CZ21319U1 - Tepelný výměník pro kogeneračníjednotku s mikroturbínou - Google Patents

Description

Tepelný výměník pro kogeneraění jednotku s mikroturbínou Oblast techqiky

Řešení se týká konstrukce tepelného výměníku pro kogeneraění jednotku s mikroturbínou. Dosavadní stav techniky

Teplo, vytvořené kogeneraění jednotkou s mikroturbínou, slouží k předehřevu spalovacího vzduchu. Zbývající část teplaje 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 uspořádání proudů (výměna tepla mezi dvěma nebo více médii,...), dle charakteru výměny tepla (bez změny či se změnou fáze) nebo dle počtu teplosměnných ploch (u směšovacích výměníků, kde žádné teplosměnné plochy nejsou, se média mísí).

U výměníků typu trubka v trubce obě 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 5 MPa. Používají se např. v potravinářství a pivovarnictví. Existuje řada různých uspořádání např. ve formě dvou trubek 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 orientova20 né ve směru osy trubky (pulzátory). Svařované plášťové dvoutrubkové výměníky jsou vhodné pro nejnáročnější aplikace (nejvyšší tlaky, teploty a požadavky na těsnost). Mezi jejich nevýhody patří zejména vysoké nároky na těsnost.

Výměníky trubkové též kotlové jsou nej Častější typ výměníku, který je vhodný i pro vysoké teploty a tlaky, použitelný pro kapaliny i plyny. Orientace proudění v trubkách se může měnit, ur25 čují jej dělící přepážky v rozdělovačích komorách, což může být jejích 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 Reynoldsova Čísla 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 těsnicích materiálů).

Desko-žebrové kompaktní výměníky jsou limitovány použitím pro plyny a nižší tlaky a další nevýhoda je použití u médií, 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 absorbéru. Nevýhoda je omezení výhradně pro plyny z důvodu malé tepelné kapacity.

-1 CZ 21319 Ul

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 technického řešeni

Předmětem řešení je tepelný výměník pro kogenerační jednotku s mikroturbínou využívající odpadní teplo, které vzniká v kogenerační jednotce při kombinované výrobě tepla a elektřiny. Odcházející spaliny, jako nositel tepelné energie, mohou být dále využity jako nový zdroj tepla, například k ohřevu teplé užitkové vody. 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 zebry kruhového tvaru. Toto žebrování zvyšuje teplo-směnnou plochu a taktéž způsobuje narušování laminárního proudění spalin, čímž dochází ke zvyšování účinnosti výměníku, dále je sekce tvořena regulačním Členem, vstupem a výstupem média 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 laminárního proudění. Sekční řešení umožňuje variabilnost využití dle energetické vydatnosti spalin.

Tepelný výměník podle řešení je svou konstrukcí uzpůsoben přestupu tepla mezi dvěma médii. 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 použít 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 a na obr. 2 je znázorněn detail měděné trubky se žebrováním.

Příklad provedení technického řešení

Do spalinového traktu mikroturbíny je vložen výměník tepla, který odnímá část tepelné energie spalin. Tepelný výměník podle řešení je sestaven z minimálně jedné sekce 4. Jednotlivé sekce mohou pracovat na sobě závisle, nicméně i nezávisle, vše je řešeno regulačním členem 1 v závislosti dle požadavků na hodnotu teploty ohřívané vody. Určený počet těchto sekcí 4 lze propojit. Počet propojených sekcí 4 je určen dle potřeby požadované teploty, jež má být získána. Sekce 4 je tvořena vstupem 2 teplosměnného média, regulačním členem i, který umožňuje zejména určit, která ze sekcí 4 bude, Či naopak nebude využita tzn. jejich celkový počet. Další funkce regulačního členu i vychází z možnosti ovlivnit průtok proudící vody skrze něj, tzn. regulaci světlosti průtoku. Tímto lze ovlivnit množství vody obsažené v jednotlivých sekcích 4 i čas, po který je daný objem vody přítomen v dané sekci 4. Tento faktor dovoluje regulovat teplotu vody v jednotlivých sekcích 4. Regulační členy i mohou být provedeny jak pomocí elektro-ventilů tak i například s využitím řízení, které je založeno na teplotně citlivých senzorech. Na tento regulační člen 1 navazuje měděná trubka 7 ve tvaru Šroubovice opatřená žebry 3 kruhového tvaru. Žebra

-2CZ 21319 Ul na trubkách 7 způsobují narušování laminámího proudění spalin, čímž dochází ke zvyšování účinnosti výměníku. Po průchodu měděnou trubkou 7 vychází teplosměnné médium ze sekce 4 výstupem 5 média. Každá jednotlivá sekce 4 je opatřena krytem 6 odtahového traktu. Jednotlivé sekce 4 jsou za sebou řazeny tak, aby se nepřekrývaly. Vzájemný 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 vody při využití menšího počtu sekcí, protože spaliny s nejvyšší teplotou jsou při protiproudém směru toku vody v oblasti okolo io „poslední“ sekce výměníku.

Claims (3)

1. Tepelný výměník pro kogenerační jednotku s mikroturbínou, vyznačující se tím, že je sestaven z minimálně jedné sekce (4), která je tvořena vstupem (2) teplosměnného média, regulačním členem (1), na který navazuje měděná trubka (7) ve tvaru šroubovice, výstu15 pem (5) média a krytem (6) odtahového traktu.

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

3. Tepelný výměník podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že jednotlivé sekce (4) jsou uspořádány za sebou ve směru toku spalin.

20 4. Tepelný výměník podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že vzájemný směr toku obou médií může být jak protiproudý, kdy je směr proudících spalin vzhledem ke směru proudící vody uvnitř jednotlivých sekcí opačný, tak i souproudý, kdy se směr proudící vody obrátí tak, aby byl shodný se směrem proudících spalin.