CS254058B1 - Výměník tepla - Google Patents

Abstract

Výměník tepla je určený pro akumulační kotle a podobné tepelná zařízení a sestává ze soustavy tepelně vodivých trubek svinutých do plochého útvaru, například ploché spirály, a ponořených do tepelně akumulačního média-tekutiny. Je-li odlišný materiál trubek od materiálu nádoby kotle, je soustava odvodných trubek umístěna ve stěně a na podporách v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace. Plochý útvar soustavy odvodných trubek je umístěn do horní části akumulačního kotle. Soustavu trubek plochého útvaru tvoří s výhodou dvě trubky paralelně vinuté pro případ poruchy těsnosti jedné z trubek, přičemž obě takto vzniklé větve výměníku jsou na vstupu i výstupu z tepelně akumulačního kotle opatřeny šoupaty pro jednotlivé nebo společné paralelní použití. Výměník tepla takto vytvořený je využitelný zejména v energetickém hospodářství.

Description

(54) Výměník tepla

Výměník tepla je určený pro akumulační kotle a podobné tepelná zařízení a sestává ze soustavy tepelně vodivých trubek svinutých do plochého útvaru, například ploché spirály, a ponořených do tepelně akumulačního média-tekutiny. Je-li odlišný materiál trubek od materiálu nádoby kotle, je soustava odvodných trubek umístěna ve stěně a na podporách v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace. Plochý útvar soustavy odvodných trubek je umístěn do horní části akumulačního kotle. Soustavu trubek plochého útvaru tvoří s výhodou dvě trubky paralelně vinuté pro případ poruchy těsnosti jedné z trubek, přičemž obě takto vzniklé větve výměníku jsou na vstupu i výstupu z tepelně akumulačního kotle opatřeny šoupaty pro jednotlivé nebo společné paralelní použití. Výměník tepla takto vytvořený je využitelný zejména v energetickém hospodářství.

254 058

- 1 254 058

Vynález se týká výměníku tepla, který umožňuje přestup tepla mezi tepelně akumulačním kotlem a vnějším tepelným okruhem.

Dosud se pro účel vytápění obytných a jiných objektů užívaly tepelně akumulační kotle, kupříkladu elektrické, které spolu s vnějším tepelným okruhem, to je kupříkladu s otopnou soustavou tvořenou trubkami a.radiátory, vytvářely jediný tepelný okruh se společným akumulačním a teplo transportujícím médiem-tekutinou. Akumulační kotel byl přetlakový a byl přímo propojen trubkami na radiátory ve vytápěném objektu. Pohyb akumulačního média nesoucího teplo byl buď založen na termosifonovém principu, nebo bylo použito oběhového čerpadla. Obdobně pro účely zachycení a uchování tepla ze zdrojů tepla, jako jsou například solární panely, obvody teplých odpadových v,od, kotle na tuhá paliva a podobně, byly tepelně akumulační kotle na tyto zdroje napojovány přímo nebo prostřednictvím výměníku tepla ve zdroji a tvořily s nimi nebo s takovým výměníkem, jeden propojený tepelný okruh. Pohyb média-tekutiny přinášející do akumulačního kotle teplo byl opět založen buď na termosifonovém principu, nebo byl zprostředkován oběhovým čerpadlem.

Oba vyjmenované způsoby pro odvod a přívod tepla jsou konstrukčně zdánlivě jednoduché právě prostotou propojení vnějších tepelných okruhů s tepelně akumulačním kotlem. Hlavní nevýhodou je společné médium-tekutina, kterým je nejčastěji voda a kterého se užívá jednak pro akumulaci, jednak pro transport tepla buď do radiátorů,nebo naopak ze zdrojů tepla. V obou případech zmíněný jediný tepelný okruh tvořený akumulačním kotlem a vnějšími okruhy bývá přetlakový. Tepelné médium, kterým bývá nejčástěji voda, musí být zpravidla z důvodu koroze vnitřku sou2

254 058 částí tepelných okruhů chemicky upraveno. To činí potíže, protože mé-li toto médium i tepelně akumulační funkci, musí ho být značný objem. Vede to na relativně velký objem chemikálií, kterých je pro tuto chemickou antikorozní úpravu nutno užívat<, Přetlakový tepelný okruh je vždy opatřen expansní nádobou. Ve zmíněných případech je vzhledem k velkému objemu média v jediném propojeném tepelném okruhu potřeba použít expansní nádobu rovněž o relativně velkém obsahu. Velká expansní nádoba je konstrukčně, výrobně i investičně náročná., Při běžné údržbě a opravách tepelného zařízení tvořeného jediným tepelným okruhem jak bylo vysvětleno, činí rovněž potíže vypouštění a uchování značného objemu tepelného média-tekutiny, nadto chemicky upravené. Další potíže jsou s odvzdušněním média o značném objemu.

Problémem konstrukce akumulačních kotlů je požadavek na tvar nádoby kotle. Podle výpočtů i praktických zkušeností je nejúčinnější z hlediska vnitřního termosifonového jevu v akumulačním médiu kotel ve tvaru válce postaveného na základně. Vytápěcí elektrické patrony, jsou-li použity, jsou nejvhodněji umístěny v dolní části pláště válce nad základnou, to je v nejchladnějším místě. Méně účinný je tvar kotle ve formě ležatého válce. Ostatní tvary, zejména ty, které jsou výhodné z hlediska jednoduchosti výroby, jako je kupříkladu tvar kvádru či krychle, jsou z hlediska termosifonového jevu značně nevýhodné. Při odběru tepla do vnějšího okruhu, například do sekundárního okruhu, dochází k promíchání teplé a studené vody, která se vrací do kotle ze sekundárního topného okruhu. V tepelně akumulačním kotly takového neúčinného tvaru bez vnitřního opatření, jako jsou přepážky a podobně, nelze docílit dostatečně vyjádřeného oddělení teplé a studené složky akumulačního média-tekutiny. Tepelný obsah akumulátoru při promíchání teplé i studené složky zůstává sice zachován, ale se snížením teploty, která je k dispozici v promíchaném médiu pro sekundární topný okruh, klesá zároveň značně účinnost předávky tepla z tohoto sekundárního topného okruhu do vytápěných prostor. Z hlediska snížení této účinnosti je promíchání teplé i studené složky akumulačního média-tekutiny nežádoucí.

- 3 254 058

Uvedené nedostatky odstraňuje výměník tepla, určený pro akumulační kotle a podobná tepelná zařízení, sestávající ze soustavy tepelně vodivých trubek svinutých do plochého útvaru, například ploché spirály, ponořených do tepelně akumulačního media-tekutiny, podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že materiál trubek je odlišný od materiálu nádoby kotle a soustava trubek je uložena ve stěně a na podporách v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace a plochý útvar soustavy odvodných trubek je umístěn do horní části akumulačního kotle. Soustavu trubek plochého útvaru mohou s výhodou tvořit dvě trubky paralelně vinuté pro případ poruchy těsnosti jedné z trubek, přičemž obě takto vzniklé větve výměníku jsou na vstupu i výstupu z tepelně akumulačního kotle opatřeny šoupaty pro jednotlivé nebo společné paralelní použití.

Výhodou zmíněného výměníku podle vynálezu je odděleni obou tepelných okruhů, to je okruhu akumulačního kotle a okruhu připojeného na výměník. Umožňuje to použití akumulačního kotle, který má odlišný tlak akumulačního media-tekutiny proti tepelnému okruhu výměníku. Akumulační kotel může být bučí otevřený, to je na atmosférickém tlaku, nebo uzavřený, to je s přetlakem proti atmosférickému tlaku. Výhodou výměníku je rovněž použití poměrně malé expanzní nádoby, aí již otevřené nebo přetlakové, na vyrovnání tlaku v připojeném tepelném okruhu. Je to proto, že objem média v okruhu připojeném na výměník je relativně malý· Malý objem média vyžaduje rovněž malé množství chemikálií pro jeho antikorozní úpravu. Oddělení akumulačního média a média v okruhu připojeném na výměník slouží spolu s.relativně malým objemem média v tomto okruhu k usnadnění oprav tepelného zařízení. V neposlední řadě je výhodou popsaného výměníku podle vynálezu účinný přenos tepla, protože výměník je umístěn v příhodných místech tepelně akumulačního kotle, to je při odvodu tepla v nejteplejších partiích akumulačního média v horní části kotle, v případě přívodu tepla v jeho nejchladnějších partiích, to je v dolní části kotle. V obou případech je rovina výměníku umístěna vodorovně. Je tak možno využívat z hlediska cirkulace akumulačního média akumulačních kotlů nevýhodných tvarů, jako jsou například hranaté tvary krychle, kvádr a podobně.

254 058

Vynález je blíže objasněn na popisu příkladu jeho provedení pomocí přiloženého výkresu, kde obr. 1 znázorňuje nárys a obr. 2 znázorňuje bokorys výměníku tepla podle vynálezu.

Výměník je tvořen buň několika závity plochého útvaru 1, například ploché spirály, vytvarované z tenkostěnné trubky.

S výhodou je použita trubka z tepelně vodivého materiálu, který nekoroduje vlivem přítomnosti akumulačního média a média vnějšího tepelného okruhu. Tyto požadavky splňuje například měň, která se navíc dobře zpracovává, v tomto případě ohýbá a natvrdo pájí. Plochý útvar 1 je umístěn v horní části kotle. Je tak možno s úspěchem využívat i akumulačních kotlů shora zmíněných neefektivních tvarů z hlediska termosifonového jevu, jako je tvar krychle nebo kvádru. V takových případech je nutno zajistit ještě další podmínku,a to vhodné půdorysné umístění výměníku. Plochý útvar 1 by v hranatých akumulačních kotlech měl zaujímat méně než dvě třetiny půdorysné plochy, aby byla umožněna rotace akumulačního média vlivem termosifonového jevu. Úchyty výměníku by měly klást i z bočního směru akumulačnímu mediu-tekutině, která obtéká výměník, co nejmenší odpor. Rotační pohyb akumulačního média, kterým se k výměníku přináší naakumulované teplo, je z bočního pohledu vyznačen na obr. 2. Na výměníku ochlazené médium 2 klesá ke dnu akumulačního kotle a naopak, teplé médium 3 stoupá do horní části kotle. Soustava odvodpých trubek je uložena ve stěně a na podporách 7 v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace 6.

Tepelně akumulační kotel je tepelně izolován obvykle minerální vatou, skelnou vatou, perlitem či křemelinovou drtí. Demontáž takové tepelné izolace komplikuje případné opravy kotle nebo výměníku. S výhodou je proto tepelný výměník vyroben jako dvojitý, například ve formě plochého útvaru 1, například spirály, ve kterou jsou stočeny dvě trubky paralelně. Tvoří-li výměník jiný plochý útvar z trubek, je možno vyrobit takové výměníky dva a umístit je vedle sebe v jedné rovině. Vývody 4 obou trubek jsou mimo kotel jak na jejich vstupní, tak i na výstupní straně propojeny paralelně. Hydraulický odpor výměníku jako celku, který klade protékajícímu médiu vnějšího tepelného okruhu, je tedy za dané situace minimální. V obou paralelních větvích

254 058

- 5 výměníku jsou umístěna šoupata 2» kterými je možno libovolnou z obou větví uzavřít při případné poruše její těsnosti vzhledem ke kotli, to je k akumulačnímu mediu-tekutině. Situace je vyznačena na obrázku v příloze. Výměník pak pracuje jen svojí polovinou a klade dvojnásobný hydraulický odpor tepelnému mediu, které jím proudí. Poskytují-li rozměry výměníku dostatečnou rezervu pro prostup tepla, to je pro přenesení dostatečného tepelného výkonu, postačí to pro nouzový provoz tepelného zařízení a není třeba je úplně odstavovat z provozu.

Při přímém napojení průchodů výměníku, kupříkladu přírubami, ocelovou stěnou tepelného akumulačního kotle nebo při přímém upevnění výměníku do kotle, nastává koroze zařízení vlivem styku materiálu výměníku a kotle, které jsou zpravidla různé.

Na výměníku to může být například měčl, na kotli ocel. Elektrický potenciál vznikající na jejich styku korozi podporuje. Problém omezení koroze je vyřešen provedením zmíněného styku tak, že kovové materiály obou součástí jsou spojeny pomocí elektrické průchodné izolace 6. Tato elektrická průchodná izolace 6 je namáhána nejen elektricky, ale i případným přetlakem akumulačního média-tekutiny v tepelně akumulačním kotli a dále poměrně vysokou teplotou až 110 °C, které se v kotli špičkově může dosahovat. Vliv teploty na výměník se dále projevuje rozměrovou dila- . tací celého výměníku. Touto dilatací je mechanicky namáháno zejména elektricky izolované uchycení výměníku na akumulační kotel. Úchyt výměníku je proto výhodně proveden tak, že tepelnou dilatací výměníku neomezuje.

Tepelné dimenzování výměníku je navrženo tak, aby výměník s dostatečnou rezervou přenesl potřebné množství tepla, to je tepelný výkon, zejména s ohledem na potenciální možnost užívání jen poloviny výměníku při jeho poruše.

Výměník tepla podle vynálezu je využitelný zejména v energetickém hospodářství.

Claims (2)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   254 058

   1. Výměník tepla, určený pro akumulační kotle a podobná tepelná zařízení, sestávající ze soustavy tepelně vodivých trubek, svinutých do plochého útvaru, například ploché spirá ly, ponořených do tepelně akumulačního média-tekutiny, vyznačující se tím, že materiál trubek je odlišný od materiálu nádoby kotle a soustava odvodných trubek je,uložena ve stěně, a na podporách /7/ v kotli prostřednictvím elektrické průchodné izolace /6/ a plochý útvar /1/ soustavy odvodných trubek je umístěn do horní části akumulačního kotle.
2. 2. Výměník tepla podle bodu 1, vyznačující se tím, že soustavu trubek plochého útvaru /1/ tvoří dvě trubky paralelně vinuté pro případ poruchy těsnosti jedné z trubek, přičemž obě takto vzniklé větve výměníku jsou na vstupu i výstupu z tepelně akumulačního kotle opatřeny šoupaty /5/ pro jednotlivé nebo společné paralelní použití.