CZ33207U1 - Spalinový výparník chladiva pro ORC jednotky malého výkonu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Zařízení svým zaměřením spadá do oblasti energetických řešení a představuje tepelný výměník tvořící základní komponentu (výparník) tepelného oběhu realizovaného v rámci ORC jednotky. Technologie ORC (organic Rankine cycle) je využívána k výrobě elektrické energie z odpadního tepla na principu termodynamických změn pracovní látky (chladivá) v oběhu.

Dosavadní stav techniky

Zbytkové a odpadní teplo s nízkou entalpií představuje více než 50 % tepla vyrobeného průmyslovými zařízeními. Z větší části se jedná o teplo, které již nemůže být využito k výrobě elektrické energie. Tedy alespoň ne v konvenčních systémech založených na parním oběhu. Systémy na bázi organického Rankinova oběhu (ORC) jsou do jisté míry řešením, jak efektivně využít takto vzniklé odpadní teplo k výrobě elektřiny. Toto řešení je však vhodné pouze pro velké zdroje tepla (cca > 500 kW), jakými jsou např. bioplynové stanice, biomasové kotelny, energobloky, technologie zkapalňování plynu, hutní provozy, výrobní procesy zpracovatelského průmyslu aj.

Převážná část produkovaného odpadního teplaje v současné době mařena odvodem do okolního prostředí, jelikož pro něj chybí technologie pro jeho smysluplné využití. Jednou z příčin tohoto stavu je právě slabé zastoupení ORC technologie v segmentu malých a velmi malých výkonů. Důvodem je absence technicky vyspělého a ekonomicky životaschopného řešení, které by mohlo být aplikováno v malých podnicích nebo dokonce na úrovni domácností.

Výpamíky průmyslových ORC jednotek jsou v současné době řešeny jako spalinové, nebo horkovodní. Spalinové výpamíky se používají pro získávání tepla ze spalin vznikajících při různých technologických procesech nebo z horkého vzduchu s teplotami nad 350 °C. Pro nejmenší výkony ORC jednotek tohoto typu (cca 40 kW výstupního elektrického výkonu) je potřeba tepelný výkon ve spalinách/vzduchu alespoň 250 kW. Při větších výkonech ORC jednotek (>250 kWe) už k předávání tepla chladivu nedochází přímo, ale prostřednictvím vloženého zpravidla olejového okruhu. Ten nabízí určitou variabilitu systému, ale vlivem olejového hospodářství se zvyšují investiční i provozní náklady. Svými výkony a požadavky jsou existující ORC jednotky se spalinovými výpamíky určeny výhradně pro průmyslovou sféru.

Horkovodní výpamíky slouží k ohřevu chladivá odpadním teplem horké vody, přičemž těchto nízkopotenciálních zdrojů je k dispozici nepřeberné množství. ORC jednotky tohoto typu jsou navíc na trhu dostupné s elektrickým výkonem už od cca 10 kW, a tedy velice kompaktní. Malé horkovodní ORC jednotky proto lépe nacházejí uplatnění i mimo průmyslovou sféra (domácnosti, objekty občanské vybavenosti). Problémem však zůstává dostupný tepelný příkon pro ORC jednotku, jelikož vzhledem k nízkým parametrům vody (teplota cca 80 až 120 °C, ale může být i vyšší) a horší energetické účinnosti cyklu jsou na výkony zdrojů odpadního tepla kladeny vyšší nároky.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje níže popsané zařízení, které umožňuje proniknout do oblasti decentralizované výroby elektřiny, a to díky svému kompaktnímu uspořádání, které umožňuje dosáhnout větší adaptability ORC jednotky ve specifických podmínkách daných širokou škálou malých producentů odpadního tepla. S využitím speciálního výpamíku spaliny-chladivo je tak možné přímo propojit ORC jednotku se zdrojem tepla, v podobě teplovodního kotle, určeného

- 1 CZ 33207 U1 pro vytápění, čímž se jednak zjednodušuje koncepce ORC jednotky (ekonomická dostupnost) a současně se tak drobným koncovým spotřebitelům energie nabízí možnost kombinované výroby elektřiny a tepla (tzv. mikrokogenerace). Uvedený typ výpamíku představuje v tomto segmentu zcela novou komponentu ORC systému.

Podstatou řešení je nový typ výpamíku, který je možné zabudovat do zadního tahu teplovodního kotle spalujícího tuhá/plynná paliva typicky o příkonu > 100 kW (možno i nižší), případně je možné ho připojit na jeho spalinový výstup.

Výpamík je jednou z hlavních částí ORC jednotky, v níž dochází k vychlazování spalin na primární straně a přenosu tepla do pracovní látky (chladivá) na sekundární straně. Chladivo, přívodem tepla ve výpamíku, podstupuje změnu skupenství a v podobě páry je přiváděno na náporové prvky turbíny/cxpandcru, kde je tepelná energie transformována na mechanickou a následně v generátoru na elektrickou. Kotel při tomto zapojení může být provozován v kondenzačním režimu. Z tohoto důvodu je výpamík proveden z korozivzdomého materiálu, aby odolával agresivnímu prostředí produktů spalování a také nezpůsoboval degradaci chladivá

S ohledem na problémy, které představuje vysoce korozivní prostředí a rozměry výpamíku je tedy výpamík pro tuto aplikaci proveden jako šroubovitý samočisticí (turbulentní proudění), což také zajišťuje dobrou dilataci při provozu. Výpamík může také pracovat v kondenzačním režimu, kdy je navíc využíváno i latentní teplo spalin, což umožňuje zvýšení výkonu výpamíku v porovnání s variantou, kdy nastává pouze ochlazování spalin (využití pouze citelného tepla).

Hlavní výhodou zařízení je technické řešení výpamíku, které umožňuje aplikaci ORC jednotek i u velmi malých zdrojů odpadního tepla s výkony nižšími než 100 kW. Výpamík je koncipován jako spalinový trubkový, miniaturních rozměrů, aby jej bylo možné integrovat buď přímo do kotle, nebo do kouřovodu. To dovoluje získávat odpadní teplo ze zdroje s vyššími teplotami při zachování celkové jednoduchosti a kompaktnosti ORC jednotky.

Objasnění výkresů

Obrázek 1 představuje průřez celým zařízením. Obrázek 2 je detailní pohled na výpamík.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Spalinový výpamík je navržen pro získávání tepla ze spalin vzniklých spalováním tuhých paliv s vyšším podílem popelovin. Pracuje v kondenzačním režimu.

Spalinový výpamík, v tomto případě sestává z komory 1 tvaru válce, jejíž vnitřní prostor je vymezen vnitřním pláštěm 2, který jev tomto případě vyroben z vysoce legované oceli pro eliminaci rizika koroze vyvolávané přítomností zkondenzované vodní páry a kyselých složek spalin. Komora 1 je z vnější strany opatřena tepelnou izolací 3, která je zakrytována vnějším pláštěm 4 se šroubením 10. Uvnitř komory 1 je umístěna šroubovité vinutá trubka 5, v tomto případě, hladkým povrchem, jejíž oba otevřené konce 6 představují vstup/výstup pracovní látky a jsou vyvedeny skrz opláštění komory 1 výpamíku. Připojení pracovní látky na konce šroubovité vinuté trubky 5 je souproudé nebo protiproudé. Odvod kondenzátu je zajištěn přes sběrný žlábek 7 a vývod 8. Pro regulaci rychlosti proudění je výpamík vybaven brzdicí klapkou 9. Polohu šroubovité vinuté trubky 5 v prostoru komory 1 vymezuje držák 11. Spalinový výpamík se umísťuje vertikálně připojením kotle na vstupní hrdlo 12 výpamíku a komínem na výstupní hrdlo 13 výpamíku.

-2CZ 33207 U1

Příklad 2

Spalinový výpamík je navržen pro získávání tepla ze spalin vzniklých spalováním tuhých paliv s vyšším podílem popelovin. Pracuje ve vychlazovacím režimu (bez kondenzace).

Spalinový výpamík v tomto případě sestává z komory 1_ tvaru válce, jejíž vnitřní prostor je vymezen vnitřním pláštěm 2, který je vyroben z běžné nerezové oceli. Komora 1 je z vnější strany opatřena tepelnou izolací 3, která je zakryto vána vnějším pláštěm 4 se šroubením 10. Uvnitř komory 1 je umístěna šroubovité vinutá trubka 5 s, v tomto případě, hladkým povrchem, jejíž oba otevřené konce 6 jsou vyvedeny skrz opláštění komory L Připojení pracovní látky na konce šroubovité vinuté trubky 5 je souproudé nebo protiproudé. Výpamík pracuje pouze při teplotách, které jsou bezpečně nad rosným bodem spalin. Z tohoto důvodu nejsou v tomto provedení realizována opatření na odvod kondenzátu. Pro regulaci rychlosti proudění je výpamík vybaven brzdicí klapkou 9. Polohu šroubovité vinuté trubky 5 v prostoru komory 1 vymezuje držák 14. Spalinový výpamík je možno vložit do kouřovodu vertikálně nebo horizontálně. Připojení výpamíku je realizováno kotlem na vstupní hrdlo 12 a komínem na výstupní hrdlo 13 výpamíku.

Příklad 3

Spalinový výpamík je navržen pro získávání tepla ze spalin vzniklých spalováním plynných paliv bez emisí prachových částic. Pracuje v kondenzačním režimu.

Spalinový výpamík v tomto případě sestává z komory 1 tvaru válce, jejíž vnitřní prostor je vymezen vnitřním pláštěm 2, který je vyroben z vysoce legované oceli pro eliminaci rizika koroze vyvolávané přítomností zkondenzované vodní páry. Komora 1 je z vnější strany opatřena tepelnou izolací 3, která je zakryto vána vnějším pláštěm 4 se šroubením 10. Uvnitř komory 1 je umístěna šroubovité vinutá trubka 5 s hustým žebrováním zvětšujícím teplosměnnou plochu pro zvýšení předaného tepelného výkonu pracovní látce. Otevřené konce 6 šroubovité vinuté trubky 5 jsou vyvedeny skrz opláštění komory 1_. Připojení pracovní látky na konce šroubovité vinuté trubky 5 je souproudé nebo protiproudé. Odvod kondenzátu je zajištěn přes sběrný žlábek 7 a vývod 8. Pro regulaci rychlosti proudění je výpamík vybaven brzdicí klapkou 9. Polohu šroubovité vinuté trubky 5 v prostoru komory 1_ vymezuje držák 11. Spalinový výpamík se umísťuje vertikálně připojením kotle na vstupní hrdlo 12 výpamíku a komínem na výstupní hrdlo 13 výpamíku.

Průmyslová využitelnost

Výpamík je využitelný také pro jiné aplikace než pro ORC. Pracovní látkou na sekundární straně může být např. voda, která je využívána k ohřevu teplé vody v akumulačním zásobníku. V průmyslu může být využit např. pro ohřev menších olejových lázní apod.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (4)

1. Spalinový výpamík chladivá pro ORC jednotky malého výkonu s komorou vybavenou vnitřním a vnějším pláštěm, mezi kterými se nachází izolace, vyznačující se tím, že komora (1) je z vnější části opatřena izolací (3) a vnějším pláštěm (4) se šroubením, dále je její vnitřní prostor vymezen vnitřním pláštěm (2), v němž je v držáku (11) umístěna šroubovité vinutá trubka (5), jejíž otevřené konce (6) jsou vyvedeny opláštěním na povrch, a dále je komora (1) zakončena vstupním hrdlem (12) a výstupním hrdlem (13), přičemž mezi vstupním hrdlem (12) a komorou (1) se nachází sběrný žlábek (7) kondenzátu a vývod (8) kondenzátu, a mezi komorou (1) a výstupním hrdlem (13) je umístěna brzdící klapka (9) pro regulaci rychlosti proudění.

2. Spalinový výpamík chladivá dle nároku 1, vyznačující se tím, že šroubovité vinutá trubka

5 (5) má hladký nebo žebrovaný povrch.

3. Spalinový výpamík chladivá dle nároku 1, vyznačující se tím, že vnitřní plášť (2) i šroubovité vinutá trubka (5) jsou vyrobeny z korozivzdomého materiálu.

ίο

4. Spalinový výpamík chladivá dle nároku 1, vyznačující se tím, že připojení pro vstup/výstup pracovní látky na otevřené konce (6) šroubovité vinuté trubky (5) je souproudé nebo protiproudé.