PL247482B1 - Wymiennik ciepła wraz z palnikiem przystosowany do spalania wodoru - Google Patents

Abstract

Wymiennik ciepła wraz z palnikiem przystosowany do spalania wodoru, zawierający komorę spalania w której umieszczony jest palnik oraz zabudowany w obudowie spiralny wymiennik charakteryzuje się tym, że na dolotowej rurce (11) gazu do palnika (1) umieszczonego w spalania komorze (14) zamontowany jest zerowego ciśnienia zawór (6), a za zaworem (6), wewnątrz dolotowej rurki (11) znajduje się wlot (3) powietrza do spalania, na wejściu którego zamontowana jest przesłona (5), zaś wewnątrz obudowy (17) przy jej wewnętrznej ściance, zamontowany jest spiralny wymiennik ciepła (2) z wlotem (9) zimnej wody i wylotem (10) ciepłej wody, wewnątrz którego znajduje się rurowa przegroda (15) ze szczelinami (4) znajdującymi się w jej górnej części, tworząca pomiędzy nią, a obudową (17) przestrzeń (13) przepływu spalin, a za spalania komora (14) na wylocie spalin (7) zamontowany jest wyciągowy wentylator (8) spalin oraz odpływ (12) kondensatu zakończony syfonem (16).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest spiralno-cylindryczny wymiennik ciepła wraz z palnikiem i komorą spalania przystosowany do spalania wodoru w sposób bezpieczny i efektywny, umożliwiający nagrzanie medium wykorzystywanego w przemyśle grzewczym z głównym ukierunkowaniem na sektor gospodarstw domowych. Wymiennik posiada moc cieplną 10 kW która odpowiada typowemu zapotrzebowaniu na ciepło dla domu jednorodzinnego. Wymiennik może być stosowany w kotłach gazowych jednofunkcyjnych i dwufunkcyjnych.

Znane jest rozwiązanie z opisu patentowego nr US20090114733, w którym przedstawiono wodorowy wymiennik ciepła jako alternatywną konstrukcję pieca, który wykorzystuje konwersję wodoru i tlenu do wody w celu wytworzenia ciepła w przeciwieństwie do spalania paliwa, takiego jak gaz ziemny lub olej. W korzystnym przykładzie wykonania, wynalazek wykorzystuje ogniwo paliwowe posiadające anodę i katodę oraz zawierające elektrolit i katalizator, zbiornik na wodę, węże, zawór gazowy, świecę zapłonową i wymiennik ciepła. Aby skorzystać z wodorowego wymiennika ciepła, osoba podłącza zbiornik wody do linii wody w biurze lub w domu, aby umożliwić jej napełnienie wodą. Ogniwo paliwowe przymocowane do zbiornika na wodę dostarcza energię elektryczną niezbędną do przekształcenia wody wpływającej ze zbiornika w wodór i tlen. W wodzie stosuje się również katalizator przyspieszający reakcję. Gazowy wodór i tlen przemieszczają się oddzielnymi wężami do zaworu gazu, a następnie do wymiennika ciepła, gdzie gazy są mieszane i zapalane przez świecę zapłonową. Gazowy wodór i tlen są przekształcane z powrotem w wodę i emitują energię w postaci ciepła podczas tego procesu spalania. Ciepło ogrzewa wymiennik ciepła. Ciepły wymiennik ciepła działa w podobny sposób jak gazowe wymienniki ciepła. Powietrze z biura lub budynku jest zasysane przez system filtrowania i nadmuchu obok wymiennika ciepła, powodując jego ogrzanie, a następnie rozprowadzane jest po całym biurze lub domu przez szereg kanałów i otworów wentylacyjnych. Woda powstająca podczas spalania tlenu i wodoru w wymienniku ciepła opada na dno wymiennika i do węża wodnego, aby zawrócić do zbiornika wody w celu dalszego wykorzystania.

W innym rozwiązaniu przedstawionym w opisie patentowym nr CN212133385 wymiennik ciepła na wodór zawiera wiele tulei umieszczonych równolegle. Każda tuleja zawiera rurę wewnętrzną i rurę zewnętrzną, a rury wewnętrzne są umieszczone w rurach zewnętrznych, natomiast szczeliny między rurami zewnętrznymi i rurami wewnętrznymi tworzą kanały wymiany ciepła. Długość rury wewnętrznej jest większa niż rury zewnętrznej, tak że dwa końce rury wewnętrznej wystają z rury zewnętrznej, a dwa końce rury zewnętrznej są w szczelnym połączeniu z rurą wewnętrzną. Jeden koniec każdych dwóch sąsiednich rur zewnętrznych jest połączony przez zewnętrzną rurę łączącą, a wszystkie zewnętrzne rury są połączone szeregowo, tworząc obiegową rurę chłodzącą. Wlot rury chłodzącej jest utworzony na jednym końcu każdej rury chłodzącej, a wylot rury chłodzącej jest uformowany na drugim końcu każdej rury. Jeden koniec dwóch sąsiednich rur wewnętrznych jest połączony przez rurę łączącą rurę wewnętrzną tak, że wszystkie rury wewnętrzne są połączone szeregowo, tworząc okrężną rurę wodorową. Wymiennik ciepła jest prosty w konstrukcji, wygodny w wykonaniu, niewielki w zajmowanej powierzchni.

Przykład wykonania wynalazku ukazujący wymiennik ciepła na wodór przedstawiono w opisie patentowym CN112283686. Wymiennik ciepła spalania wodoru zawiera komorę spalania wodoru, przewód spalinowy ze spalania wodoru przenoszący ciepło, sekcję wymiany ciepła, sekcję wylotową gazu przenoszącego ciepło ze spalania wodoru, sekcję wlotową pary nasyconej i sekcję wylotową pary przegrzanej. Przewód spalinowy przenoszący ciepło ze spalania wodoru jest połączony z komorą spalania wodoru, a przewód spalinowy przenoszący ciepło ze spalania wodoru jest połączony z sekcją wylotową gazu przenoszącego ciepło ze spalania wodoru przez sekcję wymiany ciepła. Komora spalania wodoru składa się z zewnętrznej tulei komory spalania wodoru i wewnętrznej rury spalania wodoru; pomiędzy zewnętrzną tuleją komory spalania wodoru a wewnętrzną rurą spalania wodoru tworzy się wnęka; sekcja wymiany ciepła i sekcja wylotu przegrzanej pary są połączone z wnęką, a sekcja wlotu pary nasyconej jest połączona z wnęką poprzez sekcję wymiany ciepła.

Znane jest rozwiązanie z opisu patentowego nr WO2005024301, w którym przedstawiono rozwiązanie zakładające katalityczne spalanie wodoru. W rozwiązaniu tym powietrze podawane jest przez wentylator nadmuchowy na palnik katalityczny. Wodór jest wstępnie mieszany z powietrzem i podawany pod ciśnieniem 20 mbar. Utlenienie wodoru zachodzi na katalizatorze w temperaturze 200-450°C, czyli niskiej temperaturze spalania, która sprzyja niskiej emisji NOx. Niniejszy wynalazek dotyczy palnika oraz bezpośredniego sposobu spalania mieszaniny powietrzno-wodorowej w celu wytwarzania ciepła.

Zaproponowany sposób spalania wodoru w palniku obejmuje następujące etapy: na początku następuje mieszanie wodoru i powietrza w celu uzyskania mieszaniny palnej, a następnie dostarcza się powyższą mieszaninę do palnika na katalizatorze tak, aby rozpocząć spalanie przez kontaktowanie wymienionej mieszaniny i katalizatora, po czym następuje spalanie w niskiej temperaturze wymienionego wodoru bez tworzenia płomieni. Jako katalizator stosuje się pallad (Pd 46), platynę (Pt 78) lub inne metale lub ich stopy, a wspomniany wodór jest dostarczany pod niskim ciśnieniem w zakresie 16 do 25 milibarów. Wodór jest spalany w zakresie temperatur od 200 do 450°C, a ciepło ze wspomnianego spalania jest wykorzystywane do ogrzewania płynu chłodzącego, takiego jak woda chłodząca. Wodór do spalania jest przechowywany w zbiorniku magazynującym i jest używany do tworzenia wodorków poprzez reakcję z metalami lub ich stopami, takimi jak tytan, żelazo, mangan, nikiel, chrom lub tym podobne.

Z kolei opis patentowy EP12894891 przedstawia rozwiązanie problemu zmiany nadmiaru powietrza wraz ze zmianą obciążenia cieplnego urządzenia w kotłach typu C wyposażonych w wentylator za komorą spalania. W pierwotnej wersji kotły te posiadają wentylator powietrza o stałej mocy, który dostarcza znamionową ilość powietrza do spalania. Paliwo gazowe podawane jest do kotła na palnik za pomocą regulatora ciśnienia gazu pod ciśnieniem wynikającym z obciążenia cieplnego kotła, a w komorze spalania kotła panuje podciśnienie. Zastosowano rozwiązanie, które umożliwiło utrzymanie stałego nadmiaru powietrza w stosunku do dawki gazu w całym zakresie obciążenia cieplnego kotła. Zrealizowano to poprzez sterownik, który umożliwił zmianę prędkości obrotowej wentylatora w zależności od strumienia gazu, który dostaje się na palnik poprzez regulator ciśnienia gazu.

W opisie patentowym CN112283686 przedstawiono konstrukcję wymiennika ciepła opalanego wodorem, który charakteryzuje się tym, że składa się z: komory spalania wodoru, kanału spalin przewodzącego ciepło opalanego wodorem, odcinka wymiany ciepła, odcinka odprowadzenia gazu przenoszącego ciepło, odcinka wlotu pary nasyconej i pary przegrzanej, sekcji wyładowczej, przy czym opalany wodorem przewód spalinowy gazu przenoszącego ciepło jest połączony z sekcją odprowadzania gazu przenoszącego ciepło opalanym wodorem przez sekcję wymiany ciepła. Komora spalania wodoru zawiera zewnętrzną obudowę do spalania wodoru i wewnętrzną rurę do spalania wodoru. Pomiędzy zewnętrzną obudową spalania wodoru a wewnętrzną rurą do spalania wodoru tworzy się wnęka, a sekcja wymiany ciepła i przegrzana para są nią odprowadzane. Wszystkie sekcje są połączone z wnęką, a sekcja wlotu pary nasyconej jest połączona z wnęką poprzez sekcję wymiany ciepła. Opalany wodorem wymiennik ciepła opalany wodorem ma co najmniej jedną sekcję wymiany ciepła, a każda z sekcji wymiany ciepła przechodzi przez nią w kierunku pionowym.

Znane jest rozwiązanie z opisu patentowego nr WO/2015/098438, w którym wymiennik ciepła umieszczony jest wewnątrz zbiornika ciśnieniowego. Zawiera on rurę wymiany ciepła, przez którą przechodzi czynnik cieplny dostarczany i odprowadzany z zewnątrz zbiornika ciśnieniowego, a rura wymiany ciepła jest zorientowana wzdłużnie. Wymiennik ciepła ma pierwszą i drugą rurkę spiralną uformowaną w kształt spirali skręcone w tym samym kierunku, lub pierwsza rura spiralna i druga rura spiralna są skręcone w przeciwnych do siebie kierunkach. W wymienniku ciepła w którym pierwsza rura spiralna i druga rura spiralna są uformowane w kształt spiralny, posiada wiele promieniowo wystających występów zgodnych z kierunkiem wzdłużnym naczynia.

Rura wymiany ciepła ma pierwszą spiralną rurę, część ścieżki zewnętrznej mającą otwór zasilający, do którego na jednym końcu dostarczany jest czynnik grzewczy oraz drugą spiralną rurkę, a ścieżka powrotna jest równoległa do części ścieżki zewnętrznej i posiada otwór wylotowy do odprowadzania czynnika grzewczego. W wymienniku ciepła rura wymiany ciepła jest utworzona jako pojedyncza rura liniowa zawierająca pierwszą rurę spiralną i drugą rurę spiralną, a rura wymiany ciepła jest uformowana tak, że całkowita długość pierwszej spiralnej rury i całkowita długość drugiej spiralnej rury są takie same.

Celem wynalazku jest stworzenie wymiennika ciepła wraz z palnikiem, który będzie przystosowany do spalania wodoru. W stworzonym układzie grzewczym zasilanym czystym wodorem (palnik komora spalania i wymiennik ciepła), powinno następować płomieniowe spalanie wodoru w sposób dyfuzyjny lub kinetyczno-dyfuzyjny z nadmiarem powietrza 1,5+3,0 tak aby obniżyć temperaturę spalania wodoru i wyeliminować konieczność stosowania drogich materiałów konstrukcyjnych przy jednoczesnym zachowaniu sprawności cieplnej układu na poziomie typowych wymienników ciepła stosowanych m.in. w kotłach gazowych centralnego ogrzewania. Ponadto dyfuzyjny sposób spalania wodoru w wynalazku pozwala w bezpieczny sposób uzyskiwać energię cieplną bez możliwości wystąpienia zjawiska cofania się płomienia bez stosowania dodatkowych zabezpieczeń.

Cel ten osiągnięto w rozwiązaniu według wynalazku, w którym wymiennik ciepła wraz z palnikiem przystosowanym do spalania wodoru zawierający komorę spalania w której umieszczony jest palnik oraz zabudowany w obudowie spiralny wymiennik charakteryzuje się tym, że na dolotowej rurce gazu do palnika umieszczonego w komorze spalania zamontowany jest zawór zerowego ciśnienia, a za zaworem, wewnątrz dolotowej rurki znajduje się wlot powietrza do spalania, na wejściu którego zamontowana jest przesłona, zaś wewnątrz obudowy przy jej wewnętrznej ściance, zamontowany jest spiralny wymiennik ciepła z wlotem zimnej wody i wylotem ciepłej wody, wewnątrz którego znajduje się rurowa przegroda ze szczelinami znajdującymi się w jej górnej części, tworząca pomiędzy nią a obudową przestrzeń przepływu spalin, a za komorą spalania na wylocie spalin zamontowany jest wyciągowy wentylator spalin oraz odpływ kondensatu zakończony syfonem. Korzystnie, gdy wodorowy wymiennik ciepła wewnątrz rurowej przegrody posiada zawirowywacz. Korzystnie, gdy wodorowy wymiennik ciepła po zewnętrznej stronie obudowy ma zamontowaną izolację cieplną.

Zaletą takiego rozwiązania jest zastosowanie prostego i taniego w wykonaniu wymiennika ciepła oraz palnika, a także łatwa regulacja obciążenia cieplnego. Spalanie odbywa się w sposób efektywny i bezpieczny. Wymiennik wykorzystuje układ - zawór zerowego ciśnienia oraz wentylatora, co pozwala prowadzić proces spalania przy podciśnieniu w komorze spalania w stosunku do ciśnienia otoczenia. W wymienniku ciepła wydłużona komora spalania wraz z zawirowywaczem powoduje całkowite zmieszania się paliwa gazowego i utleniacza. Spalanie w układzie grzewczym wymiennika następuje w sposób dyfuzyjny, dzięki czemu następuje ograniczenie emisji NOx do poziomu gwarantującego spełnienie wymagań dotyczących określonej grupy urządzeń, a także nie istnieje ryzyko cofnięcia płomienia. Zapewnienie odpowiedniego stosunku wodór - powietrze bliskiego na poziomie 1,5+3 daje wysoką sprawność przekazywania ciepła ze spalania wodoru do ogrzewanej wody na poziomie około 100% liczonej do wartości opałowej paliwa.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój wzdłużny palnika rurowego i spiralnego wymiennika ciepła przeznaczonego do spalania wodoru, fig. 2 przedstawia przekrój poprzeczny palnika rurowego i spiralnego wymiennika ciepła powyżej przegrody rurowej.

Palnik 1 stanowi połączenie rury ½ cala z rurą 1 cal. Gaz do palnika 1 dopływa poprzez zawór zerowego ciśnienia 6 firmy Honeywell o napięciu zasilania 24 V oraz 4,4 VA typu VK8205VE1003 z dwoma zaworami klasy C. Maksymalne ciśnienie dolotowe dla tego zaworu to 60 mbar. Zadaniem gazowego zaworu zerowego ciśnienia 6 jest utrzymanie ciśnienia rozprężenia na poziomie 5+10 Pa w typowym dla zaworu gazowego zakresie przepływów. Wyjście gazowego zaworu zerowego ciśnienia 6 połączone jest przewodem ciśnieniowym o średnicy 0 8/6 mm i długości 20 cm ze stalową rurą 1 cal stanowiącą dolot gazu 11. Powietrze do komory spalania 14 dopływa wlotem powietrza 3 umieszczonym wewnątrz rurki dolotowej 11, którą stanowi stalowa rura 1 cal. Na wlocie powietrza 3 znajduje się przesłona powietrza 5. Spiralny wymiennik ciepła 2 stanowi rura o średnicy wewnętrznej 0 8,6 mm i grubości ścianki 2 mm skręcona na promieniu 42 mm liczonym od osi wymiennika do zewnętrznej ścianki przewodu rurowego i tworzy 19 pełnych pętli na wysokość 343 mm. Przewód rurowy tworzący spiralny wymiennik 2, w dolnej części posiada wlot 9 zimnej wody oraz na jego końcu w górnej części wymiennika, wylot 10 ciepłej wody. Spiralny wymiennik 2 przez który przepływa woda, otoczony jest z zewnątrz obudową rurową 17 o średnicy zewnętrznej 0 114,5 mm i grubości ścianki 2 mm, zamkniętej od góry deklem. Komora spalania 14 posiada wymiary 0 81 mm i wysokość 348 mm. Spaliny na wysokości 285 mm od dolnej powierzchni przegrody rurowej 15 wymiennika 2 poprzez szczelinę 4 utworzoną pomiędzy obudową wymiennika 17, a przegrodą rurową 15, dostają się w przepływową przestrzeń spalin 13. Przegroda rurowa 15 wykonana jest z rury o średnicy 0 81,5 mm i grubości ścianki 1 mm oraz długość równej 285 mm. W dolnej części wymiennika spaliny przechodząc przez komorę rozprężną 19 poprzez rurę o średnicy 0 50 mm trafiają do wentylatora powietrza do spalania 8 typu EV gOlD/C/S/V12O/M25CcO zasilanego 230 V AC, 50 Hz i mocy znamionowej 40 W, na którego końcu znajduje się wylot spalin 7. W dolnej części komory rozprężnej 19 znajduje się otwór odpływu kondensatu 12 0 10 mm zakończony zamknięciem wodnym w postaci syfonu 16. Cała obudowa 17 umieszczona jest w izolacji cieplnej 18. W innym przykładzie realizacji wewnątrz komory spalania 14 powyżej palnika 1 umieszczony jest zawirowywacz 20. Zawirowywacz 20 wykonany ze stali nierdzewnej w postaci dwóch łopatek o kącie skręcenia wynoszącym 30°. Obecność zawirowywacza 20 korzystnie wpływa na przepływ spalin gdyż powoduje wprowadzenie ich w ruch turbulentny i poprawę wymiany ciepła.

Przedmiot według wynalazku może być stosowany w jednofunkcyjnym lub dwufunkcyjnym kotle gazowym opalanym czystym wodorem z otwartą bądź zamkniętą komorą spalania, a także w dziedzinie energetyki, a dokładniej w sektorze gospodarstw domowych i w przemyśle.

Claims (3)

1. Wymiennik ciepła wraz z palnikiem przystosowany do spalania wodoru, zawierający komorę spalania w której umieszczony jest palnik oraz zabudowany w obudowie spiralny wymiennik, znamienny tym, że na dolotowej rurce (11) gazu do palnika (1) umieszczonego w spalania komorze (14) zamontowany jest zerowego ciśnienia zawór (6), a za zaworem (6), wewnątrz dolotowej rurki (11) znajduje się wlot (3) powietrza do spalania, na wejściu którego zamontowana jest przesłona (5), zaś wewnątrz obudowy (17) przy jej wewnętrznej ściance, zamontowany jest spiralny wymiennik ciepła (2) z wlotem (9) zimnej wody i wylotem (10) ciepłej wody, wewnątrz którego znajduje się rurowa przegroda (15) ze szczelinami (4) znajdującymi się w jej górnej części, tworząca pomiędzy nią a obudową (17) przestrzeń (13) przepływu spalin, a za spalania komorą (14) na wylocie spalin (7) zamontowany jest wyciągowy wentylator (8) spalin oraz odpływ (12) kondensatu zakończony syfonem (16).

2. Wodorowy wymiennik ciepła według zastrz. 1, znamienny tym, że wewnątrz rurowej przegrody (15) znajduje się zawirowywacz (20).

3. Wodorowy wymiennik ciepła według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że po zewnętrznej stronie obudowy (17) zamontowana jest cieplna izolacja (18).