CZ2009815A3 - Tepelný výmeník pro kogeneracní jednotku s mikroturbínou - Google Patents

Abstract

Tepelný výmeník pro kogeneracní jednotku s mikroturbínou je sestavený z minimálne jedné sekce (4), která je tvorena vstupem teplosmenného méida (2), regulacním clenem (1), na který navazuje medená trubka ve tvaru šroubovice (7), výstupem média (5) a krytem odtahového traktu (6).

Description

Tepelný výměník pro kogenerační jednotku s mikroturbínou

Oblast techniky

Vynález se týká konstrukce tepelného výměníku pro kogenerační jednotku s mikroturbínou.

Dosavadní stav techniky

Teplo, vytvořené kogenerační jednotkou s mikroturbínou, slouží k předehřevu spalovacího vzduchu. Zbývající část tepla je bez užitku vypouštěna do ovzduší, příp. částečně využívána k ohřevu teplé vody.

V současné době jsou využívány u kogeneračních jednotek výměníky deskového typu, u kterých neexistuje možnost pokročilé regulace při požadavcích teploty ohřívaného média.

Výměníky tepla lze klasifikovat dle způsobu použití (ohřívače, vařáky, kondenzátory,...), dle počtu a uspořádáni proudů (výměna tepla mezi dvěma nebo více médií,...), dle charakteru výměny tepla (bez změny či se změnou fáze) nebo dle počtu teplosměnných ploch (u směšovacích výměníků, kde žádné teplosménné plochy nejsou, se média mísí).

U výměníků typu trubka v trubce obé média proudí souběžně (souproud nebo protiproud) v trubce nebo mezidruhovém prostoru (či prostorech). Maximální teploty u těchto výměníků jsou 180 až 200°C, maximální tlak 5MPa. Používají se např. v potravinářství a pivovarnictví. Existuje řada různých uspořádání např. ve formě dvoutrubek stočených do spirály či šroubovice, nebo s použitím žebrovaných trubek (podélné žebrování), či vložky ve formě zkroucených pásků (šroubové plochy působící jako mixéry nebo invertory) nebo zvlněné plechové pásky orientované ve směru osy trubky (pulzátory). Svařované plášťové dvoutrubkové výměníky jsou vhodné pro nejnáročnéjší aplikace (nejvyšší tlaky, teploty a požadavky na těsnost). Mezi jejich nevýhody patří zejména vysoké nároky na těsnost.

Výměníky trubkové též kotlové jsou nejčastější typ výměníku, který je vhodný i pro vysoké teploty a tlaky, použitelný pro kapaliny i plyny. Orientace proudění v trubkách se může měnit určují jej dělící přepážky v rozdělovačích komorách, což může být jejich

I

nevýhodou neboť v jedné části výměníku se proud např. ohřívá a v další chladne. Dle konstrukčního provedení existují vlnovkový kompenzátor v plášti, U-trubky, varianta W, Fieldův výměník.

Výměníky spirálové patří do kategorie deskových výměníků. Obě média proudí (zpravidla v protiproudu) ve spirálově zakřivených kanálech, přičemž zakřivení zvyšuje intenzitu přestupu tepla a současně snižuje kritickou hodnotu Re přechodu do turbulence. Spirálové výměníky jsou kompaktnější než trubkové k jejich kladům patří nízké tlakové ztráty a velmi malý sklon k zanášení. Vzhledem k tomu jsou vhodné k ohřevu vláknitých materiálů ve zpracovatelském (např. papírenském) průmyslu, metalurgii a potravinářském průmyslu. Jejich nevýhodou je omezení tlaků (a u starších provedení možnost netěsností).

Výměníky deskové využívají proudící médium ve štěrbinách mezi na sobě naskládanými deskami, které jsou profilovány tak, aby přestup tepla byl co nejvyšší a současně aby nedocházelo k nadměrnému zanášení. Prostup tepla je přibližně 2krát větší než u spirálových výměníků. Mezi jejich nevýhody patří netěsnost což je hlavním důvodem jejich menšího rozšíření. Určitým omezením jsou vyšší teploty u rozebíratelných provedení výměníků (nižší teplotní odolnost těsnících materiálů).

Desko-žebrové kompaktní výměníky jsou limitovány použitím pro plyny a nižší tlaky a další nevýhoda je použití u médii kde hrozí korozní chování nebo sklon k zanášení.

Regenerační výměníky jsou buď statické nebo rotační. Jedná se o typ výměníku, kterým střídavě protéká chladné a teplé médium. Doba střídání sekcí absorbérů je dána dobou průchodu tepelné vlny od vstupu do výstupu absorbérů. Nevýhoda je omezení výhradně pro plyny z důvodu malé tepelné kapacity.

Většina současných výměníků není variabilní pro měnící se podmínky nositele tepelné energie na vstupu (např. teplota, průtok spalin, atd.), ale jsou realizovány pro konkrétní konstantní parametry proudících médií.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je tepelný výměník pro kogenerační jednotku s mikroturbínou využívající odpadní teplo, které vzniká v kogenerační jednotce při kombinované výrobě • « · • ·· • ··

Ó. ·· • · * · ·» * · · · · • · * · · * · · * · · * tepla a elektřiny. Odcházející spaliny, jako nositel tepelné energie mohou být dále využity jako nový zdroj tepla, například k ohřevu TUV. Do spalinového traktu mikroturbíny je vložen výměník tepla podle vynálezu, který odnímá část tepelné energie spalin. Tepelný výměník je tvořen minimálně jednou sekcí, přičemž každá sekce obsahuje měděnou trubku ve tvaru šroubovice, která je opatřená žebry kruhového tvaru. Toto žebrování zvyšuje teplo-směnnou plochu a taktéž způsobuje narušování laminárniho prouděni spalin, čímž dochází ke zvyšování účinnosti výměníku, dále je sekce tvořena regulačním členem, vstupem a výstupem media a krytem odtahového traktu. Jednotlivé sekce je možné mezi sebou propojit. Měděnými trubkami proudí teplosměnné médium (voda, olej, apod ), kterému je spalinami předáváno teplo. Horké spaliny prostupují jednotlivými sekcemi výměníku a odevzdávají část tepelné energie teplosměnnému médiu (např. voda). Jednotlivé sekce jsou za sebou řazeny tak, aby se nepřekrývaly. Tím je dosaženo narušení laminárniho proudění. Sekční řešeni umožňuje variabilnost využití dle energetické vydatnosti spalin.

Tepelný výměník podle vynálezu je svou konstrukcí uzpůsoben přestupu tepla mezi dvěmi medii. Směr toku obou médií může být jak protiproudý tak i souproudý, tj. směr proudících spalin je opačný než směr proudící vody uvnitř jednotlivých sekcí tak i souproudý, kdy lze směr proudící vody obrátit tak aby byl shodný se směrem proudících spalin. Variabilita využití výměníku ve smyslu směru proudění vody vs. spalin je možností hlavně v případech kdy například bude potřeba více zdrojů teplé vody při využití menšího počtu sekcí. Protože spaliny s nejvyšší teplotou jsou při protiproudém směru toku vody Systém jeho regulace pak dovoluje získat finální hodnotu teploty dle požadavků. Konstrukčně to umožňuje propojení jeho sekcí bez ohledu na směr zvoleného proudění média. Jeho aplikace je tedy možná v poměrně širokém spektru využití, neboť jej lze použit jak pro plyny tak i pro kapaliny. Design tohoto výměníku je navržen s ohledem pro využití zejména u kogeneračních jednotek (zejména mikroturbín). Tomu je uzpůsobeno i jeho provedení s ohledem na jeho rozměry, resp. možné umístění v dané aplikaci.

·

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je vyobrazeno konstrukční řešení tepelného výměníku pro kogenerační jednotku s mikroturbínou. Na obrázku 2 je znázorněn detail měděné trubky se žebrováním.

Příklad provedení vynálezu

Do spalinového traktu mikroturbíny je vložen výměník tepla, který odnímá část tepelné energie spalin. Tepelný výměník podle vynálezu je sestaven z minimálně jedné sekce 4. Jednotlivé sekce mohou pracovat na sobě závisle nicméně i nezávisle vše je řešeno regulačním systémem 1 v závislosti dle požadavků na hodnotu teploty ohřívané vody. Navíc lze propojit jen určený (zvolený) počet těchto sekcí dle potřeby požadované teploty, jenž má být získána. Sekce 4 je tvořena vstupem teplosménného media 2, regulačním členem 1, který umožňuje zejména určit která ze sekcí bude či naopak nebude využita tzn. jejich celkový počet. Druhá funkce vychází z možnosti ovlivnit průtok proudící vody skrze něj, tzn. regulaci světlosti průtoku. Tímto lze ovlivnit množství vody obsažené v jednotlivých sekcích potažmo čas, po který je daný objem vody přítomen v dané sekci. Tento faktor dovoluje regulovat teplotu vody v jednotlivých sekcí. Regulační členy mohou být provedeny jak pomocí elektro-ventilů tak i například s využitím řízení založeném na teplotně citlivých senzorech. Na tento regulační člen navazuje měděná trubka ve tvaru šroubovice 7 opatřena žebry kruhového tvaru 3. Žebrování 3 trubek 7 způsobuje narušování laminárního proudění spalin, čímž dochází ke zvyšování účinnosti výměníku. Po průchodu měděnou trubkou 7 vychází teplosměnné medium ze sekce 4 výstupem media 5. Každá jednotlivá sekce 4 je opatřena krytem odtahového traktu 6. Jednotlivé sekce 4 jsou za sebou řazeny tak, aby se nepřekrývaly. Směr toku obou médií může být jak protiproudý tj. směr proudících spalin je opačný než směr proudící vody uvnitř jednotlivých sekcí tak i souproudý, kdy lze směr proudící vody obrátit tak aby byl shodný se směrem proudících spalin. Variabilita využití výměníku ve smyslu směru proudění vody vs. spalin je možností hlavně v případech kdy například bude potřeba více zdrojů teplé “V —

vody při využití menšího počtu sekcí. Protože spaliny s nejvyšší teplotou jsou při protiproudém směru toku vody v oblasti okolo „poslední“ sekce výměníku.

Průmyslová využitelnost

Tepelný výměník podle vynálezu je využitelný zejména u kogeneračních jednotek hlavně mikroturbín. Nicméně dá se nalézt i další uplatnění u zdrojů s odpadním teplem.

Claims (4)

1. Tepelný výměník pro kogenerační jednotku s mikroturbínou vyznačující se tím, že je sestaven z minimálně jedné sekce (4), která je tvořena vstupem teplosměnného media (2), regulačním členem (1), na který navazuje měděná trubka ve tvaru šroubovice (7), výstupem media (5) a krytem odtahového traktu (6).

2. Tepelný výměník podle nároku 1 vyznačující se tím, že každá měděná trubka ve tvaru šroubovice (7) je opatřena žebry kruhového tvaru (3).

3. Tepelný výměník podle nároku 1 a 2 vyznačující se tím, že jednotlivé sekce (4) jsou za sebou řazeny tak, aby se nepřekrývaly.

4. Tepelný výměník podle nároku 1 a 2 vyznačující se tím, že směr toku obou médii může být jak protiproudý tak í souproudý.