduchem (horký vzduch nad 500 °C vyžaduje speciální konstrukci ventilátoru], dále v tom, že povrchová teplota pláště výměníku tepla na vnější straně je velmi nízká, a proto může být jeho plášť vyroben z běžné konstrukční oCeli i přesto·, že současně tvoří nosnou konstrukci komínu. Radiační sdílení tepla z pláště výměníku do okolí je nepatrné a neohrožuje osoby ani provoz v bezprostřední blízkosti výměníku tepla. Intensivní radiační sdílení tepla z komínové roury na pórovitou hmotu, která je relativně chladná, snižuje též výrazně střední teplotu roury tvořící plášť rekuperátoru, zejména v místě vstupu spalin, což značně prodlužuje životnost komína (při teplotě spalin pod 800 °C není nutné používat žáruvzdorné oceli). Vzduch vháněný do výměníku tepla nemusí být přiváděn přímo z atmosféry, nýbrž z vnitřních prostorů budov a může být použito i cirkulujícího vzduchu při jejich vytápění. Vysokou teplotou ve výměníku se ohřívaný vzduch zbavuje baktérií. Kromě toho, protože odtok ohřátého vzduchu je v přístupném místě u paty komína, je usnadněn jeho další rozvod i jeho případná úprava, například směšováním nebo zvlhčováním nástřikem vody. Tlakové rozložení vzduchu v dutinách ve výměníku tepla vykazuje pokles ve směru k ústí komína a tím je do značné míry kompenzována nižší radiační složka tepla předávaného pórovité hmotě v horní části výměníku tepla oproti části dolní. Rovněž z hlediska pracnosti a výrobních nákladů je provedení podle vynálezu podstatně levnější než výroba jakýchkoliv výměníku tepla s navařovanými žebry na komínové rouře. Účinnost uspořádání podle vynálezu je nesrovnatelně vyšší a celkový průměr výměníku tepla je podstatně menší než při provedení s chladicími žebry, například: pro průměr komínové roury 0,5 m má vnější plášť při použití navařených žeber průměr 2 až 2,5 m, zatímco provedení podle vynálezu vystačí s průměrem pláště 1 m.The progress achieved by the invention is that the invention makes it possible to obtain warm air containing 90% or more of the heat shared to the environment, in a form which permits its perfect manageability and use in the simplest way by means of pipe distributions. Only one cold air blower (hot air above 500 ° C requires a special fan design) is sufficient to transport the air, furthermore the surface temperature of the heat exchanger jacket on the outside is very low and therefore its jacket can be made of conventional constructional steel despite the fact that they also form the supporting structure of the chimney Radiant heat transfer from the exchanger shell to the surroundings is minimal and does not endanger people or operation in the immediate vicinity of the heat exchanger. it also significantly reduces the mean temperature of the heat exchanger pipe, especially at the flue gas inlet, which greatly extends the chimney life (refractory steels are not required at flue gas temperatures below 800 ° C). from the interior of the buildings, and circulating air can also be used to heat them.High temperature in the exchanger removes the heated air from bacteria. In addition, since the heated air outlet is accessible at the foot of the chimney, it is facilitated for further distribution and possible treatment, for example by mixing or humidifying by spraying with water. The pressure distribution of the air in the cavities in the heat exchanger shows a decrease in the direction towards the chimney mouth, thereby largely compensating for the lower radiation component of the heat transferred to the porous mass in the upper part of the heat exchanger compared to the lower part. Also in terms of labor and manufacturing costs, the embodiment of the invention is considerably cheaper than the production of any heat exchanger with welded fins on the chimney pipe. The efficiency of the arrangement according to the invention is incomparably higher and the overall diameter of the heat exchanger is considerably smaller than in the case of the cooling fin design, for example: The invention suffices with a jacket diameter of 1 m.

Příklad provedení podle vynálezu je na připojených výkresech, kde na obr. 1 je schematicky znázorněn komín s výměníkem tepla v podélném řezu, na obr. 2 je tento komín v řezu A — A z obr. 1 a na obr. 3 je znázorněno provedení výměníku tepla ve zděném komínu.An exemplary embodiment of the invention is shown in the accompanying drawings, in which Fig. 1 schematically shows a chimney with a heat exchanger in longitudinal section, Fig. 2 shows the chimney in section A-A of Fig. 1, and Fig. 3 shows an embodiment of the exchanger. of heat in the brick chimney.

Vysoká teplota spalin unikajících v hutních provozech bez užitku z pecí do komína je zdrojem velkých energetických ztrát a způsobuje značné potíže při konstrukci kovových komínů. Efektivní využitelnost teploty spalin začíná již asi od 600 °C výše a je tím větší, čím je vyšší vstupní teplota spalin do komína. Tato teplota se obvykle pohybuje mezi 1000 až 1150 °C. Sdílení tepla spalin na vnitřní stěnu komína (konvektivní a radiační) je vysoké, a proto dochází v dolní třetině komína k ohřátí jeho stěny na teplotu kolemi 700 až 850 °C i vyšší. Tím nastává převážně radiační sdílení tepla do okolního prostoru. Přirozená konvekcte má obvykle velmi nízký součinitel přestupu tepla, protože samotný čistý vzduch prakticky sálavé teplo nepřijímá. Radiační složku sdílení tepla tedy není možno využít, a to ani v případě, že se jedná o část komína procházející pracovním prostorem. Sálání rozžhaveného povrchu komína provoz spíše zatěžuje a nejčastěji znemožňuje jakoukoliv práci v blízkém okolí. Mimo toho je nutno počítat i s miožností vzniku požáru a tím i s ohrožením bezpečnosti práce. Nejvyšší teplotu má dolní část komína (ocelová trubka může mít v místě vstupu spalin střední teplotu až 900 °C), a proto nemůže být jeho kohstrukce samonOsná. Ocelový komín musí být opatřen samonosnou nosnou konstrukcí a uchycen v horní části, případně vhodným způsobem uchycen v horní části střešní konstrukce budovy. Zrnině220513 ná vysoká teplota dolní části komína vyžaduje obvykle použití žáruvzdorných materiálů, tedy poměrně drahých legovaných ocelí.The high temperature of the flue gas escaping in metallurgical plants without benefit from the furnaces to the chimney is a source of large energy losses and causes considerable difficulties in the construction of metal chimneys. The effective utilization of the flue gas temperature starts from about 600 ° C and is higher the higher the flue gas inlet temperature is. This temperature is usually between 1000 and 1150 ° C. The heat transfer of the flue gas to the inner wall of the chimney (convective and radiation) is high and therefore the wall of the chimney is heated in the lower third of the chimney to a temperature of 700 to 850 ° C and higher. This predominantly results in radiation heat transfer to the surrounding space. Natural convection usually has a very low heat transfer coefficient, since clean air alone does not practically absorb radiant heat. Thus, the radiation component of heat transfer cannot be utilized, even if it is part of the chimney passing through the working space. Radiation of the hot surface of the chimney makes the operation more difficult and most often makes it impossible to work in the vicinity. In addition, it is necessary to take into account the possibility of fire and thus the safety of work. The lower part of the chimney has the highest temperature (the steel pipe can have a medium temperature of up to 900 ° C at the flue gas inlet) and therefore its cohesive structure cannot be self-supporting. The steel chimney must be provided with a self-supporting load-bearing structure and fastened in the upper part or, if appropriate, fastened in the upper part of the roof structure of the building. The high temperature of the chimney220513 usually requires the use of refractory materials, i.e. relatively expensive alloy steels.

Ocelový komín s vnitřní rekuperací (obr. 1) sestává z komínové roury 1, okolo jejíž spodní části je umístěn plášť 2 výměníku tepla, kterýžto plášť 2 tvoří niosnou část komína a vymezuje kolem komínové roury 1 dutinu rozdělenou trubkou 5 na dvě poloviny, a to* vnitřní dutinu 4 a vnější dutinu 3. Trubka 5 je s výhodou z pórovité hmoty, která přejímá prakticky téměř všechno teplo, sdílené radiací (ε = 0,85). Trubka 5 může být zhotovena z různých materiálů, například z kovu nebo keramického materiálu s velmi četnými otvory o 0 1,5 -4-4- 2 mm nebo s kapilárními kanálky nebo z hustého kovového pletiva, vinutého případně v několika vrstvách na sobě. Plášť 2 výměníku je seshora uzavřen horním mezikruhovým prstencem 6 pevně spojeným s komínovou rourou 1 a tvořícím Současně nosný element komínové roury 1. Spodní část pláště 2 výměníku je uzavřena spodním, mezikruhovým prstencem 7, který tvoří základovou desku pro upevnění komína k jeho* základu.The steel chimney with internal heat recovery (Fig. 1) consists of a chimney pipe 1, around whose bottom a heat exchanger housing 2 is located, which housing 2 forms a supporting part of the chimney and defines a cavity divided by the pipe 5 in two halves around the chimney pipe. * the inner cavity 4 and the outer cavity 3. The tube 5 is preferably of a porous mass that receives almost all the heat shared by radiation (ε = 0.85). The tube 5 may be made of various materials, for example metal or ceramic material with very numerous holes of 1,51.5-4-4-2 mm or with capillary channels or of thick metal mesh, optionally wound in several layers on top of each other. The heat exchanger housing 2 is closed from above by an upper annular ring 6 firmly connected to the chimney pipe 1 and constituting the support element of the chimney pipe 1 at the same time.

Komínovou rourou 1 proudí horké spaliny 10. Chladný vzduch 11 je vháněn vstupním otvorem 12 do vnější dutiny 3 a prochází trubkou 5 do* vnitřní dutiny 4. Ohřátý vzduch 14 odchází z výměníku tepla výstupním otvorem 13. Vstupní otvor 12 a výstupní otvor 13 jsou umístěny v dolní, nejteplejší části výměníku.Hot flue gas 10 flows through the chimney tube 1. Cool air 11 is blown through the inlet 12 into the outer cavity 3 and passes through the pipe 5 into the inner cavity 4. The heated air 14 exits the heat exchanger through the outlet opening 13. The inlet opening 12 and the outlet opening 13 are located. in the lower, hottest part of the exchanger.

Vnitřní rekuperace tepla spalin podle vynálezu může být využita i u komínů zděných nebo provedených z litého betonu, jak je znázorněno na obr. 3. Komínová roura 1 je v takovém případě kovová, trubka 5 z pórovité hmoty je uložena ve zděném prostoru a rozděluje jej na dutiny 3 a 4. Činno*st výměníku je stejná jako při provedení kovovém.The internal heat recovery of the flue gases according to the invention can also be used in masonry chambers or made of cast concrete, as shown in Fig. 3. The chimney pipe 1 is in this case metal, the porous mass pipe 5 is stored in a masonry space and divides it into cavities 3 and 4. The operation of the exchanger is the same as in the metal version.

Činnost výměníku tepla s vnitřní rekuperací podle vynálezu spočívá v tom, že chladný vzduch 11 je vháněn vstupním otvorem 12 situovaným ve spodní části pláště 2 výměníku tepla do, dutiny 3. Zde ochlazuje plášť 2 výměníku tepla a prochází pórovitou hmotou do dutiny 4. Pórovitá hmota je ohřátá, na vysokou teplotu a při průchodu vzduchu probíhá velmi vysoké sdílení tepla (obvykle vyšší než 180 W. m^-2. . K^_1). Pórovitá hmota 5 prakticky přijímá všechno teplo sdílené radiací a předává jej téměř beze ztrát při laminárním průtoku proudícímu vzduchu. Přitom je maximální průtok vzduchu právě v dolní části komína, kde má vháněný vzduch největší přetlak. Tento průtok postupně klesá s, rostoucí výškou komína a je nejmenší právě v nejvyšším hodu výměníku tepla, kde je teplota účinné části komínové roury 1 nejmenší. To znamená, že při odchodu vzduchu z výměníku tepla v dolní části dutiny 4 výstupním otvorem 13 získáváme maximálně ohřátý vzduch 14 a sdílení tepla v jednotkovém množství za vteřinu je po celé délce účinné části komína rovnoměrné.The operation of the internal heat recovery exchanger according to the invention consists in that cold air 11 is blown through the inlet 12 situated in the lower part of the heat exchanger housing 2 into the cavity 3. Here it cools the heat exchanger housing 2 and passes through the porous mass into the cavity 4. It is heated, to a high temperature and very high heat transfer occurs (usually higher than 180 W. m ^-2 . K ^_1 ). The porous mass 5 practically receives all the heat shared by radiation and transmits it almost without loss at laminar flow to the flowing air. At the same time, the maximum air flow is in the lower part of the chimney, where the blown air has the highest overpressure. This flow gradually decreases as the height of the chimney increases and is the smallest just in the highest throw of the heat exchanger, where the temperature of the effective part of the chimney pipe 1 is the smallest. That is, when the air exits from the heat exchanger in the lower part of the cavity 4 through the outlet 13, we obtain maximum heated air 14 and the heat transfer in unit amount per second is uniform over the length of the effective part of the chimney.

U dlouhých komínů s poměrně dlouhou volnou výškou nad střechou budovy se provede uspořádání výměníku tepla jen do takové výšky, kde je využití odcházejícího tepla ve spalinách ještě efektivní. Rozhodující je, aby střední teplota komínové roury 1 poklesla již na takovou hodnotu, která zaručuje i při použití běžných konstrukčních ocelí samono*snost přečnívající části komínové roury 1.For long chimneys with a relatively long free height above the roof of the building, the heat exchanger is only arranged to a height where the utilization of the outgoing heat in the flue gas is still effective. It is crucial that the average temperature of the chimney pipe 1 is already reduced to a value which guarantees the self-tightness of the protruding part of the chimney pipe 1, even when using conventional structural steels.

Vzduch odváděný z výměníku tepla s relativně vysokou teplotou může být použit buď přímo* v hořáku (s úměrným snížením množství paliva), nebo* pro* klimatizaci jako teplá složka do cirkulujícího vzduchu. Přímým nástřikem vody do horkého vzduchu lze snadno* upravit požadovanou vlhkost cirkulujícího vzduchu. Vstřikováním vody do vzduchu ohřátého na vysokou teplotu vzniká okamžitě vodní pára, kterou je možno použít pro parní vytápění.The air discharged from the relatively high temperature heat exchanger can be used either directly * in the burner (with proportional reduction in fuel) or * for * air conditioning as a warm component in the circulating air. By directly injecting water into the hot air, the desired circulating air humidity can be easily * adjusted. By injecting water into the air heated to a high temperature, water vapor is generated immediately and can be used for steam heating.

Provedení komínů a výměníků tepla podle vynálezu může mlt průřez ve tvaru různých geometrických obrazců, například čtverce, obdélníku, různých mnohoúhelníků nebo hvězdic, aníiž by tím podstata vynálezu byla dotčena.The design of the chimneys and heat exchangers according to the invention can have a cross-section in the form of various geometric figures, for example a square, a rectangle, different polygons or stars, without prejudice to the spirit of the invention.

Claims

K R E D Μ £ T

Apparatus for utilizing the heat of flue gas escaping through a chimney, around which a heat exchanger housing is located around the chimney pipe, characterized in that the heat exchanger housing (2) is located at the bottom of the chimney pipe (1) and thus forms a cavity which is a pipe ( 5), allowing heat transfer, divided into an inner cavity (3) and an outer cavity (4), the exchanger jacket (2) being closed from above by an upper annular ring (6) while the lower part of the exchanger jacket (2) being closed by a lower annular ring (7), forming a base plate for fastening the chimney to its base, above which ring (7) is both an opening (12) for supplying cold air (11) and an opening (13) for exhausting heated air (14).

Flue gas heat recovery device according to the invention of claim 1, characterized in that the cold air inlet (12) and the heated air outlet (13) (13) are located in the lower, hottest part of the heat exchanger.

Flue gas heat recovery device according to claim 1, characterized in that the upper annular ring (6j) is designed as a supporting element of the chimney pipe (1) and is firmly connected thereto.

4. Flue gas heat recovery device according to claim 1, characterized in that the pipe (5) is made of porous material.

Flue gas heat recovery device according to claim 1, characterized in that the pipe (5) is made of metal or ceramic material with numerous openings, preferably of 0 1.5 to 2 mm, optionally with capillary channels.

3 sheets of drawings