PL196072B1 - Skrzynka powietrzna w regeneracyjnym utleniaczu termicznym - Google Patents

Abstract

1. Skrzynka powietrzna w regeneracyjnym utleniaczu termicznym zawierajacym co najmniej jedno lub kilka zlóz materialu magazynujacego i przekazujacego cieplo, przy czym skrzynka po- wietrzna jest polaczona z wlotem/wylotem gazu i ma powierzchnie przepuszczalna dla gazu, która jest zwrócona w kierunku jednego z tych zlóz, znamienna tym, ze w skrzynce powietrz- nej (1) znajduja sie srodki rozprowadzajace (4). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest skrzynka powietrzna w regeneracyjnym utleniaczu termicznym.

Zanieczyszczenia zawarte w powietrzu albo w gazie można wyeliminować, podgrzewając powietrze do na tyle wysokiej temperatury, że zanieczyszczenia spalają się albo rozpadają. Jednym ekonomicznym sposobem uzyskania tego jest przepuszczenie zanieczyszczonego powietrza przez tzw. regeneracyjny utleniacz termiczny (RTO), w którym powietrze zmusza się do przepłynięcia przez matrycę czynnika magazynującego i przekazującego ciepło. Rozkład temperatury w czynniku jest taki, że powietrze najpierw nagrzewa się do temperatury reakcji, a następnie ponownie ochładza się. W ten sposób powietrze nagrzewa się tylko przez krótki czas, a ciepło użyte do podgrzania powietrza można odzyskać do powtórnego wykorzystania. W ten sposób można wykonać bardzo energooszczędne urządzenie.

Aby zachować rozkład temperatury w czynniku magazynującym i przekazującym ciepło, kierunek przepływu powietrza przez urządzenie zmienia się na przeciwny w regularnych odstępach czasu. W ten sposób poszczególne części czynnika magazynującego i przekazującego ciepło będą służyć na przemian jako części wydzielające ciepło i jako części odbierające ciepło od przepływającego powietrza. Będą one utrzymywać swą średnią temperaturę, a rozkład temperatury w czynniku pozostanie niezmieniony.

Tego rodzaju powszechnie stosowany typ urządzenia, znany np. z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US5024817, przedstawiono na rysunku pos. I. Czynnik magazynujący i czynnik przekazujący ciepło jest rozłożony w dwóch różnych złożach 11 i 12, otaczających wspólną komorę spalania 13. Powietrze dopływa od spodu i nagrzewa się podczas przepływu do góry przez złoże 11, które jest zimne na dole i gorące na górze. Gdy powietrze wpływa do komory spalania 13, uzyskuje ono już taką temperaturę, że reakcja spalania i/lub rozpadu zachodzi w komorze spalania 13 bez dodatkowego podgrzewania albo po tylko bardzo lekkim dodatkowym podgrzaniu. Następnie powietrze przepływa w dół przez złoże 12, które podobnie jak złoże 11 jest ciepłe na górze i zimne na dole. Ciepło zawarte w powietrzu jest tym samym emitowane stopniowo do materiału złoża i powietrze będzie wypływać wylotem 15 przez mechanizm zasuwowy 14, nie unosząc ze sobą jakichkolwiek dużych ilości energii termicznej. W regularnych odstępach czasu kierunek przepływu powietrza przez urządzenie zmienia się na przeciwny w taki sposób, że na przemian powietrze będzie dopływać przez złoże 11 i wypływać przez złoże 12 oraz dopływać przez złoże 12 i wypływać przez złoże 11. Odwrócenie kierunku przepływu powietrza dokonuje się z pomocą mechanizmu zasuwowego 14. Istnieją podobne typy urządzeń, w których liczba złóż albo regeneratorów, jak się je czasami nazywa, przewyższa dwa, rozmieszczone wokół komory spalania.

Inny typ urządzenia ujawniono w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr US4741690 i przedstawiono na rysunku pos. II. W tym przypadku stosuje się tylko jedno złoże 21 materiału przekazującego i magazynującego ciepło. Rozkład temperatury w złożu jest taki, że temperatura na dole i na górze złoża jest niska, podczas gdy temperatura w środku złoża jest wysoka. Powietrze przeznaczone do oczyszczania doprowadza za pomocą mechanizmu zasuwowego 22, na przemian do góry i na dół przez złoże. Początkowo powietrze nagrzewa się i reakcja spalania i/lub rozpadu zachodzi w środku złoża. Powietrze następnie ochładza się podczas przepływu przez pozostałą część złoża i może ono opuścić urządzenie, nie unosząc ze sobą dużych ilości energii. Dzięki zmianie kierunku przepływu powietrza przez złoże, części złoża, górna i dolna, służą odpowiednio na przemian jako czynniki grzejne i chłodzące, tak aby nagrzewać i chłodzić strumień powietrza analogicznie do dwóch złóż 11 i 12 urządzenia przedstawionego na pos. I. Odpowiednio, środek złoża urządzenia przedstawionego na pos. II działa w identyczny sposób jak komora spalania 13 urządzenia przedstawionego na pos. I.

Wpływając do urządzeń i wypływając z urządzeń, powietrze jest odpowiednio rozprowadzane nad powierzchnią złoża i zbierane znad powierzchni złoża. Uzyskuje się to poprzez zastosowanie skrzynek powietrznych 16 i 17, przedstawionych na pos. I oraz skrzynek powietrznych 23 i 24 przedstawionych na pos. II. Obydwa typy urządzeń obarczone są wadą polegającą na tym, że po zmianie kierunku przepływu powietrza skrzynka powietrzna stykająca się z dopływającym nieoczyszczonym powietrzem przekształca się w skrzynkę powietrzną stykającą się z wylatującym oczyszczonym powietrzem. Oznacza to, że powietrze znajdujące się w skrzynce powietrznej w samym momencie zmiany kierunku przepływu jest doprowadzane poprzez mechanizm zasuwowy do wylotu urządzenia bez oczyszczenia. Po każdej zmianie kierunku przepływu powietrza przez urządzenie, wyemitowany zoPL 196 072 B1 stanie tym samym „podmuch” nieoczyszczonego powietrza, powodując z kolei spadek stopnia oczyszczania uzyskiwanego w urządzeniu.

W celu zminimalizowania spadku stopnia oczyszczania jest wymagane, aby ilość nieoczyszczonego powietrza była możliwie jak najmniejsza, z którego to powodu wymagane jest zastosowanie skrzynek powietrznych o możliwie jak najmniejszych wymiarach. Małe skrzynki powietrzne generują dużą prędkość przepływu powietrza i w konsekwencji wysokie ciśnienie dynamiczne. Innym sposobem przeciwdziałania spadkowi stopnia oczyszczania jest zbieranie „podmuchu przy każdej zmianie kierunku przepływu powietrza w jednostce magazynującej i następnie zwracanie tej zebranej ilości powietrza do ponownego przerobu. Wypłukiwanie nieoczyszczonego powietrza nie odbywa się jednak w postaci idealnego przepływu tłokowego. Prędkość powietrza w większej odległości od skrzynki powietrznej jest mała. Oznacza to, że objętość wymagająca recyrkulacji do ponownego przerobu znacznie przewyższa objętość skrzynki powietrznej, jeżeli pragnie się całkowicie wyeliminować „podmuch. Tym samym więc, wielkość jednostki magazynującej musi być znaczna, a przepływ recyrkulacji wystarczająco duży, aby w sposób znaczący oddziaływać na przepustowość urządzenia. I znów, wymagane jest stosowanie skrzynek powietrznych o możliwie jak najmniejszej objętości.

Dla sprawnego działania urządzenia ważne jest, aby przepływ przez czynnik magazynujący i przekazujący ciepło był rozłożony równomiernie. Szczególnie ważnym aspektem jest to, aby równe ilości powietrza przepływały w obu kierunkach przez dowolną część czynnika. W przeciwnym wypadku, profil temperatury w okresie przejściowym pomiędzy zmianami kierunku przepływu powietrza nie będzie odtwarzany. Na wlocie i w pierwszej części skrzynki powietrznej prędkość powietrza przewyższa tę prędkość w odległym końcu skrzynki powietrznej. Oznacza to, że ciśnienie statyczne jest niższe w części skrzynki powietrznej usytuowanej bliżej wylotu niż w części jeszcze dalszej. Jest to prawdziwe zarówno w przypadku dopływu do skrzynki powietrznej, jak też w przypadku wypływu ze skrzynki powietrznej. Oznacza to, że na planowany pionowy przepływ przez materiał złoża nakłada się przepływ poziomy. Jeżeli przepływ ten staje się zbyt duży, zagraża to działaniu urządzenia. Różnice ciśnienia stają się tym większe, im większa jest prędkość powietrza wewnątrz skrzynek powietrznych. W konsekwencji ich objętości zmniejszają się w kierunku do dołu. Jest to szczególnie szkodliwa właściwość w dużych urządzeniach. Duże wymiary poziome wymagają znacznej wysokości pionowej skrzynki powietrznej dla zapewnienia, że możliwe będzie przepuszczenie znacznych ilości powietrza przeznaczonego do przerobu w kierunku poprzecznym na jednostkę długości.

Zgodna z wynalazkiem skrzynka powietrzna w regeneracyjnym utleniaczu termicznym zawierającym co najmniej jedno lub kilka złóż materiału magazynującego i przekazującego ciepło, przy czym skrzynka powietrzna jest połączona z wlotem/wylotem gazu i ma powierzchnię przepuszczalną dla gazu, która jest zwrócona w kierunku jednego z tych złóż, charakteryzuje się tym, że w skrzynce powietrznej znajdują się środki rozprowadzające.

Korzystnie środki rozprowadzające dzielą zasadniczo skrzynkę powietrzną na pierwszy przedział i drugi przedział, przy czym powierzchnia przepuszczalna jest usytuowana w pierwszym przedziale, a wlot/wylot gazu zasadniczo uchodzi do drugiego przedziału, przy czym przedziały są ze sobą połączone kanałami przelotowymi.

Ponadto korzystnie środki rozprowadzające stanowi płytowa przegroda.

Zgodnie z jednym przykładem wykonania wynalazku między płytową przegrodą i bocznymi ściankami skrzynki powietrznej znajdują się kanały przelotowe w postaci szczelin.

Zgonie zaś z kolejnym przykładem wynalazku płytowa przegroda ma rozmieszczone wzdłuż obwodu kanały przelotowe stanowiące ciąg otworów.

Ponadto korzystnie w skrzynce powietrznej pomiędzy powierzchnią przepuszczalną i przeciwległą stroną skrzynki powietrznej jest rozmieszczonych wiele elementów dystansowych, przy czym do elementów dystansowych jest przymocowana płytowa przegroda, która znajduje się w odstępie od ścianek skrzynki powietrznej.

Zgodnie z wynalazkiem korzystnie płytowa przegroda ma co najmniej częściowo właściwości powierzchni odbijającej promieniowanie cieplne.

Dzięki rozwiązaniu według wynalazku, możliwe staje się zarówno zmniejszenie objętości skrzynek powietrznych, jak i skrócenie czasów przepłukiwania skrzynek powietrznych.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia skrzynkę powietrzną ukazaną schematycznie w przekroju, fig. 2 - skrzynkę powietrzną bardziej szczegółowo, w przekroju, fig. 3 - skrzynkę powietrzną pokazaną ukośnie od spodu.

PL 196 072 B1

Na fig. 1 przedstawiono skrzynkę powietrzną 1 mającą wlot/wylot 2. Skrzynka powietrzna ma na celu utworzenie połączenia ze złożem materiału 3 magazynującego i przekazującego ciepło. Cechą innowacyjną jest to, że skrzynka powietrza 1 zawiera środki rozprowadzające 4, stanowiące płytową przegrodę 4', dzielącą skrzynkę powietrzną 1 na dwa przedziały: jeden przedział 5 przylegający do złoża 3 i jeden przedział 6 oddalony od złoża. Obydwa przedziały łączą się ze sobą za pośrednictwem kanału przelotowego w postaci szczeliny 7, biegnącej wzdłuż obwodu płytowej przegrody 4'. Ponieważ przedział 5 usytuowany obok złoża jest zasilany powietrzem z całego swego obwodu, długość strumienia powietrza w kierunku poprzecznym jest znaczna, podczas gdy równocześnie długość rozprowadzania/zbierania jest mała. W konsekwencji staje się możliwe nadanie przedziałowi, 5 skrzynki powietrznej małej wysokości i małej objętości, przy czym wymiary te nie wywołują dużej prędkości powietrza i różnic ciśnienia w tym przedziale. Równocześnie istnieje niewielka objętość, w której prędkość jest rzeczywiście mała i w konsekwencji uzyskuje się zadowalające wypłukiwanie zanieczyszczonego powietrza po zmianie kierunku przepływu powietrza przez urządzenie w czasie krótszym niż dotychczas.

Przedział 6 nie graniczy bezpośrednio ze złożem. Zatem w przedziale tym dopuszcza się większą prędkość powietrza niż w znanej skrzynce powietrznej. Całkowita objętość każdego z przedziałów 5 i 6 może być mniejsza niż objętość w znanej skrzynce powietrznej. W przedziale 6 skrzynki powietrznej nie ma w ogóle strefy, w której prędkość powietrza jest mała i która w konsekwencji wymaga długiego czasu przepłukiwania.

Figury 2 i 3 przedstawiają podobne rozwiązanie bardziej szczegółowo, przy czym fig. 3 przedstawia skrzynkę powietrzną 1 widzianą ukośnie od spodu. Rysunek ukazuje także ściankę izolacyjną 8 otaczającą boczne powierzchnie złoża.

Dodatkową zaletą uzyskaną dzięki takiej konstrukcji skrzynki powietrznej jest to, że strefa wysokiego ciśnienia powstająca w oddalonym końcu znanej skrzynki powietrznej, przesuwa się ku środkowi przedziału 5. Występujące tam zakłócenia przepływu powietrza, powodujące straty cieplne w złożu, są mniej poważne niż zakłócenia występujące w sąsiedztwie zewnętrznej ścianki złoża, gdzie występują już straty ciepła do otoczenia. Z drugiej zaś strony, w urządzeniu według wynalazku tworzy się strefa niskiego ciśnienia wzdłuż całej ścianki zewnętrznej, dając w efekcie w tym miejscu lepszą oszczędność ciepła, co z kolei umożliwia operowanie całością urządzenia w sposób bardziej energooszczędny.

Gdy urządzenie jest gotowe i osiągnęło pełną temperaturę pracy, lecz bez przepływu powietrza przez urządzenie, ciepło przepływa przez materiał złoża w kierunku z góry na dół. Powoduje to straty ciepła ze złoża. Wyposażenie skrzynki powietrznej w przegrodę, jak przedstawiono w niniejszym wynalazku, ma tę dodatkową zaletę, że przegroda działa jak ekran radiacyjny, który uniemożliwia część przepływu powietrza.

Wynikiem tego są zmniejszone straty ciepła. Ponadto temperatura w usytuowanych najbardziej na zewnątrz częściach urządzenia obniża się, umożliwiając w niektórych przypadkach zastosowanie mniej skomplikowanych i mniej żaroodpornych materiałów na pokrywy i uszczelki, a czasami czyniąc zbędnymi środki osłony dotykowej na zewnętrznych powierzchniach urządzenia. W celu wzmocnienia tego efektu, przegroda korzystnie jest wykonana z materiału o małym współczynniku emisji promieniowania cieplnego lub jest nim pokryta, a w wyniku tego ma znaczny współczynnik odbicia.

Aby osiągnąć wymagany rozkład przepływu przez złoże, można zmieniać szerokość szczeliny łączącej obydwa przedziały 5 i 6 skrzynki powietrznej. Gdy jest wymagany większy przepływ powietrza, wykonuje się szerszą szczelinę powietrzną i odwrotnie. Nie wpływając ogólnie negatywnie na funkcjonowanie, można szczelinę powietrzną uczynić nieciągłą, bądź w celu dławienia przepływu lokalnie, bądź w celach konstrukcyjnych. Podobnie szczelinę można zastąpić częściowo lub w całości ciągiem otworów rozmieszczonych na obwodzie przegrody 4'. Nawet postać, według której przedziały 5 i 6 skrzynki powietrznej komunikują się tylko z dwóch kierunków, przedstawia zalety względem skrzynki powietrznej bez przegrody.

Przedmiot wynalazku może działać także w przypadku, gdy pomiędzy dwoma przedziałami skrzynki powietrznej istnieją dalsze połączenia oprócz tych na obwodzie, gdy przegroda pomiędzy dwoma przedziałami nie biegnie przez całą skrzynkę powietrzną. Podobnie możliwe jest, w ramach wynalazku, zastosowanie szeregu skrzynek powietrznych po każdej stronie złoża. To, co powiedziano wyżej w odniesieniu do kierunków poziomego i pionowego, odnosi się do przedstawionego rysunku. Oczywiście, można skonfigurować urządzenia, w których kierunki przepływu różnią się od przedstawionych, nie zmieniając zasady działania urządzenia.

PL 196 072 B1

Należy rozumieć, że do rozprowadzania powietrza w korzystny sposób w skrzynce powietrznej można by zastosować inne środki niż przegroda. Przykładowo, można by zastosować płyty ze szczelinami albo podobne środki. Oprócz tego, wyrażenie „powietrze w kontekście opisu oraz załączonych zastrzeżeń winno być rozumiane jako obejmujące inne typy zanieczyszczonych gazów w przypadkach, gdy urządzenie spalające mające skrzynki powietrzne według wynalazku może być stosowane do oczyszczania także innych gazów.

Claims (9)

1. Skrzynka powietrzna w regeneracyjnym utleniaczu termicznym zawierającym co najmniej jedno lub kilka złóż materiału magazynującego i przekazującego ciepło, przy czym skrzynka powietrzna jest połączona z wlotem/wylotem gazu i ma powierzchnię przepuszczalną dla gazu, która jest zwrócona w kierunku jednego z tych złóż, znamienna tym, że w skrzynce powietrznej (1) znajdują się środki rozprowadzające (4).

2. Skrzynka powietrzna według zastrz. 1, znamienna tym, że środki rozprowadzające (4) dzielą zasadniczo skrzynkę powietrzną (1) na pierwszy przedział (5) i drugi przedział (6), przy czym powierzchnia przepuszczalna (9) jest usytuowana w pierwszym przedziale (5), a wlot/wylot (2) gazu zasadniczo uchodzi do drugiego przedziału (6), przy czym przedziały (5, 6) są ze sobą połączone kanałami przelotowymi.

3. Skrzynka powietrzna według zastrz. 1albo2, znamienna tym, że środki rozprowadzające (4) stanowi płytowa przegroda (4').

4. Skrzynka powietrzna według zastrz. 3, znamienna tym, że między płytową przegrodą (4') i bocznymi ściankami skrzynki powietrznej (1) znajdują się kanały przelotowe w postaci szczelin (7).

5. Skrzynka powietrzna według zastrz. 3, znamienna tym, że płytowa przegroda (4') ma rozmieszczone wzdłuż obwodu kanały przelotowe stanowiące ciąg otworów.

6. Skrzynka powietrzna według zastrz. 3, znamienna tym, że w skrzynce powietrznej (1) pomiędzy powierzchnią przepuszczalną (9) i przeciwległą stroną skrzynki powietrznej (1) jest rozmieszczonych wiele elementów dystansowych (10), przy czym do elementów dystansowych (10) jest przymocowana płytowa przegroda (4'), która znajduje się w odstępie od ścianek skrzynki powietrznej (1)

7. Skrzynka powietrzna według zastrz. 4, znamienna tym, że w skrzynce powietrznej (1) pomiędzy powierzchnią przepuszczalną (9) i przeciwległą stroną skrzynki powietrznej (1) jest rozmieszczonych wiele elementów dystansowych (10), przy czym do elementów dystansowych (10) jest przymocowana płytowa przegroda (4'), która znajduje się w odstępie od ścianek skrzynki powietrznej (1).

8. Skrzynka powietrzna według zastrz. 4 albo 5, albo 6, znamienna tym, że płytowa przegroda (4') maco najmniej częściowo właściwości powierzchni odbijającej promieniowanie cieplne.

9. Skrzynka powietrzna według zastrz. 3, znamienna tym, że płytowa przegroda (4') ma co najmniej częściowo właściwości powierzchni odbijającej promieniowanie cieplne.