CZ34162U1 - Zařízení s regulovatelnou teplotou spalin s ohništěm a spalinovým výměníkem - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Zařízení s regulovatelnou teplotou spalin s ohništěm a spalinovým výměníkem

Oblast techniky

Technické řešení spadá do oblasti ohnišť a spalinových výměníků, specificky tam, kde je třeba kontrolovat a ideálně také regulovat teplotu spalin. Využití nalezne i ve větších technologických celcích, jako např. v biomasovém mikrokogeneračním zdroji pracujícím s organickým Rankinovým cyklem (ORC).

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou biomasová ohniště na dřevní štěpku v podobné výkonové úrovni nižších stovek kW nej častěji řešena jako roštová se spalováním paliva v klidné filtrační vrstvě s postupným přívodem vzduchu a šamotovou vyzdívkou. Spalovací vzduch je zpravidla do ohnišť vháněn pomocí jednoho či více ventilátorů a ohniště jsou řešena jako podtlaková, přičemž spaliny z ohniště jsou odtahovány spalinovým ventilátorem. Standardem pro podávání paliva ze zásobníku je při spalování dřevní štěpky šnekový dopravník. Automatické kromě dodávky paliva aodpopelnění je zpravidla také zapalování kotle. Některá biomasová ohniště bývají také vybavena lambda sondou pro měření množství kyslíku ve spalinách, na základě čehož jsou pak řízeny množství spalovacího vzduchu a přívod paliva.

U biomasových ohnišť pro ORC jednotky je přenos tepla ze spalin do pracovní látky ORC cyklu nej častěji realizován nepřímo prostřednictvím vloženého okruhu teplonosného oleje, jehož úkolem je minimalizovat teplotní spád mezi spalinami a pracovním médiem ORC, čímž je sníženo riziko její termické degradace, ale také například vznícení. Cílem je také usnadnit řízení přívodu tepla do tepelného cyklu. Nevýhodou pak je zvýšená komplexnost zařízení, nárůst ceny a pokles účinnosti vlivem nenulových koncových teplotních spádů.

Výjimečně existují i zařízení, která používají přímý ohřev ORC pracovního média spalinami. Taková zařízení s přímým ohřevem pracovního média a s biomasovým ohništěm, specificky určená pro mikrokogenerační ORC zdroje, jsou typicky vybavena recirkulační komorou za výstupem spalin z ohniště, ve které jsou smíchávány horké spaliny ze spalovací komory spolu s recirkulovanými spalinami odebranými za spalinovými výměníky, v nichž dochází k výměně tepla mezi spalinami a pracovním médiem ORC. Teplota spalin v recirkulační komoře, respektive tepelný výkon dodaný do cyklu, bývá řízena na požadovanou konstantní teplotu například pomocí PID regulace natočení spalinové klapky ve spalinovodu za výměníky tepla, a tím tedy i řízení odběrového množství recirkulovaných spalin.

Recirkulace spalin za spalinovými výměníky tepla a jejich míšení s horkými spalinami vystupujícími z ohniště před vstupem do spalinových výměníků je velmi složité řešení, neboť vyžaduje aktivně řízenou spalinovou klapku, která rozděluje proud spalin na výstupu z výměníku mezi recirkulaci a výstup do komína. Další nevýhodou je nutnost instalovat recirkulační komoru, ve které se spaliny mísí. Tato komora musí být z principu funkce poměrně velkého objemu, což navyšuje nároky na prostor a také váhu a s tím i cenu zařízení.

Recirkulace spalin je navíc spojena se značnou ztrátou exergie, neboť dochlazování spalin recirkulaci vede k velkému snížení teploty před vstupem do spalinového výměníku.

Podstata technického řešení

Tyto nevýhody odstraňuje zařízení s regulovatelnou teplotou spalin s ohništěm a spalinovým výměníkem podle předkládaného technického řešení. Důležité je zejména zajištění přívodu spalin

- 1 CZ 34162 U1 o stabilní teplotě do spalinového výměníku. Za tímto účelem je instalována klapka pro dochlazování spalin chladicím vzduchem z vnějšího prostoru, v němž je ohniště umístěno. Další funkcí této klapky je urychlení havarijního chladnutí ohniště prisáváním studeného vzduchu.

Zařízení s regulovatelnou teplotou spalin obsahuje ohniště a spalinový výměníkem, přičemž ohniště zahrnuje spalovací komoru pro spalování paliva, která je napojena na spalinový výměník tak, že do spalinového výměníku proudí spaliny vzniklé spalováním paliva ve spalovací komoře. Spalinový výměník obsahuje také potrubí pro teplosměnné médium. Podstatou tohoto zařízení je, že obsahuje také směšovací komoru umístěnou na dráze proudu spalin mezi spalovací komorou a spalinovým výměníkem tak, že do ní proudí spaliny ze spalovací komory a že tyto spaliny jsou dále odváděny do spalinového výměníku. Přitom alespoň jedna ze stěn směšovací komory je opatřena alespoň jednou klapkou pro přívod chladicího vzduchu z vnějšku směšovací komory do této směšovací komory. Zařízení je dále osazeno alespoň jedním teplotním čidlem pro měření teploty spalin a obsahuje také pro každou klapku alespoň jeden servopohon pro ovládání této klapky. Zařízení obsahuje také řídicí jednotku, která je propojená s alespoň jedním teplotním čidlem a s alespoň jedním servopohonem.

Je výhodné, když řídicí jednotka obsahuje blok pro vyhodnocení havarijního stavu zařízení, který je propojen s alespoň jedním servopohonem pro nastavení alespoň jedné klapky pro přívod chladicího vzduchu do polohy maximálního otevření v případě havarijního stavu zařízení.

Integrace klapky nebo klapek pro přívod chladicího vzduchu přímo do směšovací komory umístěné na dráze proudu spalin před spalinovým výměníkem vede k velkému zjednodušení systému řízení teploty spalin a také k úspoře prostoru, váhy a ceny zařízení.

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže objasněno pomocí 3D modelů, renderů a fotografií.

Obr. 1 ukazuje v polovičním svislém 3D řezu technické řešení ohniště se spalovací komorou 15 a směšovací komorou 5, a to včetně usazeného spalinového výměníku 6.

Obr. 2 představuje technické řešení v celkovém 3D modelu včetně pohledu na klapku 9 pro přívod chladicího vzduchu a vzduchových ventilátorů 13. 14.

Obr. 3 je fotografií detailu příkladu technické realizace instalace klapky 9 pro přívod chladicího vzduchu na vrchní dvířka ohniště, za nimiž se nachází směšovací komora 5.

Příklad uskutečnění technického řešení

Zařízení s ohništěm a spalinovým výměníkem 6 podle předkládaného technického řešení lze použít v různých větších celcích, v nichž je důležitá regulovaná teplota spalin, jako jsou například biomasové horkovodní kotle nebo biomasový parní generátor pro parní elektrárnu či teplárnu. V dalším textu se ale zaměříme na podrobnější popis zapojení tohoto zařízení do biomasového mikrokogeneračního zdroje energie pracujícího s organickým Rankinovým cyklem (dále ORC). Tento zdroj energie budeme v dalším textu nazývat ORC jednotka. Zaměříme se na popis příkladu konkrétního typu ohniště spalujícího dřevní štěpku. Je třeba mít na paměti, že jde pouze o příklady, které lze různě modifikovat, přičemž i modifikovaná řešení budou spadat do rozsahu ochrany definovaného přiloženými nároky na ochranu. Níže podrobněji popsaná provedení ukazují pouze některá z mnoha možných řešení, která spadají do ochrany vynálezu a ilustrují vynálezeckou myšlenku. Zařízení s ohništěm a spalinovým výměníkem lze začleňovat do jiných celků, také ohniště může spalovat i jiné druhy paliva apod. Zařízení může být umístěno v technologickém kontejneru, kotelně či jinde.

-2 CZ 34162 U1

V obr. 1 a 2 je vidět, že k ohništi, které jev tomto příkladu na biomasu, je připojeno přívodní potrubí 1 paliva, například dřevní štěpky, se šnekovým dopravníkem. Úkolem ohniště a k němu přímo připojených prvků v rámci ORC jednotky je přívod paliva, jeho zapálení, vyhoření na roštu, automatický odvod popela a zejména zajištění přívodu spalin o stabilní teplotě do spalinového výměníku 6, který v tomto příkladu slouží jako výpamík pracovního média ORC.

Ohniště zahrnuje spalovací komoru 15 pro spalování paliva, která je napojena na spalinový výměník 6 tak, že do spalinového výměníku 6 proudí spaliny vzniklé spalováním paliva ve spalovací komoře 15. Spalinový výměník 6 obsahuje také potrubí pro teplosměnné médium. Tímto teplosměnným médiem může být např. pracovní médium ORC, ale v jiných příkladech provedení i třeba voda nebo teplosměnný olej, potrubí může mít s výhodou podobu šroubovice, která je umístěna kolem dutého jádra se stěnami dutého jádra. Stěny šroubovice a stěny dutého jádra vytvářejí mezi sebou anuloidní průtočný prostor pro průtok spalin, který je patrný v obr. 1. Zařízení obsahuje také směšovací komoru 5 umístěnou na dráze proudu spalin mezi spalovací komorou 15 a spalinovým výměníkem 6 tak, že do ní proudí spaliny ze spalovací komory 5 a že tyto spaliny jsou dále odváděny do spalinového výměníku 6, přičemž alespoň jedna ze stěn směšovací komory 5 je opatřena alespoň jednou klapkou 9 pro přívod chladicího vzduchu z vnějšku směšovací komory 5 do této směšovací komory 5.

Spalinový výměník 6 umístěný po dráze proudu spalin za ohništěm a směšovací komorou 5, který se současně nachází blízko spalovací komory 15 tak, jak je to znázorněno v obrázcích 1 a 2, obvykle slouží jako výpamík pracovního média ORC. Za ním po dráze proudu spalin mohou být umístěny další tepelné výměníky, v nichž rovněž dochází k tepelné výměně mezi spalinami a pracovním médiem ORC (nejsou znázorněny), které slouží jako ekonomizéry pro předehřev pracovního média ORC. Toto v ekonomizérech předehřáté pracovní médium následně proudí do spalinového výměníku 6 umístěného po dráze proudu spalin blíže ke spalovací komoře 15 a sloužícího jako výpamík. Regulace teploty spalin pomocí klapky 9 ve stěně směšovací komory 5 je přitom důležitá, ať už má ten spalinový výměník 6, který je umístěn nejblíže směšovací komoře 5, při ohřevu pracovního média ORC jakoukoli funkci.

Regulace teploty spalin vstupujících do spalinového výměníku 6 je důležitá i u jiných typů zařízení než jsou kogenerační ORC jednotky. V případě použití navrhovaného řešení například u parního generátom parní elektrárny či teplárny je nutné teplotu spalin na vstupu do spalinového výměníku 6 regulovat zejména z důvodu, aby nenastala krize varu, při které by značně poklesl přestup tepla ze spalin do média a hrozilo by poškození spalinového výměníku 6, a mimo jiné také z důvodu regulace teploty výstupní páry ze spalinového výměníku 6.

Směšovací komora 5 je obvykle částečně oddělena od spalovací komory 15 přepážkou. Tato přepážka je vhodná zejména z toho důvodu, aby plamen měl delší trasu, díky čemuž do směšovací komory 5 a následně do spalinového výměníku 6 nevstupuje o tak vysoké teplotě a není nutné tolik dochlazovat přisávaným vzduchem prostřednictvím klapky nebo klapek 9. Dále se jedná také o to, že delší setrvání plamene v nechlazeném vyzděném prostoru ohniště vede k lepšímu dohořívání prchavé hořlaviny uvolněné z paliva a tím ke snížení emisí CO a NOx. Dále se na přepážce pod směšovací komorou odlučuje popílek, takže není unášen proudem spalin dále do spalinového výměníku 6, případně do za ním zařazených ekonomizérů, a nezanáší je.

Stěny směšovací komory 5 mohou být osazeny jednou klapkou 9, tak jak je to v obr. 1 nebo 2, nebo více klapkami 9, což v obrázcích není znázorněno.

Účelem této nebo těchto klapek 9 je stabilizace teploty spalin. Jejich prostřednictvím je přiváděn chladicí vzduch, který slouží pro dochlazování spalin, zvnějšku prostoru, v němž je ohniště umístěno.

-3 CZ 34162 U1

Aby mohla regulace teploty spalin směřujících do spalinového výměníku 6 pomocí klapky 9 probíhat automatizovaně, je zařízení dále osazeno alespoň jedním teplotním čidlem 17 pro měření teploty spalin a obsahuje také pro každou klapku 9 alespoň jeden servopohon 8 pro ovládání této klapky 9. Zařízení obsahuje také řídicí jednotku 16, typicky programovatelný logický automat (dále PLC), přičemž tato řídicí jednotka je propojená s alespoň jedním teplotním čidlem 17 a s alespoň jedním servopohonem 8, optimálně pak se všemi použitými teplotními čidly 17 a všemi servopohony 8. Toto propojení pro jednu klapku 9 s jedním servopohonem a pro jedno teplotní čidlo 17 je zakresleno v obr. 2. Klapka 9 může být s výhodou osazena např. na dvířka směšovací komory 5, jak je to zakresleno v obr. 2. V tomto obrázku není směšovací komora 5 číslována, ale nachází se za dvířky s klapkou 9. Pod ní je rovněž nečíslované ohniště za s dvířky 10 ohniště, přímo nad směšovací komorou 5 je pak s výhodou usazen spalinový výměník 6.

Další funkcí klapky 9 nebo klapek 9 je urychlení havarijního chladnutí ohniště prisáváním studeného vzduchu. Za tím účelem řídicí jednotka 16 obsahuje blok 18 pro vyhodnocení havarijního stavu zařízení, který je propojen s alespoň jedním servopohonem 8 pro nastavení alespoň jedné klapky 9 pro přívod chladicího vzduchu do polohy maximálního otevření v případě havarijního stavu zařízení.

V obr. 2 je zakresleno datové propojení teplotního čidla 17 a servopohonu 8 s blokem 18 pro vyhodnocení havarijního stavu, který ale není nutnou součástí zařízení. Pokud blok 18 chybí, alespoň jedno teplotní čidlo 17 a alespoň jeden servopohon 8 jsou datově propojeny s řídicí jednotkou 16 jiným vhodným způsobem.

Přívod dřevní štěpky do ohniště z násypky je realizován přívodním šnekovým dopravníkem, jehož otáčky jsou řízené z řídicí jednotky 16. typicky z PLC, na požadovaný tepelný výkon ohniště. Pro zapálení paliva na roštu 2, který je typicky pevný, je použito elektrického zapalovače 11. Dřevní štěpka je postupně přisouvána blíže k roštu 2 ohniště do prostoru spalovací komory 15. přičemž je zbavována vázané vlhkosti sálavými spalinami a plamenem. Do prostoru pod rošt 2 je pomocí primárního vzduchového ventilátoru 13 přiváděn primární spalovací vzduch. Sekundární vzduchový ventilátor 14 ústí do prostoru pod roštem 2, na němž dochází k samotnému hoření paliva. Oba ventilátory 13. 14 jsou s výhodou propojeny s řídicí jednotkou 16.

Na roštu 2 dochází k vlastnímu hoření paliva ve filtrační vrstvě. Plamen, tvořený zejména vyhoříváním prchavé hořlaviny teplem uvolněné z dřevní biomasy, opouští prostor spalovací komory 15 a směřuje do komory směšovací 5, ve které jsou horké spaliny míšeny s chladicím vzduchem přisávaným z vnějšího prostoru. Přívod chladicího vzduchu je řízen z řídící jednotky 16. která dává povel alespoň jednomu elektrickému servopohonu 8, jenž ovládá sobě příslušnou klapku přívodu chladicího vzduchu 9, typicky tuto klapku naklápí do polohy potřebné pro dosažení požadované teploty spalin. Teplota ve směšovací komoře 5 před výstupem z ohniště do spalinového výměníku 6 je monitorována a řízena na konstantní teplotu pomocí automatického řízení řídicí jednotky 16. Alespoň jedno teplotní čidlo 17 pro monitorování této teploty je typicky umístěno v nejnižší části spalinového výměníku 6 nejblíže k ohništi. Odchozí spaliny pak ve spalinovém výměníku 6 a případně také v nad tímto spalinovým výměníkem 6 umístěných tzv. ekonomizérech předávají své citelné teplo skrze teplosměnnou plochu pracovnímu médiu ORC. Ekonomizéry bývají obdobné konstrukce jako spalinový výměník 6 a jsou obvykle umístěny na dráze proudu spalin navzájem paralelně. Udržování konstantní teploty spalin na vstupu spalinového výměníku 6, který je po dráze proudu spalin nejblíže k ohništi, je pro velmi důležité pro správnou funkci tohoto spalinového výměníku 6 i pro správnou funkci za ním případně zařazených dalších výměníků, které slouží jako ekonomizéry. Udržování konstantní teploty spalin v této oblasti je zásadní pro dosažení a udržení nominálních admisních parametrů v tepelném cyklu ORC.

-4 CZ 34162 U1

V zařízeních dle stavu techniky, kde tato regulace teploty spalin vstupujících do spalinového výměníku 6 chybí, dochází ke kolísání teploty spalin. V této situaci jsou nutné rychlé zásahy do regulace otáček napájecího čerpadla pracovního média ORC, respektive do napětí do frekvenčního měniče, který otáčky čerpadla řídí. Tyto rychlé změny činí celý okruh ORC značně nestabilní a náročný na uřízení v provozu na nominálních parametrech.

Teplosměnným médiem ve spalinovém výměníku a současně pracovním médiem ORC může být například hexamethyldisiloxan.

Odvod popela a tuhých zbytků po spalování ze spalovací komory 15 je řešen šnekovým dopravníkem 3 systému odpopelnění, do prostoru vně ohniště i technologického kontejneru, v němž je celá sestava ohniště umístěna. Šnekový dopravník 3 systému odpopelnění je spínán je signálem z řídicí jednotky 16, například jen každých 20 minut na 30 sekund, neboť popela ze spalování dřevní štěpky není mnoho. Popel se dopravuje do připravené popelnice odvodním potrubím 12 systému odpopelnění.

Celý prostor ohniště je vybaven masivní šamotovou vyzdívkou 4 a některé části ještě navíc tepelnou minerální izolací 7 pro minimalizaci tepelných ztrát. Pro možnost nahlédnutí do prostoru spalovací komory 15. případně potřebné údržby, slouží dvířka 10 ohniště.

Integrace směšovací komory 5 přímo do prostoru ohniště umožňuje vypustit recirkulační komoru za ohništěm, která v řešeních dle stavu techniky bývá určena k míchání spalin vycházejících z ohniště se spalinami, které už prošly spalinovými výměníky. Tím jsou ušetřeny nejen zástavbové rozměry, ale také náklady na materiál a váha zařízení. Klapku 9 je možné navíc použít v havarijním provozu za účelem rychlého chladnutí ohniště. V případě vyhodnocení havarijního stavu systémem řízení a regulace biomasové mikrokogenerační ORC jednotky přejde ohniště do režimu chladnutí a zastaví přívod paliva do spalovací komory. Řídicí systém dá také v tomto případě pokyn i servopohonu 8 plně otevřít klapku 9 přívodu chladicího vzduchu, čímž dojde k podstatně rychlejšímu zchladnutí celého ohniště a do spalinového výměníku 6 i do za ním případně zařazených ekonomizérů je nasáván chladný vzduch, což zapříčiní i značně rychlejší zchladnutí také systému ORC, a to jak pracovního média, tak i komponent, se kterým je pracovní médium ve styku.

Havarijní stavy vyhodnocované blokem 18 pro vyhodnocení havarijního stavu jsou následovně:

rychlý pokles průtoku pracovního média ORC vyhodnocovaný průtokovým snímačem, značící poruchu jak hlavního, tak záložního napájecího čerpadla - hrozilo by přehřátí trubek spalinového výměníku, pokud by nebyly z druhé strany chlazeny médiem;

selhání obou záložních zdrojů napájejících řídicí jednotku 76 - v tu chvíli alespoň jeden pružinový servomotor 8 plně otevře alespoň jednu klapku 9 pro urychlené zchladnutí;

překročení admisní teploty 225 °C - snímáno teplotním snímačem na vstupu do expandéru ORC, při překročení teploty hrozí tepelná degradace pracovního média ORC;

porucha těsnosti v emisní části ORC - monitorováno diferencí z tlakových snímačů na vstupu do kondenzátoru a na jeho výstupu - netěsnost v kondenzátoru vyznačující se přisáváním vzduchu z okolního prostředí kontejneru, kyslík v okruhu ORC je zcela nežádoucí korozní činitel a je nutné okamžitě odstavit jednotku a urychleně zchladnout

Pokud tedy dojde ke kterémukoli z těchto havarijních stavů, řídicí jednotka 16 dá pokyn pro plné otevření klapky 9 nebo pro otevření většího počtu klapek 9, jsou-li přítomny a je-li potřeba větší zchlazení.

Průmyslová využitelnost

Výše popsané technické řešení lze využít zejména jako ohniště pro spalování dřevní štěpky vbiomasových kogeneračních jednotkách pracujících na základě ORC s pracovním médiem z rodiny siloxanů (organické sloučeniny obsahující v molekule vazbu Si-O-Si), kde je velmi důležité řízení teploty spalin na vstupu spalinového výměníku 6, který je současně výpamíkem pracovního média ORC.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení s regulovatelnou teplotou spalin s ohništěm a spalinovým výměníkem, kde toto ohniště zahrnuje spalovací komoru (15) pro spalování paliva, která je napojena na spalinový výměník (6) tak, že do spalinového výměníku (6) proudí spaliny vzniklé spalováním paliva ve spalovací komoře (15), přičemž spalinový výměník (6) obsahuje také potrubí pro teplosměnné médium, vyznačující se tím, že obsahuje také směšovací komoru (5) umístěnou na dráze proudu spalin mezi spalovací komorou (15) a spalinovým výměníkem (6) tak, že do ní proudí spaliny ze spalovací komory (5) a že tyto spaliny jsou dále odváděny do spalinového výměníku (6), přičemž alespoň jedna ze stěn směšovací komory (5) je opatřena alespoň jednou klapkou (9) pro přívod chladicího vzduchu z vnějšku směšovací komory (5) do této směšovací komory (5) a přičemž zařízení je dále osazeno alespoň jedním teplotním čidlem (17) pro měření teploty spalin a obsahuje také pro každou klapku (9) alespoň jeden servopohon (8) pro ovládání této klapky (9), přičemž zařízení obsahuje také řídicí jednotku (16), která je propojená s alespoň jedním teplotním čidlem (17) a s alespoň jedním servopohonem (8).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že řídicí jednotka (16) obsahuje blok (18) pro vyhodnocení havarijního stavu zařízení, který je propojen s alespoň jedním servopohonem (8) pro nastavení alespoň jedné klapky (9) pro přívod chladicího vzduchu do polohy maximálního otevření v případě havarijního stavu zařízení.