CZ37614U1 - Spalinový tepelný výměník pro mikro ORC jednotky využívající odpadní teplo - Google Patents

Description

Spalinový tepelný výměník pro mikro ORC jednotky využívající odpadní teplo

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelného výměníku pro ohřev pracovní látky v technologii výroby elektrické energie z odpadního tepla založené na principu organického Rankinova cyklu (ORC).

Dosavadní stav techniky

Existuje mnoho průmyslových procesů, při kterých vzniká odpadní tepelná energie, jejíž parametry (předně teplota nosného média) nejsou dostatečné pro využití k výrobě elektrické energie v tradičních energetických systémech založených na Rankin-Clausiově tepelném oběhu, kde pracovní látkou je voda/pára. Řešením v takové situaci je aplikace technologie využívající organický Rankinův cyklu, kde pracovní látkou je chladivo schopné přeměny v páru při podstatně nižší teplotě a tlaku. Termodynamická účinnost tohoto systému je poměrně malá, což je dáno teplotami, mezi kterými je celý tepelný oběh uskutečňován. Pro zvýšení aplikačního potenciálu zejména u malých ORC jednotek s výkony do 50 kW je potřeba minimalizovat ztráty a termodynamicky optimalizovat tepelný oběh. Jedním ze způsobů k dosažení tohoto cíle je zařazení regenerátoru do okruhu ORC jednotky za účelem převodu části tepelné energie emisní páry do kapalného chladiva, čímž je zajištěn jeho předehřev.

Navrhované technické řešení umožňuje předehřev chladiva realizovat novým způsobem, a to dalším výměníkem, přes který je do systému přiváděno teplo přímo z externího zdroje, kterým v tomto případě jsou spaliny. Jedná se o novou komponentu ORC jednotky. Tato komponenta nenahrazuje běžný výparník, ale svou funkcí jej doplňuje, čímž efektivněji využívá dostupný zdroj odpadního tepla.

Podstata technického řešení

Předmětem navrženého technického řešení je rekuperační typ tepelného výměníku, jehož primární strana (s vyšší teplotou) se připojuje na kouřovod spalovacího zařízení, kterým může být například teplovodní kotel na tuhá paliva. Tento kotel představuje zdroj odpadního tepla pro ORC jednotku vyrábějící elektrickou energii. Pracovní látkou v okruhu ORC jednotky je chladivo, které je přiváděno na sekundární stranu tepelného výměníku. Zde dochází vlivem přestupu tepla ze spalin k předehřevu chladiva před tím, než je přivedeno do výparníku, aby se odpařilo a následně konalo práci v expanzním stroji. Na sekundární straně (tj. straně chladiva) tepelného výměníku tedy nedochází ke změně skupenství. Na primární straně může docházet ke kondenzaci vodní páry obsažené ve spalinách při jejich kontaktu s ochlazovaným povrchem. Vzhledem k tomu, že vnitřní vestavba tepelného výměníku je tvořena svazkem žebrovaných trubek, může v prostoru mezi žebry nastat usazování prachových částic ze spalin. Pro odstranění těchto nánosů je tepelný výměník vybaven tryskami pro ofukování žeber tlakovým vzduchem s vysokým dynamickým účinkem. Odvod nahromaděného prachu včetně případného kondenzátu je řešen uzavíratelným otvorem ve středu dna tepelného výměníku, které je k tomuto otvoru vyspádováno. Tepelný výměník je dále vybaven přepážkami pro usměrnění proudění spalin kolem svazku trubek.

Výhodou navrženého řešení oproti existujícím konstrukcím průtočných spalinových výměníků je menší náchylnost k zanášení žebrovaných trubek tuhými nečistotami, které jsou typicky přítomny ve spalinách vzniklých spalováním pevných paliv. Tepelný výměník je pro tyto případy vybaven ofukovacími tryskami pro periodické čištění povrchu trubek, zejména pak prostoru mezi žebry. To snižuje nároky na údržbu a s tím související odstávky zařízení z provozu. Tepelný výměník navíc nemusí být proveden jako rozebíratelný. Další výhodou je to, že tepelný výměník je vybaven přepážkami, které vynucují obtékání proudu spalin kolem trubek a do proudu rovněž vnášejí

- 1 CZ 37614 U1 turbulence, kterými je zesilován přestup tepla ze spalin do chladiva proudícího trubkami. Výhodou j e rovněž materiálové provedení žebrovaných trubek, které j sou bimetalické a odolné vůči působení koroze, ke které může docházet v případě kondenzace vodní páry obsažené ve spalinách.

Objasnění výkresů

Obrázek 1 představuje podélný průřez celým zařízením. Obrázek 2 znázorňuje příčný průřez.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

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

Spalinový tepelný výměník v tomto případě sestává z průtočného prostoru 2 protékaného spalinami, který je ohraničen vnitřním pláštěm 15, který je opatřen tepelnou izolací 8, jež je zakrytována vnějším pláštěm 16. Spaliny jsou do průtočného prostoru 2 přiváděny vstupním spalinovým hrdlem 1. Uvnitř průtočného prostoru 2 je umístěn svazek trubek 3 tvořený soustavou žebrovaných trubek v horizontálním uspořádání, které jsou vzájemně sériově pospojovány propojovacími kolínky 4 s hladkým povrchem. Otevřené konce svazku trubek 3 představují vstup 13 a výstup 14 pracovní látky (chladiva), která je vyvedena skrz vnitřní plášť 15 a vnější plášť 16 tepelného výměníku. V tomto uspořádání se jedná o protiproudé zapojení tepelného výměníku. Polohu svazku trubek 3 v průtočném prostoru 2 vymezuje nosník 5. Proudění spalin v průtočném prostoru 2 je usměrňováno přepážkami 6, které současně v proudu spalin vyvolávají turbulence, a tím zvyšují intenzitu přestupu tepla. Ochlazené spaliny opouštějí tepelný výměník výstupním spalinovým hrdlem 10. Čištění povrchu žebrovaných trubek je řešeno s využitím ofukovacích trysek 7, které jsou zabudovány do odnímatelného víka 9. Kondenzát společně s nánosy je z tepelného výměníku odváděn uzavíratelným otvorem 12 umístěným uprostřed svažitého dna 11 průtočného prostoru 2. Pracovní poloha tepelného výměníku je horizontální.

Příklad 2

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

Od příkladu 1 se liší v tom, že v odnímatelném víku 9 tepelného výměníku nejsou zabudovány ofukovací trysky 7 pro čištění žebrovaných trubek, jelikož nehrozí intenzivní zanášení jejich povrchu. Tím jsou eliminovány požadavky na zajištění dodávky tlakového vzduchu.

Příklad 3

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

Od příkladu 1 se odlišuje tím, že z průtočného prostoru 2 není potřeba odvádět kondenzát, což umožňuje vertikální orientaci tepelného výměníku, a tím menší zastavěnou plochu.

- 2 CZ 37614 U1

Průmyslová využitelnost

Výměník je využitelný také pro jiné aplikace než pro technologii ORC. Pracovní látkou na sekundární straně může být např. voda, která je využívána k ohřevu teplé vody v akumulačním 5 zásobníku. V průmyslu může být využit např. pro ohřev menších olejových lázní apod.

Claims (5)

1. Spalinový tepelný výměník pro mikro ORC jednotky využívající odpadní teplo, vyznačující se tím, že průtočný prostor (2) protékaný spalinami je vymezen vnitřním pláštěm (15), který je opatřen tepelnou izolací (8), jež je zakrytována vnějším pláštěm (16), ve spodní části průtočného prostoru (2) se nachází svažité dno (11), v jehož středu je umístěn uzavíratelný otvor (12), který je veden skrz tepelnou izolaci (8) a vnější plášť (16), a dále je po celé délce svažitého dna (11) průtočného prostoru (2) na nosníku (5) umístěn svazek trubek (3), jehož otevřené konce představují vstupy (13) a výstupy (14) pro pracovní látky, přičemž tyto vstupy (13) a výstupy (14) jsou vedeny skrz vnitřní plášť (15) a tepelnou izolaci (8) a vnější plášť (16), dále je průtočný prostor (2) zakončen vstupním spalinovým hrdlem (1), které je umístěno na jeho boku, a na jeho protilehlém boku výstupním spalinovým hrdlem (10), a současně je horní část vnějšího pláště (16) průtočného prostoru (2) ukončena odnímatelným víkem (9).

2. Spalinový tepelný výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že svazek trubek (3) je tvořen soustavou žebrovaných trubek v horizontálním uspořádání, které jsou vzájemně sériově pospojovány propojovacími kolínky (4) s hladkým povrchem.

3. Spalinový tepelný výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnitřní plášť (15), stejně jako svazek trubek (3), jsou vyrobeny z korozivzdorného materiálu.

4. Spalinový tepelný výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že jsou na nosníku (5) a pod odnímatelným víkem (9) instalovány přepážky (6).

5. Spalinový tepelný výměník podle nároku 1, vyznačující se tím, že v horní části průtočného prostoru (2) jsou umístěny ofukovací trysky (7), které procházejí přes vnitřní plášť (15), dále tepelnou izolaci (8) a vyúsťují na vnějším plášti (16).