CZ32883U1 - Rekuperační deskový výměník tepla - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká konstrukce deskového výměníku tepla pro plynná pracovní media, zejména k využití v energetice v režimu spaliny - spaliny nebo vzduch-spaliny. Jedná se o rekuperační výměník tepla uplatnitelný zejména při snižování emisí NO_X ve spalinách metodou SCR ve variantě „Tail End“, tj. u vyčištěných a odsířených spalin. Výměník je možno použít i pro předehřev spalovacího vzduchu při spalovacích procesech. Vynález spadá do oblasti tepelné energetiky, čištění spalin a katalytického snižování emisí NO_X.

Dosavadní stav techniky

V současné době se při použití selektivní katalytické redukce (SCR) emisí NO_X používají dva základní typy výměníků pro rekuperaci tepla, tj. ke zvýšení a následnému snížení teploty spalin pro účinnou reakci na katalytické vrstvě. Jsou to výměníky regenerační a rekuperační.

Regenerační výměníky jsou rotačního typu, známé pod pojmem Ljungstrom. Jsou zaplněny hmotou zvlněných plechů umístěných svisle v koších na rotujícím hřídeli, kde se do jedné kruhové výseče výměníku přivádí horké medium a na druhé straně se do druhé kruhové výseče, zpravidla jako protiproud, přivádí studené médium k ohřátí. Prostředníkem výměny tepla mezi medii je hmota náplně, která se na jedné straně ohřívá a na druhé předává teplo druhému mediu. U těchto typů výměníků dochází vlivem pohybujících se částí k netěsnostem, které zhoršují výslednou účinnost.

Rekuperační výměníky se používají trubkové, deskové nebo kapsové konstrukce. Trubky mohou být hladké, žebrované nebo jinak tvarované pro zlepšení přestupu tepla a zvětšení teplosměnné plochy. Účinnost výměníků je dána velikostí teplosměnné plochy a způsobem konstrukčního řešení přívodu jednotlivých medií - horkého a studeného - do výměníku. S ohledem na hmotnost výměníku a náklady na materiál nelze velikost výměníku, a tím i účinnost, neomezeně zvyšovat a výměníky tohoto typu jsou vždy kompromisem mezi cenou a dosahovanými parametry.

Jsou známy deskové tepelné výměníky, jejichž konstrukčním prvkem jsou trapézové plechy; jedná se především o topná tělesa k vytápění místností.

GB 1238491 uvádí deskový výměník tepla tvořený svazkem k sobě přiléhajících desek, jejichž střední pásmo ve směru proudění medií je trapézově zvlněné, přičemž krajní pásma jsou hladká. Vlny vtrapézovém pásmu dvou sousedících desek jsou vzájemně přesazené a po vzájemném dosednutí desek vytvářejí střídavě kanály pro průchod jednoho a druhého media. Jedno medium se do výměníku přivádí a z něj odvádí ve směru kanálů a druhé se přivádí bokem do jednoho krajního pásma a odvádí se z druhého krajního pásma. Výměník vyrobitelný z plastické hmoty je určen pro malá množství vzdušiny o poměrně nízké teplotě.

Technické řešení si klade za úkol navrhnout konstrukci výměníku tepla z cenově dostupných prvků pro použití v energetice k výměně tepla mezi plynnými medii ve velkých objemech a teplotách do 300 °C.

Podstata technického řešení

Uvedený úkol řeší rekuperační deskový výměník tepla, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořen alespoň dvěma rovnoběžnými, shodně orientovanými a se vzájemným odstupem uspořádanými teplosměnnými stěnami, z nichž každá je tvořena dvěma trapézovými deskami, se střídajícími se

- 1 CZ 32883 U1 žlábky a lamelami, sraženými svými lícními plochami tak, že lamely obou desek se dotýkají a žlábky vytvářejí kanály pro průchod druhého media, zatím co prostor mezi teplosměnnými stěnami, který je po celém obvodu zaslepen, slouží pro průchod prvního media, přičemž v lamelách teplosměnných stěn je na každém konci lamely vytvořen otvor pro průchod prvního media a přičemž desky každé dvojice jsou na bočních hranách a po obvodu otvorů plynotěsně spojeny a styk zaslepení s teplosměnnými stěnami je utěsněn.

K zamezení deformace teplosměnných stěn a k povzbuzení turbulence proudění prvního media mohou být mezi teplosměnné stěny vloženy distanční prvky.

Kanály v teplosměnné stěně ústí na obou koncích do přiváděcího, resp. odváděcího potrubí druhého media a otvory v lamelách krajních teplosměnných stěn ústí do přiváděči, resp. odváděči hlavy prvního media.

Ve výhodném provedení výměníku tepla vyčnívají z přiváděči hlavy usměrňovači hubice volně procházející řadou otvorů v lamelách k usměrnění prvního media do prostorů mezi teplosměnnými stěnami.

Za účelem čištění mohou být prostory mezi teplosměnnými plochami na boku v nejnižším místě opatřeny uzavíratelnými čistícími otvory.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále objasněno pomocí výkresů, na nichž obr. 1 představuje v axonometrickém promítání úsek dvou vedle sebe řazených teplosměnných stěn, obr. 2 je celá teplosměnná stěna, rovněž v axonometrickém promítání, obr. 3 je zaslepení prostoru mezi teplosměnnými stěnami, obr. 4 je pohled shora na výplň výměníku tepla, obr. 5 je přiváděči hlava prvního media s usměrňovačům hubicemi a obr. 6 je kompletní výměník opatřený pláštěm, přičemž šipky vyznačují vstup a výstup medií.

Příklady uskutečnění technického řešení

Výměník tepla podle vynálezu, jehož celková podoba je na obr. 6, je tvořen svazkem rovnoběžných, shodně orientovaných a se vzájemným odstupem uspořádaných teplosměnných stěn T Každá z těchto stěn 1 - viz obr. 1, je tvořena dvěma trapézovými deskami 2, konkrétně trapézovými plechy, se střídajícími se žlábky 3 a lamelami 4. Desky 2 jsou sraženy svými lícními plochami tak, že se lamely 4 obou desek 2 dotýkají a žlábky 3 vytvářejí kanály 5 pro průchod druhého media. Přitom prostor 6 mezi teplosměnnými stěnami 1 slouží pro průchod prvního media. V lamelách 4 teplosměnných stěn 1 je na každém konci lamely vytvořen otvor 7 pro průchod prvního media. Desky 2 každé dvojice jsou na bočních hranách 8 a po obvodu 9 otvorů 7 plynotěsně spojeny a styk zaslepení 10 s teplosměnnými stěnami 1 je utěsněn.

Kanály 5 v teplosměnné stěně 1 ústí na obou koncích do přiváděcího, resp. odváděcího potrubí druhého media. Tato potrubí nejsou na výkrese znázorněna. Otvory 7 v lamelách 4 krajních teplosměnných stěn 1 ústí do přiváděči, resp. odváděči hlavy 11, 12 prvního media - viz obr. 6. Z přiváděči hlavy 11 vyčnívají usměrňovači hubice 13 volně procházející řadou otvorů 7 v lamelách 4 k usměrnění prvního media do prostorů 6 mezi teplosměnnými stěnami T

K zamezení deformace teplosměnných stěn lak povzbuzení turbulence proudění prvního media mohou být mezi teplosměnné stěny 1 vloženy distanční prvky.

Za účelem čištění mohou být prostory 6 mezi teplosměnnými stěnami 1 na boku v nejnižším místě opatřeny uzavíratelnými čistícími otvory.

-2CZ 32883 U1

Nově navrhovaná konstrukce se liší od ostatních typů výměníků tím, že je tvořena běžnými válcovanými tenkostěnnými profily trapézového typu poskládanými na plocho po dvojicích k sobě a spojenými vhodným způsobem pro dosažení požadované těsnosti.

Válcované plechové profily se běžně vyrábějí v délkách 6 až 12 metrů a konečná cena těchto profilů je v porovnání s trubkami a jinými profily příznivá. Navíc se popsaná konstrukce vyznačuje přiměřenou tuhostí, která umožňuje jednoduchou montáž a manipulaci. Případné větší netěsnosti lze odstranit zaslepením příslušného průduchu.

Základní částí výměníku je dvojice trapézových plechů složená tak, že vystupující vlny vyčnívají proti sobě. Dvojice plechů jsou podélně na delších bočních stranách navzájem spojeny svarem, pájením, lepením nebo jiným vhodným způsobem těsného spojení. Takto jsou spojeny všechny dvojice trapézových plechů, které jsou konstrukčním základem výměníku. V těchto dvojicích se přestřihnou na obou koncích obdélníkové otvory 7, jejichž okraje se plynotěsně svaří, zapájí nebo zalepí. Tato dvojce plechů pak tvoří základní stavební prvek výměníku - teplosměnnou stěnu.

Na obou koncích každé takto vytvořené dvojice, tedy na obou jejích kratších stranách se prostor mezi nimi zaslepí vhodně tvarovaným plechem - zaslepením 10 viz obr. 3, které se může přivařit, zapájet nebo stáhnout šroubovým spojením a zalepit. Obdobně je prostor 6 mezi dvojicemi zaslepen na bocích.

Následně se tyto prvky sestaví vedle sebe a vytvoří konstrukční základ výměníku.

Přívod druhého - horkého media (spalin) určeného k ochlazení ve výměníku ústí do vstupů kanálů 5 trapézových plechů. Z druhé opačné strany trapézových plechů se odvádějí vychlazené spaliny. První medium - vzduch nebo spaliny určené k ohřátí se přivádí z boční strany do obdélníkových otvorů 7 vytvořených na konci trapézových plechů. Pro přívod ohřívaného media je určena jako speciální vstupní díl přiváděči hlava 11 opatřená hubicemi 13 pro rozdělení media do prostorů 6 mezi dvojicemi trapézových plechů. Tyto hubice 13, jejichž profil se shoduje s tvarem obdélníkových otvorů 7 a jejich počet s počtem řad otvorů 7, tvoří přívody prvního studeného média. Vsunou se do otvorů 7 v trapézových dvojicích plechů a na boční stěně výměníku se utěsní svarem, pájením nebo lepením.

Stejná úprava se provede na opačném konci výměníku. Uvnitř výměníku se nemusí tyto hubice 13 v otvorech 7 utěsnit, a tak mohou být vyrobeny s dostatečnou vůlí pro montáž. Rozdělení teplosměnných stěn 1 po průřezu navrhovaného výměníku je patrné z obr. 4. Při větších rozměrech výměníku mohou být mezi dvojicemi spojených trapézových plechů vloženy distanční prvky z pásků ploché oceli, které zajistí plechy proti nežádoucí deformaci a zároveň zajistí turbulenci proudění pro zlepšení přestupu tepla.

Uvedená konstrukce se výrazně liší od dosavadního konstrukčního řešení rekuperačních výměníků tepla. Jednotlivé desky trapézového plechu jsou tvarově stejné a výrazně zjednodušují sériovou výrobu i montáž. Tvarově složitější vstupní a výstupní díly výměníku tepla lze v současné době vyrobit s dostatečnou přesností a spolehlivou funkcí.

Výhodou navrhovaného řešení je téměř ideální protiproudé řešení výměníku, které zajišťuje vysokou účinnost využití a získání tepla. Trapézové plechy se běžně válcují, mohou být použité různé druhy a různé tloušťky materiálu. Výrobní náklady jsou podstatně nižší než u trubkových výměníků. Opakovaná výroba shodných dílů trapézových plechů snižuje náklady na výrobu.

Čistění a kontrolu výměníku je možné provádět kontrolními otvory v přívodním a výstupním dílu výměníku. Výměník je kompletně složen ve výrobním závodě a na stavbu může být dopraven jako celek.

-3 cz 32883 U1

Tento typ výměníku je vhodný zejména tam, kde je potřeba pracovat s velkými objemy spalin nebo vzduchu pro předehřev nebo snížení teploty. Takovým případem jsou zejména výměníky pro denitrifikační metody spalin systémem selektivní katalytické redukce SCR na katalyzátorech pracujících při teplotách 200 až 300 °C, kdy je třeba nejprve spaliny ohřát na požadovanou teplotu a posléze zchladit na odchozí teplotu spalin do komína nebo chladící věže. Drobné tepelné ztráty se hradí ohřevem párou nebo přídavnými hořáky na plynné nebo kapalné palivo.

Další možné využití výměníku tepla je pro předehřev spalovacího vzduchu přiváděného do spalovacích procesů nebo pro jiné technologické procesy pracující s převážně čistými médii, např. využití pro vyčištěné spaliny z kotlů nebo vzdušinu a spaliny bez mechanických nečistot. Podmínkou je provoz nad rosným bodem vzdušin a plynů.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (5)

1. Rekuperační deskový výměník tepla, vyznačující se tím, že je tvořen alespoň dvěma rovnoběžnými, shodně orientovanými a se vzájemným odstupem uspořádanými teplosměnnými stěnami (1), z nichž každá je tvořena dvěma trapézovými deskami (2), se střídajícími se žlábky (3) a lamelami (4), sraženými svými lícními plochami tak, že lamely (4) obou desek (2) se dotýkají a žlábky (3) vytvářejí kanály (5) pro průchod druhého media, zatím co prostor (6) mezi teplosměnnými stěnami (1), který je po celém obvodu zaslepen, slouží pro průchod prvního media, přičemž v lamelách (3) teplosměnných stěn je na každém konci lamely (4) vytvořen otvor (7) pro průchod prvního media a přičemž desky (2) každé dvojice jsou na bočních hranách (8) a po obvodu (9) otvorů (7) plynotěsně spojeny a styk zaslepení (10) s teplosměnnými stěnami (1) je utěsněn.

2. Výměník tepla podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi teplosměnnými stěnami (1) jsou vloženy distanční prvky.

3. Výměník tepla podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že kanály (5) v teplosměnné stěně (1) ústí na koncích do přiváděcího, resp. odváděcího potrubí druhého media a otvory (7) v lamelách (4) krajních teplosměnných stěn (1) ústí do přiváděči, resp. odváděči hlavy (11, 12) prvního media.

4. Výměník tepla podle nároku 3, vyznačující se tím, že z přiváděči hlavy (11) vyčnívají usměrňovači hubice (13) volně procházející řadou otvorů (7) v lamelách (4) k usměrnění prvního media do prostorů (6) mezi teplosměnnými stěnami (1).

5. Výměník tepla podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že prostory (6) mezi teplosměnnými plochami (1) jsou na boku v nejnižším místě opatřeny uzavíratelnými čistícími otvory.